Ziemia - planeta bakterii

Tomasz Kobosz

Bakteriom zawdzięczamy nasze istnienie. Bez nich nie przeżylibyśmy na ziemi ani jednego dnia. Z genetycznego punktu widzenia bakterie stanowią superorganizm – niewidoczny, rozproszony i niezwyciężony.



W maju br. świat naukowy obiegła wiadomość o odkryciu w lodach kanadyjskiej Arktyki nowego gatunku bakterii, które żyją, rosną i rozmnażają się w temperaturze do -25° C. Zbadanie ich budowy i fizjologii z pewnością przyniesie nauce wiele korzyści. Nie są to jednak jedyne znane nam mikroorganizmy obdarzone niezwykłymi właściwościami.

Rzadko zdajemy sobie sprawę z tego, jak wiele zawdzięczamy bakteriom. Właściwie to zawdzięczamy im wszystko – z samym naszym istnieniem włącznie.

Przez pierwsze 2–3 miliardy lat istnienia na Ziemi życia jedynymi jego formami były bakterie. Gwałtowny rozwój jednej z ich grup – cyjanobakterii – spowodował pojawienie się w atmosferze tlenu (który wydzielały jako produkt uboczny rozkładu cząsteczek wody), zmniejszenie ilości dwutlenku węgla oraz wzrost stężenia azotu, który był uwalniany przez bakterie z wszechobecnego wówczas amoniaku. Musiały upłynąć niemal 2 miliardy lat (czyli ok. 40 proc. historii Ziemi), zanim – dzięki niestrudzonym cyjanobakteriom – stężenie tlenu w atmosferze osiągnęło poziom zbliżony do obecnego. Dopiero wtedy mogły zacząć powstawać bardziej zaawansowane formy życia.

W środowisku, w którym żyjemy, bakterie są obecne wszędzie, w ilościach trudnych do wyobrażenia. Na każdym centymetrze kwadratowym ludzkiej skóry żyje ich kilka milionów. Żywią się one płatkami łuszczącego się naskórka, „popijając” je wszelkimi wydzielinami naszego ciała.

Jeszcze więcej bakterii zamieszkuje wnętrze naszego cała. Najwięcej, oczywiście, jest ich w przewodzie pokarmowym – ok. 100 bilionów, zaliczających się do ponad 400 gatunków. Łączna liczba bakterii mieszkających na i w człowieku jest 10-krotnie większa od liczby komórek tworzących ludzkie ciało.

Bez cienia przesady można powiedzieć, że bez baterii nie przetrwalibyśmy nawet jednego dnia. Wystarczy wspomnieć, że to one przekształcają nasze odpady z powrotem w użyteczne substancje. Czyszczą wodę, którą pijemy, i nawożą ziemię, którą uprawiamy. Syntetyzują witaminy w naszych jelitach i przekształcają to, co jemy, w cukry i polisacharydy. W końcu – pomagają nam w obronie przeciwko obcym patogenom, które nieustannie wnikają do naszych organizmów.

W idealnych warunkach bakteria jest (w pewnym sensie) organizmem obdarzonym nieśmiertelnością. Zamiast zestarzeć się i umrzeć – rośnie i dzieli się na dwie nowe komórki potomne. Tempo rozmnażania się bakterii jest bardzo różne. Najszybsze potrafią dzielić się co ok. 9 minut.

Laureat Nagrody Nobla, Christian de Duve, zauważył, że mając odpowiedni zapas pożywienia, pojedyncza komórka bakterii mogłaby wygenerować 280 bilionów osobników w ciągu jednego dnia. W tym czasie ludzka komórka potrafi się podzielić mniej więcej raz. W ciągu dwóch dób z jednej bakterii mogłaby powstać (na szczęście tylko teoretycznie) liczba nowych osobników znacznie przewyższająca liczbę atomów we wszechświecie.

Rozmnażanie się przez prosty podział nie oznacza jednak, że bakterie są całkowicie pozbawione uroków życia płciowego, choć nie ma ono bezpośredniego związku z reprodukcją. Chodzi tu o proces wymiany materiału genetycznego, zwany koniugacją.

W jej przebiegu jedna z bakterii („dawca”) wytwarza rurkowate cytoplazmatyczne wyrostki (tzw. pilusy), umożliwiające przekazanie fragmentu cytoplazmy wraz z materiałem genetycznym „biorcy”.

