Per quanto sgradevoli possano sembrare, i batteri svolgono un ruolo cruciale nell'aiutare l'umanità a prosperare. Alexander Raths/iStock/Thinkstock Come un uomo che respira - e legge - stai beneficiando dei batteri proprio in questo momento.
Dall'ossigeno che inaliamo alle sostanze nutritive che il nostro stomaco preleva dal cibo, dobbiamo ringraziare i batteri per aver prosperato su questo pianeta. Nei nostri corpi, i microrganismi, inclusi i batteri, superano di 10 a 1 le nostre cellule umane, rendendoci più microbi che uomini [fonte:Savage].
Solo di recente abbiamo iniziato a comprendere appieno questi organismi microscopici e il loro impatto sul nostro pianeta e sulla nostra salute, ma la storia suggerisce che i nostri antenati secoli fa stavano sfruttando il potere dei batteri per fermentare cibi e bevande (birra e pane, chiunque?).
Non è stato fino al XVII secolo che abbiamo iniziato a vedere i batteri da vicino e personalmente in un luogo altrettanto ravvicinato e personale:la bocca umana. Il sempre curioso Anton van Leeuwenhoek ha scoperto i batteri mentre esaminava un campione della placca tra i suoi denti. Diventa poetico nella sua scrittura, descrivendo la colonia batterica sui suoi bianchi perlati come "una piccola materia bianca, che è denso come se "fosse pastella" [fonte:Dobell]. Dopo aver posizionato il campione sotto un microscopio composto, van Leeuwenhoek vide che i microbi si muovevano. È vivo!
Infatti, i batteri hanno cambiato le regole del gioco per la Terra, svolgendo un ruolo chiave nella creazione di aria respirabile e del pianeta biologicamente ricco che chiamiamo casa.
In questo articolo, ti daremo il quadro generale di questi minuscoli ma influenti microrganismi. Vedremo il bene, i modi cattivi e completamente bizzarri in cui i batteri hanno plasmato la storia umana e il nostro ambiente. Iniziare, ti forniremo informazioni dettagliate su ciò che rende i batteri diversi dagli altri tipi di vita.
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I batteri mancano del nucleo che le cellule negli esseri umani, animali e piante hanno, il che significa che sono cellule procariotiche. ttsz/iStock/Thinkstock Se un singolo batterio non è visibile ad occhio nudo, come possiamo saperne così tanto?
Gli scienziati hanno sviluppato potenti microscopi per ingrandire i batteri, che di solito vanno da uno a una manciata di micron (un milionesimo di metro) di lunghezza, dandoci uno sguardo al loro funzionamento interiore e come si confrontano con altre forme di vita come le piante, animali, virus e funghi.
Come forse già saprai, le cellule agiscono come i mattoni della vita, se compongono i nostri tessuti o un ramo di un albero fuori dalla tua finestra. umani, animali e piante hanno cellule con informazioni genetiche contenute in un tipo di membrana chiamata a nucleo . Questi tipi di cellule, chiamato cellule eucariotiche , hanno organelli specializzati, ognuno con un compito unico per mantenere la cellula funzionante e sana.
batteri, però, manca un nucleo, e il loro materiale genetico, o DNA, fluttua liberamente all'interno della cellula. Queste cellule microscopiche non hanno organelli e possiedono metodi diversi per riprodurre e scambiare materiale genetico. I batteri sono classificati come procariote cellule .
Categorie di base a parte, gli scienziati mettono anche i batteri in diversi campi in base a:
Microbiologia:lo studio di tutti i diversi tipi di microbi inclusi batteri, Archea, fungo, virus e protozoi - ha sfruttato una crescente ricchezza di conoscenze per distinguere ulteriormente i batteri dai loro fratelli microbici.
Organismi procarioti simili ora classificati nel dominio archaea erano precedentemente raggruppati insieme a batteri, ma dopo che i ricercatori hanno imparato di più su di loro, hanno dato ai microbi negli archaea una loro categoria per le loro somiglianze con le cellule eucariotiche.
I cianobatteri mangiano la luce del sole a colazione per creare ossigeno. Auscape/Universal Images Group/Getty Images Come gli umani, Piante e animali, i batteri hanno bisogno di cibo per sopravvivere.
