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Was sind Bakterien und was machen sie?

Bakterien sind mikroskopisch kleine einzellige Organismen, die zu Millionen existieren, in jeder Umgebung, sowohl innerhalb als auch außerhalb anderer Organismen.

Einige Bakterien sind schädlich, aber die meisten dienen einem nützlichen Zweck. Sie unterstützen viele Lebensformen, sowohl Pflanzen als auch Tiere, und sie werden in industriellen und medizinischen Prozessen verwendet.

Es wird angenommen, dass Bakterien die ersten Organismen auf der Erde waren, vor etwa 4 Milliarden Jahren. 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 in der menschlichen Gesundheit spielen.

Was sind Bakterien?

Bakterien

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

Sie messen gewöhnlich 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 Billionen Bakterien enthält, und es wird angenommen, dass ein Großteil der Biomasse der Erde 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 ein Ball geformt sind, werden Cocci genannt, und ein einzelnes Bakterium ist ein Coccus. Beispiele hierfür sind die Streptococcus-Gruppe, die für "Halsentzündung" verantwortlich ist.
  • Stabförmig: Diese werden als Bazillen (singulärer Bazillus) bezeichnet. Einige stäbchenförmige Bakterien sind gekrümmt. Diese sind als Vibrio bekannt. Beispiele für stäbchenförmige Bakterien umfassen Bacillus anthracis (B. anthracis) oder Anthrax.
  • Spirale: Diese sind bekannt als Spirilla (Singular Spirillus). 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, dh sie haben keinen Kern.

Eine Bakterienzelle umfasst:

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

Fütterung

Bakterien ernähren sich auf unterschiedliche Weise.

Heterotrophe Bakterien oder Heterotrophe erhalten ihre Energie durch den Verbrauch von organischem Kohlenstoff. Die meisten absorbieren tote organische Materialien wie zersetzendes Fleisch. Einige dieser parasitischen Bakterien töten ihren Wirt, andere helfen ihnen.

Autotrophe Bakterien (oder einfach Autotrophe) machen ihr eigenes Essen, 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 betreiben, werden Photoautotrophe genannt. Einige Arten, z. B. 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 Chemoautotrophe bekannt. Diese Bakterien werden häufig in Meeresschloten und in den Wurzeln von Hülsenfrüchten wie Luzerne, Klee, Erbsen, Bohnen, Linsen und Erdnüssen gefunden.

Wo leben sie?

Gletscher

Bakterien finden sich in Boden, Wasser, Pflanzen, Tieren, radioaktivem Abfall, tief in der Erdkruste, in arktischem Eis und Gletschern sowie in heißen Quellen. Es gibt Bakterien in der Stratosphäre, zwischen 6 und 30 Meilen in der Atmosphäre und in den Tiefen des Ozeans, bis zu 32.800 Fuß oder 10.000 Meter tief.

Aerobes oder aerobe Bakterien können nur dort wachsen, wo Sauerstoff ist. Einige Arten können Probleme für die menschliche Umwelt verursachen, wie Korrosion, Verschmutzung, Probleme mit der Wasserklarheit und schlechten Gerüchen.

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

Fakultative Anaerobier oder fakultativ anaerobe Bakterien können entweder mit oder ohne Sauerstoff leben, bevorzugen jedoch Umgebungen, in denen Sauerstoff vorhanden ist. Sie sind meist in Boden, Wasser, Vegetation und einigen normalen Flora von Menschen und Tieren gefunden. Beispiele umfassen Salmonellen.

Mesophile oder mesophile Bakterien sind die Bakterien, die für die meisten menschlichen Infektionen verantwortlich sind. Sie gedeihen bei gemäßigten Temperaturen, etwa 37 Grad Celsius. Dies ist die Temperatur des menschlichen Körpers.

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

Die menschliche Darmflora oder das Darmmikrobiom enthält nützliche mesophile Bakterien, wie den 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 Grad Celsius (C) leben, und Hyperthermophile können bei Temperaturen von bis zu 113 Grad Celsius überleben.

