Bakterie

Druhy jsou u bakterií charakterizovány především biochemicky. Rozhodující je např. nárok na živiny: bakterie se očkují do půd s různým obsahem živin a zjišťuje se, v kterých půdach jsou schopné růst. Důležité je, jak jsou schopné růst za přítomnosti kyslíku a v jeho nepřítomnosti. Dále se sledují produkty metabolismu. V nejjednodušším případě se zjišťuje, zda vytvářejí kyseliny (okyselují prostředí), nebo zda produkují plyny (CO2, H2), které unikají z tekutiny jako bublinky. K tomu mohou přistoupit chemická stanovení zcela určitých metabolických produktů.

Eubacteria a Archebacteria

V druhé polovině 20. století se ukázalo, že některé bakterie se od ostatních odlišují velmi podstatnými zvláštnostmi, které opravňovaly zařadit je do zvláštní skupiny Archebacteria; název není šťastný, protože není jisté, zda jsou tyto organismy starobylejší nebo původnější než ostatní bakterie zvané nyní Eubacteria. mezi Archebakterie se počítají především metanogenní bakterie a bakterie, žijící v horkých sirných pramenech. Liší se od eubakterií složením buněčné stěny, která neobsahujeproteoglykan, dále složením plazmatické membrány, která je tvořena výhradně jedinečnými dlouhými molekulami izoprenoidů, sahajícími od jednoho povrchu membrány k druhému. Struktura genů archebakterií i některé detaily v průběhu syntézy bílkovin jsou podobnější poměrům u eukaryot než u eubakterií. Má se za to, že se archebakterie nějakým významným způsobem podílely na evoluci eukaryotních organismů.

Vlastnosti prokaryotních organismů

Výklad o bakteriích uvedeme příkladem druhu Escherichia coli (dále jen E. coli). Je to malá, poněkud protáhlá bakterie s vštším počtem bičíků, která spolu s některými dalšími bakteriemi žije v tlustém střevě člověka a živí se nestrávenými zbytky potravy. Je to tedy typický heterotrofní organismus. Velmi snadno se kultivuje i na jednoduchých půdách, lidskému zdraví neškodí (naopak poskytuje hostiteli vitamin K) a proto jenejoblíbenějším pokusným organismem ze všech mikrobů. Tato bakterie je vůbec nejlépe prozkoumaným organismem ze všech. Pokusy ne E coli měly a stále mají základní význam pro poznání struktury a funkce prokaryotní buňky a buňky vůbec, ale i pro pokrok molekulární biologie jako celku.

Ve střevě žije E. coli v anaerobních podmínkách a energii získává kvašením. Při kvašení cukrů vzniká řada produktů, především organické kyseliny (mléčná, octová, mravenčí), etanol a vyvíjejí se plyny (CO2 i H2). Tyto bakterie však mohou žít i za přítomnosti kyslíku, dýchají a vytvářejí ATP na účet energie oxidovaných živin. Za nepřítomnosti kyslíku dovedou k oxidaci živin využít i dusičnany, které dovedou redukovat přes dusitany a amoniak. E. coli nedovede využívat molekulární kyslík.

E. coli nežije trvale mimo trávicí soustavu, může však (na rozdíl od jiných střevních bakterií) dlouho ve volné přírodě přežívat. Proto se při hygienické kontrole pitné vody hledá E. coli ne z toho důvodu, že by byla sama škodlivá, ale proto, že její nález ukazuje, že do vody prosakují splašky ze záchodů, které by mohly být zdrojem infekce.

Důkaz se provádí kultivací a je dobrým příkladem využití již popsaných kultivačních metod. Vzorek vody se naočkuje do půdy, v níž je hlavní živinou mléčný cukr laktóza. Tnto zdroj živin nedovede většina půdních bakterií využívat, vedle E. coli může vyrůst většinou jen typická půdní bakterie Aerobacter aerogenes. Tuto bakterii lze od E. coli rozlišit dalšími zkouškami. Např. E. coli produkuje mnohem více kyseliny, což se pozná přidáním vhodného indikátoru do živné půdy. Naproti tomu A. aerogenes vytváří mimo jiné malé množství sloučeniny acetoinu, který se dá chemicky určit.

