ВКонтакте Facebook Одноклассники
Всю свою жизнь микробиолог Лин Маргулис (1938-2011) пыталась доказать, что мир микроорганизмов влияет на внутреннюю биосферу - мир живых существ - гораздо больше, чем констатируют ученые
Недавно группа ученых со всего мира провела и проанализировала сотни исследований (большинство - за прошлое десятилетие), касающихся сферы взаимодействий «животное - бактерия», и доказала, что выводы Маргулис были верны. Полученные результаты стали поворотным пунктом, после которого ученые будут вынуждены пересмотреть некоторые фундаментальные понятия в сфере взаимоотношений бактерий и других форм жизни.
Сама идея проекта зародилась тогда, когда несколько ученых самостоятельно пришли к осознанию важности бактерий во многих сферах деятельности. Например, профессор биологии из Университета Гавайев в Маноа Майкл Хэдвилд многие годы занимался изучением метаморфоз морских животных. Он обнаружил, что определенный вид бактерий способствует тому, чтобы личинки червей оседали на определенные места на морском дне и чтобы впоследствии именно на этих территориях они развивались во взрослые особи и жили всю свою жизнь.
Бактерии вокруг нас
В целом легко понять, почему бактерии играют очень важную роль в мире живого. Бактерии были одними из первых появившихся на Земле видов (они появились примерно 3,8 триллиона лет назад), и более чем вероятно, что они переживут и нас, людей. В древе жизни бактерии занимают одно из трех главных ответвлений, два других - это археи и эукариоты, животные относятся к последним. Несмотря на их огромное разнообразие и на то, что они расселены практически везде на Земле - и на дне океана, и даже в нашем кишечнике, - у бактерий все же есть нечто общее. Все бактерии обладают приблизительно одинаковым размером (несколько микрометров) и состоят из одной-двух безъядерных клеток.
Безусловно, ученые уже многие годы учитывают, что животные служат своеобразным «домом», местом обитания для бактерий: в частности, они живут в желудке, во рту или на коже. Последние же исследования еще ярче показали, насколько многочисленны бактерии. Было выявлено, что в наших телах клеток бактерий в 10 раз больше, чем собственно человеческих клеток (однако общий вес бактерий составляет менее полуфунта, так как их клетки значительно меньше человеческих). В то время как одни бактерии просто живут бок о бок с животными, не пытаясь взаимодействовать с ними, другие бактерии достаточно активно вступают во взаимодействие. Мы часто говорим, что бактерии являются своеобразными зародышами, или патогенами, болезней, в частности, таких, как туберкулез, бубонная чума и стафилококк. Однако бактерии выполняют и много нужных нам функций, и последние исследования показали, что фактически жизнь без бактерий была бы совсем иной.
«Истинное число видов бактерий ошеломляюще огромно. Примите во внимание последние открытые виды в высоких слоях атмосферы и в камне глубоко под морским дном, - рассказывает Хэдвилд. - К их числу добавьте виды бактерий, которые способны обитать во всех возможных средах, от выгребных ям до горячих источников, а также тех, которые способны обитать практически в любом живом организме. Таким образом, количество видов, вызывающих болезни, невелико в соотношении с их основной массой. Я подозреваю, что количество полезных и необходимых живым организмам бактерий также невелико, а их основная масса по отношению к живым существам просто нейтральна. Однако я также убежден в том, что количество полезных видов превышает количество патогенных».
Процент человеческого генома, который сформировался в серии стадий эволюции. 37% человеческих генов произошли от бактерий, 28% эукариоты, 16% звери, 13% позвоночные, 6% приматы. Фото с сайта pnas.org
Происхождение животных и коэволюция
Опираясь на последние исследования, можно даже предположить, что именно бактерии стали причиной появления на Земле многоклеточных организмов (примерно 1-2 триллиона лет назад) и животных (примерно 700 миллионов лет назад). Однако такой подход пока вызывает интенсивные споры и признан не всеми учеными.
