باکتری
باکتری‌ها گروه بزرگی از پروکاریوت‌های میکروسکوپی و تک سلولی هستند. این گروه، ارگانیسم‌هایی را شامل می‌شوند که هسته نداشته و اندامک‌های غشادار نیز در آن‌ها وجود ندارد.
«باکتری‌ها» (Bacteria) گونه‌ای از سلول‌های زیستی پروکاریوت هستند. این سلول‌ها که به صورت مفرد «باکتریوم» (Bacterium) نامیده می‌شوند، بزرگترین سلسله در ارگانیسم‌های پروکاریوت به شمار می‌آیند. در میان ارگانیسم‌های مختلف، باکتری‌ها بسیاری از ویژگی‌ها و معیارهای موجود زنده را منعکس می‌کنند، از جمله این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- باکتری‌ها از سلول تشکیل شده‌اند.
- آن‌ها اطلاعات ژنتیکی خود را از طریق DNA منتقل می‌کنند.
- برای رشد و تولید مثل نیاز به کسب انرژی از محیط دارند.
- در برخی از گونههای باکتری‌ها تولید مثل جنسی دیده شده است.
با توجه به ارتباط این موجودات با بیماری‌ها، اغلب، باکتری‌ها به عنوان عوامل بیماری‌زا مورد بررسی قرار می‌گیرند. با این حال، باکتری‌ها عملکردهای ارزشمند و مفیدی را در اکوسیستم‌ها انجام می‌دهند و همچنین از راه‌های مختلف بین چرخه‌های موجودات زنده ارتباط و هماهنگی برقرار می‌کنند. از جمله عملکردهای باکتری‌ها در طبیعت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تبدیل نیتروژن جوی به فرم‌هایی که برای گیاهان قابل استفاده است.
- ایجاد همزیستی با موجودات دیگر به معنی ایجاد ارتباط با سایر ارگانیسم‌ها، به طوری که در این تعامل هر دو طرف سود می‌برند.
- باکتری‌ها می‌توانند مواد دفعی جانوران، گیاهان و جانوران مرده را از طریق تجزیه، بازیافت کنند.
- تسهیل در هضم غذا در ارگانیسم‌های مختلف با حضور باکتری‌ها در دستگاه گوارش آن‌ها انجام می‌شود.
- باکتری‌ها در تولید بسیاری از مواد غذایی مانند ماست شرکت دارند.
- در تصفیه فاضلاب‌ها از باکتری‌ها استفاده می‌شود.
- برخی از باکتری‌ها در تولید داروها و درمان‌های نوین پزشکی به کار می‌روند.
باکتری‌ها فراوان‌ترین موجودات زنده جهان محسوب می‌شوند. آن‌ها هم در خاک و هم در آب و همچنین به عنوان همزیست در سایر جاندران زندگی می‌کنند. بسیاری از عوامل بیماری‌زا (ارگانیسم‌های ایجاد کننده بیماری) باکتری هستند. اکثر باکتری‌ها ساختمان بسیار کوچکی دارند، به طوری که اندازه آن‌ها معمولا در حدود ۰٫۵ تا ۵ میکرومتر است، اگرچه باکتری‌های غول پیکر مانند «تیومارگاریتا نامیبین‌سیس» (Thiomargarita Namibiensis) و «اپیولوپیسوم فیشلسونی» (Epulopiscium Fishelsoni) ممکن است تا اندازه 0٫5 میلی‌متر نیز رشد کنند.
باکتری‌ها به طور کلی مانند سلول‌های گیاهی و قارچی دارای دیواره سلولی هستند اما ترکیبات دیواره آن‌ها متفاوت از گیاهان و قارچ‌ها است. دیواره باکتری‌ها از پپتیدوگیلیکان ساخته شده است. باکتری‌ها با استفاده از تاژک حرکت می‌کنند که ترکیبات و ساختمان تاژک باکتری‌ها از سایر گروه‌ها متفاوت است.
