Was sind Bakterien und was machen sie?

Bakterien sind mikroskopisch kleine einzellige Organismen, die in jeder Umgebung, sowohl innerhalb als auch außerhalb anderer Organismen, millionenfach vorkommen.

Einige Bakterien sind schädlich, aber die meisten dienen einem nützlichen Zweck. Sie unterstützen viele Lebensformen, sowohl pflanzliche als auch tierische, und werden in industriellen und medizinischen Prozessen eingesetzt.

Es wird angenommen, dass Bakterien vor etwa 4 Milliarden Jahren die ersten Organismen auf der Erde waren. Die ältesten bekannten Fossilien sind bakterienähnliche Organismen.

Bakterien können die meisten organischen und einige anorganische Verbindungen als Nahrung verwenden, und einige können extreme Bedingungen überleben.

Ein wachsendes Interesse an der Funktion des Darmmikrobioms wirft ein neues Licht auf die Rolle, die Bakterien für die menschliche Gesundheit spielen.

Was sind Bakterien?

Bakterien sind einzellige Organismen.

Bakterien sind einzellige Organismen, die weder Pflanzen noch Tiere sind.

Sie sind normalerweise einige Mikrometer lang und existieren zusammen in Millionengemeinschaften.

Ein Gramm Boden enthält typischerweise etwa 40 Millionen Bakterienzellen. Ein Milliliter Süßwasser enthält normalerweise etwa eine Million Bakterienzellen.

Es wird geschätzt, dass die Erde mindestens 5 Millionen Bakterien enthält, und es wird angenommen, dass ein Großteil der Erdbiomasse aus Bakterien besteht.

Typen

Es gibt viele verschiedene Arten von Bakterien. Eine Möglichkeit, sie zu klassifizieren, ist die Form. Es gibt drei Grundformen.

• Sphärisch: Bakterien, die wie eine Kugel geformt sind, werden Kokken genannt, und ein einzelnes Bakterium ist ein Kokken. Beispiele hierfür sind die Streptokokken, die für die Halsentzündung verantwortlich sind.
• Stäbchenförmig: Diese sind als Bazillen (Singular Bacillus) bekannt. Einige stäbchenförmige Bakterien sind gekrümmt. Diese sind als Vibrio bekannt. Beispiele für stäbchenförmige Bakterien umfassen Bacillus anthracis (B. anthracis) oder Anthrax.
• Spirale: Diese sind als Spirilla (Singular Spirillus) bekannt. Wenn ihre Spule sehr eng ist, werden sie als Spirochäten bezeichnet. Leptospirose, Lyme-Borreliose und Syphilis werden durch Bakterien dieser Form verursacht.

Innerhalb jeder Formgruppe gibt es viele Variationen.

Struktur

Bakterienzellen unterscheiden sich von pflanzlichen und tierischen Zellen. Bakterien sind Prokaryoten, was bedeutet, dass sie keinen Kern haben.

Eine Bakterienzelle umfasst:

• Kapsel: Eine Schicht, die sich bei einigen Bakterien an der Außenseite der Zellwand befindet.
• Zellwand: Eine Schicht aus einem Polymer namens Peptidoglycan. Die Zellwand gibt den Bakterien ihre Form. Es befindet sich außerhalb der Plasmamembran. Die Zellwand ist bei einigen Bakterien, sogenannten grampositiven Bakterien, dicker.
• Plasmamembran: Diese befindet sich in der Zellwand und erzeugt Energie und transportiert Chemikalien. Die Membran ist durchlässig, was bedeutet, dass Substanzen durch sie hindurchtreten können.
• Zytoplasma: Eine gallertartige Substanz in der Plasmamembran, die genetisches Material und Ribosomen enthält.
• DNA: Diese enthält alle genetischen Anweisungen, die für die Entwicklung und Funktion des Bakteriums verwendet werden. Es befindet sich im Zytoplasma.
• Ribosomen: Hier werden Proteine ​​hergestellt oder synthetisiert. Ribosomen sind komplexe Partikel aus RNA-reichen Granulaten.
• Flagellum: Dies wird zur Bewegung verwendet, um einige Arten von Bakterien anzutreiben. Es gibt einige Bakterien, die mehr als eine haben können.
• Pili: Diese haarartigen Anhänge an der Außenseite der Zelle ermöglichen es ihr, an Oberflächen zu haften und genetisches Material auf andere Zellen zu übertragen. Dies kann zur Ausbreitung von Krankheiten beim Menschen beitragen.

Füttern

Bakterien ernähren sich auf unterschiedliche Weise.

