Принципы группирования молочнокислых бактерий-симбионтов человека

Примеры симбиоза

Грибы и деревья

Симбиоз растений

Многие грибы (белый гриб, подберёзовик) имеют тесную связь с корнями деревьев, имея выгоду и для себя, и для растения. При таком симбиозе мелкие корни определённых деревьев оплетены нитями грибницы (гифами), проникающие в корни и располагающимися между клетками. Такое образование носит название микориза. Микориза была открыта российским ботаником Францем Михайловичем Каменским в 1879 году, а название такому виду симбиоза дал немецкий учёный Давид Альбертович Франк.

Если дословно перевести этот термин, он действительно будет отражать свою сущность, ведь переводится он как – грибокорень. Выгода для корней растения заключается в том, что грибница отдаёт ему воду и растворенные в ней минеральные вещества, поглощённые ею из почвы. Это нужно растению, чтобы развивалась корневая система, т. к грибница может выделять витамины и вещества для этого развития. Растение поставляет грибу готовые органические вещества, например, сахара, или выделения корней, для спор гриба.

Лишайники

Лишайник

Благодаря симбиозу могут образовываться группы существ, примером этому – лишайники. Они образованы двумя организмами – цианобактерией и грибом. Слоевище формируется переплетёнными гифами гриба, а между ними находятся клетки цианобактерий. Есть предположение, что автотрофный симбионт у большинства этих существ – цианобактерия носток.

Также, их могут замещать водоросли и протисты. Выгода у этого симбиоза полностью сходна с микоризой. Только вот гриб, являясь часть лишайника, совершенно не может обходиться без автотрофного симбионта, а другой – наоборот. Взаимное сожительство могут иметь и некоторые актинии, вступая в симбиоз с беспозвоночными, раками-отшельниками и даже с рыбами (рыба-клоун).

Имеется очень интересное предположение, что пластиды также имеют симбиотическое происхождение, потому что цианобактерии вступили в симбиоз с клетками эукариот. Именно поэтому эукариоты сдали разделяться на автотрофов, и гетеротрофов. Аналогично думают и про митохондрии, только в симбиоз с эукариотическими клетками вступили пурпурные бактерии.

Способы питания маленьких невидимок

У бактерий существует несколько способов питания. Некоторые из них являются автотрофами (они сами вырабатывают себе вещества для питания), некоторые являются гетеротрофами (они используют органику в пищу). Последняя категория бактерий заслуживает отдельного внимания, среди них выделяют следующие группы:

• паразиты;
• сапрофиты;
• симбионты.

Бактерии-паразиты

Паразит – это приспособленец, который использует ресурсы другого организма, а взамен несет только вред

Все бактерии, для которых характерен паразитический тип жизни, вызывают дисбаланс и болезни в том организме, в котором они обитают, при этом совершенно неважно, растение это, животное или человек. Они потребляют в пищу клетки и ткани другого живого существа, живут в них до гибели носителя

Паразитирующие бактерии оставляют после себя гнилостные реакции в клетках и тканях. И процесс гниения, к примеру, растений, бывает необратимым.

Бактерии-симбионты

Самые распространенные – клубеньковые и молочнокислые. Имеют другой образ жизни. Они приносят пользу своему носителю и той среде, где обитают. Клубеньковые виды выделяют полезные вещества в организм, с которым находятся в симбиозе. Например, утолщают корни бобовых растений, укрепляя их. Разнообразие почвенных симбионтов очень велико. Хотя они встречаются и у других видов.

Большинство выделяемых веществ у симбионтов направлены на растворение более сложных соединений. Клубеньковые бактерии делятся и размножаются именно таким способом. Так же развиваются молочнокислые микроорганизмы и большинство других бактерий, живущих в различных средах.

Бактерии-сапрофиты

Их способы потребления пищи считаются очень полезными. Они питаются гнилостными органическими соединениями или продуктами гниения. Подавляющее большинство сапрофитов выделяет в органику свои пищеварительные ферменты и лишь затем всасывает растворенные вещества. Этот вид нуждается в готовых соединениях органики. И сам не в состоянии что-либо производить. Именно эти неприметные микроорганизмы превращают навоз в гумус, а гумус в плодородный почвенный слой. Благодаря им все отжившие свой век микроэлементы подвергаются процессу гниения.