شکل سلول باکتری ممکن است کروی، میله‌ای یا مارپیچ باشد. اگرچه باکتری‌ها تک سلولی هستند، اما برخی از آن‌ها در کنار یکدیگر رشد و زندگی می‌کنند و ساختارهای خوشه‌ای، رشته‌ای و یا زنجیره‌ای را تشکیل می‌دهند.
تاریخچه حیات باکتری ها
فسیل‌های باکتریایی بسیاری در ذخایر موجود در استرالیای امروزی یافت شده‌اند که تخمین زده می‌شود، قدمت آن‌ها 3٫5 میلیارد سال باشد. قدمت بسیار زیاد باکتری‌ها باعث شده است تا این گروه از میکروارگانیسم‌ها بتواند تنوع ژنتیکی زیادی را در طول تکامل کسب کنند. به عنوان مثال، آن‌ها بسیار متنوع‌تر از پستانداران یا حشرات هستند. در واقع، فاصله ژنتیکی بین E.coli و باکتری «ترموس آکواتیکوس» (Thermus Aquaticus) از فاصله ژنتیکی بین انسان و درختان بلوط بیشتر است.
اولین باکتری در سال 1676 توسط «آنتون ون لیوونوئک» (Anton van Leeuwenhoek) مشاهده شد و او این کار را با استفاده از میکروسکوپ تک لنزی که خودش طراحی کرده بود، انجام داد. نام باکتری، مدت‌های زیادی پس از اولین مشاهده آن‌ها، توسط «کریستین گوتفرید ارنبرگ» (Christian Gottfried Ehrenberg) در سال 1828 مطرح شد که از کلمه یونانی (βακτηριον) به معنی «چوب کوچک» گرفته شده است. به دلیل دشواری در توصیف باکتری‌های منفرد و اهمیت کشف آن‌ها در زمینه‌‌هایی مانند پزشکی، بیوشیمی و ژئوشیمی، تاریخچه باکتری‌ها به طور کلی به عنوان تاریخچه «میکروبیولوژی» (Microbiology) توصیف می‌شود.
دو اندامک سلول‌های یوکاریوتی به نام‌های میتوکندری و کلروپلاست بر طبق نظریه درون همزیستی در طول تکامل از باکتری‌ها منشا گرفته‌اند.
طبقه‌بندی باکتری‌ها
اصطلاح باکتری برای همه پروکاریوت‌ها به خصوص دسته‌ای از آن‌ها به نام باکتری‌های هوازی به کار می‌رود. در سیستم طبقه‌بندی موجودات زنده پنج سلسله (Kingdom) وجود دارد، باکتری‌ها در سلسله «مونرا» (Monera) قرار می‌گیرند. در این سیستم، «سه حوزه» (Domain) وجود دارد که باکتری‌ها معمولاً با نام حوزه «یوباکترها» (Eubacteria) یا حوزه «باکتری‌ها» مشخص می‌شوند. اصطلاح یوباکتر گاهی شامل «آرکی‌باکترها» (Archaea) نیز می‌شود.
جلبک‌های فتوسنتزی سبز - آبی یا سیانوباکتر‌ها، در گذشته در یک دسته جداگانه به عنوان «جلبک‌ها» (Algae) طبقه‌بندی می‌شدند، اما اکنون این باکتری‌ها به طور جداگانه در دسته‌ای با همین نام در نظر گرفته می‌شوند. مطالعه در مورد ساختمان، عملکرد و به طور کلی زندگی باکتری‌ها به عنوان «باکتری شناسی» (Bacteriology)، زیر شاخه علم میکروبیولوژی محسوب می‌شود.
ساختار سلولی
مانند تمام پروکاریوت‌ها، باکتری‌ها نیز دارای ساختار سلولی نسبتاً ساده‌ای هستند که هسته سلول یا اندامک‌های محدود به غشا مانند میتوکندری و کلروپلاست ندارند. DNA پروکاریوت‌ها آزادانه در داخل سلول شناور است. برجسته‌ترین ویژگی ساختاری باکتری‌ها دیواره سلولی آن‌ها است. باکتری‌ها را می‌توان به دو گروه (گرم مثبت و گرم منفی) براساس تفاوت در ساختار دیواره سلولی که توسط «رنگ آمیزی گرم» (Gram Staining) آشکار می‌شود، تقسیم کرد.
