Мікроби – це найменші організми на нашій планеті, які мають величезний вплив на наше життя. Попри те, що їх неможливо побачити неозброєним оком, вони живуть повсюди: у нас, навколо нас і навіть у найекстремальніших місцях Землі. У цій статті ми розповімо про захопливі факти про мікробів, які змінять ваш погляд на світ.
Що такое мікроби і як вони виглядають
Мікроби – це живі організми, розмір яких становить від 0,1 до 5,0 мікрометрів. Для порівняння: людське волосся має товщину близько 100 мікрометрів, тобто мікроб у 20-200 разів менший за нього.
Основні типи мікробів включають:
• Бактерії – прокаріотичні організми без ядра
• Віруси – субклітинні частинки, які потребують господаря для розмноження
• Гриби – евкаріотичні організми, включаючи дріжджі та цвіль
• Простіші – одноклітинні евкаріотичні організми
Форми мікробів можуть бути різними: кулеподібні, паличкоподібні, спіральні та навіть складні геометричні форми. Наприклад, бактерія Bacillus anthracis (збудник сибірки) має форму палички, а Vibrio cholerae (збудник холери) нагадує кому.
Де живуть мікроби
Мікроби адаптувалися до життя в майже всіх можливих умовах на Землі. Це просто неймовірно!
Екстремальні середовища
Деякі мікроби живуть у місцях, де, здавалось би, життя неможливе:
Гарячі джерела – мікробна термофільна бактерія Thermus aquaticus живе у гарячих джерелах з температурою до 80°C. Ця бактерія дала людству важливий фермент для біотехнологій.
Глибини океану – на глибині 6-11 км, де температура близька до нуля, а тиск величезний, живуть спеціалізовані мікроби, які розщеплюють вуглеводні та метан.
Кислотні ставки – деякі мікроби живуть у водах з pH близько 0 (як у сильній кислоті). Наприклад, бактерія Acidophilium cryptum процвітає в таких умовах.
Радіоактивне забруднення – гриб Cryptococcus neoformans був виявлений в охолодженні реактора Чорнобильської електростанції, де він живе, розщеплюючи радіоактивні матеріали.
Льодяні пущі – «психрофільні» мікроби живуть у вічній мерзлоті та льодяних шапках, де температура опускається нижче -20°C.
Мікроби всередину нас
Наш організм є повним мікробів! Кількість бактеріальних клітин у людському кишечнику приблизно дорівнює кількості людських клітин у нашому тілі. Це означає, що кожна друга клітина у вас – це насправді бактерія!
Мікробіом людини складається з:
• Понад 37 трильйонів бактеріальних клітин
• Понад 1000 різних видів бактерій
• Від 2 до 3 кг загальної ваги мікробів у кишечнику
Ці мікроби не є паразитами – вони допомагають нам перетравлювати їжу, синтезувати вітаміни та захищати від небезпечних патогенів.
Неймовірна швидкість розмноження
Мікроби розмножуються з дивовижною швидкістю. Багато бактерій розмножуються методом поділу – кожна клітина ділиться на дві ідентичні дочірні клітини.
Темпи зростання
Відомо, що деякі бактерії можуть розділитися за 20 хвилин. Якщо створити ідеальні умови для розмноження, одна бактеріальна клітина може утворити мільйони нащадків за кілька годин.
Порівняння швидкості розмноження:
- Кишкова паличка (E. coli) – розділяється кожні 20 хвилин
- Клостридія (Clostridium difficile) – розділяється кожні 30 хвилин
- Синьозелені водорості – розділяються кожні 2-3 години
- Деякі грибки – розділяються кожні 24 години
Цей експоненціальний ріст – одна з причин, чому інфекції можуть так швидко розвиватися, і чому санітарія та гігієна так важливі.
Комунікація мікробів: мова без слів
Мікроби спілкуються один з одним способом, який називається кворум-зондування (quorum sensing). Це система, завдяки якій бактерії можуть «говорити» через хімічні сигнали.
Як це працює
Кожна бактерія виробляє хімічні сигнали, які називаються аутоіндукторами. Коли мікробів стає достатньо (коли популяція досягає певного порога), вони відчувають присутність один одного через концентрацію цих сигналів.