Escherichia coli, jejíž vlastnosti jsme poznali, může žít aerobně i anaerobně, může využívat různé zdroje živin a kvašením vytváří řadu produktů. Ne všechny heterotrofní bakterie jsou takto všestranné. Některé jsou odkázány na přítomnost kyslíku – jsou obligátně aerobní. Jiné naopak kyslík vůbec nesnášejí – jsou obligátně anaerobní. Případ jako je E. coli je fakultativně anaerobní bakterie. Místo kyslíku mohou některé bakterie využívat k oxidaci organických látek dusičnany nebo sírany. Mezi produkty kvašení bakterií se nejčastěji objevují různé organické kyseliny a alkoholy. Mnohé anaerobní bakterie produkují vodík, některé bakterie jej mohou spotřebovávat. Tzv. metanogenní bakterie získávají energii tím, že molekulární vodík oxidují pomocí CO2 za vzniku metanu buničinu. Některé bakterie mohou oxidovat i uhlovodíky a jsou tedy schopny odstraňovat znečištěniny ropného původu. Řada prokaryotních organismů může využívat molekulární dusík jako zdroj pro syntézu organických látek.

Důležité je, že se u prokaryotních organismů vyvinula schopnost fotosyntézy. Nejdokonalejší fotosyntézu, která je rovnocenná fotosyntéze zelených rostlin, mají sinice.

Sinice se původně počítaly mezi řasy a odtud je jejich název Cyanophyta. Když byla rozpoznána jejich příslušnost k prokaryotním organismům, užívá se mnohdy i názvu Cyanobacteria.

Jednodušší a asi evolučně původnější fotosyntéza než u sinic se vyskytuje u některých bakterií, které sice mohou využívat světla k syntéze organických látek z CO2, při fotosyntéze však nevyvíjejí kyslík. Místo vody rozkládají sulfan H2S na síru. Tyto bakterie jsou přísně anaerobní.

Fotosyntetické bakterie nejsou jedinými autotrofy mezi prokaryotními organismy. Některé bakterie dovedou získávat energii k syntéze organických látek z CO2 oxidací anorganických látek: nitrifikační bakterie oxidují amoniak postupně až na dusičnany, jiné bakterie oxidují olekulární síru až na kyselinu sírovou.

Metabolická dráha, kterou se u autotrofních bakterií vytvářejí z CO2 organické látky, je ve všech případech prakticky stejná a totožná s obdobnou metabolickou dráhou zelených rostlin.

Tvarová rozmanitost bakterií je mnohem menší než tvarová rozmanitost jednobuněčných eukaryotních organismů. Rozměry buněk jsou kolem tisíciny mm, sinice mohou být větší, ojediněle jsou druhy bakterií s buňkami většími než 10 mm. Nejběžnější tvary bakterií a jejich názvy jsou koky, streptokoky, stafylokoky, vibrio a další. Zvláštní vyjímku tvoří spirochéty, tenké bakterie ve tvaru vývrtky, které se pohybuje ve vodě šroubovitým pohybem.

Vnitřní stavba bakteriálních buněk může být zcela jednoduchá. Mnohé bakterie však mají uvnitř buňky membránové útvary. Ty jsou pravidelně vyvinuty u fotosyntetických bakterií a v jejich membránách sjsou uloženy fotosystéme. U sinic jsou takové membránové váčky ploché, jsou bohatě vyvinuty a nazývají se thylakoidy.

Prokaryotní organismy v přírodě

Prokaryotní organismy se v přírodě vyskytují prakticky všude. Na mnohých stanovištích jsou převažujícími nebo vůbec jedinými organismy (např. v horkých pramenech).

Bakterie se ve velkém množství namnoží všude, kde se nahromadí organické látky a je alespoň minimální vlhkost. Mrtvé organismy, zejména živočišné, které představují velmi koncentrované nakupení živin, jsou velmi rychle osídleny spoustou bakterií, především hnilobných (tj. anaerobních), které spolu s mnohobuněčnými živočichy (obratlovci, členovci apod.) mrtvolu rychle zlikvidují. Dokonce i při likvidaci trusu větších živočichů mají bakterie významný podíl.

Stejně intenzivně pracují bakterie i v nakupeninách organické hmoty, které záměrně vytváří člověk. Kompost je jedním takovým zařízením, kde člověk spoléhá na činnost bakterií, aby zpracovaly odpad na užitečné hnojivo. Bakterie se však moou intenzivně množit i třeba ve vlhkém seně a jejich činnostímůže vznikat tolik tepla, že dojde až k samovznícení. Ve všech těchto případech převládají anaerobní děje, provázené obvykle vznikem hořlavých plynů, především metanu a vodíku.