در رنگ آمیزی گرم، یک سری از رنگ‌ها به طور اختصاصی برای دیواره‌‌های سلول استفاده می‌شود. باکتری‌های گرم منفی دارای غشایی حاوی لیپوپلی ساکارید هستند و با رنگ آمیزی گرم، به رنگ صورتی در می‌آید. آن‌ها همچنین دارای یک لایه نازک پپتیدوگلیکان هستند که در قسمت پری‌پلاسم قرار دارد (ناحیه بین غشای خارجی و سیتوپلاسمی).
باکتری‌های گرم مثبت فاقد این پوشش هستند، اما دیواره سلولی دارند که حاوی یک پپتیدوگلیکان ضخیم (به نام مورین) و اسید‌های تیکوئیک هستند. دیواره سلولی باکتری‌های گرم مثبت، در رنگ آمیزی گرم، به رنگ بنفش در می‌آید. علاوه بر نوع رنگ پذیری و دیواره سلولی در باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی، این باکتری‌ها تفاوت‌های دیگری نیز با هم دارند، به عنوان مثال، باکتری‌های گرم مثبت نسبت به آنتی بیوتیک‌ها حساس‌تر هستند، در حالی که باکتری‌های گرم منفی، نسبت به درمان با آنتی بیوتیک‌ها بسیار مقاوم عمل می‌کنند.
بسیاری از باکتری‌ها حاوی ساختارهای خارج سلولی دیگری مانند «تاژک» (Flagella)، «فیمبریا» (Fimbriae) و «پیلی» (Pili) هستند که به ترتیب برای تحرک، اتصال و «هم یوغی» یا «کانجوگشین» (Conjugation) (انتقال DNA بین سلول‌های باکتریایی با ایجاد تماس بین آن‌ها) استفاده می‌شوند. همچنین برخی از باکتری‌ها حاوی کپسول یا لایه‌‌های چسبنده هستند که اتصال باکتری‌ها به سطوح و تشکیل زیست لایه یا «بیوفیلم» (Biofilm) (جمعیتی از میکروارگانیسم‌ها که به یک سطح متصل شده و توسط موادی پوشانده می‌شوند) را تسهیل می‌کند.
باکتری‌ها در مقایسه با یوکاریوت‌ها ساختارهای داخل سلولی نسبتاً کمی دارند، اما معمولا دارای یک کروموزوم کاملاً پیچ‌خورده و متراکم، ریبوزوم‌ها و چندین ساختار خاص (با توجه به نوع باکتری) هستند. این ساختارها ممکن است شامل غشای داخل سلولی، ساختارهای ذخیره سازی مواد مغذی، وزیکول‌های گازی و مگنتوزوم‌ها (اندامک‌های غشایی که کریستال‌های مغناطیسی برای جهت‌یابی باکتری‌های مغناطیسی در مناطق ژئومغناطیسی دارند) باشند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند آندوسپور‌ها را تشکیل دهند که به آن‌ها امکان زنده ماندن در شرایط فشار‌های شدید محیطی و شیمیایی را می‌دهند. این خاصیت محدود به باکتری‌های گرم مثبت مانند «باسیلوس» (Bacillus) و «کلستریدیوم» (Clostridium) است.
تولید مثل باکتری‌ها
باکتری‌ها از طریق تولید مثل غیرجنسی (تقسیم دوتایی) که منجر به تقسیم سلولی می‌شود، تولید مثل انجام می‌دهند. آن‌ها دو سلول دختر کاملا یکسان تولید می‌کنند. بنابراین گاهی اوقات گفته می‌شود که رشد جمعیت باکتریایی از یک مرحله رشد تقریبی نمایی پیروی می‌کند.