Сыграв свою роль в появлении животных, бактерии продолжали принимать участие и в процессе их эволюции, или, правильнее сказать, коэволюции - совместной эволюции живых организмов и бактерий. Это четко видно на примере развития у млекопитающих эндотермии - способности поддерживать постоянную температуру на уровне примерно 40ºС (100 градусов по Фаренгейту) с помощью метаболизма. И это - как раз та температура, при которой бактерии млекопитающих максимально эффективно производят энергию и снижают потребность организма в пище. Данное открытие определило, что именно бактерии стали причиной появления у животных эндотермии.
Бактерии в микробиоматерии животного, например, в пищеварительном тракте, во рту и на коже, сообщаются между собой и обмениваются сигналами с системами органов животного. Фото с сайта pnas.org
Сигналы бактерий
Свидетельства прочного союза животных и бактерий присутствуют в геномах обоих видов. Исследователи подсчитали, что около 37% генов человека имеют гомологи с бактериями и археями; это значит, что гены бактерий и архей произошли от общего предка. Многие из этих генов способны обмениваться информацией друг с другом, а значит, они в состоянии влиять на развитие друг друга. Исследовательская группа под руководством Хэдфилда открыла, что взаимное бактериальное сигнализирование играет важную роль в стимулировании метаморфозы у некоторых морских беспозвоночных, личинок; в этих случаях бактерии производят сигналы, «рассказывающие» о конкретных экологических факторах.
Другие исследования показали, что бактериальное сигнализирование влияет на нормальное развитие мозга у млекопитающих, на репродуктивное поведение как позвоночных, так и беспозвоночных.
Разрыв бактериальных сигнальных путей может привести к таким заболеваниям, как диабет, воспаление кишечника, а также к инфекционным заболеваниям.
В кишечнике
Испокон веков бактерии играли важную роль в питании животных, помогая им переваривать пищу. Возможно, они также влияли и на развитие других близлежащих органов и систем, таких как дыхательная и мочеполовая системы. Кроме того, эволюция животных и бактерий, вероятно, шла параллельно и приводила к специализации последних. Например, 90% видов бактерий, встречающихся в кишечнике термитов, не встречаются больше нигде. Это значит, что при вымирании одного вида животных вымирает и определенное количество видов бактерий.
Ученые обнаружили, что бактерии в кишечнике человека адаптируются к изменению диеты. Например, у большинства американцев кишечные бактерии адаптированы для переваривания пищи с высоким содержанием жиров, в то время как бактерии сельского населения в Венесуэле больше расположены к разрушению сложных углеводов, а у отдельных японцев даже есть бактерии, способные переваривать водоросли.
Насекомое (1 мм), живущее под лесным пологом (10 м), демонстрирует многократные взаимодействия бактерии-животного. Бактерия (1 микрометр), проживающая в пищеварительном тракте животного (0.1 мм), важна для усвоения питательных веществ в процессе питания насекомого, которые часто составляют большую часть животной биомассы под пологом леса. Фото с сайта pnas.org
Общая картина
В целом новейшие исследования показали, что бактерии и животный мир тесно связаны между собой, они способны повлиять на здоровье и благополучие друг друга. На основании полученных данных исследователи приходят к выводу, что подобные взаимодействия должны существовать и между другими видами, такими как археи, грибы, растения и животные. Предположения Маргулис сегодня подтверждены, и ученые предлагают в корне изменить подход к биологическим наукам и, возможно, даже их изложение в школьных учебниках.
В свете последних открытий планируется провести и ряд исследований бактерий в сфере их взаимодействия с человеком. Ученые надеются, что в конечном итоге результаты исследований позволят развить междисциплинарное сотрудничество между учеными и инженерами разных областей, что позволит изучать микроорганизмы во все новых и новых ракурсах.