Жизнь в условиях симбиоза

Общий вес бактерий, живущих в симбиозе с одним человеком, составляет около 2 килограммов. В этот показатель веса входят и микробы ЖКТ, и микробы, живущие на коже (самые массовые микробные сообщества). Вес одной бактерии составляет одну миллиардную грамма. Если вывести количество микробов из общего веса сообщества и веса его одного представителя, то получится, что человек живет в симбиозе с триллионами бактерий.

Эта симбиотическая микрофлора не очень разнообразна. Несмотря на индивидуальные черты микробного сообщества, населяющего разные участки организма, эти сообщества сформированы по большей части из:

• стафилококков;
• стрептококков;
• кишечных палочек;
• микрококков;
• энтерококков;
• лактобактерий;
• бифидобактерий;
• коринебактерий;
• протеусов.

Среди перечисленных видов есть как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы, у них разные обмены веществ, но размножаются они по большей части одинаково.

Особенности каждой группы бактерий перечисленных видов можно определить, если выделить их отдельных представителей и идентифицировать. Отличаться они будут по предпочтениям в рационе. Такие отличия объясняются тем, что для выживания в разных условиях одним и тем же бактериям необходимо синтезировать разные белки. Простая природа бактерии позволяет в считаные дни приспосабливаться к специфике условий.

Сложно спорить с тем, что бактерии, живущие на коже лица, и бактерии, живущие на коже живота, находятся в разных условиях. А при тех микроскопических размерах, которые характерны для микробов, такая разница является глобальной.

Интенсивность размножения бактерий по большей части зависит от наличия питательных веществ. При благоприятных условиях одна бактериальная клетка делится раз в 20 минут. За этот 20-минутный период клетка проходит несколько форм. Эти формы связаны с формированием перетяжки, в результате которой одна клетка делится на две и к концу 20-й минуты количество бактерий удваивается. Однако если бы все бактерии через 20 минут удваивались, их биомасса давно бы вышла за более-менее стабильные 2 килограмма.

Есть механизмы, которые контролируют 20-минутное размножение каждой бактерии. И этот механизм связан с количеством еды. Только имея неограниченный доступ к питательным веществам, бактерии размножаются каждые 20 минут. Но это идеальная ситуация, а в реальных условиях пищи не так уж и много.

Цикл размножения бактериального сообщества на графике будет иметь S-образную форму, которую можно разделить на четыре фазы. От того, в какой фазе находится все сообщество, и зависит, сколько бактерий могут себе позволить делиться к концу 20-минуты после очередного деления.

1. Привыкание к внешней среде.
2. Быстрое поглощение питательных веществ.
3. Нехватки питательных веществ и замедление всех внутриклеточных процессов.
4. Если питание так и не поступит, бактерии займутся каннибализмом.

Следующие 20 минут можно будет отсчитывать с того момента, как бактерии получат необходимое питание.

Таким образом все бактериальное сообщество само регулирует свое количество и человеку можно не бояться, что в следующие 20 минут количество бактерий, живущих с ним в симбиозе, удвоится, а к концу 20-го часа общий вес бактерий превысит общий вес человека.

Вне организма жизнь бактерий также определяется наличием питания. Если вне организма есть доступ к органическим сахарам, бактерия может прожить очень долго. Такие бактерии, как кишечная палочка, вне организма могут существовать неделями. Если вне организма на нее не будет сильного воздействия ультрафиолета, кишечная палочка может прожить до 2 месяцев. Лактобактерии и бифидобактерии вне организма без питания живут около суток.

Строение в сравнении

Чтобы понять, кто ближе бактериям, животные или растения, следует рассмотреть строение клеток у каждого из них и найти отличия и сходство.

Ученые установили, что при единообразии биохимических основ и процесса синтеза белка все живые существа имеют особенности и множественные различия по другим признакам. Одинаковым является то, что у большинства существ нашей планеты (будь то бактерии, растения или животные):

• состав белов идентичен – 20 аминокислот;
• схема синтеза белка единообразна;
• место биосинтеза всегда рибосомы.

И для жизнедеятельности всем требуется энергия (гликолиза, окисления, дыхания), она хранится в АТФ.

