پروکاریوت‌ها؛ ساختار، ویژگی‌ها، گروه‌بندی‌ها، بیماری‌زایی و اهمیت باکتری‌ها

ساختار باکتری‌ها از ساختار یوکاریوت‌ها ساده‌تر است

باکتری ها حداقل در هفت مورد با یوکاریوت ها تفاوت دارند.

۱- هسته: باکتری ها پروکاریوت اند و بر خلاف یوکاریوت ها مادۀ وراثتی آنها درون هسته سازمان نیافته است.

۲- اندازۀ سلول: بیش تر باکتری ها در حدود یک میکرومتر قطر دارند. سلول های یو کاریوتی به طور متوسط ۱۰ برابر بزرگ تر از باکتری ها هستند.

۳- پرسلولی بودن: باکتری ها تک سلولی اند. گاهی بعضی از باکتری ها به هم می چسبند و ساختارهای رشته مانندی را پدید می آورند. اما نمی توان چنین ساختارهایی را پرسلولی نامید، چون بر خلاف جاندارن پرسلولی واقعی سیتوپلاسم آنها ارتباط مستقیمی با یکدیگر ندارد.

۴- کروموزوم: کروموزوم باکتری از DNA حلقوی تشکیل شده است، اما کروموزوم یوکاریوتی حاوی DNA ای خطی است که پروتئین هایی به آن متصل است.

۵- تولیدمثل: باکتری ها از طریق تقسیم دوتایی تولیدمثل می کنند، اما سلول های یوکاریوتی به سبب داشتن هسته تولیدمثل پیچیده تری دارند. تولیدمثل این سلول ها هم تقسیم هسته را شامل می شود و هم تقسیم سیتوپلاسم را .

۶- تاژک و پیلی: تاژک باکتری ساختار ساده ای دارد و از یک تار پروتئین تشکیل شده است.

که با حرکات خود، باکتری را به جلو می راند. بعضی از باکتری ها برآمدگی های کوتاه تر، اما ضخیم‌تری به نام پیلی دارند. پیلی به باکتری کمک می کند که به سطوح مختلف یا دیگر سلول ها بچسبد و باکتری ها را قادر می سازد تا مادۀ ژنتیک خود را طی فرایندی به نام هم‌یوغی مبادله کند. در پروکاریوت ها، پیلی یک باکتری به باکتری دیگر می‌چسبد و مادۀ ژنتیک، از باکتری دارای پیلی به باکتری بدون پیلی منتقل می شود. هم یوغی به باکتری ها امکان می دهد تا ژن های مقاومت به آنتی بیوتیک ها را از سرده ای به سردۀ دیگر منتشر کنند.

۷- گوناگونی متابولیسمی: باکتری ها توانایی های متابولیسمی متعددی دارند که یوکاریوت ها از آنها بی بهره اند. مثلا باکتری ها قادر به انجام چند نوع فرایند بی هوازی و هوازی هستند، حال آن که یوکاریوت ها عمدتا جاندارانی هوازی اند.

تاژک و پیلی. باکتری ها با داشتن تاژک می توانند حرکت کنند و با داشتن پیلی می توانند به سطوح مختلف بچسبند.

ساختار سلول باکتری منحصر به فرد است

سلول باکتری معمولا به یکی از این سه شکل اصلی دیده می شود: باسیلوس، که میله ای شکل است، کوکوس که کروی شکل است و اسپیریلیوم که مارپیچی است. تعداد اندکی از انواع باکتری ها می توانند به یک دیگر متصل شوند و ساختارهایی رشته ای پدید آورند. اگر اجتماع باکتری ها به صورت رشته ای باشد، آنها را با پیشوند استرپتو و اگر به صورت خوشه ای باشد، آنها را با پیشوند استافیلو مشخص می کنند.

شکل‌های باکتری ها. باکتری‌ها معمولا به یکی از سه شکل بالا هستند.