Среда, в которой нет ни бактерий, ни вирусов, называется стерильной. Но таких сред в природе практически нет. Бактерии формируют почву и обогащают ее микроэлементами, которые делают почвенный слой плодородным за счет того, что определенная группа способна из воздуха поглощать азот. Прокариоты насыщают атмосферу кислородом, а биоценоз водоемов полностью зависит от жизнедеятельности микроорганизмов. Прокариоты дают основу для существования органической жизни на Земле, и одновременно некоторые бактерии являются смертельной угрозой для многих организмов, в том числе и для человека. Способ защиты от данной угрозы один: вовремя выявить и обезвредить.
Какие бактерии представляют угрозу для человека
Человек является симбиотической системой эукариотических клеток и прокариотических.
Эукариотические клетки – непосредственно человеческие клетки, именно они содержат генетическую информацию, определяющую основные свойства человеческого организма. Эти клетки большого размера, они имеют оформленное ядро и из них выстроены все ткани и органы человека.
Но условия жизни человека таковы, что, используя только свои ресурсы, сам организм не может защитить себя от внешней микробной угрозы, поэтому функцию защиты выполняют .
Они с самого момента рождения ребенка колонизируют те среды его организма, которые, так или иначе, соприкасаются с внешней средой, и поэтому очевидна их подверженность микробным угрозам. К таким средам относятся:
- кожа;
- слизистая глаз;
- носоглотка;
- ротовая полость;
- желудочно-кишечный тракт;
- система органов дыхания;
- половая система.
Можно смело сказать, что все перечисленные органы и системы в той или иной степени колонизированы прокариотами. Следовательно, можно говорить об их биологической защищенности от внешнего микробного воздействия при помощи некоторых -симбионтов.
Тем не менее количество инфекций бактериальной природы, которым может быть подвергнут человек, огромно, и имеющийся естественный биологический щит не всегда может прийти на помощь.
В каких случаях помощи бактерий недостаточно:
- когда микробиом того или иного органа ослаблен;
- когда в организм попал вирус или бактериальная инфекция, устойчивая к влиянию той среды, которую создали местные бактерии;
- когда в организме существует нехватка микроэлементов, которые помогают естественному бактериальному щиту противостоять инфекциям.
Поэтому при первых симптомах заболевания следует озаботиться тем, как определить, бактерии стали причиной заболевания или нездоровье вызвано другими причинами, а также определить, можно ли помочь собственному организму побороть недуг.
Из огромного количества прокариотов опасными для человека являются 10% видов из 100%. Это виды микробов, обладающие протеолитическими свойствами. Протеолитические свойства – это способность бактерий расщеплять белки. А как известно, белки – основа всех тканей человека.
Попадая на органическую ткань, бактерия, которая обладает протеолитическими свойствами и подвижностью, начинает разлагать те белки, из которых построены человеческие клетки, что приводит к их разрушению.
Многие полезные для человека виды бактерий (симбионтов) обладают сахаролитическими свойствами: они разлагают сахара до состояния кислот. А кислая среда является антагонистичной для видов бактерий с протеолитическими свойствами.
Где бактерий быть не должно
Несмотря на то что организм человека живет в симбиозе с огромным количеством прокариотов, у человека есть большое количество органов, в которых присутствие бактерий недопустимо. Поражение таких органов можно диагностировать по анализам мочи, крови, а также по мазкам, взятым с пораженных тканей.
Появление прокариотов в моче говорит о том, что в мочевыделительной системе начались воспалительные процессы и количество микробов, разлагающих ткани, довольно высокое, раз они уже попали в мочу.
Есть также и минимальное количество микробов, допустимое в анализе мочи. Наличие небольшого количества бактерий в моче может свидетельствовать о том, что недостаточно качественно собран материал для анализа.
Прокариоты в крови, как и в моче, – свидетельство серьезных заболеваний. Кровь здорового человека стерильна. А появление в крови микробов свидетельствует о том, что они попали в кровь из пораженных микробами других органов. В крови никаких микробов быть не должно. Абсолютно.