Tief im Ozean leben Bakterien in völliger Dunkelheit durch thermische Öffnungen, in denen sowohl Temperatur als auch Druck hoch sind. Sie machen ihr eigenes Essen, indem sie Schwefel oxidieren, der aus der Tiefe der Erde kommt.

Andere Extremophile umfassen:

  • Halophile, nur in einer salzigen Umgebung gefunden
  • Acidophile, von denen einige in Umgebungen leben, die so sauer sind wie pH0
  • Alkaliphile, die in Alkilinumgebungen bis pH 10,5 leben
  • Psychrophile, gefunden bei kalten Temperaturen, zum Beispiel in Gletschern

Extremophile können überleben, wo kein anderer Organismus es kann.

Reproduktion und Transformation

Bakterien können sich mit den folgenden Methoden vermehren und verändern:

  • Binäre Spaltung: Eine asexuelle Fortpflanzungsform, bei der eine Zelle weiterwächst, bis eine neue Zellwand durch das Zentrum wächst und zwei Zellen bildet. Diese trennen sich und machen 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 und widerstandsfähiger gegen Bedrohungen wie Antibiotika machen.
  • 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 notwendigen Enzyme. Sie sind sehr resistent gegen Umweltbelastungen. Die Sporen können Jahrhunderte lang inaktiv bleiben, bis die richtigen Bedingungen eintreten. Dann können sie reaktivieren und zu Bakterien werden.
  • Sporen können durch Zeiten von Umweltstress überleben, einschließlich ultravioletter (UV) und Gammastrahlung, Austrocknung, Verhungern, chemischer Exposition und extremen Temperaturen.

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

Clostridium ist ein Beispiel für ein endosporenbildendes Bakterium. Es gibt etwa 100 Arten von Clostridium, einschließlich Clostridium botulinim (C. botulinim) oder Botulismus, verantwortlich für eine potentiell tödliche Art von Lebensmittelvergiftung, und Clostridium difficile (C. Difficile), die Colitis 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 beim Überleben des Menschen. Bakterien im Verdauungssystem bauen Nährstoffe, wie komplexe Zucker, in Formen ab, die der Körper verwenden kann.

Nicht gefährliche Bakterien tragen auch dazu bei, Krankheiten vorzubeugen, indem sie Stellen besetzen, an denen sich die pathogenen oder krankheitserregenden Bakterien anlagern wollen. Einige Bakterien schützen uns vor Krankheiten, indem sie die Krankheitserreger angreifen.

Stickstoff-Fixierung

Bakterien nehmen Stickstoff auf und geben ihn für den Pflanzengebrauch ab, 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 keimt.

Lebensmitteltechnologie

Käse machen

Milchsäurebakterien wie Lactobacillus und Lactococcus zusammen mit Hefe und Schimmelpilzen oder Pilzen werden verwendet, um Nahrungsmittel wie Käse, Sojasoße, Natto (fermentierte Sojabohnen), Essig, Joghurt und Gurken zuzubereiten.

Gärung ist nicht nur zum Konservieren von Lebensmitteln nützlich, sondern einige dieser Lebensmittel können auch gesundheitliche Vorteile bieten.

Zum Beispiel enthalten einige fermentierte Lebensmittel Arten von Bakterien, die denen im Zusammenhang mit Magen-Darm-Gesundheit ähnlich sind. Einige Fermentationsprozesse führen zu neuen Verbindungen wie Milchsäure, die anscheinend entzündungshemmend wirken.

Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die gesundheitlichen Vorteile von fermentierten Lebensmitteln zu bestätigen.

Bakterien in Industrie und Forschung

Bakterien können organische Verbindungen abbauen. Dies ist nützlich für Aktivitäten wie die Abfallbehandlung und die Reinigung 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 und relativ einfach zu manipulieren sind. Wissenschaftler nutzen Bakterien, um zu untersuchen, wie Gene und Enzyme funktionieren.

Bakterien werden benötigt, um Antibiotika herzustellen.

Bacillus thuringiensis (BT) ist ein Bakterium, das in der Landwirtschaft anstelle von Pestiziden verwendet werden kann. Es hat nicht die unerwünschten Umweltfolgen, die mit der Verwendung von Pestiziden verbunden sind.

