Человеческое тело даёт приют огромному количеству микроорганизмов – бактерий, микроскопических грибов, простейших, вирусов. Даже если взять из них только бактерии, то их всё равно окажется заметно больше, чем наших собственных клеток: на среднего человека массой 70 кг приходится около 30 трлн клеток тела и около 40 трлн бактерий. И далеко не все они вредные, многие живут с нами как микроскопические квартиранты, образуя разнообразную микрофлору: в кишечнике, на коже, даже в глазах.

Самые многочисленные в организме – кишечные бактерии. Их как минимум около 1000 видов (хотя 99% из них приходится на 30-40 главных видов). В научно-популярной литературе кишечную микрофлору порой называют дополнительным органом. Бактерии желудочно-кишечного тракта помогают нам расщеплять многие трудноперевариваемые соединения, в первую очередь сложные углеводы, вроде крахмала, пищевых волокон и др., облегчают всасывание магния, кальция и железа, синтезируют для нас витамин К и некоторые витамины группы В. Но этим роль кишечных бактерий не ограничивается: они влияют буквально на всё, от иммунитета до мозга.

Каждый месяц выходит множество научных статей, посвящённых различным аспектам микрофлоры: кто-то исследует, откуда она берётся и как меняется в течение жизни; кто-то изучает её взаимоотношения с другими микрообитателями организма – вирусами, грибами, простейшими; кто-то анализирует состав микрофлоры с точки зрения эволюции. Чтобы описать всё, что мы знаем о наших бактериях, понадобится целая книга, и не одна, поэтому сейчас мы бегло упомянем лишь о некоторых, по нашему мнению, наиболее интересных темах.

Бакте́рии – домен прокариотических микроорганизмов. Бактерии обычно достигают нескольких микрометров в длину, их клетки могут иметь разнообразную форму: от шарообразной до палочковидной и спиралевидной. Бактерии – одна из первых форм жизни на Земле и встречаются почти во всех земных местообитаниях. Они населяют почву, пресные и морские водоёмы, кислые горячие источники, радиоактивные отходы и глубинные слои земной коры. Бактерии часто являются симбионтами и паразитами растений и животных.

Большинство бактерий к настоящему времени не описано, и представители лишь половины типов бактерий могут быть выращены в лаборатории. Бактерии изучает наука бактериология – раздел микробиологии.

Один грамм почвы в среднем содержит 40 миллионов бактериальных клеток, а в миллилитре свежей воды можно найти миллион клеток бактерий. На Земле насчитывается около 5⋅1030 бактерий, и их биомасса превышает суммарную биомассу животных и растений. Они играют важную роль в круговороте питательных веществ, например, именно бактерии осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они также разлагают останки животных и растений посредством гниения.

Экстремофильные бактерии, обитающие рядом с холодными и горячими гидротермальными источниками, вырабатывают энергию из нерастворимых соединений, таких как сероводород и метан. Предполагается, что бактерии живут и в Марианской впадине, имеющей глубину 11 километров. Имеются сообщения о бактериях, обитающих в каменистых породах на 580 метров глубже морского дна на глубине 2,6 км около северо-востока США.

Человеческую микрофлору составляют 39 триллионов бактериальных клеток (само тело человека состоит из около 30 триллионов клеток). Наиболее многочисленна кишечная микрофлора, кожа также заселена многими бактериями.

Большинство бактерий, обитающих в человеческом теле, безвредны за счёт сдерживающего действия иммунной системы или приносят пользу (микрофлора человека). Ряд бактерий патогенны для человека. Такие инфекционные болезни, как холера, сифилис, сибирская язва, проказа и бубонная чума, вызываются бактериями. Наибольшее число смертей вызвано бактериальными респираторными инфекциями, и один лишь туберкулёз ежегодно убивает 2 миллиона человек (преимущественно в Африке южнее Сахары).

В развитых странах антибиотики используются не только для лечения заболеваний человека, но и в животноводстве, из-за чего проблема устойчивости к антибиотикам становится всё более актуальной. В промышленности бактерии используют в очистке сточных вод, для ликвидации разливов нефти, при получении сыра и йогурта, восстановлении золота, палладия, меди и других металлов из руд, а также в биотехнологии, для получения антибиотиков и других соединений.