Есть еще один орган, в котором прокариотам нет места, – желудок. В желудке очень кислая среда, и большинство видов микробов там не могут выжить. Кроме хеликобактер пилори. Хеликобактер пилори – вид бактерий, который смог приспособиться к высокой кислотности желудка. Хеликобактер имеет форму подвижного вибриона (запятой). Хеликобактер буквально вкручивается в слизистую желудка и начинает разъедать ее. Хеликобактер – причина язв. Сейчас есть много способов выявить присутствие Хеликобактер пилори в желудке:
- анализ крови;
- анализ кала;
- мазок слизистой рта;
- анализ дыхания.
Все это довольно простая диагностика и ее нужно пройти. Ведь по данным медиков хеликобактером заражены более 80% населения планеты. Избавиться от хеликобактера можно, пропив курс антибиотиков.
Как выявлять бактерии
Чаще всего перед человеком, который чувствует физическое недомогание, возникает вопрос о том, что является причиной нездоровья – вирус или бактерии.
Некоторые думают, что на помощь может прийти общий анализ крови или мочи. Но, несмотря на принципиальное различие вирусов и бактерий, их присутствие нельзя различить по следам, которые остаются в крови или в моче человека, поскольку количество лейкоцитов и СОЭ при инфекции, вызванной вирусом и бактерией, колеблется в одинаковых пределах.
Для постановки правильного диагноза в случае подозрения на бактериальную инфекцию есть смысл сделать . Для этого из пораженной зоны берется мазок, далее в лаборатории выявляется наличие микроорганизмов в мазке и определяются их свойства. Ведь именно свойства бактерий определяют их опасность и формы медицинской помощи, в которой нуждается пациент.
Если в моче, крови или в мазке из других сред микробов не выявлено, значит, причина заболевания – вирус.
Заболевания верхних дыхательных путей, вызванные вирусами, имеют свою симптоматику и отличаются от заболеваний от бактериальных инфекций. Именно по этой причине важно обращаться за консультацией к врачу, поскольку именно он может определить причину болезни.
Беременность – тот период, когда женский организм особенно уязвим, и любая серьезная бактериальная инфекция может негативно отразиться на результатах беременности. По этой причине женщины в период беременности находятся под медицинским контролем. Наличие инфекций при беременности также определяется по анализу мочи и крови. Развернутые анализы при беременности дают более подробную картину состояния организма женщины.
Как выглядят болезнетворные микробы
Чаще всего опасные микробы – это подвижные палочки, вибрионы или спириллы.
Большинство микробов подвижны и хорошо приживаются в воде. Вода дала прокариотам жизнь и продолжает быть для большинства из них домом. Вода, как и воздух, может быть основным переносчиком микробов, в том числе и опасных. В той воде, которая течет из кранов городского водопровода, самыми опасными могут быть холера и микробы группы кишечной палочки. Чтобы обеззаразить воду, ее нужно прокипятить.
Но одним кипячением воды сложно себя обезопасить, на первом месте должно быть укрепление собственного иммунитета. Поскольку именно оно способно надежно защитить человека от всех инфекций.
Бактерии - самые многочисленные жители планеты Земля. Они заселили ее в глубокой древности и продолжают существовать поныне. Некоторые виды даже мало изменились с тех пор. Бактерии полезные и вредные буквально окружают нас везде (и даже проникают внутрь других организмов). При довольно примитивном одноклеточном строении они являются одной из самых, наверное, эффективных форм живой природы и выделяются в особое царство.
Запас прочности
Эти микроорганизмы, что называется, в воде не тонут и в огне не горят. Буквально: выдерживают температуры до плюс 90 градусов, заморозку, отсутствие кислорода, давление - высокое и низкое. Можно сказать, что в них природа вложила огромный запас прочности.
