باکتری

ساختار سلول پروکاریوتی باکتری.
دسته‌بندی انواع باکتری‌ها
یاخته‌های باکتری اشریشیا کلی با بزرگنمایی ۲۵،۰۰۰
باکتری یا تک‌زیان (انگلیسی: Bacteria) گروهی از موجودات تک سلولی میکروسکوپی هستند که پوشش بیرونی نسبتا ضخیمی آن‌ها را احاطه کرده‌است. این موجودات ساختار ساده‌ای دارند و به گروه پروکاریوت (جانداران ساده) تعلق دارند. اولین جانداران پدید آمده بر روی کره زمین‌اند. اولین نشانه‌های زندگی بر روی کره زمین، حدود سه و نیم میلیارد سال پیش مربوط به پیدایش سلول‌های پروکاریوتی باکتری‌ها می‌باشد.
باکتری‌ها متنوع‌ترین و مهم‌ترین میکروارگانیسمها هستند. تعداد کمی از آن‌ها در انسان و حیوانات و گیاهان بیماری‌زا است. بطور کلی بدون فعالیت آن‌ها، حیات بر روی زمین مختل می‌گردد. بطور یقین یوکاریوت‌ها از موجودات زنده باکتری مانند بوجود آمده‌اند. نظر به اینکه باکتری‌ها ساختمان ساده‌ای داشته و می‌توان به‌آسانی، بسیاری از آن‌ها را در شرایط آزمایشگاه کشت داد و تحت کنترل درآورد. میکروب‌شناسان مطالعه وسیعی درباره فرایندهای حیاتی آن‌ها انجام داده‌اند.
ساده‌ترین تولید مثل غیر جنسی (تقسیم دوتایی)، تنها در باکتری‌ها دیده می‌شود. در تقسیم دوتایی، باکتری به شرط وجود شرایط مناسب (وجود غذا، هوا، دمای مناسب و عدم وجود ترکیبات شیمیایی) در هر بیست دقیقه، از وسط به دو نیم تقسیم می‌شود. در صورت مساعد نبودن شرایط، باکتری پوشش ضخیمی دور تا دور کروموزوم خود پدیدمی‌آورد که به آندوسپور (هاگ درونی) معروف است. آندوسپور، از باکتری در برابر شرایط نامساعد حفاظت کرده و ممکن است صدها سال بعد، باکتری فعالیت خود را از سر گیرد. روش از بین بردن آندوسپور، استریلیزاسیون می‌باشد.
باکتری‌ها در تمام شرایط آب و هوایی و تقریبا در تمام مکان‌ها از جمله چشمه‌های آب داغ، یخ‌های قطبی یا دریاچه‌های با غلظت شوری زیاد یافت می‌شوند.
پراکندگی در طبیعت
به شکل معمول در هر گرم خاک، ۴۰ میلیون و در هر میلی‌لیتر از آب‌های سطحی و زیرزمینی، یک میلیون سلول باکتریایی، و روی‌هم‌رفته تقریبا پنج نانیلیون باکتری بر روی زمین وجود دارد که توده زنده‌ای بیش از مجموع وزن گیاهان و جانوران را شامل می‌شود . باکتری‌ها نقش حیاتی در چرخش مواد غذایی دارند و بسیاری از مراحل چرخه‌های مواد غذایی هم‌چون تثبیت نیتروژن از جو زمین و تجزیه پروتئین‌ها به روش زیستی، به آن‌ها وابسته است. باکتری‌های موجود در در جمعیت‌های زنده اطراف چشمه‌های آب‌گرم و Cold seeps مواد غذایی لازم برای حفظ حیات را با تبدیل مواد محلولی هم‌چون سولفید هیدروژن و متان، فراهم می‌کنند. بسیاری از باکتری‌ها هنوز توصیف نشده‌اند و تنها نیمی از اعضای شاخه باکتری‌ها دارای گونه‌های قابل culture در آزمایشگاه هستند. مطالعه باکتری‌ها را باکتری‌شناسی نامند که شاخه‌ای از میکروب‌شناسی است.