همچنین انواع خاصی از باکتری‌ها از طریق روش هم یوغی یا کانجوگیشن قادر به تولید مثل جنسی هستند. در هم یوغی، یک باکتری (به عنوان باکتری مثبت) ماده ژنتیکی خود را به باکتری دیگر (به عنوان باکتری منفی) از طریق ساختاری لوله‌ای طویل و تو خالی به نام «پیلوس جنسی» (Sex Pilus) (جمع پیلوس، پیلی است) منتقل می‌کند. ماده ژنتیکی منتقل شده ممکن است از جنس کروموزوم یا از جنس پلاسمید باشد. هم یوغی تنوع ژنتیکی جمعیت باکتری‌ها را افزایش می‌دهد و ایجاد مقاومت آنتی بیوتیکی را تسهیل می‌کند.
حرکت و جابجایی باکتری‌ها
برخی از باکتری‌ها قادر به حرکت هستند. این باکتری‌ها به چند طریق مختلف شامل استفاده از تاژک، سوار شدن بر باکتری‌های دیگر یا تغییر در شناور شدن حرکت می‌کنند. یک گروه منحصر به فرد از باکتری‌ها، اسپیروچت‌ها هستند، این باکتری‌ها، ساختار‌هایی شبیه به تاژک دارند که به آن‌ها «رشته‌‌های محوری» (Axial Filaments) می‌گویند، محل قرارگیری این رشته‌ها بین دو غشای موجود در فضای پری‌پلاسمی است. ساختمان سلولی آن‌ها یک مارپیچ متمایز است که به محض حرکت به پیچش در می‌آیند.
تاژک‌های باکتریایی به روش‌های مختلفی در کنار هم قرار می‌گیرند. باکتری‌ها می‌توانند در یک انتهای سلول خود یک تاژک قطبی منفرد داشته باشند یا این که تاژک در سراسر سلول باکتری قرار بگیرد. بسیاری از باکتری‌ها (مانند E.coli) دارای دو حالت حرکت مجزا هستند: حرکت رو به جلو (شنا) و غلت زدن.
غلت زدن به باکتری‌ها اجازه می‌دهد تا در طول حرکت خود جهت گیری مجدد انجام دهند و عنصر مهمی در حرکت‌های تصادفی آن‌ها در مسیرهای رو به جلو به شمار می‌آید. باکتری‌های حرکتی توسط برخی محرک‌ها در مسیرهای مختلف جذب یا دفع می‌شوند و رفتار‌های تمایلی به نام تاکسی‌ها را از خود نشان می‌دهند. به عنوان مثال، برخی از این رفتارها شامل کموتاکسی، فوتوتاکسی، مکانیکوتاکسی و مغناطیسوتاکسی هستند.
در گروهی از باکتری‌ها به نام «مایکسوباکتری‌ها» (Myxobacteria)، باکتری‌های منفرد به یکدیگر جذب می‌شوند تا گروه‌هایی را به وجود آورند و می‌توانند در شکل‌گیری اجسام خوشه‌ای نقش داشته باشند. میكسوباكترها بر خلاف باکتری E.coli فقط وقتی روی سطوح جامد قرار گیرند، حركت می‌كنند. در حالی که باکتری E.coli در محیط‌های مایع نیز حرکت می‌کند.