Na nasze nieszczęście transfer genowy odgrywa fundamentalną rolę w wytwarzaniu oporności na antybiotyki. Umożliwia bowiem jednej bakterii uodpornianie innych, z czasem nawet całej populacji. Co więcej – komórka bakteryjna jest w stanie wzbogacić swój materiał genetyczny nawet bez udziału „partnera”. Może po prostu pobrać fragmenty DNA wprost z otoczenia (proces ten nosi nazwę transformacji).

Wybitna, niestety od 2 lat nieżyjąca, amerykańska biolog, Lynn Margulis (twórczyni rewolucyjnej teorii o bakteryjnym pochodzeniu mitochondriów i chloroplastów), tłumaczyła znaczenie transformacji oraz koniugacji w następujący sposób:

„Wszystkie bakterie pływają w jednym, wspólnym genetycznym basenie (…) Każda adaptacyjna zmiana, która zdarzy się w jakimś określonym miejscu bakteryjnego wszechświata, może się szybko przenieść gdzie indziej. W naszej skali odpowiadałoby to sytuacji, w której człowiek mógłby podejść do owada po genetyczne instrukcje, niezbędne do wykształcenia skrzydeł lub spacerowania po suficie. W rezultacie oznacza to, że z genetycznego punktu widzenia bakterie stanowią jeden superorganizm – niewidoczny, rozproszony, lecz niezwyciężony”.

Ludzie dostrzegli istnienie bakterii pod koniec XVII wieku. Pierwszy zaobserwował je w 1686 r. Antonie van Leeuwenhoek – holenderski przedsiębiorca zajmujący się handlem suknem. Skonstruowany przez niego w 1677 r. mikroskop miał służyć do oceny jakości tkanin. Leeuwenhoek przekonał się jednak, że istnieje wiele znacznie ciekawszych obiektów do obserwacji w dużym powiększeniu. Rysunki, które wykonał i przesłał do Angielskiego Towarzystwa Królewskiego, uważa się za pierwsze dokumenty świadczące o narodzinach mikrobiologii.

Samą nazwę „bakterie” wprowadzono dopiero 200 lat później. Uczynił to w 1838 r. niemiecki lekarz i przyrodnik Christian Gottfried Ehrenberg.

Nauka musiała jednak przejść jeszcze długą i trudną drogę od odkrycia bakterii i nadania im nazwy do udowodnienia, że mogą być one odpowiedzialne za choroby. Pomijając wcześniejsze doświadczenia przeprowadzone na jedwabnikach przez Agostino Bassiego, pierwszych dowodów na istnienie związku między mikroorganizmami a zakażeniami dostarczył węgierski ginekolog Ignaz Semmelweis, uważany dziś za ojca antyseptyki.

W wiedeńskim szpitalu, w którym pracował Semmelweis, były dwa oddziały położnicze. W pierwszym śmiertelność kobiet w wyniku gorączki połogowej była dramatycznie wyższa niż w drugim, jednak nikt nie widział dlaczego. W 1847 r. najlepszy przyjaciel Semmelweisa, także lekarz, podczas przeprowadzania sekcji zwłok zranił się skalpelem i – po kilku dniach wysokiej gorączki – zmarł na skutek zakażenia.

Semmelweis doszedł do wniosku, że przyczyna śmiertelności matek w połogu może być ta sama. Wiedział bowiem, że tylko w pierwszym z dwóch oddziałów położniczych kobiety badane są przez studentów i lekarzy, którzy wcześniej tego samego dnia wykonują sekcje zwłok. Mogą więc przynosić na rękach (których myciem raczej nie zaprzątali sobie głowy) zarazki z sali sekcyjnej.

Mimo nieprzychylności przełożonego (prof. Johanna Kleina), Semmelweis przekonał swoich kolegów, studentów i pozostały personel, do mycia rąk przed wykonywaniem badań i zabiegów, a także do odkażania ich za pomocą roztworu podchlorynu wapnia. W efekcie śmiertelność z powodu gorączki połogowej spadła w oddziale z 18,3 do 1,2 proc.

Niestety, ówczesnym autorytetom medycznym (z prof. Kleinem na czele) nie spodobały się opracowane przez Semmelweisa metody odkażania rąk, a jeszcze bardziej jego stwierdzenie, że przenosicielami gorączki połogowej kobiet są lekarze i studenci medycyny.