در بدن هر انسان تقریبا ده برابر تعداد سلول‌های بدن، سلول‌های flora وجود دارند که بسیاری از آن‌ها باکتری‌های روی پوست یا فلور روده هستند. تعداد بسیار زیادی از باکتری‌های موجود در بدن به دلیل اثرات حفاظتی دستگاه ایمنی، بی‌زیان بوده و تعداد کمی نیز سودمند هستند. به هر روی گونه‌های کمی از باکتری‌ها هم bacteria بوده و disease شامل وبا، سیفیلیس، سیاه‌زخم، جذام و طاعون را سبب می‌گردند. بیماری‌های کشنده باکتریایی شناخته‌شده‌تر infection هم‌چون سل هستند که به تنهایی سالانه به ویژه در آفریقای سیاه (زیر صحرا) سبب ۲ میلیون مرگ می‌گردد. در کشورهای توسعه‌یافته از آنتی‌بیوتیک‌ها درمان عفونت‌های باکتریایی و هم‌چنین در کشاورزی استفاده می‌شود، بنابراین resistance شایع است. باکتری‌ها در صنایعی مانند treatment، spills، تولید پنیر و ماست از راه تخمیر، بازیافت طلا، پالادیوم، مس و سایر فلزات از معادن و هم‌چنین در زیست‌فناوری، تولید آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر مواد شیمیایی اهمیت دارند
طبقه‌بندی
باکتری‌ها زمانی به عنوان گیاهان متعلق به رده شیزومایست‌ها طبقه‌بندی می‌شدند ولیکن امروزه پروکاریوت‌ها را تشکیل می‌دهند. سلول‌های باکتریایی برخلاف سلول‌های گیاهی و جانوری و سایر یوکاریوت‌ها، دارای هسته نیستند و به ندرت دارای اندامک‌های پیوند یافته به پوسته یاخته هستند. گرچه اصطلاح باکتری‌ها به شکل سنتی شامل تمامی پروکاریوت‌ها بود، در دهه ۱۹۹۰ پس از کشف این موضوع که پروکاریوت‌ها دارای دو گروه موجود زنده هستند که به شکل کاملا جدا از هم از یک نیای مشترک تکامل یافته‌اند، طبقه‌بندی علمی جانداران نیز تغییر کرد. این بالافرمانرو یا حوزه تکاملی را باکتری‌ها و باستانیان یا آرکیا یا باکتری‌های باستانی می‌نامند.
تاریخچه تکاملی
اینکه پروکاریوت‌ها یا یوکاریوت‌ها کدام یک زودتر بر روی کره زمین ظاهر شده‌اند، کاملا مشخص نیست. اما مطالعات تفاوت‌های ژنتیکی بین یوباکتری‌ها، باستانیان (آرکیا/آرکی‌باکتری‌ها) و یوکاریوت‌ها نشان می‌دهد که هر سه گروه از نیای مشترکی مشتق شده‌اند. شکل باکتری‌ها بر اساس شکل به ۶ گروه تقسیم می‌شود. پنج گروه اول را باکتریهای پست و گروه ششم را باکتری‌های عالی گویند.
نامگذاری باکتری‌ها
سیستم دوتایی (سرده/گونه)(Genus/species)، یک سیستم بین‌المللی نامگذاری باکتری‌های گروه‌های مشابه است که بر حسب قواعد و کدهای بین‌المللی علامت‌گذاری می‌شود. به عنوان نمونه؛ Psuedomonas aeruginosa. نام اول که همیشه با حرف بزرگ شروع می‌شود، نشانگر سرده و نام دوم نشانگر گونه است. هر دو نام همواره با حروف ایتالیک نوشته می‌شوند. سرده نشانگر مجموعه گونه‌های مشابه است. گونه نشانگر نسل هائی با درجه بالایی از مشابهت است که متفاوت از نسل‌های دیگر هستند.