Alcuni batteri sono autotrofi , nel senso che usano input di base come la luce del sole, acqua e sostanze chimiche dall'ambiente per creare cibo (si pensi ai cianobatteri, che hanno trasformato la luce solare in ossigeno per circa 2,5 milioni di anni) [fonte:Konhauser et al.]. Altri batteri sono ciò che i ricercatori chiamano eterotrofi perché traggono energia dalla materia organica esistente per il cibo (si pensi alle foglie morte sul suolo della foresta).
La verità è, quello che potrebbe essere appetitoso per i batteri è probabilmente repellente per noi. Si sono evoluti per prosperare su ogni sorta di cose, dalle fuoriuscite di petrolio e sottoprodotti nucleari ai rifiuti umani e alla materia in decomposizione.
Ma la propensione dei batteri per una particolare fonte di cibo può giovare alla società. Ad esempio, gli esperti d'arte in Italia si sono rivolti ai batteri per ingoiare strati in eccesso di sale e colla che minacciano la longevità di opere d'arte inestimabili [fonte:Asociación RUVID]. Anche l'abilità dei batteri nel riciclare la materia organica è utile, soprattutto considerando il loro enorme ruolo di riciclatori della superficie terrestre, sia nel suolo che nell'acqua.
Su base giornaliera, potresti essere fin troppo familiare con gli effetti che inducono gli odori dei batteri affamati da quell'odore strano nel tuo cestino mentre prendono i tuoi avanzi, abbattendoli e rilasciando i propri sottoprodotti gassosi. non si ferma qui, anche se. Hai anche batteri da incolpare per quei momenti che chiamano la natura (sì, flatulenza), quando i batteri nell'intestino rilasciano metano maleodorante durante la digestione.
Questo biofilm, una massa appiccicosa di batteri, contiene Legionella pneumophila e Hartmannella vermiformis . BSIP/Universal Images Group/Getty Images I batteri crescono e formano colonie quando ne hanno la possibilità. Se le condizioni alimentari e ambientali sono favorevoli, si riprodurranno e formeranno aggregazioni appiccicose chiamate biofilm sopravvivere su una varietà di superfici, dalle rocce in un ruscello ai molari nella tua bocca.
I biofilm hanno i loro vantaggi e problemi. Da una parte, stanno avvantaggiando reciprocamente i giocatori in natura. D'altra parte, possono essere una seria minaccia. Ad esempio, i medici che curano i pazienti con impianti e dispositivi medici sono particolarmente preoccupati per i biofilm perché queste superfici sono il primo immobile per i batteri. Una volta colonizzato, i biofilm possono produrre sottoprodotti tossici e persino mortali per il corpo umano.
Come le persone nelle città, le cellule nei biofilm comunicano tra loro inviando messaggi per condividere informazioni sulla disponibilità di cibo e sui potenziali pericoli. Ma invece di chiamare i vicini al telefono, i batteri inviano promemoria tramite sostanze chimiche ai loro amici vicini.
Ma i batteri non hanno paura di volare da soli, o. Infatti, alcune specie hanno sviluppato modi per sopravvivere in condizioni difficili. Quando non c'è più cibo o le condizioni peggiorano, questi batteri si preservano creando un guscio duro chiamato an endospora , mettendo la cellula in uno stato dormiente che preserva il materiale genetico dei batteri [fonte:Dipartimento di microbiologia della Cornell University].
Uno scienziato ha persino trovato dei batteri in una capsula del tempo che è stata scoperta ed esaminata 100 anni dopo, mentre altri gruppi di scienziati hanno scoperto batteri risalenti a 250 milioni di anni fa [fonti:Silverman; Vreeland et al.]. Tutto questo dimostra che i batteri possono autoconservarsi per molto tempo.
Ora che sappiamo che i batteri sono colonizzatori data l'opportunità, diamo un'occhiata a come ci arrivano attraverso la divisione e la riproduzione.
Un E. coli il batterio viene catturato nelle prime fasi della fissione binaria, o dividersi in due celle identiche. CNRI/biblioteca scientifica/immagini Getty In che modo i batteri creano colonie in primo luogo?
batteri, come altre forme di vita sulla Terra, hanno bisogno di fare copie di se stessi per sopravvivere. Mentre gli esseri umani e altri organismi lo fanno attraverso la riproduzione sessuale, funziona in modo leggermente diverso con i batteri.