Коли бактерії «розуміють», що їх багато, вони можуть:
• Змінювати своє поведінку
• Вимикати або вмикати гени
• Координувати напад на господаря
• Утворювати біоплівки
• Вимикати позаклітинні ферменти
Це було відкрито вченими Bonnie Bassler та Michael Silverman у 1994 році і змінило наше розуміння мікробної біології.
Мікроби як герої: їхня користь для людства
Попри що багато людей думають про мікроби негативно, вони є критично важливими для нашого виживання.
Виробництво їжі та напоїв
Мікроби необхідні для виробництва:
- Йогурту – молочнокислі бактерії, такі як Lactobacillus, перетворюють молоко на йогурт
- Сиру – різні мікроби використовуються для створення унікальних смаків та текстур
- Хліба – дріжджі Saccharomyces cerevisiae ферментують цукор, вивільняючи вуглекислий газ, який робить хліб пухким
- Пива та вина – дріжджі ферментують цукори, створюючи алкоголь
- Чаю Комбуча – культура SCOBY (symbiotic culture of bacteria and yeast) перетворює чай на ферментований напій
- Японської пасти місо – особливі плісені та бактерії ферментують сою
Без цих мікробів ми б не мали багатьох улюблених продуктів!
Медицина та антибіотики
Однією з найбільших заслуг мікробів для людства є виробництво антибіотиків:
• Пеніцилін (1928) – відкритий Александром Флемінгом, виробляється плісінню Penicillium notatum
• Тетрациклін – виробляється актиноміцетами
• Стрептоміцин – також виробляється актиноміцетами
• Цефалоспорини – виробляються грибами роду Cephalosporium
Ці ліки врятували мільйони життів і змінили медицину назавжди.
Екологічна роль
Мікроби розкладають мертву речовину та рециклюють поживні речовини:
- Розкладання – мікроби розщеплюють мертві організми та органічні відходи
- Вуглеводневий цикл – бактерії перетворюють вуглекислий газ на органічні сполуки
- Азотний цикл – деякі мікроби збирають азот з повітря та роблять його доступним для рослин
- Біоремедіація – мікроби можуть розщеплювати забруднювачі та очищувати навколишнє середовище
Темна сторона: хвороботворні мікроби
Звичайно, не всі мікроби мають користь. Деякі можуть викликати серйозні захворювання.
Найнебезпечніші мікроби
| Мікроб | Захворювання | Історичне значення |
|---|---|---|
| Plasmodium | Малярія | Вбила понад 500 млн людей в історії |
| Mycobacterium tuberculosis | Туберкульоз | Причина смертельності понад 1,5 млн осіб на рік |
| HIV | СНІД | Пандемія, що почалась у 1981 р. |
| Vibrio cholerae | Холера | Спричинила сім великих пандемій |
| Yersinia pestis | Бубонна чума | Вбила 25% європейського населення у XIV столітті |
Розвиток стійкості до антибіотиків
Одна з найбільших проблем сучасної медицини – це розвиток мікробами стійкості до антибіотиків. Коли ми надмірно використовуємо антибіотики, мікроби, які мають гени для виживання, передають їх своїм нащадкам, створюючи суперінфекції.
Країни, де це найбільша проблема:
• Індія
• Китай
• Таїланд
• Бразилія
• США
Мікроби у космосі і на інших планетах
Вчені довгий час дискутували про можливість існування мікробного життя поза Землею.
Дослідження у космосі
Панспермія – деякі вчені гадають, що мікробне життя могло потрапити на Землю з метеоритів з інших планет
Марсоходи NASA – включають дезінфекцію, щоб запобігти контамінації Марса земними мікробами
Льодяна луна Європа – вчені вважають, що під льодяною кіркою може бути океан, де могли б існувати мікроби
TATA експерименти – мікроби були відправлені у космос на МКС для дослідження, як мікрогравітація впливає на їхнє зростання
Деякі мікроби при повтас можуть також оповнити екстремальні умови космосу краще, ніж можна було очікувати.
Генетичне модифікування мікробів
Мікроби є найпершими організмами, з якими вчені почали експериментувати генетичну модифікацію.