Первоначально бактерии поместили в царство растений в составе класса Schizomycetes. Сейчас известно, что бактерии, в отличие от растений и других эукариот, не имеют оформленного ядра и, как правило, мембранных органелл. Традиционно бактериями называли всех прокариот, однако в 1970-х годах было показано, что прокариоты представлены двумя независимыми доменами – бактериями и археями (эукариоты составляют третий домен).

Предки современных бактерий были одноклеточными микроорганизмами, которые стали одной из первых форм жизни на Земле, появившись около 4 миллиардов лет назад. Почти три миллиарда лет вся жизнь на Земле была микроскопической. Хотя для бактерий известны ископаемые останки (например, строматолиты), их морфология очень однообразна, что не позволяет идентифицировать отдельные виды. Однако для реконструкции филогении бактерий можно использовать последовательности генов, и именно с их помощью было показано, что бактерии отделились раньше архей и эукариот. Ближайший общий предок бактерий и архей, вероятнее всего, был гипертермофилом, который жил 3-2,5 млрд лет назад.

Бактерии сыграли важнейшую роль в появлении эукариот. Считается, что эукариотическая клетка возникла, когда бактерии стали эндосимбионтами одноклеточных организмов, вероятно, близких к современным археям. Иными словами, прото-эукариотическая клетка проглотила клетку α-протеобактерии, которая дала начало митохондриям игидрогеносомам. На данный момент неизвестны эукариоты, лишённые и митохондрий, и гидрогеносом, хотя иногда эти органеллы сильно редуцированы. Впоследствии некоторые из эукариот, уже имеющих митохондрии, проглотили клетки цианобактерий, которые стали пластидами растений и водорослей.

Бактериальные клетки имеют чрезвычайно разнообразную морфологию (то есть форму и размер). Как правило, бактериальные клетки в десять раз мельче эукариотических и достигают 0,5-5 мкм в длину. Однако есть и бактерии, видимые невооружённым глазом: так, Thiomargarita namibiensis достигает половины миллиметра в длину, а длина Epulopiscium fishelsoni может составлять 0,7 мм. К числу самых мелких бактерий можно отнести представителей рода Mycoplasma, длина клеток которых не превышает 0,3 мкм, что сравнимо по размерам с вирионами некоторых вирусов. Существуют ещё более мелкие бактерии (ультрамикробактерии), однако они плохо изучены.

Большинство бактерий имеют шарообразную (кокки) или палочковидную (бациллы) форму. Некоторые бактерии, называемые вибрионами, выглядят как слегка закрученные палочки или запятые; спириллы имеют спиральную форму, а спирохеты имеют длинные плотно закрученные клетки. Описаны и бактерии с другими необычными формами клеток, например, клетками в форме звезды. Разнообразие форм бактериальных клеток обусловлено особенностями их клеточных стенок и цитоскелета. Форма бактериальной клетки обусловливает их способность поглощать питательные вещества, прикрепляться к поверхностям, плавать в жидкостях и ускользать от питающихся бактериями организмов.

Многие виды бактерий существуют в виде одиночных клеток, однако у некоторых видов клетки образуют характерные скопления: например, клетки Neisseria объединены в пары, у Streptococcus – в цепочки, у Staphylococcus – в скопления в виде грозди винограда. Некоторые бактерии могут формировать более сложные многоклеточные структуры. Так, Actinobacteria формируют длинные филаменты (внутриклеточные нитевидные образования), Myxococcales образуют плодовые тела, а Streptomyces образуют ветвящиеся нити.

Иногда такие сложные структуры появляются только при некоторых условиях. Например, при нехватке аминокислот клетки Myxococcales определяют расположение соседних клеток того же вида с помощью чувства кворума, движутся навстречу друг другу и формируют плодовые тела до 500 мкм длиной, состоящие из около 100 тысяч бактериальных клеток.

Бактериальные клетки в составе плодовых тел выполняют различные функции: десятая часть всех клеток мигрирует к верхней части плодового тела и превращается в особую покоящуюся форму, называемую миксоспорой, которая более устойчива к высыханию и другим неблагоприятным условиям внешней среды.

Бактерии часто прикрепляются к какой-либо поверхности и формируют плотные скопления, известные как биоплёнки, или более крупные скопления – бактериальные маты. Толщина биоплёнок и матов может составлять от нескольких микрометров до полуметра, в их состав могут входить бактерии разных видов, а также археи и протисты. В биоплёнках наблюдается сложное расположение клеток и внеклеточных компонентов, которые формируют вторичные структуры, известные как микроколонии, через которые проходит сеть каналов, обеспечивающая лучшую диффузию питательных веществ. В таких местообитаниях, как почва и поверхность растений, большинство бактерий, прикреплённых к поверхностям, входят в состав биоплёнок.