Ma prima, discuteremo perché la diversità è una buona cosa.
La vita subisce selezione naturale , o forze selettive in un dato ambiente che consentono a un tipo di prosperare e riprodursi di più. Come ricorderete dalla lezione di biologia, i geni sono le unità che istruiscono una cellula su cosa fare, se rendere i capelli castani o biondi o gli occhi verdi o blu. Ottieni geni da entrambi i tuoi genitori che forniscono un buon mix. Inoltre, la riproduzione sessuale dà luogo a mutazioni , o cambiamenti casuali nel DNA, che crea diversità. Più diversità genetica da cui attingere, più è probabile che un organismo possa adattarsi ai vincoli in un ambiente.
Per i batteri, la riproduzione non è questione di incontrare il microbo giusto e sistemarsi; sta semplicemente replicando il proprio DNA e dividendosi in due cellule identiche. Questo processo, chiamato fissione binaria , si verifica quando un singolo batterio si divide in due dopo aver replicato il proprio DNA e aver spostato il materiale genetico nelle estremità opposte della cellula.
Poiché la cellula risultante è geneticamente identica a quella da cui proviene, questo metodo di riproduzione non è esattamente il modo migliore per creare un pool genetico diversificato.
Quindi, come fanno i batteri a ottenere nuovi geni?
Si scopre che i batteri usano trucchi per portare a termine il lavoro, con il risultato finale che è trasferimento genico orizzontale , o scambiare materiale genetico senza riprodursi. Ci sono alcuni modi in cui i batteri possono farlo. Un metodo prevede il prelievo di materiale genetico dall'ambiente esterno alla cellula, facendo affidamento su altri microbi e batteri (attraverso molecole chiamate plasmidi). Un altro deriva da virus che usano i batteri come ospiti. Dopo aver infettato nuovi batteri, i virus lasciano accidentalmente materiale genetico di batteri precedenti in quello nuovo [fonte:Marraffini].
Lo scambio di materiale genetico dà ai batteri la flessibilità di adattarsi - e alcuni lo fanno, una volta che percepiscono cambiamenti stressanti nell'ambiente come carenze alimentari o cambiamenti chimici.
Sviluppare una migliore comprensione di come i batteri si adattano è estremamente importante per comprendere e combattere la resistenza dei batteri agli antibiotici in medicina. I batteri possono scambiare materiale genetico così frequentemente che i trattamenti che in precedenza hanno funzionato probabilmente non lo faranno la prossima volta.
Ora che abbiamo esaminato da vicino come funzionano i batteri a livello microscopico, facciamo un passo indietro per vedere dove li trovi nel quadro generale.
La piscina opalescente del Parco Nazionale di Yellowstone ottiene i suoi fantastici colori dai batteri termofili. Michael Detay/Moment Open/Getty Images La domanda non è, "Dove sono i batteri?" ma piuttosto, "Dove non sono i batteri?"
Si trovano praticamente ovunque sulla Terra. È impossibile avere una comprensione completa del numero di batteri sul pianeta in una volta, ma alcune stime indicano circa 5 ottilioni di microbi come batteri e archaea:sono 10 alla 28a potenza! [fonte:Whitman et al.]
Appuntare un numero su quante specie, o tipi classificabili, di batteri ci sono anche rimane difficile. Una stima punta a circa 30, 000 specie formalmente identificate, ma gli scienziati imparano e aggiungono costantemente alla loro base di conoscenze e pensano che non abbiamo scalfito la superficie per il vero numero di specie là fuori [fonte:Dykhuizen].
La verità è che i batteri esistono da molto tempo, a lungo. Infatti, hanno dato origine ad alcuni dei primi fossili conosciuti, risalente a 3,5 miliardi di anni [fonte:University of California Museum of Paleontology]. Le prove scientifiche suggeriscono che i cianobatteri hanno iniziato a creare ossigeno tra 2,5 e 2,3 miliardi di anni fa negli oceani del mondo, che ha dato origine all'atmosfera terrestre e all'abbondante ossigeno da respirare [fonte:Konhauser et al.].
I batteri possono sopravvivere nell'aria, acqua, suolo, ghiaccio e caldo estremo; sulle piante; e anche nel nostro intestino, sulla nostra pelle e sulla pelle di altri animali.