نامگذاری دوتایی می‌تواند نشان دهنده شکل باکتری (Streptococcus,Stph, Bacillus)، کاشف آن (Escherichia, Dr.Escheric)، ویژگی متابولیک باکتری (Staph aures) یا نام بیماری مربوط به باکتری (Klebsiella pneumonia) باشد. این شیوه نامگذاری به دانشمندان فرصت تبادل دقیق دانش را می‌دهد.
اندازه باکتری‌ها
باکتری‌ها جانداران بسیار ریزی هستند و یکای اندازه‌گیری آن‌ها میکرون است. اندازه طبیعی و معمول باکتری‌هایی که دارای دگرگشت مستقلی هستند، ۱–۵ میکرون است؛ ولی بازه اندازه آن‌ها را می‌شود ۱–۱۵ میکرون دانست.
ساختمان باکتری
کروموزوم‌های باکتری از مولکول‌های حلقوی DNA تشکیل شده‌است و در هسته (یا به عبارتی ناحیه نوکلئوئیدی) کروموزمهای غیر مشابه و جداگانه در آن‌ها وجود ندارد. در باکتری‌ها، واکوئل دیده نمی‌شود. بیشتر آن‌ها بدون کلروفیل هستند و دگرگشت خود را از راه شیمیوسنتز انجام می‌دهند. باکتری‌ها به دلیل اینکه هسته سازمان یافته و مشخصی ندارند میوز و میتوز و تولید مثل جنسی نمی‌کنند. تنها نوع تقسیم سلولی در آن‌ها تقسیم دوتایی است که آن نیز پس از همانندسازی و مضاعف شدن کروموزوم‌ها صورت می‌گیرد. The range of sizes shown by پروکاریوتs, relative to those of other organisms and biomolecules
انواع باکتری‌ها
باکتریها براساس رنگ آمیزی (گرم منفی یا مثبت بودن)، شکل (کوکسی، باسیل، کوکوباسیل، ویبریو، اسپریل و اسپیروکت)، متابولیسم (بی‌هوازی، هوازی، بی‌هوازی اختیاری و…) تقسیم‌بندی می‌شوند.
باکتریهای گرم منفی شامل سه شاخه اصلی پروتئوباکتریا، تراباکتریاها (Terrabacteria) و گروه چهارم باکتریها BV4 (مانند باکتروئیدها، اسپیروکتها، اسیدوباکتریا، فوزوباکتریا و کلامیدیا) می‌باشد. (هرچند برخی فیرمیکوتها نیز گرم منفیند)
باکتریهای گرم مثبت به دو شاخه فیرمیکوت‌ها و اکتینوباکترها تقسیم می‌شوند. فیرمیکوت‌ها به چهار رده تقسیم می‌شوند: باسیل‌ها، کلوستریدیا (کلوستریدیوم‌سانان) (Clostridia)، رده Erysipelotrichia و رده Negativicutes و شاید رده‌های Thermolithobacteria و Mollicutes؛ اکتینوباکترها را نیز به پنج راسته (Order) تقسیم‌بندی می‌کنیم.
باکتریهای پست
این باکتریها تک یاخته‌ای بوده و اگر کروی یا بیضوی باشند، کوکوس و اگر میله‌ای شکل یا دراز باشند، باسیل و اگر خمیده باشند ویبریون و چنانچه مارپیچی شکل و غیرقابل انعطاف باشند، اسپریل و اگر فنری و قابل انعطاف باشند، اسپیروکت نامیده می‌شوند.
باکتریهای عالی یا رشته‌ای
این باکتری‌ها رشته مانند و اغلب غلاف‌دار هستند و اغلب اوقات شاخه‌های حقیقی ایجاد کرده، میسلیوم تشکیل می‌دهند و چون تشکیلات منشعب ایجاد می‌کنند، بنابراین پرتوقارچ (اکتینومیست) نامیده می‌شود. البته شماری پرتوقارچ‌ها را در رده قارچ‌ها دسته‌بندی می‌کنند.