Heterotrophe Bakterien oder Heterotrophe erhalten ihre Energie durch den Verbrauch von organischem Kohlenstoff. Die meisten absorbieren totes organisches Material, wie z. B. zersetzendes Fleisch. Einige dieser parasitären Bakterien töten ihren Wirt, während andere ihnen helfen.

Autotrophe Bakterien (oder nur Autotrophen) stellen ihre eigene Nahrung her, entweder durch:

• Photosynthese unter Verwendung von Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid oder
• Chemosynthese unter Verwendung von Kohlendioxid, Wasser und Chemikalien wie Ammoniak, Stickstoff, Schwefel und anderen

Bakterien, die Photosynthese verwenden, werden Photoautotrophen genannt. Einige Typen, zum Beispiel Cyanobakterien, produzieren Sauerstoff. Diese spielten wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Erzeugung des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre. Andere, wie Heliobakterien, produzieren keinen Sauerstoff.

Diejenigen, die Chemosynthese verwenden, sind als Chemoautotrophen bekannt. Diese Bakterien kommen häufig in Meeresschlitzen und in den Wurzeln von Hülsenfrüchten wie Luzerne, Klee, Erbsen, Bohnen, Linsen und Erdnüssen vor.

Wo leben sie?

Bakterien können auch in extremen Umgebungen wie Gletschern gedeihen.

Bakterien können in Boden, Wasser, Pflanzen, Tieren, radioaktiven Abfällen, tief in der Erdkruste, arktischem Eis und Gletschern sowie heißen Quellen gefunden werden. Es gibt Bakterien in der Stratosphäre, zwischen 6 und 30 Meilen in der Atmosphäre und in den Tiefen des Ozeans, bis zu einer Tiefe von 10.000 Metern.

Aerobier oder aerobe Bakterien können nur dort wachsen, wo Sauerstoff vorhanden ist. Einige Typen können Probleme für die menschliche Umwelt verursachen, wie z. B. Korrosion, Verschmutzung, Probleme mit der Klarheit des Wassers und schlechte Gerüche.

Anaerobier oder anaerobe Bakterien können nur dort wachsen, wo kein Sauerstoff vorhanden ist. Beim Menschen ist dies meist im Magen-Darm-Trakt. Sie können auch Gas, Brandwunden, Tetanus, Botulismus und die meisten Zahninfektionen verursachen.

Fakultative Anaerobier oder fakultative anaerobe Bakterien können entweder mit oder ohne Sauerstoff leben, bevorzugen jedoch Umgebungen, in denen Sauerstoff vorhanden ist. Sie kommen hauptsächlich in Boden, Wasser, Vegetation und einer normalen Flora von Menschen und Tieren vor. Beispiele beinhalten Salmonellen.

Mesophile oder mesophile Bakterien sind die Bakterien, die für die meisten Infektionen beim Menschen verantwortlich sind. Sie gedeihen bei moderaten Temperaturen um 37 ° C. Dies ist die Temperatur des menschlichen Körpers.

Beispiele beinhalten Listeria monocytogenes, Pesudomonas Maltophilie, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, und Clostridium kluyveri.

Die menschliche Darmflora oder das Darmmikrobiom enthält nützliche mesophile Bakterien, wie z. B. diätetische Lactobacillus acidophilus.

Extremophile oder extremophile Bakterien können Bedingungen standhalten, die für die meisten Lebensformen als zu extrem angesehen werden.

Thermophile können bei hohen Temperaturen von bis zu 75 bis 80 ° C leben, und Hyperthermophile können bei Temperaturen von bis zu 113 ° C überleben.

Tief im Ozean leben Bakterien in völliger Dunkelheit durch thermische Entlüftungsöffnungen, in denen sowohl Temperatur als auch Druck hoch sind. Sie machen ihre eigene Nahrung, indem sie Schwefel oxidieren, der tief aus dem Erdinneren kommt.

Andere Extremophile sind:

• Halophile, nur in einer salzigen Umgebung zu finden
• Acidophile, von denen einige in Umgebungen leben, die so sauer sind wie pH 0
• Alkaliphile, die in alkilinen Umgebungen bis zu einem pH-Wert von 10,5 leben
• Psychophile, die bei kalten Temperaturen, zum Beispiel in Gletschern, vorkommen

Extremophile können überleben, wo kein anderer Organismus kann.