Alcuni batteri sono estremofili , il che significa che possono resistere ad ambienti estremi che sono molto caldi o freddi o che mancano dei nutrienti e delle sostanze chimiche che tipicamente associamo alla vita. I ricercatori hanno scoperto batteri nella Fossa delle Marianne, il punto più profondo della Terra sotto l'Oceano Pacifico, oltre alle prese d'aria riscaldate sott'acqua e nel ghiaccio.
Ma il divertimento va oltre i ricercatori del settore. I turisti sono affascinati dalla bellezza naturale più bella dei batteri in luoghi come la piscina opalescente del Parco Nazionale di Yellowstone, che presenta batteri termofili (amanti del calore) dai colori vivaci che colorano il punto di riferimento.
Houston, abbiamo i batteri.I batteri che normalmente non hanno un effetto negativo sulla salute umana hanno un vantaggio nella formazione di infezioni tra gli astronauti nello spazio. Per studiare meglio gli effetti del volo spaziale sui batteri, La NASA ha inviato nello spazio microbi che in genere causano infezioni curabili sulla Terra con le missioni Atlantis nel 2010 e nel 2011. Il gruppo ha scoperto che le comunità di questi batteri sono state in grado di formarsi in modi che non hanno fatto sulla Terra, fornire ai ricercatori informazioni su come migliorare i risultati sulla salute degli astronauti nello spazio, oltre alle persone sulla Terra.
Resistente alla meticillina Staphylococcus aureus (MRSA) può causare infezioni della ferita, polmonite e avvelenamento del sangue nelle persone vulnerabili. PASIEKA/Libreria fotografica scientifica/Thinkstock Sebbene i batteri contribuiscano in modo coraggioso alla salute degli esseri umani e del pianeta, hanno anche un lato oscuro. Alcuni batteri hanno il potenziale per essere patogeno , nel senso che possono causare malattie e malattie.
Nel corso della storia umana, alcuni batteri hanno (comprensibilmente) preso una brutta reputazione, causando ansia e isteria pubblica. Prendi la peste, Per esempio. I batteri che causano la peste, Yersinia pestis , non solo ha ucciso più di 100 milioni di persone, ma si suggerisce anche di aver plasmato la storia, anche contribuendo al crollo dell'Impero Romano [fonte:Centers for Disease Control and Prevention]. Prima dell'avvento degli antibiotici, o farmaci in grado di trattare le infezioni batteriche, le infezioni erano difficili da fermare.
Anche oggi, questi batteri patogeni pesano ancora molto sulle nostre menti. I batteri che causano una serie di malattie - dall'antrace, polmonite, meningite, colera, salmonella e mal di gola a E. coli e infezioni da stafilococco — possono sfidare i nostri trattamenti grazie a resistenza agli antibiotici .
Questo è particolarmente vero per Staphylococcus aureus , il batterio responsabile delle infezioni da stafilococco. Il "superbatterio" ha posto enormi problemi agli ospedali e alle cliniche sanitarie, dove i pazienti hanno maggiori probabilità di essere esposti ad esso durante gli impianti medici e l'inserimento del catetere.
In una sezione precedente, abbiamo parlato della selezione naturale e di come alcuni batteri abbiano geni più diversi per aiutare a gestire ciò che il loro ambiente gli lancia addosso. Se hai un'infezione, e alcuni dei batteri nel tuo corpo sono diversi dagli altri, gli antibiotici potrebbero prendersi cura della maggior parte della popolazione batterica. Ma questo dà anche ai microbi non colpiti dai tuoi antibiotici la stanza per riprodursi e prendere piede. Questo è il motivo per cui i medici raccomandano di stare lontani dagli antibiotici a meno che non ne abbiate davvero bisogno.
Le armi biologiche sono un altro aspetto spaventoso di questa conversazione. I batteri possono essere usati come armi in alcuni casi, compreso l'essere dispiegato nelle paure dell'antrace e incorporato in spray aerosol.
E non sono solo gli umani a essere colpiti dai batteri. Infatti, i batteri hanno persino appetito per il transatlantico affondato Titanic, anche [fonte:Kaufman]. Le specie, di nome Halomonas titanicae , corrode il metallo della nave storica.
Abbiamo imparato come i batteri possono essere dannosi. Nella sezione successiva, vedremo come possono aiutarci.