جاگیری باکتری‌ها در کنار هم
اگر شکل باکتری کروی باشد آن را کوکوس و اگر میله‌ای باشد آن را باسیل می‌نامند. اشکال دیگری نیز مانند ویبریو وجود دارند. اما نحوه جاگیری باکتری‌ها در کنار هم از اهمیت بسیاری برخوردار است.
دیپلوکوکوس: به دو کوکسی که کنار هم دوبه‌دو جا گرفته‌اند گفته می‌شود. همانند پنوموکوک و گونوکوک.
استرپتوکوک: تقسیمات یاخته‌ای در یک سطح انجام می‌شود و دو باکتری به دنبال هم به شکل رشته‌ای جای می‌گیرند.
تتراد: اگر تقسیم در دو سطح عمود برهم باشد اشکال چهارتایی بوجود می‌آید.
سارسین: تقسیم یاخته در سه سطح عمود برهم انجام می‌شود و توده‌های هشت تایی شبیه پاکت پستی بوجود می‌آید.
استافیلوکوک: تقسیمات یاخته بطور نامنظم در سطوح مختلف انجام می‌گیرد و اشکالی شبیه به خوشه انگور بوجود می‌آید.
کوکوباسیل: حد فاصل کوکسی‌ها و باسیل‌ها را گویند.
دانستن این نکته ضروری است که شکل باکتری‌ها متناسب با محیط کشت، واکنش‌هایشان، حرارت، مواد خوراکی و سن باکتری است.
ساختار باکتری‌ها
سلول‌های باکتریایی همانند دیگر سلول‌ها، از هسته، سیتوپلاسم و غشا تشکیل شده‌است.
هسته
باکتری‌ها هسته سازمان‌یافته ندارند و DNA و پروتئین‌های همراه آن درون ناحیه هسته مانندی با نام ناحیه نوکلئوئیدی قرار گرفته‌اند و اجزای سلولی آن‌ها در سیتوپلاسم پراکنده‌اند. بر سر وجود یا وجود نداشتن هسته در باکتری بحث‌ها و اختلاف‌نظرهای فراوانی وجود داشته و دارد. اما در سال ۱۹۶۰، روبینو پژوهشگر انگلیسی توانست با روش رنگ‌آمیزی «فولگن» (Feulgen)، هسته برخی از باکتری‌ها مانند باسیل‌های ای‌کلای و پروتئوس را رنگ و مشاهده کند و از آن‌ها عکس بردارد.
سیتوپلاسم
سیتوپلاسم باکتری‌ها را با «رنگ‌آمیزی حیاتی» (Vital Stain) و میکروسکوپ الکترونی بررسی کرده‌اند و دریافته‌اند که سیتوپلاسم آن‌ها از یک سیستم اسفنجی کلوئیدی تشکیل شده که با رنگ‌های اسیدی رنگ می‌گیرد.
سیتوپلاسم باکتری دربردارنده آب، نمک (املاح)، مواد محلول و نامحلول تشکیل شده‌است. واکنش‌های زیستی باکتری که بسیاری‌شان در سیتوپلاسم انجام می‌شود، پی‌درپی در حال دگرگونی هستند.
دیواره سلولی
از آنجا که غلظت برخی از مواد محلول در سلول باکتری (مانند کربوهیدرات‌ها و اسیدهای آمینه) گاه تا ۵۰ برابر محیط بیرونی‌ست، پوسته یاخته به تنهایی نمی‌تواند این اختلاف غلظت را تحمل کند؛ بنابراین پرده دیگری در محیط خارج آن وجود دارد که خود از چندین لایه تشکیل شده که «دیواره سلولی» نام دارد. کلفتی این دیواره در باکتری‌های گوناگون متفاوت است و بازه کلفتی آن ۱۰۰–۲۰۰ میلی‌میکرون (نانومتر) است. این دیواره ۱۰–۴۰ درصد وزن خشک باکتری را تشکیل می‌دهد.