باکتری ها را براساس نوع دیوارۀ سلولی آنها به دو گروه تقسیم می کنند: گرم_مثبت و گرم_منفی. این دو گروه را بر پایۀ پاسخی که به روش رنگ آمیزی گرم می دهند، از یک دیگر تشخیص می دهند.

رنگ آمیزی گرم در پزشکی از اهمیت فراوان برخوردار است، چون باکتری های گرم_مثبت و گرم_منفی با انتی بیوتیک های متفاوتی نابود می شوند.

بعضی باکتری ها وقتی در شرایط سخت، از جمله کمبود مواد غذایی ، خشکی و دمای زیاد، قرار می گیرند، دیوارۀ ضخیمی دور تا دور کروموزوم خود می سازند. این ساختار، که اندوسپور نام دارد، علاوه بر کروموزوم، مقدار کمی سیتوپلاسم نیز در خود جای داده است. اندوسپور نسبت به تنش های محیطی مقاوم است و می تواند سال ها بعد از تشکیل، رویش خود را از سر گیرد و باکتری فعالی تولید کند.

باکتری ها بر حسب شیوۀ کسب انرژی نیز گروه‌بندی می‌شوند.

باکتری ها در زیستگاه های بسیار متعدد و گوناگون زندگی می کنند و هرجا که یافت شوند از نظر بوم شناسی، نقشی کلیدی در زیستگاه خود بر عهده دارند.

گروه بندی باکتری ها براساس شیوۀ به دست آوردن غذا به ما کمک می کند تا گوناگونی باکتری ها راغ بهتر درک کنیم. باکتری ها را می توان بر حسب روابط تبارزایی آنها نیز گروه بندی کرد.

باکتری‌های فتوسنتز کننــده: بخش مهــمی از فتوسنتزی که در دنیای زنده رخ می دهــد، باکتـری‌ها انجام می دهند. باکتری های فتوسنتز کننده براساس نوع رنگیزۀ فتوسنتزی به چهار گروه عمده تقسیم می شوند. باکتری های غیر گوگردی ارغوانی، باکتری های گوگردی سبز، باکتری های گوگردی ارغوانی و سیانوباکتری ها. باکتری های گوگردی سبز و باکتری های گوگردی ارغوانی در محیط های بی هوازی (بدون اکسیژن) رشد می کنند. این باکتری ها نمی توانند از آب، به عنوان منبع الکترون برای فتوسنتز استفاده کنید و به جای آن از ترکیبات گوگردی، مثل هیدروژن سولفید (H_۲S) سود می جویند. باکتری های غیر گورگردی ارغوانی برای فتوسنتز از ترکیبات آلی مثل اسیدها و کربوهیدرات ها، به عنوان منبع الکترون استفاده می کنند. سیانوباکتری ها از اهمیت ویژه ای برخوردارند. به یاد بیاوریم که اکسیژن موجود در جو زمین، به وسیلۀ سیانوباکتری ها ساخته شده است. سیانوباکتری ها غالبا به یک دیگر می چسبند و رشته هایی پدید می آورند. هر رشته زنجیره ای از سلول هاست که در کپسول ژله مانند پیوسته ای جای گرفته اند. بسیاری از سیانوباکتری ها، از قبیل آنابنا می توانند نیتروژن را تثبیت کنند.

باکتری‌های فتوسنتز کننده. آنابنا، یک سیانوباکتری فتوسنتز کننده است. همانطور که در شکل می بینید، سلول ها به یکدیگر چسبیده اند و ساختاری رشته مانند را ایجاد کرده اند. درون دو سلول نارنجی رنگ بزرگی که در شکل می بینید تثبیت نیتروژن رخ می دهد.