Fortpflanzung und Transformation

Bakterien können sich mit den folgenden Methoden vermehren und verändern:

• Binäre Spaltung: Eine asexuelle Form der Fortpflanzung, bei der eine Zelle weiter wächst, bis eine neue Zellwand durch das Zentrum wächst und zwei Zellen bildet. Diese trennen sich und bilden zwei Zellen mit demselben genetischen Material.
• Transfer von genetischem Material: Zellen erwerben neues genetisches Material durch Prozesse, die als Konjugation, Transformation oder Transduktion bekannt sind. Diese Prozesse können Bakterien stärker machen und Bedrohungen wie Antibiotika-Medikamenten besser widerstehen.
• Sporen: Wenn einige Arten von Bakterien wenig Ressourcen haben, können sie Sporen bilden. Sporen halten das DNA-Material des Organismus und enthalten die für die Keimung benötigten Enzyme. Sie sind sehr widerstandsfähig gegen Umweltbelastungen. Die Sporen können jahrhundertelang inaktiv bleiben, bis die richtigen Bedingungen eintreten. Dann können sie reaktivieren und zu Bakterien werden.
• Sporen können in Zeiten von Umweltstress überleben, einschließlich ultravioletter (UV) und Gammastrahlung, Austrocknung, Hunger, chemischer Exposition und extremen Temperaturen.

Einige Bakterien produzieren Endosporen oder innere Sporen, während andere Exosporen produzieren, die von außen freigesetzt werden. Diese sind als Zysten bekannt.

Clostridium ist ein Beispiel für ein endosporenbildendes Bakterium. Es gibt ungefähr 100 Arten von Clostridium, einschließlich Clostridium botulinim (C. botulinim) oder Botulismus, der für eine möglicherweise tödliche Art der Lebensmittelvergiftung verantwortlich ist, und Clostridium difficile (C. Difficile), die Kolitis und andere Darmprobleme verursacht.

Verwendet

Bakterien werden oft als schlecht angesehen, aber viele sind hilfreich. Ohne sie würden wir nicht existieren. Der Sauerstoff, den wir atmen, wurde wahrscheinlich durch die Aktivität von Bakterien erzeugt.

Menschliches Überleben

Viele der Bakterien im Körper spielen eine wichtige Rolle für das Überleben des Menschen. Bakterien im Verdauungssystem zerlegen Nährstoffe wie komplexe Zucker in Formen, die der Körper verwenden kann.

Nicht gefährliche Bakterien helfen auch, Krankheiten vorzubeugen, indem sie Orte besetzen, an denen sich die pathogenen oder krankheitsverursachenden Bakterien festsetzen möchten. Einige Bakterien schützen uns vor Krankheiten, indem sie die Krankheitserreger angreifen.

Stickstoff-Fixierung

Bakterien nehmen Stickstoff auf und geben ihn für die Pflanze frei, wenn sie sterben. Pflanzen brauchen Stickstoff im Boden, um zu leben, aber sie können dies nicht selbst tun. Um dies zu gewährleisten, haben viele Pflanzensamen einen kleinen Behälter mit Bakterien, der verwendet wird, wenn die Pflanze sprießt.

Lebensmitteltechnologie

Bei der Käseherstellung handelt es sich um Bakterien.

Milchsäurebakterien wie Lactobacillus und Lactococcus Zusammen mit Hefe und Schimmelpilzen oder Pilzen werden Lebensmittel wie Käse, Sojasauce, Natto (fermentierte Sojabohnen), Essig, Joghurt und Gurken zubereitet.

Die Fermentation ist nicht nur nützlich für die Konservierung von Lebensmitteln, sondern einige dieser Lebensmittel können auch gesundheitliche Vorteile bieten.

Zum Beispiel enthalten einige fermentierte Lebensmittel Arten von Bakterien, die denen im Zusammenhang mit der Magen-Darm-Gesundheit ähnlich sind. Einige Fermentationsprozesse führen zu neuen Verbindungen wie Milchsäure, die eine entzündungshemmende Wirkung zu haben scheinen.

Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die gesundheitlichen Vorteile fermentierter Lebensmittel zu bestätigen.

Bakterien in Industrie und Forschung

Bakterien können organische Verbindungen abbauen. Dies ist nützlich für Aktivitäten wie die Abfallverarbeitung und die Beseitigung von Ölverschmutzungen und Giftmüll.

Die pharmazeutische und chemische Industrie verwendet Bakterien bei der Herstellung bestimmter Chemikalien.

Bakterien werden in der Molekularbiologie, Biochemie und Genforschung eingesetzt, da sie schnell wachsen können und relativ einfach zu manipulieren sind. Wissenschaftler verwenden Bakterien, um die Funktionsweise von Genen und Enzymen zu untersuchen.

Bakterien werden benötigt, um Antibiotika herzustellen.