Бактерии, полезные и вредные для человеческого организма
Как правило, бактериям, в изобилии населяющим наши тела, не уделяется должного внимания. Ведь они настолько малы, что, кажется, не имеют никакого существенного значения. Те, кто думает так, в значительной мере ошибаются. Бактерии полезные и вредные давно и надежным образом «колонизировали» другие организмы, успешно сосуществуют с ними. Да, их нельзя увидеть без помощи оптики, но они могут принести пользу или причинить вред нашему телу.
Кто в кишечнике живет?
Врачи говорят, что если сложить вместе только лишь бактерии, обитающие в кишечнике, и взвесить - получится что-то около трех килограммов! С такой огромной армией нельзя не считаться. В непрерывно попадали многие из микроорганизмов, но только некоторые виды находят там благоприятные условия для проживания и жизнедеятельности. А в процессе эволюции даже образовали постоянную микрофлору, которая призвана выполнять важные физиологические функции.
«Мудрые» соседи
Бактерии в давно уже играют важную роль, хотя до самого последнего времени человек об этом и не догадывался. Они помогают своему хозяину в пищеварении и выполнении ряда других функций. Что же представляют собой эти невидимые соседи?
Постоянная микрофлора
99% населения постоянно проживают в кишечнике. Они ярые приверженцы и помощники человека.
- Основные полезные бактерии. Названия: бифидобактерии и бактероиды. Их подавляющее большинство.
- Сопутствующие полезные бактерии. Названия: кишечная палочка, энтерококки, лактобактерии. Их количество должно составлять 1-9% от общего числа.
Необходимо знать также, что при соответствующих негативных условиях все эти представители флоры кишечника (исключение - бифидобактерии) могут вызвать заболевания.
Что они делают?
Основные функции этих бактерий - помочь нам в процессе пищеварения. Замечено, что у человека при неправильном питании может возникать дисбактериоз. Как результат - застои и запоры и прочие неудобства. При нормализации сбалансированности питания болезнь, как правило, отступает.
Еще одна функция этих бактерий - сторожевая. Они следят за тем, какие бактерии полезные. За тем, чтобы «чужаки» не проникали в их сообщество. Если, к примеру, в кишечник пытается проникнуть возбудитель дизентерии - шигелла Зонне, они убивают ее. Однако, стоит заметить, что такое происходит только в организме относительно здорового человека, с хорошим иммунитетом. В противном случае - риск заболеть увеличивается в разы.
Непостоянная микрофлора
Примерно 1% в организме здорового индивидуума составляют так называемые условно-патогенные микробы. Они относятся к непостоянной микрофлоре. При нормальных условиях они выполняют определенные функции, не приносящие вред человеку, работают на благо. Но в определенной ситуации могут проявить себя в качестве вредителей. Это в основном стафилококки и различного рода грибы.
Дислокация в ЖКТ
Вообще-то, весь пищеварительный тракт имеет неоднородную и непостоянную микрофлору - бактерии полезные и вредные. Пищевод содержит таких же обитателей, как и в ротовой полости. В желудке находятся лишь некоторые, устойчивые к кислоте: лактобациллы, хеликобактеры, стрептококки, грибы. В тонкой кишке микрофлора также немногочисленна. Больше всего бактерий находится в толстой кишке. Так, испражняясь, человек способен выделять свыше 15 триллионов микроорганизмов в сутки!
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 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.
Участие в пищевых цепочках
Как уже было сказано, бактерии - самые многочисленные жители биосферы. А соответственно, могут и должны участвовать в свойственных природе животных и растений. Конечно же, для человека, например, бактерии не являются основной частью рациона (разве что можно использовать в качестве пищевой добавки). Однако существуют организмы, питающиеся бактериями. Этими организмами, в свою очередь, питаются другие животные.
Цианобактерии
Эти (устаревшее название данных бактерий, в корне неправильное с научной точки зрения) способны вырабатывать огромное количество кислорода в результате фотосинтеза. Когда-то давно именно они начали насыщать нашу атмосферу кислородом. Цианобактерии продолжают успешно это делать и по сей день, образуя определенную часть кислорода в современной атмосфере!