باکتری‌های شیمیواتوتروف

باکتری های شیمیواتوتروف انرژی خود را از طریق برداشتن الکترون ها از مولکول های غیر آلی، مانند آمونیاک (NH_۳)، هیدروژن سولفید (H_۲S) به دست می آورند. باکتری های شیمیواتوتروفی که در خاک زندگی می کنند، مثل نیتروزوموناس و نیتروباکتر از نظر کشاورزی و حفظ محیط بسیار حائز اهمیت اند، چون نقش شوره گذاری را در چرخۀ نیتروزن بر عهده دارند. چنان که می‌دانید، شوره گذاری فرایندی است که طی آن آمونیاک به وسیلۀ اکسیداسیون به نیترات تبدیل می شود. نیترات، رایج ترین شکل نیتروژن است که گیاهان از آن استفاده می کنند.

باکتری‌های هتروتروف

بیش‌تر باکتری‌ها هیتروتروف اند، یعنی از غذایی که به وسیلۀ جانداران دیگر ساخته شده است تغذیه می کنند. باکتری های هتروتروف، همراه با قارچ ها، از تجزیه کنندگان اصلی دنیای زنده اند. تجزیه کنندگان، پیکر موجودات مرده را تجزیه می کنند و مواد غذایی آن را در دسترس سایر جانداران قرار می دهند. بیتشر بویی که از خاک استشام می شود ناشی از باکتری های هتروتروف است. بیشتر باکتری ها هوازی هستند و در حضور  اکسیزن زندگی می کنند؛ بعضی دیگر می توانند در حضور یا در نبود اکسیژن زندگی کنند.

فعالیت‌های باکتری های هتروتروف، ممکن است برای انسان مفید یا مضر باشد. مثلا بیش از نیمی از آنتی بیوتیک هایی که در اختیار داریم به وسیله گونه های متعددی از استرپتومایسز ساخته می شوند. استرپتومایسز، نوعی باکتری رشته ای است که در خاک یافت می شود.

از سوی دیگر، یکی از گونه های استافیلوکوکوس می تواند با ترشح سم خود به درون مواد غذایی باعث تهوع، استفراغ و اسهال در افرادی شود که غذای آلوده به استافیلوکوکوس را خورده اند. ریزوبیوم ها، مهم ترین جانداران تثبیت کنندۀ نیتروژن اند. این باکتری ها، که هتروتروف اند، معمولا در غده های روی ریشه گیاهان (مانند سویا، لوبیا، بادام زمینی، یونجه و شبدر) زندگی می‌کنند. کشاورزان از توانایی ریزوبیوم ها در تثبیت نیتروژن استفاده مهمی می کنند. آنان هر چند سال یک بار در زمین های کشاورزی خود گیاهانی از خانواده پروانه واران را می‌کارند تا خاک را از ترکیبات نیتروژن دار دوباره غنی سازند.

باکتری‌های تثبیت کنندۀ نیتروژن. باکتری های موجود در غده های روی ریشه این لوبیا، حاوی گونه ای از باکتری‌های تثبیت کنندۀ نیتروژن، متعلق به سرده ریزوبیوم هستند.

باکتری‌ها به دو روش اساسی بیماری ایجاد می‌کنند

باکتری ها ممکن است از میزبان خود به عنوان منبع غذا استفاده کنند: باکتری های هتروتروف، غذای خود را از طریق ترشح آنزیم های گوارشی و تجزیۀ مواد آلی موجود در محیط به دست می‌آورند. اگر محیط زیست باکتری ها گلو یا شش های شما باشد، تغذیۀ باکتری ها نتایج خطرناکی در پی خواهد داشت. مثلا سل، که یکی از بیماری های شش است، توسط مایکوباکتریوم توبرکلوسیز ایجاد می شود. سل، روزگاری از شایع ترین علل مرگ و میر بود. در بیشتر موارد، عفونت از طریق تنفس قطره های ریز آلوده به باکتری منتقل می شود. اگر سل درمان نشود، ممکن است منجر به مرگ شود.

همۀ باکتری های بیماری زا کشنده نیستند. مثلا بعضی از باکتری ها عارضه‌هایی را سبب می‌شوند.