Bacillus thuringiensis (Bt) ist ein Bakterium, das anstelle von Pestiziden in der Landwirtschaft eingesetzt werden kann. Es hat nicht die unerwünschten Umweltfolgen, die mit dem Einsatz von Pestiziden verbunden sind.

Gefahren

Einige Arten von Bakterien können beim Menschen Krankheiten verursachen, wie Cholera, Diphtherie, Ruhr, Beulenpest, Lungenentzündung, Tuberkulose (TB), Typhus und viele mehr.

Wenn der menschliche Körper Bakterien ausgesetzt ist, die der Körper nicht als hilfreich erkennt, greift das Immunsystem sie an. Diese Reaktion kann zu Schwellungs- und Entzündungssymptomen führen, die beispielsweise bei einer infizierten Wunde auftreten.

Widerstand

Im Jahr 1900 waren Lungenentzündung, Tuberkulose und Durchfall die drei größten Todesursachen in den Vereinigten Staaten. Sterilisationstechniken und Antibiotika haben zu einem signifikanten Rückgang der Todesfälle durch bakterielle Erkrankungen geführt.

Der übermäßige Einsatz von Antibiotika erschwert jedoch die Behandlung bakterieller Infektionen. Wenn die Bakterien mutieren, werden sie resistenter gegen vorhandene Antibiotika, was die Behandlung von Infektionen erschwert. Bakterien wandeln sich auf natürliche Weise um, aber der übermäßige Einsatz von Antibiotika beschleunigt diesen Prozess.

"Selbst wenn neue Medikamente ohne Verhaltensänderung entwickelt werden, bleibt die Antibiotikaresistenz eine große Bedrohung."

Weltgesundheitsorganisation (WHO)

Aus diesem Grund fordern Wissenschaftler und Gesundheitsbehörden die Ärzte auf, keine Antibiotika zu verschreiben, es sei denn, dies ist erforderlich, und die Menschen sollten andere Methoden zur Vorbeugung von Krankheiten anwenden, z. B. gute Lebensmittelhygiene, Händewaschen, Impfung und Verwendung von Kondomen.

Das Darmmikrobiom

Jüngste Forschungen haben zu einer neuen und wachsenden Erkenntnis geführt, wie der menschliche Körper mit Bakterien interagiert, insbesondere mit den im Darmtrakt lebenden Bakteriengemeinschaften, die als Darmmikrobiom oder Darmflora bekannt sind.

Im Jahr 2009 veröffentlichten Forscher Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass Frauen mit Adipositas mit höherer Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Art von Bakterien haben. Selenomonas noxia (S. noxia), in ihrem Mund.

Im Jahr 2015 stellten Wissenschaftler der University of North Carolina fest, dass der Darm von Menschen mit Anorexie im Vergleich zu Menschen ohne diese Krankheit „sehr unterschiedliche“ Bakterien oder mikrobielle Gemeinschaften enthält. Sie schlagen vor, dass dies psychologische Auswirkungen haben könnte.

Geschichte

Vor über 2.000 Jahren schlug ein römischer Autor, Marcus Terentius Varro, vor, dass Krankheiten durch winzige Tiere verursacht werden könnten, die in der Luft schwebten. Er riet den Menschen, während der Bauarbeiten sumpfige Stellen zu meiden, da sie möglicherweise Insekten enthalten, die zu klein für das Auge sind, um zu sehen, dass sie durch Mund und Nasenlöcher in den Körper gelangen und Krankheiten verursachen.

Im 17. Jahrhundert schuf die niederländische Wissenschaftlerin Antonie van Leeuwenhoek ein Mikroskop mit einer Linse, mit dem er sogenannte Animalcules sah, die später als Bakterien bekannt wurden. Er gilt als der erste Mikrobiologe.

Im 19. Jahrhundert sagten die Chemiker Louis Pasteur und Robert Koch, dass Krankheiten durch Keime verursacht wurden. Dies wurde als Keimtheorie bezeichnet.

1910 kündigte der Wissenschaftler Paul Ehrlich die Entwicklung des ersten Antibiotikums Salvarsan an. Er benutzte es, um Syphilis zu heilen. Er war auch der erste Wissenschaftler, der Bakterien mithilfe von Flecken nachwies.

Im Jahr 2001 prägte Joshua Lederburg den Begriff „Darmmikrobiom“. Derzeit versuchen Wissenschaftler weltweit, die Strukturen, Typen und Verwendungen von „Darmflora“ oder Bakterien im menschlichen Körper genauer zu beschreiben und zu verstehen.

Mit der Zeit wird erwartet, dass diese Arbeit eine Vielzahl von Gesundheitszuständen neu beleuchtet.