دیواره سلولی شکل و اسکلت باکتری را حفظ می‌کند و سبب استقام باکتری در برابر شرایط بد محیطی می‌شود. در صورت نبود دیواره سلولی، شکل اصلی باکتری از دست می‌رود و به دانه‌های گردی به نام اسفروپلاست تبدیل می‌شود. برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها بر دیواره سلولی اثر می‌کنند.
دیواره سلولی جای برخی از پادگن‌ها است. گیرنده باکتریوفاژ بر روی دیواره سلولی باکتری‌هاست. دیواره سلولی در برخی باکتری‌ها فعالیت درون‌زهرابه‌ای (آندوتوکسینی) دارد.
در برخی از زنجیرهای زنجیره‌های تتراپپتیدی بسیاری از باکتری‌های گرم-منفی و برخی از باکتری‌های گرم-مثبت، دی‌آمینوپیملیک اسید (پیش‌ساز لیزین) وجود دارد.
دیواره سلولی همه باکتری‌های گرم-مثبت «تیکوئیک‌اسید» دارد که به پوسته یاخته باکتری متصل می‌شود.
ساختار دیواره باکتری‌های گرم مثبت
دیواره سلولی باکتری‌های گرم مثبت لایه پپتیدوگلیکانی (مورینی) کلفتی (۲۰–۸۰ نانومتر) دارد که از زنجیرهایی با زیرواحدهای ان-استیل‌گلوکزآمین و ان-استیل‌مورامیک اسید تشکیل شده‌است. به دلیل اتصال متقاطع زنجیرهای تتراپپتیدی، این لایه از استحکام بالایی برخوردار است. این زنجیرهای تتراپپتیدی با پل‌های اولیگوپپتیدی به زیرواحد ان-استیل‌مورامیک اسید متصل می‌شود.
زنجیرهای تتراپپتیدی و پل‌های اولیگوپپتیدی با یکدیگر پادگن‌های ویژه دیواره سلولی را تشکیل می‌دهند.
غشای سیتوپلاسمی: به صورت پرده نازکی در داخل دیواره باکتری قرار دارد و متشکل از مولکول‌های چربی و پروتئینی است.
پوشینه یا کپسول: در بعضی از باکتری‌ها، غلاف ژلاتینی چسبناکی دیواره اسکلتی را احاطه کرده‌است که توسط باکتری‌ها ساخته شده و به خارج ترشح می‌گردد و جنس پوشینه بیشتر از پلی ساکاریدها همراه با مواد دیگر است.
تاژک: از واحدهای پروتئینی به نام فلاژین تشکیل شده و قابل ترمیم بوده و وسیله حرکت باکتری هستند. معمولا طول آن چند برابر طول باکتری است. آرایش تاژک در باکتری‌های تاژکدار به صورت تک تاژکی، دو تاژکی، چند تاژکی سطحی است.
تار یا پیلی: به دو صورت جنسی و چسبنده وجود دارد و در عمل تحرک بی‌تاثیر است. پیلی در حقیقت به باکتری‌های دیگر می‌چسبد این ارگانل باکتری باعث انتقال میکروب و دانای می‌باشد.
سیتوپلاسم
نیام‌تن (مزوزوم)ها: از فرورفتگی غشای سیتوپلاسمی به درون سیتوپلاسم حاصل می‌شود و اغلب در محل تقسیم دیواره وجود دارند و در عمل تقسیم DNA، تقسیم یاخته‌ای و تبدیل باکتری به هاگ دخالت می‌کنند؛ و میزوزوم آن‌ها از دو قسمت ساخته شده‌است که یکی میزوزوم جداری (Septal Mesosome) و دیگری میزوزوم جانبی (Lateral Mesosome) است.