که ما به طور روزمره ممکن است با آنها برخورد کنیم، مثل جوش صورت. جوش صورت در ۸۵ درصد نوجوانان یافت می شود. بعضی باکتری ها، مثل پروپیونی باکتریوم آکنس، در غده‌های چربی موجود در پوست رشد می کنند. این باکتری ها، نوع خاصی از مواد چربی را که در این غده ها تولید می شوند، متابولیزه می کنند. طی بلوغ، غده های چربی، مقدار بیشتری چربی تولید می کنند. بنابراین تعداد باکتری ها به مقدار بیشتری چربی تولید می کنند. بنابراین تعداد باکتری ها به مقدار بسیار زیادی افزایش می یابد. در نتیجه منافذی که چربی با عبور از آنها به سطح پوست ترشح می شود، مسدود می گردند و بنابراین چربی در پوست تجمع می یابد و به این ترتیب جوش پدید می آید.

باکتری‌های استرپتوکوکوس (۱۰۲۰۰×)

توکسین‌های باکتریایی

دومین روش بیماری زایی باکتری ها، ترشح ترکیبات شیمیایی است. این مواد شیمیایی – که توکسین نامیده می شوند- برای سلول های یوکاریوتی سمی هستند. توکسین ها ممکن است به درون بدن فرد یا غذای آلوده به باکتری ترشح شوند. مثلا کورینه باکتریوم دیفتریا، که گرم مثبت است و باعث بیماری دیفتری می شود، در گلو رشد می کند، اما توکسین آن بر قلب، اعصاب، کبد و کلیه ها اثر می کند. دیگری باکتری ها، مثل باکتری های گرم منفی، نوعی توکسین را که اندوتوکسین نام دارد ترشح می کنند. اندوتوکسین باعث تب، درد عضلانی و لرز می شود.

وقتی باکتری ها در غذا رشد و توکسین ترشح می کنند، توکسین های تولید شده ممکن است در افرادی که از آن غذا می خورند، بیماری ایجاد کنند. این نوع بیماری را مسمومیت می نامند. مثلا استافیلوکوکوس اورئوس شایع ترین نوع مسمومیت غذایی را باعث می شود. از علایم آن می توان به حالت تهوع، استفراغ و اسهال اشاره کرد. این نوع مسمومیت، به ندرت مرگ آفرین است.

نوع دیگری از مسمومیت، که کشنده است، در غذاهای کنسرو شده ای دیده می شودکه به خوبی کنسرو نشده اند. گاهی اوقات غذاهای بسته بندی شده آنقدر حرارت نمی بینند که باکتری های اندوسپوردار آنها کشته شوند. کلستریدیوم بوتولینم یکی از این باکتری هاست و توکسین آن که بر دستگاه عصبی انسان اثر می کند، بسیار مهلک است. کسی که غذای آلوده به این توکسین را بخورد، به بیماری بوتولیسم مبتلا می شود. از علایم آن می توان به دید دوتایی (دوبینی) و فلج شدگی اشاره کرد. مبتلایان به این بیماری ممکن است بر اثر ناتوانی در تنفس، بمیرند. 

رشد بی هوازی. باکتری‌هایی که اندوسپور می سازند می توانند در محیط های فاقد هوا، درون قوطی‌های کنسور رشد کنند. در نتیجه این متابولیسم مقدار زیادی گاز تولید می شود که باعث برآمدن درب قوطی می‌شود.

می‌توان با بیماری‌های باکتریایی مبارزه کرد

بیشتر باکتری‌ها در آب جوش یا با مواد شیمیایی مخصوص کشته می‌شوند. استفاده از آب داغ و مواد شوینده از آلوده شدن ظروف آشپزخانه و در نتیجه انتشار بیماری جلوگیری می کند. مواد ضد باکتری زیادی نیز به طور تجاری تهیه شده اند که استفاده از آنها یکی از راه های پیشگیری از ابتلا به بیماری است.