Биоплёнки имеют важное значение для медицины, потому что они часто образуются при хронических бактериальных инфекциях или инфекциях, связанных с инородными имплантатами. Более того, бактерии в составе биоплёнок гораздо сложнее убить, чем отдельные бактериальные клетки.

Бактерий можно классифицировать на основе строения клетки, метаболизма, а также различий в химическом составе клеток (наличия или отсутствия некоторых жирных кислот, пигментов, антигенов, хинонов). В то время как перечисленные характеристики подходят для выделения штаммов, непонятно, можно ли их использовать для разделения видов бактерий. Дело в том, что у большинства бактерий нет отличительных структур, а из-за широко распространённого горизонтального переноса генов родственные виды могут сильно отличаться по морфологии и метаболизму.

Каждый штат США, помимо флага и герба, имеет множество других официально утверждённых атрибутов: млекопитающее, птицу, рыбу, дерево, минерал, блюдо, песню и так далее. Но только два штата на данный момент обладают официальными микробами. В Орегоне им стали Saccharomyces cerevisiae, или пекарские дрожжи, за участие в хлебопечении и пивоварении. А в Нью-Джерси – бактерия Streptomyces griseus за исключительную роль в здравоохранении, а именно в производстве синтезированного в США антибиотика стрептомицина.

Некоторые металлы, например, серебро и медь, обладают олигодинамическим действием – их ионы могут убивать бактерии и другие микроорганизмы путём денатурации белков и разрушения клеток. Именно поэтому применение посеребрённых изнутри сосудов для хранения и транспортировки питьевой воды более чем оправдано. А дверные ручки, сделанные из латуни (сплава меди и цинка), даже в общественных местах с высокой проходимостью довольно быстро самоочищаются, тогда как стальные ручки являются предметами с одной из самых высоких концентраций бактерий.

Японские учёные исследовали бактерии в ультрацентрифуге и обнаружили, что некоторые их виды способны при гравитации в 403627 g не только выживать, но и продолжать рост. К таким бактериям относятся Paracoccus denitrificans и широко известная Escherichia coli. Результаты эксперимента могут рассматриваться как ещё один довод в пользу теории панспермии, предполагающей, что жизнь на нашу планету была занесена из космоса на каком-нибудь небесном теле.

Бактерия Tersicoccus phoenicis была обнаружена в 2013 году в помещениях, где меньше всего её ожидали найти – стерильных комнатах НАСА и Европейского космического агентства. Причём между собой они никак не связаны: одна находится во Флориде, там собирался космический аппарат «Феникс», а другая – на космодроме Куру в Южной Америке. В таких помещениях поддерживается избыточное давление воздуха, их очищают сильнейшими химикатами и ультрафиолетом, но бактериям эти условия вполне подходят. Возможно, они уже попали на Марс на «Фениксе» или каком-нибудь другом аппарате.

Некоторые виды ракообразных питаются бактериями, которые выращивают на своём же теле. Например, краб Kiwa puravida, которого называют также йети-крабом, живёт на глубинах более 2000 метров и обитает около щелей, откуда наружу выходят метан и сернистые соединения, что служат источником энергии для бактерий. Краб активно помогает росту бактерий, подставляя ворсистые клешни с ними под питательные потоки, словно танцуя.

Существует правило «быстроподнятое не считается упавшим» – если уронить на пол еду и сразу её поднять, она не успеет собрать на себя бактерии. В английском варианте оно называется правилом пяти секунд, в течение которых нужно успеть убрать еду с пола. Исследования показали, что это утверждение ошибочно – при наличии микроорганизмов на какой-либо поверхности они оказываются на соприкасающимся с ними продукте почти мгновенно. Правда, стоит заметить, что большинству бактерий для существования нужна влага, поэтому сухой пол даже в общественном месте с высокой проходимостью вряд ли будет представлять серьёзную опасность для еды.

Жизнь на Земле уже существовала 3,4 млрд. лет назад, когда в атмосфере преобладали углекислый газ и метан и практически не было кислорода. Такой вывод учёные сделали, анализируя найденные в Австралии окаменелости. Они оказались микроорганизмами, существовавшими не за счёт кислорода, а за счёт сернистых соединений. Похожие на них серные бактерии и в наши дни обитают в гейзерах, вулканах и горячих источниках.