طبقه‌بندی و شناسایی باکتری‌ها
از نظر تاریخی، باكتری‌ها، همان طور كه در ابتدا توسط گیاه شناسان مورد مطالعه قرار گرفته بودند، به همان روش گیاهان یعنی عمدتاً از نظر شکل طبقه‌بندی می‌شدند. باکتری‌ها از نظر ریخت شناسی انواع مختلفی دارند:
- باکتری باسیلی (میله مانند)
- باکتری کوکوسی (کروی)
- باکتری اسپریلوم (مارپیچی)
- باکتری ویبریو (میله‌ای خمیده)
به دلیل کوچک بودن ساختار باکتری‌ها طبقه‌بندی آن‌ها از لحاظ ریخت شناسی ناموفق بوده است. اولین طرح طبقه‌بندی رسمی باکتری‌ها پس از توسعه روش رنگ آمیزی گرم توسط «هانس کریستین گرم» (Hans Christian Gram) آغاز شد. در این روش باکتری‌ها براساس خصوصیات ساختاری دیواره سلولی از هم جدا می‌شوند. به طور کلی تقسیم بندی براساس روش رنگ آمیزی گرم شامل موارد زیر است:
- «گراسیلی کوت» (Gracilicutes Bacteria): رنگ آمیزی گرم منفی با غشای دوم سلول
- «فرمی کوت» (Firmicutes Bacteria): رنگ آمیزی گرم مثبت با دیواره ضخیم پپتیدوگلیکان
- «مولی کوت» (Mollicutes Bacteria): رنگ آمیزی گرم منفی و بدون دیواره سلولی یا غشای دوم
- «مندوزی کوت» (Mendosicutes Bacteria): گونههای غیرمعمول باکتری‌ها که اکنون به عنوان سیانوکترها در حوزه آرکی باکترها قرار گرفته‌اند.
با توسعه بیشتر سیستم‌های تقسیم‌بندی، روش‌های جدیدی مبتنی بر فعالیت‌های باکتری شامل مقایسه باکتری‌ها بر اساس تفاوت در متابولیسم یا سوخت و ساز سلولی آن‌ها ایجاد شد که توسط طیف گسترده‌ای از آزمون‌های خاص قابل اندازگیری هستند.
باکتری‌ها همچنین بر اساس تفاوت در ترکیبات شیمیایی سلولی مانند اسید‌های چرب، رنگدانه‌ها و کینون‌ها (گروهی از ترکیبات آلی که از ترکیبات آروماتیک مشتق شده‌اند) نیز طبقه‌بندی می‌شوند. در حالی که این طرح‌ها امکان تمایز بین گونههای باکتریایی را فراهم می‌کنند، اما مشخص نیست که آیا این تفاوت‌ها تنها تنوع بین گونههای مجزا را نشان می‌دهند یا تفاوت بین گونههای یکسان را نیز به نمایش می‌گذارند.
تا قبل از زمان استفاده از تکنیک‌های مبتنی بر ژنوم، مانند تعیین نسبت سیتوزین و گوانین، هیبریداسیون ژنوم - ژنوم و تعیین توالی ژن (به ویژه ژن rRNA) که تاکسونومی میکروبی را به یک سیستم طبقه‌بندی پایدار و دقیق توسعه دادند، طبقه‌بندی نظام‌مندی در این زمینه وجود نداشت. البته لازم به ذکر است که به دلیل وجود سیستم‌های طبقه‌بندی قدیمی بی‌شمار و درک ضعیف فعلی ما از تنوع میکروبی، طبقه‌بندی باکتری‌ها هر روزه در حال گسترش و تغییر است.
نامگذاری باکتری ها
باکتری‌ها براساس شکل و نحوه قرارگیری در کنار یکدیگر نیز نام گذاری می‌شوند. باکتری‌هایی که به شکل خوشه در کنار هم قرار می‌گیرند با پیشوند «استافیلو» (Staphylo) توصیف می‌شوند، به عنوان مثال، خوشه‌ای از سلول‌های باکتریایی کروی، «استافیلوکوک» (Staphylococcus) نامیده می‌شوند و خوشه‌ای از سلول‌های باکتریایی میله‌ای شکل، «استافیلوباسیلوس» (Staphylobacillus) نام می‌گیرند. هنگامی که باکتری‌ها با قرارگیری در کنار هم ساختارهای میله مانند را می‌سازند، از پیشوند «استرپتو» (Strepto) برای نام گذاری آن‌ها استفاده می‌شود، به گونه‌ای که یک خوشه از سلول‌های باکتریایی میله‌ای شکل، «استرپتوباسیلوس» (Streptobacillus) نامیده می‌شوند.