Особенности развития на клеточном уровне стоит рассматривать не с позиции бактерий, растений или животных, а с точки зрения наличия или отсутствия ядра у клетки организма. Так часть живых существ получила название эукариоты, а вторая (безъядерные) – прокариоты. К тем, у кого нет ядра, относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. У остальных организмов клетки его содержат и по организации, метаболизму, генетике имеют определенные сходства.

Таблица 1. Сравнение строения клетки живых организмов

К вопросу о питании

Вопрос со способами добычи средств к существованию понятен, но как именно питаются бактерии? Главной особенностью бактериальной клетки при рассмотрении процесса потребления питательных веществ можно назвать то, что субстраты попадают внутрь через всю ее поверхность. Процессы метаболизма проходят с высокой скоростью, и так же быстро микроорганизм отреагирует на изменения в окружающей среде.

Бактерии-сапрофиты (а таковых в природе большинство) питаются мертвыми и уже начавшими разлагаться органическими материалами. Чтобы переварить пищу, они выделяют ферменты и потом поглощают результат такого внеклеточного способа переваривания. Похожим образом поступают дрожжи и грибы, которым разветвленная сеть мицелия обеспечивает возможность забирать питательные вещества с большой площади.

Несмотря на то что процесс усваивания пищи у сапротрофов проходит по одинаковому сценарию, требования к субстрату у них различаются. Одни выбирают среди отмерших организмов:

• среду с достаточно сложным содержанием элементов (остатки растений, трупы животных, молоко);
• субстраты с резко ограниченными готовыми соединениями (то есть только с теми, которые они сами не смогут воспроизвести);
• материю с единственным источником углерода (сахар, кислота, спирт или другое соединение).

Люди появляются на свет без бактерий

Зная, какую важную роль микроорганизмы играют в жизнеобеспечении, можно подумать, что бактерии появляются на свет вместе с человеком. Однако, как выяснилось, это не так: согласно Блейзеру, люди рождаются без бактерий и обзаводятся ими в течение нескольких первых лет жизни.

Первую «порцию» микробов младенец получает при прохождении через родовые пути матери, если же малыш появился на свет с помощью кесарева сечения, то он не получает этой доли микроорганизмов, из-за чего у него может быть повышен риск возникновения некоторых видов аллергии, а также ожирения.

Большая часть микробиома ребёнка формируется к трём годам — это период интенсивного развития всех систем организма.

Симбионт 2

1. Оператор 1.41
   Действующий сотрудник госкорпорации, куратор Беркута. В его роли выступает игрок.
2. Беркут, Сергей Данилович
   Для перевода: Мартин Шепард. Профессиональный наемник, боец группы спецназначения «Клинок». Главный герой второй и третьей частей. Русский. 32 года. Морально устойчив, обладает лидерскими качествами, благонадежен. Действовал в составе второй группы зачистки. Профессиональные задачи: поиск и уничтожение свидетелей, зачистка враждебной среды, сбор образцов для лабораторного анализа.
   Биография практически полностью засекречена. Известно, что в начале военной карьеры был участником боевых действий антитеррористической кампании в Чечне (Вторая кампания), спасал заложников в Сомали (контракт), воевал против ИГИЛ и неонацистских, фашистских военных образований. После чего был завербован госкорпорацией «Genome Database corp.» в частную военную компанию. Дальнейшие задания засекречены. По косвенным данным продолжил работать в горячих точках.
3. Лидия Керенская
   Любовь Беркута. Скромная девушка из семьи профессоров.
4. Профессор Третьяк, Павел Всеволодович
   Профессор вирусологии и нейробиологии, глава Отдела «А». Фанат Д. И. Менделеева. Покончил с собой.
5. Иваненко
   Помощник Третьяка в Отделе «А», где находился сейф.
6. Доктор Александр Сидорович
   Заместитель руководителя научного Отдела «В», начальник Первого блок-контроля. Предатель и провокатор, информатор госкорпорации. Носил красный платок на шее.
7. Афанасий Бут
   Техник-ремонтник вентиляционных каналов.
8. Олеся
   Лаборантка, любовь Афанасия Бута.
9. Иван Евгеньевич Соболев
   Для перевода: Мартин Шепард. Главный герой всех частей. Доктор-нейробиолог. 32 года. Брюнет. Рост: 176 см. Вес: 77 кг. Женат, в браке два года. Есть дочь, которая родилась за полгода до событий первой и нулевой части.
   Соболев устроился работать в лабораторию «Убежище М-2» за несколько недель до катастрофы. Работал в Отделе «Б» — зараженные ткани, под начальством профессора Зяброва.
10. Ольга Андреевна Шепелева
    Для перевода: Анита Йоханссон. Доктор-нейробиолог, коллега Соболева. Заразила (укус в левое предплечье) Ивана Соболева.
11. Татьяна Соболева
    Для перевода: Дебра Шепард. Супруга Ивана Соболева.
12. Алина Соболева
    Для перевода: Лиза Шепард. Дочь Ивана и Татьяны Соболевых.
13. Игорь Стешин
    Для перевода: Рё Адзумо. Лаборант блока «Б». Аллергик.
14. Проф. Демидов, Андрей Вакулович
    Для перевода: Кевин Поллард. Один из главных разработчиков вируса. Именно он стал причиной катастрофы, разбив колбу с вирусом молотком (покончил с собой).
15. Михаил Никифоров
    Спонсор.