Batteri e salute dentaleguarda ed ecco, la sostanza viscida che chiamiamo placca sui nostri denti proviene in realtà da batteri. Se dato libero sfogo, questi batteri possono corrodere lo smalto dei nostri denti, alla fine dandoci cavità. Gli archeologi hanno raccolto conoscenze dal passato studiando teschi e denti umani per saperne di più sulla dieta umana e sulla suscettibilità alle malattie in vari momenti [fonte:Watson].
Sir Alexander Fleming, un batteriologo, scoprì la penicillina per caso nel 1928. Peter Purdy/Hulton Archive/Getty Images Prendiamoci un momento per esaminare il lato positivo dei batteri. Dopotutto, questi sono i microbi che ci portano cibi gustosi come il formaggio, birra, lievito naturale e altri prodotti fermentati. Sono anche gli eroi non celebrati dietro la medicina e il progresso della salute umana.
Dobbiamo ringraziare anche i batteri per aver plasmato l'evoluzione umana. La scienza sta raccogliendo più informazioni dal microbiota , o i microrganismi che risiedono nel nostro stesso corpo, in particolare nel nostro sistema digestivo e nell'intestino. La ricerca suggerisce che i batteri, e la diversità e i nuovi materiali genetici che portano ai nostri corpi, hanno permesso agli esseri umani di adattarsi e sfruttare nuove fonti di cibo che in precedenza non potevano utilizzare [fonte:Backhed et al.].
Guardala in questo modo:rivestendo le superfici dello stomaco e dell'intestino, i batteri "lavorano" per te. Quando mangi, i batteri e altri microbi ti aiutano a scomporre e a trarre sostanze nutritive dagli alimenti, soprattutto carboidrati come mais, patate, pane e riso. I batteri più diversi che consumiamo e siamo esposti contribuiscono a questa comunità diversificata nei nostri corpi.
Sebbene la nostra conoscenza delle nostre comunità microbiche sia nella migliore delle ipotesi nascente, ci sono prove che suggeriscono che la mancanza di alcuni microbi e batteri nel corpo può legarsi alla salute di una persona, metabolismo, e suscettibilità agli allergeni e alle malattie. Studi preliminari sui topi suggeriscono che le malattie metaboliche come l'obesità sono legate alla diversità e alla salute del microbioma piuttosto che alla nostra visione predominante delle "calorie in, calorie out" approccio [fonte:Cox].
Anche nelle prime fasi, i trapianti fecali che comportano la condivisione di microrganismi fecali da un individuo sano a un'altra persona mostrano una promessa precoce. Sì, questa potrebbe non essere la migliore immagine mentale, ma la scienza e le opzioni per trattare alcune malattie gastrointestinali sembrano promettenti. Si stanno facendo ricerche sui probiotici, microbi ritenuti avere ulteriori benefici per la salute, ma a novembre 2014 non sono state stabilite raccomandazioni generali sul loro utilizzo.
Inoltre, i batteri hanno cambiato le regole del gioco nello sviluppo del pensiero scientifico e della medicina umana. I batteri hanno svolto un ruolo di primo piano nello sviluppo del 1884 dei postulati di Koch, una serie di considerazioni che legano un dato microbo alla malattia.
Tra gli altri contributi, i ricercatori che studiano i batteri hanno scoperto casualmente la penicillina - un antibiotico che ha salvato innumerevoli vite - e, più recentemente, un modo più semplice per modificare i genomi degli organismi che potrebbe rivoluzionare la medicina [fonte:Marraffini]. I ricercatori hanno modificato i batteri a beneficio della salute umana in molti modi, compresa la produzione di insulina per il trattamento del diabete.
Abbiamo appena iniziato a capire tutto quello che possiamo imparare dai nostri amici batteri.
Nonostante il loro status di microbi "senza cervello", i batteri si comportano in modi sorprendenti. Date loro un ostacolo, e molto probabilmente troveranno un modo per aggirarlo. Antibiotici in casa? Si scambiano i geni per sopravvivere meglio. Non abbastanza cibo? Nessun problema, possono catturare alcuni Zzz e andare in letargo. Stiamo solo iniziando a imparare i segreti dei batteri, e il quadro generale sta diventando chiaro:un'ampiezza di vita complessa brulica sotto i nostri stessi nasi (e anche in loro).