Мех ленивца представляет собой целую экосистему. У большинства ленивцев на волосках обитают сине-зелёные водоросли, которые обеспечивают ему камуфляж среди листьев. В свою очередь, сотни жуков и других насекомых обитают в мехе ленивца, питаясь этими водорослями.

Самая крупная из обнаруженных на сегодня бактерий Thiomargarita namibiensis достигает размера до 0,75 мм в поперечнике, что позволяет увидеть её невооружённым взглядом.

В кишечниках японцев содержатся уникальные микробы, которые позволяют перерабатывать углеводы морских водорослей, использующихся для приготовления суши, гораздо лучше, чем у людей других национальностей.

В Антарктиде из ледника Тейлора временами выходит Кровавый водопад. Вода в нём содержит двухвалентное железо, которое, соединяясь с атмосферным воздухом, окисляется и образует ржавчину. Это и придаёт водопаду кроваво-рыжий цвет. Однако двухвалентное железо в воде возникает не просто так – его производят бактерии, живущие в изолированном от внешнего мира водоёме глубоко подо льдом. Эти бактерии сумели организовать жизненный цикл при полном отсутствии солнечного света и кислорода. Они перерабатывают остатки органики, а «дышат» трёхвалентным железом из окружающих пород.

В прошлом веке в некоторых странах у всех детей принудительно удаляли аппендикс во избежание возникновения аппендицита в будущем. Лишь недавно обнаружили, что аппендикс – это вовсе не рудимент. Он играет важную роль в иммунной системе человека, являясь своеобразным убежищем для микроорганизмов. Когда в кишечнике вследствие болезней погибает естественная флора, именно из аппендикса приходит «подкрепление». С другой стороны, сегодняшняя медицина позволяет восстановить флору кишечника с помощью лекарств, так что данная функция аппендикса становится малозначимой.

Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула (температуру, освещённость или концентрацию определённого вещества) с её прежним значением, то есть определяют, стала она больше или меньше. Исходя из этого, бактерия сохраняет направление движения или изменяет его.

Запах мокрой земли, который мы чувствуем после дождя, – это органическое вещество геосмин, которое вырабатывают живущие на поверхности земли цианобактерии и актинобактерии.

Кефир родом с Кавказа, а его закваска передавалась с давних времён по наследству. По одной из версий, только в начале 20 века русским молокозаводчикам удалось выманить несколько горошин и начать производство своего кефира. Основная микрофлора кефирного грибка представляет собой сложный симбиоз нескольких микроорганизмов, и до сих пор его не удалось повторить искусственно.

Антибиотики были открыты случайно. Александр Флеминг оставил пробирку с бактериями стафилококка без внимания на несколько дней. Из-за обычного для его лаборатории беспорядка в пробирке выросла колония плесневых грибов и стала разрушать бактерии, а затем Флеминг выделил активное вещество – пенициллин.

10 самых опасных бактерий

Бактерии бывают разными – как полезными, так и смертельно опасными. Ученые считают, что к 2050 году смертность от бактерий может превысить число жертв онкологических заболеваний. Поговорим о десятке наиболее опасных из них.

Clostridium botulinum

Эта бактерия вызывает ботулизм – тяжелое заболевание, поражающее нервную систему человека. Больные ботулизмом погибают, как правило, от паралича дыхательной мускулатуры и последующей гипоксии. Считается, что чайной ложки ботулины достаточно, чтобы уничтожить население США. А 4 кг хватит на истребление всех жителей планеты.

Escherichia coli, или кишечная палочка

Вид палочковидных бактерий, безвредные штаммы которого часто встречаются в организме человека и животных. Но существует около 100 патогенных серотипов, ответственных за сотни тысяч смертей по всему миру ежегодно. Чтобы минимизировать риски развития кишечной инфекции, стоит придерживаться нескольких правил: избегайте контакта с грязной водой, внимательно относитесь к прожарке мясных блюд, тщательно мойте овощи и фрукты.

Salmonella typhi

Этот вид сальмонеллы провоцирует брюшной тиф, симптомы которого – высокая температура, сильные боли в животе, мигрень и общее состояние слабости. Однако некоторые люди являются бессимптомными носителями этого заболевания. Знаменитая Тифозная Мэри в течение своей жизни заразила 53 человека, многие из которых погибли. Сама же женщина умерла от пневмонии в возрасте 69 лет.