„Niewykluczone, że są one (zalecenia dotyczące odkażania rąk) oparte na jakichś pożytecznych założeniach, ale poprawne ich wykonanie jest związane z takimi trudnościami, że bardzo problematyczne korzyści nie usprawiedliwiają ich stosowania” – stwierdził publicznie prof. Dubois, przewodniczący Wielkiego Kongresu Ginekologii w Paryżu.

W 1865 r., tj. 17 lat po wynalezieniu metody odkażania rąk, Semmelweis nie wytrzymał ciągłej fali ataków środowiska medycznego. Popadł w stan ciężkiego załamania nerwowego, trafił do szpitala psychiatrycznego, gdzie po 2 tygodniach zmarł. Bezpośrednią przyczyną śmierci było – o ironio – zakażenie rany, której doznał podczas wykonywania swojej ostatniej sekcji zwłok.

Prace innych XIX-wiecznych uczonych dostarczyły jednak niezbitych dowodów na słuszność zakaźnej teorii chorób.

Brytyjski lekarz John Snow (pionier stosowania znieczulenia) udowodnił w 1854 r., że źródłem zachorowań na cholerę w Londynie nie są bliżej nieokreślone „miazmaty”, ale drobnoustroje, które zanieczyściły konkretne ujęcie wody pitnej w dzielnicy Soho.

Wielkim zwolennikiem teorii zakaźnej chorób był, jak wiadomo, jeden z ojców mikrobiologii lekarskiej – Ludwik Pasteur. Jednak ostatecznych dowodów na jej słuszność dostarczył Robert Koch, odkrywca bakterii wywołujących gruźlicę, wąglika i cholerę. Wprawdzie jego badania nad gruźlicą nie zakończyły się wynalezieniem lekarstwa na nią (do czego dążył), ale za całokształt swojej pracy nad tym schorzeniem Koch został w 1905 r. uhonorowany Nagrodą Nobla.



TWARDZIELE MIKROŚWIATA

PLANOCOCCUS HALOCRYOPHILUS – drobnoustrój odkryty niedawno w arktycznym lodzie przez naukowców z NASA, testujących tam sprzęt przeznaczony do wykonywania odwiertów i pobierania próbek na Marsie. Bakteria ta rośnie i rozmnaża się w temperaturze do -25° C, przy stężeniu soli 5-krotnie wyższym niż w oceanach.

GEOGEMMA BAROSSII (szczep 121) – jednokomórkowy mikroorganizm zaliczany do archeonów, znaleziony w kominie hydrotermalnym w północno-wschodnim Pacyfiku, na głębokości ok. 2400 m. Potrafi rosnąć i rozmnażać się w temperaturze 121° C, która jest stosowana do sterylizacji w autoklawach.

DESULFORUDIS AUDAXVIATOR – bakteria odkryta w próbkach wody wydobytych z głębokości 3,3 km w kopalni złota Mponeng w Afryce Południowej. Potrzebną do życia energię czerpie ze związków chemicznych powstających podczas rozpadu atomów radioaktywnego uranu. Do budowy swoich komórek potrafi wykorzystywać nieorganiczny węgiel.

THIOBACILLUS CONCRETIVORANS – najlepiej czuje się w środowisku kwasu siarkowego o stężaniu rozpuszczającym metale.

DEINOCOCCUS RADIODURANS – najbardziej odporny na promieniowanie jonizujące organizm znany nauce. Dzięki niezwykle wydajnym mechanizmom naprawy DNA, bez problemu wytrzymuje dawki do 5000 Gy (śmiertelna dawka dla człowieka to 10 Gy). Świetnie znosi też wysokie temperatury i ekspozycję na trucizny.

CHRYSEOBACTERIUM GREENLANDENSIS – gatunek ultramikrobakterii, odkryty w 2009 r. w grenlandzkim lodzie na głębokości 3 tysięcy metrów. Znalezione tam egzemplarze przeżyły (w formie przetrwalnikowej) ponad 120 tysięcy lat.


Bibliografia:
• Bryson B.: Krótka historia prawie wszystkiego. Wydawnictwo Zysk i S-ka, 2009.
• Salyers A., Whitt D.: Mikrobiologia. Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko. PWN, 2005.
• Kunicki-Goldfinger W.: Życie bakterii. PWN, 1998.
• Smith A.: Ciało. Warszawa: PZWL, 1976.

Najpopularniejsze artykuły