Фиксация азота: разнообразие форм

Азотфиксирующие бактерии выполняют огромную работу, помогая растениям усваивать атмосферный азот. Их работа на несколько порядков производительнее всех фабрик по производству минеральных удобрений, вместе взятых.

К числу таких азотфиксирующих бактерий относятся клубеньковые симбиотические, поселяющиеся на корнях растений семейства бобовых, и свободноживущие нитрифицирующие. Особняком держатся микроорганизмы-денитрификаторы.

1. Клубеньковые азотфиксирующие бактерии отлично видны на корнях бобовых – их проникновение внутрь корня сопровождается образованием утолщений, внутри которых создается подходящая среда обитания для анаэробных одноклеточных симбионтов. Растение делится с клубеньковыми азотфиксирующими бактериями синтезируемыми сахарами, они же усваивают атмосферный азот, переводя его в удобные для корней аммонийную и нитратную формы. Разложение бобовых растений существенно увеличивает количество азота в почве. Это свойство широко используется при выращивании сидератов – зеленых удобрений, которые после кратковременного культивирования срезаются и запахиваются в землю.
2. Нитрифицирующие бактерии. Их характерной особенностью является последовательное превращение аммония сначала в нитрит, а затем в более удобный для растений нитрат. Эти бактерии незаменимы для почв, содержащих большое количество воздуха. Почвенный нитрат способен быстро выщелачиваться и, чтобы избежать этого, земледельцы применяют специальные ингибиторы нитрификации.
3. Денитрификаторы. Эти бактерии осуществляют обратное превращение почвенных нитратов в азот или его закись. Они также относятся к анаэробным.

Азотфиксирующие бактерии встречаются среди различных родов прокариот (Клостридиум, Азотобактер, Азоспириллум, Псевдомонас, Ацетобактер, Агробактериум, Эрвиния, Клебсиелла, Бациллюс, Алкалигенес), а также среди сине-зеленых водорослей.

Многие из этих азотфиксирующих бактерий длительное время считались свободноживущими, пока не было обнаружено, что их количество в прикорневой зоне злаковых растений существенно превышает обычную численность в земле без растений. Доказан факт их функциональных и пространственных связей с корнями растений, что делает эти микроорганизмы похожими на клубеньковые бактерии, являющиеся признанными симбионтами растений.

Бактерии: друг или враг?

Бактерии везде вокруг нас, и большинство людей считают эти прокариотические организмы болезнетворными паразитами. Хотя верно, что некоторые виды бактерии ответственны за множество серьезных заболеваний человека, другие играют жизненно важную роль в функциях нашего организма, таких как пищеварение.

Они также возвращают определенные элементы, такие как углерод, азот и кислород, в атмосферу. Эти бактерии обеспечивают непрерывность цикла химического обмена между организмами и окружающей их средой. Жизнь, как мы ее знаем, не будет существовать без бактерий, которые разлагают отходы и мертвые организмы, тем самым играя ключевую роль в потоке энергии в пищевых цепях экосистем.

Решение о том, являются ли бактерии друзьями или врагами, становится более трудным, когда рассматриваются как положительные, так и отрицательные аспекты взаимоотношений между людьми и бактериями. Существует три типа симбиотических отношений, в которых сосуществуют люди и бактерии. Типы симбиоза включают комменсализм, взаимность и паразитизм.