Prokaryotní organismy jsou velmi podstatnou složkou i ve stabilních přirozených biotopech, jejichž krátký přehled bude podán níže.

Zvláštní zmínku si zaslouží sinice. Podle paleontologických nálezů patří k nejstarším organismům na Zemi, což je překvapující vzhledem k jejich dokonale vyvinuté složité fotosyntéze. Jsou převážně vodními organismy, mohou však žít i v půdě i na skalách a to v nejnepříznivějších klimatických podmínkách (vysoké hory, polární oblasti). Za toto rozšíření nepochybně vděčí jak své fotosyntéze, tak schopnosti asimilovat molekulární dusík. Jsou prvními živými bytostmí, které se objevují např. na nově vzniklých sopečných ostrovech.

Pravým domovem sinic jsou ovšem sledké vody, kde se za příznivých podmínek mohou rozmnožit tak, že pokrývají jako tzv. „vodní květ“ většinu hladiny. Vodu znehodnocují nejen tím, že po odumření hnijí a vytvářejí zápach, ale obsahují také jedovaté cysnotoxiny, látky podobné alkaloidům a svou toxicitou je mnohdy převyšující. Jsou nebezpečné nejen pro lidi, kteří se koupají ve vodě s hojností sinic, ale zdraví může poškozovat i pitná voda, připravená z nádrží s bohatým porostem sinic. Mezi cyanotoxiny jsou i neurotoxiny, působící podobnějako fostfátové insekticidy, a hepatotoxiny poškozující jaterní buňky. V některých sinicích však byly nalezeny i látky brzdící růst nádorů.

Heterotrofní bakterie žijí ve vodách bohatých na organické látky. Vyskytují se ve velkém množství druhů. V hlubších vrstvách vody spotřebují bakterie brzy všechen kyslík a vytvoří anaerobní prostředí, kde se rozkladem organických látek a redukcí síranů vzniká sulfan. Ten je jednak využíván sirnými fotosyntetickými bakteriemi; ve vyšších vrstvách, kde je přítomen kyslík, se za účasti bakterií oxiduje na sírany.

V bahně převládá anaerobní prostředí a probíhají zde podobné děje jako v znečištěných vodách. Ve značné míře zde působí bakterie, které vytvářejí molekulární vodík, a ten využívají metanogenní bakterie k redukci CO2 na metan.

Velmi důležité jsou bakterie v půdě. Rozkladem organických látek vytvářejí nakonec jednoduché anorganické sloučeniny, které jsou živinami pro zelené rostliny. Uplatňuje se při tom i schopnost bakterií rozkládat i složité sloučeniny, jako je např. buničina. Mnohé bakterie vytvářejí jako své konečné metabolické produkty různé organické látky (u anaerobních bakterií ani není jiná možnost), v přírodě jsou však tyto látky využívány jako substráty jinými bakteriemi a nakonec oxidovány na CO2 a vodu. Dusík z organických látek uvolňují bakterie v podobě amoniaku NH3, který nitrifikační bakterie oxidují na dusičnany. Síru z organických látek uvolňují bakterie anaerobně jako sulfan H2S, který je aerobními bakteriemi oxidován na síran. Dusičnany i sírany jsou živinami pro zelené rostliny. Velmi významnou roli v půdě mají bakterie schopné vázat molekulární dusík (nitrogenní bakterie). Některé z nich žijí volně v půdě, jiné v symbióze s kořeny rostlin. Nejznámější je symbióza s kořeny bobovitých rostlin, které vytvářejí na kořenech zvláštní hlízky, které hostí nitrogenní bakterie.

Důležitou skupinou půdních bakterií jsou tzv. aktinomycety, mezi něž patří i rod Streptomyces, produkující známé antibiotikum streptomycin. Tyto bakterie vytvářejí v půdě mnohobuněčná rozvětvená vlákna – mycelia (tohoto názvu se užívá i pro podhoubí). Z nich vyrůstají nad povrch tzv. vzdušná mycelia, na jejichž koncích se vytvářejí řetízky spór. Těmi se bakterie šíří do prostředí. Tato skupina bakterií produkuje i další významná antibiotika.

Velký význam v přírodě mají i bakterie, které žijí v symbióze s býložravými živočichy. V trávicí soustavě živočichů je vždy velké množství bakterií, v některých případech mají však pro hostitele rozhodující význam. Platí to především o termitech a přežvýkavcích, u nichž bakterie rozkládají buničinu a tím umožňují využívat dokonale i takovou rostlinnou hmotu, která je jinak na živiny chudá (sláma, dřevo).