اجزای سیتوپلاسم: رناتن (ریبوزوم)ها
مواد ذخیره‌ای
ماده زمینه
کروماتومور
ماده ژنتیکی که DNA آن‌ها غالبا به‌صورت یک فام‌تن (کروموزوم) تاخورده و به‌هم‌فشرده‌است.
یادآوری شود که با گذشت زمان تکثیر و انباشته شدن مواد زاید و کاهش مواد غذایی سرعت تولیدمثل برابر با سرعت مرگ می‌شود.
فواید باکتری‌ها
اگرچه بعضی از باکتری‌ها عامل فساد مواد غذایی و بیماری هستند، اما بسیای از باکتری‌ها مفیدند. بشر قرن‌ها از فواید باکتری‌ها در زندگی خود استفاده کرده‌است.
باکتری‌ها در تهیه و پردازش فراورده‌های غذایی و شیمیایی و هم‌چنین در شناسایی و استخراج معادن و پاکسازی محیط زیست کاربرد دارند. مواد خوراکی مانند ماست، پنیر و سرکه و نوشیدنیهای الکلی و آبجو حاصل فعالیت باکتری‌های تخمیرکننده است. استون و بوتانول مواد شیمیایی هستند که انواعی از باکتری‌های گونه کلوستریدیوم آن‌ها را می‌سازند.
باکتری‌های داخل روده برای ما خیلی از ویتامین‌ها (مانند ویتامین کا) را می‌سازند که خود بدن قادر به ساختن آن‌ها نیستند.
همچنین بسیاری از باکتری‌ها نیز به عنوان عوامل افزایش دهنده رشد گیاهان هستند و رشد گیاهان را بهبود می‌بخشند. به علاوه طیف وسیعی از باکتری‌ها نیز به عنوان بیمارگرهای گیاهی هستند و باعث ایجاد علایم مختلفی در گیاهان مانند پژمردگی لکه برگی سوختگی سرشاخه و… می‌گردند.
باکتری‌های شیمیواتوتروف برای تخلیص عناصر معدنی مانند مس و اورانیوم کاربرد دارند. هم‌چنین باکتری‌ها در پاکسازی آب‌ها و خاک‌های آلوده به آلاینده‌های نفتی و شیمیایی کاربرد وسیعی دارند.
از دیگر فواید باکتری‌ها استفاده از آن‌ها در مهندسی ژنتیک است در این فرایند ژن مورد نظر را جدا می‌کنند و با وارد کردن آن به باکتری با هزینه‌ای کم آن را به میزان فراوان تولید می‌کنند، با این روش می‌توان داروها و واکسن‌های مفید و مطمئن تولید کرد.
تولیدمثل باکتری
باکتری‌ها به روش‌های تقسیم مستقیم، آمیختگی، قطعه قطعه شدن یا به‌وسیله کنیدی و همچنین جوانه زدن تکثیر می‌یابند.
در شرایط دشوار محیط زیست برخی باکتری‌ها توانایی ایجاد اسپور داخلی را دارند. اسپور داخلی سبب مقاومت باکتری در برابر عوامل نامساعد محیط می‌شود. هر باکتری فقط یک اسپور می‌سازد و از هر اسپور یک باکتری بوجود می‌آید. استفاده اصطلاح هاگ برای باکتری کاملا اشتباه است زیرا که هاگ یک ساختار تولید مثلی برای گیاهان است و یک گیاه قادر است هزاران هاگ تولید کند درصورتی‌که باکتری با اسپورزایی فقط قادر به تولید یک باکتری است.
طبق یافته‌های اخیر محققان باکتری در تاریکی هوا تولید مثلشان دوبرابر می‌شود.
فهرست باکتری‌های مهم
آرکئوباکتری
اسپریل
اکتینومیست
باسیل
پروکاریوت
سیتوپلاسم
هستک
واکوئل
ویبریون
یوباکتری
یوکاریوت
انتروباکتر
اندامگان بی‌هوازی