Vibrio cholerae

Вызывают смертоносную и мучительную холеру. Это острозаразное желудочно-кишечное заболевание проще всего «подхватить» через загрязненную воду. Болезнь проявляет симптомы хронической диареи, приводит к обезвоживанию, рвоте, судороге мышц. Значительная потеря воды и солей в организме оказывается фатальной: если человек заражен холерой, а лечение отсутствует, то вероятность гибели равна 50%.

Clostridium tetani, или столбнячная палочка

Эта бактерия обитает в безвоздушной среде, а в иных условиях образует защитные споры. В глубоких ранах палочка развивается очень активно, поэтому именно так и происходит заражение столбняком. В результате столбнячный токсин поражает нервную систему человека, вызывая длинные и мучительные судороги. При этом человек испытывает страх и сильную боль во всем теле. Затруднение в открывании рта приводит к голоданию и обезвоживанию. Смертность от столбняка даже при лечении колеблется от 40 до 70%.

Aspergillus fumigatus

Вид плесневых грибов, который является патогеном для организма человека. Споры аспергилл мы вдыхаем ежедневно, но аспергиллез, как правило, развивается у людей с ослабленным иммунитетом. В группе риска пациенты, которые: страдают астмой и иммунодефицитом, перенесли курс химиотерапии или трансплантацию органов. Аспергилл поражает внутренние органы, вызывая лихорадку, развитие шока, нарушение дыхания, кашель с кровохарканьем.

Staphylococcus

Крупный бактериальный род, включающий в себя большое количество видов. Staphylococcus aureus, или золотистый стафилококк – один из наиболее патогенных из них. Золотистый стафилококк может вызывать пневмонию, менингит, инфекционно-токсический шок, сепсис и другие весьма неприятные заболевания. Поначалу врачи использовали пенициллин в борьбе с этой бактерией. Но со временем мутации привели большинство штаммов к устойчивости, и антибиотики практически потеряли свою эффективность. Золотистый стафилококк является проблемой развитых стран и активно процветает в медицинских учреждениях.

Treponema pallidum, или бледная трепонема

Бактерия, вызывающая сифилис. Когда-то это заболевание было весьма трудно диагностировать: его называли «великим подражателем». В наши дни сифилис довольно легко вылечить на первом и втором этапах, но третичная стадия по прежнему является смертельно опасной. В этот период происходят необратимые изменения во всем организме: развивается слепота, глухота, паралич, умственные расстройства и галлюцинации. Сифилис «интересным» образом меняет психику человека: приступы ярости сменяют минуты эйфории, а депрессия может резко обернуться творческим озарением. Некоторые исследователи считают, что третичным сифилисом страдали Гитлер, Ван Гог и Оскар Уайльд.

Streptococcus

Это еще одна бактерия, ответственная за многочисленные случаи пневмонии, менингита, абсцесса и других заболеваний. В минувшем году в Японии погибло свыше 500 человек от стрептококкового токсического шокового синдрома. При заражении больной может погибнуть в течение 10 часов, а смертность в целом составляет около 30%. Среди начальных симптомов шокового синдрома – жар и боль в теле, затем возникает отек конечностей с последующим некрозом тканей.

Mycobacterium tuberculosis, или палочка Коха

Бактерия, вызывающая туберкулез. Смертность чрезвычайно высока даже в наши дни: это заболевание входит в десятку ведущих причин человеческой гибели. Примерно четверть населения планеты имеет латентный туберкулез. Это значит, что заболевание может проявить себя в любой момент, стоит иммунитету лишь «дать слабину». Для профилактики туберкулеза врачи советуют проходить флюорографическое обследование не реже одного раза в год.

Мы привыкли думать о бактериях как о возбудителях болезней человека. И это отражает нашу такую антропоцентрическую картину мира, когда мы самые главные, а все остальные имеют смысл только постольку, поскольку они к нам как-то относятся. Или мы их едим, или они нас едят.

Полезно понимать, что бактерии взаимодействовали с эукариотами, то есть с нашими родственниками, с организмами, клетки которых имеют ядро, задолго до появления человека. И, что еще труднее себе представить, на самом деле бактерии возникли намного раньше эукариот и очень долго взаимодействовали друг с другом, когда еще никаких эукариот не было. И когда мы говорим, что Флеминг изобрел пенициллин… Он его не изобрел. Пенициллин был задолго до Флеминга. А то, что Флеминг сделал, – это он заметил, что есть в природе вещество, которое подавляет рост бактерий.