Gefahren

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

Wenn der menschliche Körper Bakterien ausgesetzt ist, die der Körper nicht als hilfreich erkennt, greift das Immunsystem sie an. Diese Reaktion kann zu den Symptomen der Schwellung und Entzündung führen, die wir zum Beispiel in einer infizierten Wunde sehen.

Widerstand

Im Jahr 1900 waren Lungenentzündung, Tuberkulose und Durchfall die drei größten Killer in den Vereinigten Staaten (USA). Sterilisationstechniken und antibiotische Medikamente haben zu einem signifikanten Rückgang der Todesfälle durch bakterielle Erkrankungen geführt.

Die übermäßige Verwendung von Antibiotika erschwert jedoch die Behandlung bakterieller Infektionen.Wenn die Bakterien mutieren, werden sie resistenter gegen existierende Antibiotika, was Infektionen schwerer behandelbar macht. Bakterien verwandeln sich natürlich, aber die übermäßige Verwendung von Antibiotika beschleunigt diesen Prozess.

"Auch wenn neue Medikamente entwickelt werden, ohne dass sich das Verhalten ändert, bleibt die Antibiotikaresistenz eine große Bedrohung." Weltgesundheitsorganisation (WHO)

Aus diesem Grund fordern Wissenschaftler und Gesundheitsbehörden Ärzte auf, Antibiotika nicht zu verschreiben, es sei denn, dies ist notwendig und für die Menschen, um andere Wege zur Vorbeugung von Krankheiten wie gute Lebensmittelhygiene, Händewaschen, Impfung und Safer Sex zu praktizieren.

Das Darmmikrobiom

Neuere Forschungen haben zu einem neuen und wachsenden Vorankommen geführt, wie der menschliche Körper mit Bakterien interagiert und insbesondere mit den Gemeinschaften von Bakterien, die im Darmtrakt leben, bekannt als das Darm-Mikrobiom oder die Darmflora.

Im Jahr 2009 veröffentlichten Forscher Ergebnisse, die nahelegen, dass Frauen mit Adipositas eine bestimmte Art von Bakterien-Noxianoxie in ihrem Mund haben.

Im Jahr 2015 fanden Wissenschaftler der Universität von North Carolina heraus, dass der Darm von Menschen mit Anorexie "sehr unterschiedliche" Bakterien oder mikrobielle Gemeinschaften enthält, verglichen mit Menschen, die nicht an dieser Krankheit leiden. Sie legen nahe, dass dies psychologische Auswirkungen haben könnte.

Geschichte

Vor über 2000 Jahren hat ein römischer Autor, Marcus Terentius Varro, vorgeschlagen, dass die Krankheit von winzigen Tieren verursacht werden könnte, die in der Luft schwebten. Er riet den Menschen, sumpfige Stellen während der Bauarbeiten zu meiden, weil sie Insekten enthalten könnten, die zu klein für das Auge seien, um zu sehen, dass es durch Mund und Nase in den Körper eindringe und Krankheiten verursache.

Im 17. Jahrhundert schuf Antonie van Leeuwenhoek, ein holländischer Wissenschaftler, ein Einlinsenmikroskop, mit dem er sogenannte Tierchen, später Bakterien, sah. Er gilt als der erste Mikrobiologe.

Im 19. Jahrhundert erklärten die Chemiker Louis Pasteur und Robert Koch, Krankheiten seien durch Keime verursacht worden. Dies wurde als die Germ-Theorie bekannt.

Im Jahr 1910 verkündete der Wissenschaftler Paul Ehrlich die Entwicklung des ersten Antibiotikums Salvarsan. Er benutzte es, um Syphilis zu heilen. Er war auch der erste Wissenschaftler, der Bakterien mithilfe von Flecken entdeckte.

Im Jahr 2001 prägte Joshua Lederburg den Begriff "Darmmikrobiom", und Wissenschaftler weltweit versuchen derzeit, 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 ein breites Spektrum von Gesundheitsbedingungen neu beleuchtet.

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