V bachoru přežvýkavců i ve střevě termitů žijí vedle bakterií i jednobuněčné eukaryotní organismy. Je tu i intenzívní tvorba metanu – rýžová pole, termiti a přežvýkavci jsou hlavními zdroji metanu na Zemi.

Bakterie a člověk

V obecném povědomí jsou bakterie spojovány se vznikem nakažlivých (infekčních) chorob. Ve srovnání s tím, kolik druhů bakterií je v přírodě, a i s tím, kolik neškodných druhů žije, např. v ústní dutině nebo v tlustém střevě člověka, je choroboplodných (patogenních) bakterií velmi málo.

Bakterie vyvolávají choroby jednak tím, že napadají a rozrušují tkáně, jednak tím, že vylučují mimořádně jedovaté látky bílkovinné povahy, tzv. toxiny. U různých druhů bakterií se tyto dva mechanismy uplatňují různou měrou.

Trávicí soustavou (infikovanou potravou nebo vodou) se dostávají do těla především původci střevních onemocnění. Rozsáhlé infekce vyvolává cholera, jejíž původce (Vibrio cholerae) dráždí svým toxinem střevní stěnu k velké sekreci vody; proto jsou průjmy hlavním příznakem cholery. Tyfus a některá lehčí průjmová onemocnění, běžná i u nás, vyvolávají různé druhy rodu Salmonella.

Onemocnění dýchací soustavy se přenášejí vzduchem, hlavně tzv. kapénkovou infekcí – drobnými kapkami slin a hlenu, vznikajícími při mluvení, kašlání a kýchání. Streptokoky způsobují angínu, spálu i zánět plic; v posledním případě se spíše než infekce zvenčí uplatňuje oslabení organismu např. chřipkovým onemocněním; příslušný streptokok bývá v dýchacích cestách zdravých lidí příromen. Účinným lékem proti streptokokovým onemocněním se ukázal penicilín a jiná antibiotika. Původce tuberkulózy (Macobacterium tuberculosis) způsobuje rozpad plicní tkáně. Při potlačení tuberkulózy, dříve rozšířené smrtelné choroby, se uplatnil streptomycin.

Hnisání ran způsobují často stafylokoky. Do rány se může dostat i baci teteanu (Clostridium tetani), resp. jeho spóry. Bacil se množí v okolí rány a vylučuje toxin, který působí na nervový systém a vyvolává smrtelné křeče. Spolehlivou ochranou je jen očkování.

Pohlavním stykem se z bakteriálních chorob přenáší kapavka (původce Neisseria gonorrhoeae), která je provázena zánětem pohlavních orgánů, a příjice (syfilis, původce spirochéta Treponema pallidum), která nakonec zachvacuje nejrůznější orgány a neléčena končí smrtí.

Hlavní bakteriální choroba, šířená členovci, je u nás v poslední době borelióza (původce spirochéty rodu Borrelia), horečnaté onemocnění přenášené klíšťaty, které může mít pozdní nepříjemné následky. Zásobárnou spirochét v přírodě jsou hlodavci. Podobně původce moru (Yersinia pestis) se přenáší blechami z potkanů na člověka. Vši přenášejí skvrnivku (nesprávně skvrnitý tyf, s břišním tyfem nemá nic společného). Její původce Rickettsia prowazeki je primitivní bakterie parazitující uvnitř buněk. Onemocnění je často smrtelné.

Průmyslové využití bakterií je velmi rozsáhlé: nejstarší je patrně zpracování mléka bakteriálním kvašením (výroba jogurtů a podobných produktů), k němuž se ovšem dnes užívá převážně čistých bakteriálních kultur připravených v laboratoři. Bakteriálním kvašením se vyrábějí organické kyseliny: kyselina octová, kyselina citronová a řada dalších. Důležitá je bakteriální výroba aminokyselin. Mnohá antibiotika jsou rovněž bakteriální produkty, široce sepoužívají i bakteriální insekticidní přípravky. Právě geny pro tyto látky byly pokusně vpraveny do kulturních rostlin (cukrová třtina, kukuřice), aby jim propůjčily vrozenou rezistenci: tento pokus, provedený v USA, vyvolal velké diskuse a spory.

Geneticky manipulované bakterie (ale i např. kvasinky, které mají proti bakteriím některé výhody) se používají i při výrobhě některých bílkovinných hormonů (růstový hormon, inzulin).