آنتی بیوتیک‌ها

در سال ۱۹۲۸، باکتری شناسی به نام الکساندر فلمینگ متوجه شد که قارچی از سردۀ پنی سیلیوم روی محیط کشتی از استافیلوکوکوس اورئوس رشد کرده است. وی دید که در نزدیکی قارچ، باکتری ها رشد نکرده اند. فلمینگ از این مشاهده نتیجه گرفت که قارچ ماده ای ترشح کرده است که باکتری ها را می کشد. فلمینگ این ماده را جداسازی کرد و آن را پنی سیلین نام نهاد. در اوایل دهۀ ۱۹۴۰ دانشمندان دریافتند که پنی سیلین در درمان بیماری های باکتریایی، مثل ذات الریه، موثر است.

آنتی بیوتیک ها به طور طبیعی تولید می شوند. ظرفی که الکساندر فلمینگ دیده بود، شبیه ظرف آگاری است که در شکل مقابل نشان داده شده است. دقت کنید که باکتری‌های مجاور قارچ ها، از بین رفته‌اند.

آنتی بیوتیک‌ها با فرایندهای سلولی تداخل دارند و چون فرایندهای سلولی در ویروسها رخ نمی‌دهد، بر ویروس ها موثر نیستند. بعضی از آنتی بیوتیک‌ها مثل تتراسایکلین و امپی‌سیلین در طبیعت کشف شده یا به طور شیمیایی ساخته شده اند.

اهمیت‌های باکتری‌ها

با این که بعضی باکتری‌ها آدمی را بیمار و غذای او را فاسد می‌کنند، اما فواید بسیار مهمی هم دارند.

فراورده‌های غذایی و شیمیایی

بسیاری از غذاهایی که می خوریم، به وسیلۀ انواع خاصی از باکتری ها پردازش شده اند. مثلا غذاهای تخمیری به کمک باکتری ها تولید می شوند. از مواد غذایی تخمیری می توان ماست، پنیر و سرکه را نام برد.

آدمی قادر است باکتری ها را برای تولید مواد شیمیایی به منظور مصارف صنعتی به خدمت بگیرد. مثلا، انواع مختلفی از سردۀ کلستریدیوم می توانند استون و بوتانول بسازند. بسیاری از ترکیبات مهم شیمیایی از این دو مادۀ اولیه ساخته می شوند.

شرکت های مهندسی ژنتیک برای تولید فرآورده های خود، نظیر داروها و مواد پیچیده ای که در پژوهشهای علمی مورد نیازند، از باکتریهایی استفاده می کنند که به روش مهندسی ژنتیک، تغییر داده شده اند.

دستگاه تخمیر کنندۀ (فرمانتور) صنعتی. باکتری‌ها برای تولید مواد شیمیایی مفید مورد استفاده قرار می‌گیرند.

استفاده از باکتری ها در استخراج معادن و پاکسازی محیط: شرکت های بهره برداری از معدن از باکتریها برای تخلیص کردن عنصر مورد نظر از سنگ معدن هایی که عیار پایین دارند، استفاده می کنند. این سنگ معدن‌ها که مقدار کمی از عنصر مورد نظر را در خود جای داده اند، حاوی گوگردند. باکتری های شیمیواتوتروف می‌توانند گوگرد را به ترکیبات محلول تبدیل کنند. سنگ معدن را با آب شستشو می‌دهند. آب، ترکیبات محلول گوگردی را می شوید و از سنگ معدن جدا می کند. آنچه باقی می ماند، عنصر مورد نظر است. از این روش برای استخراج مس و اورانیوم نیز استفاده می‌شود.

بعضی از باکتری‌ها می‌توانند مواد آلی مختلفی را متابولیزه کنند. از این باکتری ها برای پاکسازی آلودگی های نفتی و شیمیایی استفاده می کنند. برای پاکسازی لکه های نفتی، از پودرهایی که حاوی باکتری‌های متابولیزه کنندۀ نفت اند استفاده می شود.