Симбиотические отношения

Комменсализм — это отношения, которые полезны для бактерий, но не помогают или не вредят человеку-хозяину. Большинство комменсальных бактерий находятся на эпителиальных поверхностях, которые контактируют с внешней средой. Они обычно встречаются на коже, а также в дыхательных путях и желудочно-кишечном тракте.

Комменсальные бактерии получают от хозяина питательные вещества, место для жизни и роста. В некоторых случаях комменсальные бактерии могут становиться патогенными и вызывать заболевание, или же принести пользу хозяину.

Взаимные отношения — тип отношений, при котором пользу получают, как бактерии, так и хозяин. Например, существует несколько видов бактерий, живущих на коже, ротовой полости, носу, горле и кишечнике людей или животных. Они получают место, где можно жить и питаться, а в замен предотвращают распространение вредных микробов.

Бактерии в пищеварительной системе помогают в метаболизме питательных веществ, производстве витаминов и переработке отходов. Они также играют роль в реакции иммунной системы хозяина на патогенные бактерии. Большинство бактерий, обитающих внутри человека, являются либо взаимными, либо комменсальными.

Паразитарные отношения — отношения, которые полезны для бактерий, но наносят вред хозяину. Патогенные паразиты, вызывающие различные болезни, сопротивляются иммунной системе человека и живут за счет своего хозяина. Эти бактерии продуцируют ядовитые вещества, называемые эндотоксинами и экзотоксинами, которые отвечают за симптомы, возникающие при определенных заболеваниях. Паразитические бактерии ответственны за ряд заболеваний, включая менингит, пневмонию, туберкулез и несколько видов кишечных инфекций.

Бактерии: полезны или вредны?

Когда учитываются все факты, то бактерии более полезны, чем вредны. Люди используют их для самых разных целей, например, производство сыра или масла, разложение отходов на очистных сооружениях и разработка антибиотиков. Ученые даже изучают способы хранения данных на бактериях.

Бактерии чрезвычайно устойчивы, а некоторые способны жить в самых экстремальных условиях. Они продемонстрировали, что могут выжить без нас, но мы без них не сможем жить.

Страшные и загадочные вирусы

Когда заходит речь об опасных микробах, тут же вспоминаются страшные вирусы, которыми нас усиленно пугает медицина. Эти мельчайшие неклеточные частицы («условно живые химические соединения») действительно опасны, и медики во многом правы. Вирусы вызывают СПИД, гепатиты, грипп, бешенство и другие не менее опасные вирусные заболевания.

Как ни странно, наука до сих пор не может определить природу вирусов. Они не являются живыми существами, не могут самостоятельно добывать и перерабатывать пищу, но, попадая в соответствующую клетку, быстренько встраиваются в ДНК, начинают плодиться и размножаться (передаются по наследству вместе с ДНК клетки).

Представьте себе письмо с важной информацией. До тех пор, пока письмо в пути или лежит в почтовом ящике (обычном или электронном), информация никак себя не проявляет

Но стоит открыть письмо, и информация начинает активно действовать, принося с собой перемены, порой глобальные.

Примерно так обстоит дело и с вирусами. Вне клетки они как бы не существуют, но разворачиваются во всю, попадая в благоприятные условия. Человечеству несказанно повезло – вирусы весьма капризны в выборе места обитания. Им не подходит любая клетка, они выискивают только определенные виды клеток. Иначе бороться с ними было бы вообще невозможно.

Кстати, антибиотики практически бессильны против вирусов. Действенную защиту дает только иммунитет человека. Иммунные клетки вырабатывают полезные антитела, убивающие вирусы, и интерферон, препятствующий их размножению.

Есть еще одна особенность вирусов, ставящая в тупик ученых. После начала расшифровки генома человека выяснилось, что добрая его половина состоит из непонятного мусора, который впоследствии опознали как фрагменты вирусов. Большая часть вирусных кусочков спокойно «спит», не влияя на ситуацию, но есть отдельные фрагменты, которые дали ответ на вопрос, терзавший многие поколения исследователей.

Как известно, иммунная система не щадит «чужаков», убивая все, до чего может дотянуться. Почему же в таком случае иммунные клетки женщины, будущей матери, не убивают сперматозоиды будущего отца? Оказалось, что вирусы блокируют работу иммунных сторожей и дают возможность зачатию состояться. Иными словами, своим существованием человечество обязано вирусам!