Практичні застосування
Сьогодні генетично модифіковані мікроби використовуються для:
• Виробництва інсуліну – генетично модифікована E. coli виробляє людський інсулін
• Виробництва гормону росту – також за допомогою E. coli
• Створення вакцин – деякі вакцини розробляються з використанням генетично модифікованих мікробів
• Виробництва біопалива – генетично модифіковані водорості та бактерії можуть перетворити рослинні матеріали на паливо
Цей напрямок біотехнології продовжує швидко розвиватися.
Мікроби та охорона здоров’я кишечника
Останніми роками вчені дізналися, що мікробіом нашого кишечника впливає на багато аспектів нашого здоров’я.
Факти про микробиом
Дослідження показали, що мікробіом пов’язаний з:
- Психічним здоров’ям – деякі депресія та тривожність пов’язані зі складом мікробіому
- Імунною системою – мікробіом «навчає» нашу імунну систему розпізнавати загрози
- Ожирінням – різні люди з ожирінням мають різний склад мікробіому, ніж люди з нормальною вагою
- Аутизмом – деякі дослідження пов’язують мікробіом з розладами спектру аутизму
- Алергіями – баланс мікробіому впливає на розвиток алергій у дітей
Способи поліпшення мікробіому
Ви можете покращити свій мікробіом через:
• Пробіотики – живі мікроби, які корисні для здоров’я
• Пребіотики – проблеми для росту корисних мікробів (наприклад, інулін у цибулі)
• Різноманітна дієта – споживання різних типів їжі підтримує різноманітність мікробів
• Зменшення стресу – стрес змінює склад мікробіому
• Сон – якість сну впливає на мікробіом
• Фізичні вправи – активна людина має здоровіший мікробіом
Як мікробів вивчають
Мікробіологія – це наука про мікробів. Вчені використовують спеціальні методи для їхнього дослідження.
Основні методи дослідження
Мікроскопія – використання мікроскопів для спостереження мікробів
- Світлова мікроскопія
- Електронна мікроскопія
- Конфокальна мікроскопія
Культивування – вирощування мікробів у лабораторії на спеціальних живильних середовищах
- Агарові плаки
- Бульйонні культури
- Анаеробні умови
Генетичне секвенування – визначення ДНК/РНК мікробів
- Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР)
- Секвенування наступного покоління
Молекулярні методи – дослідження на рівні молекул
- Імуноасаї
- Масс-спектрометрія
- Хроматографія
Цікаві та дивні факти про мікробів
Мікробіологія повна дивовижних та несподіваних фактів!
Підбірка цікавих фактів
• Мікроби мають плани – деякі бактерії мають бактеріальні флагелли (хвости), які обертаються зі швидкістю 100 000 обертів на хвилину, щоб рухатися
• Вони можуть бути світлячками – деякі морські бактерії можуть світитися завдяки процесу, який називається біолюмінесценцією
• Колективний «мозок» – мікробні популяції можуть діяти як колективний розум через кворум-зондування
• Вони старші за динозаврів – мікроби існували більше ніж на 2 млрд років, коли динозаври з’явилися
• Вони можуть «говорити» – бактерії обмінюються ДНК через процес, який називається горизонтальний генетичний трансфер
• Вони прожорливі – деякі мікроби можуть розщепляти пластик та інші синтетичні матеріали
• Вони есенціальні для виготовлення шоколаду – мікробна ферментація необхідна для розвитку аромату какао
Висновок
Мікроби – це найменші, але найбільш впливові організми на нашій планеті. Вони існують повсюди: у нас, навколо нас, у найекстремальніших місцях Землі та навіть у космосі. Попри те, що деякі з них можуть викликати хвороби, більшість мікробів є партнерами людства у виробництві їжі, ліків та у підтриманні екосистем планети.
Розуміння мікробів допомагає нам:
• Боротися з інфекційними захворюваннями
• Розвивати нові медичні препарати
• Покращувати наше здоров’я та дієту
• Захищати навколишнє середовище
• Розробляти нові технології
Хоча мікроби неможливо побачити невоозброєним оком, їхній вплив на наше життя просто величезний. Дослідження цих крихітних організмів продовжує відкривати нові таємниці природи та змінювати наш світ у способи, які ми тільки починаємо розуміти. Кожен раз, коли ви їсте йогурт, приймаєте антибіотик або просто дихаєте, пам’ятайте про невидимий світ мікробів, який робить все це можливим.
