Królestwo Prokaryotae (inna spotykana nazwa: Monera) tworzą najprostsze i zarazem najstarsze jednokomórkowe organizmy żywe, które dzielą się na dwie linie (grupy): Eubacteria (bakterie właściwe) oraz Archaebacteria (tzw. Archeony). Wszystkie organizmy prokariotyczne cechuje bezjądrowa budowa z pojedynczą cząsteczką kolistego, dwuniciowego DNA zawieszonego w błonie cytoplazmatycznej.
Są to najbardziej rozpowszechnione formy życia na Ziemi, które można spotkać niemal w każdym środowisku, nawet takim które cechują ekstremalne warunki uniemożliwiające przeżycie innym organizmom. Bakterie nie prowadzą aktywnego życia w powietrzu, ale wykorzystują je do przemieszczania się w kierunku właściwego dla siebie środowiska.
Organizmy prokariotyczne są z reguły heterotrofami - czyli uzyskują niezbędne do życia związki organiczne z otoczenia. Zaliczmy do nich:
• saprobionty (saprofity i roztocza) - odżywiają się martwą materią organiczną - szczątki roślin i zwierząt.
• symbionty - tworzą związki mutualistyczne z gospodarzem na zasadzie odnoszenia obopólnych korzyści (jak bakterie brodawkowe z roślinami motylkowymi) bądź są komensalami, które nie szkodzą ani nie pomagają "partnerom".
• pasożyty - bakterie chorobotwórcze, które żyją kosztem swojego żywiciela.
Bakterie autotroficzne (samożywne) przyswajają CO2 i przy pomocy pobranej energii wytwarzają cząsteczki organiczne (fotoautotrofizm i chemoautotrofizm - patrz: metabolizm bakterii).
Niektóre bakterie potrafią się przemieszczać wędrując w kierunku źródła pożywienia za pomocą rzęsek (o innej budowie niż w komórkach eukariotycznych) lub filamentów - specjalnych włókien komórkowych umożliwiających ruch pełzający bądź spiralny całego ciała (np. u krętek) Jeszcze inne posiadają włosowate fimbrie (pile) - białkowe wyrostki cytoplazmatyczne, które ułatwiają bakteriom pasożytniczym w przyleganiu do niektórych powierzchni.
Poza tym w ekstremalnych i niekorzystnych dla komórki warunkach bakterie potrafią przejść w formę spoczynkową - stan anabiozy, tworząc tzw. endosporę poprzez odwodnienie cytoplazmy, otoczenie materiału genetycznego grubą, wielowarstwową ścianą i spowolnienie metabolizmu. Pozwala to przetrwać komórce tak złe warunki jak np. długi czas zamrożenia czy gotowania.
Ze względu na wytrzymałość temperaturową bakterie właściwe dzieli się na:
• psychrofile - temperatura optymalna 15 °C (zakres: min. 0 °C, max. 30 °C)
• mezofile - optimum 30-38 °C (zakres: 10-45 °C)
• termofile - 40-75 °C
Za względu na kształt morfologiczny komórek bakteryjnych dzielimy je na trzy główne grupy:
• bakterie kuliste (ziarniaki, coccus), które często łączą się tworząc kolonie w postaci dwoinek, paciorkowców, pakietowców czy gronkowców.
• bakterie podłużne (pałeczki - bacterium, laseczki z przetrwalnikami - bacillus, wrzecionowce, maczugowce, przecinkowce).
• bakterie spiralne (krętki, śrubowce, wrzecionowce).
Komórki bakteryjne są zwykle mikroskopijne i mają średnicę od 0,5 do 5µm i około dziesięciokrotnie mniejszą długość od komórki eukariotycznej.Najważniejszą cechą budowy prokariontów jest brak wyodrębnionego jądra. Genofor bakterii nie jest oddzielony żadną błoną od cytoplazmy. Koliście zwinięty, dwuniciowy DNA tworzy jeden chromosom zawieszony w gęstej, koloidowej substancji.
Budowa ściany komórkowej bakterii nie jest uniwersalna dla wszystkich drobnoustrojów. Różnią się grubością, ilością warstw co wpływa na pochłania fioletu krystalicznego, co z kolei jest podstawową cechą w barwieniu metodą Grama. Bakterie Gram-dodatnie (kolor fioletowy) posiadają grubą ścianę komórkową zbudowaną z gęstej sieci peptydoglikanu (mureiny) i dlatego zatrzymują barwniki, natomiast Gram-ujemne (kolor różowy) posiadają dwie warstwy - cienką mureinę oraz białkowo-lipidowo-węglowodanową złożoną warstwę zewnętrzną. Dodatkowo większość bakterii posiada tzw. otoczkę śluzową, która tworzy barierę ochronną przed przeciwciałami i fagocytozą oraz chłonie i gromadzi wodę.
Błona komórkowa jest to typowa białkowo-lipidowa warstwa mająca podobne funkcje (transportowa, oddzielająca, informacyjna) jak w przypadku komórek eukariotycznych. Pofałdowane fragmenty błony zwiększające jej powierzchnię - mezosomy - są odpowiednikami mitochondriów czyli centrami energetycznymi, w których wytwarzane jest ATP i zachodzą procesy oddychania wewnątrzkomórkowego (tylko u bakterii tlenowych).
Wewnątrz komórki zawieszone są także nieregularnie rozrzucone rybosomy, substancje zapasowe, a u bakterii fotosyntetyzujących także ciała chromatoforowe - pęcherzyki zawierające barwniki absorbujące światło (np. chlorofil).
Oprócz nukleoidu komórki bakteryjne mogą zawierać koliste DNA zwane plazmidami, które replikują się niezależnie od głównego genoforu. Ich funkcją jest przekazywanie innym bakteriom genów kodujących oporność na różnego rodzaju antybiotyki.
Bakterie dzielą się na heterotrofy (organizmy cudzożywne) czyli saprobionty, symbionty, pasożyty (patrz: informacje wstępne) oraz autotrofy, które uzyskują niezbędne do życia związki organiczne na drodze fotosyntezy bądź chemosyntezy.
Wyróżnia się pięć grup bakterii fotosyntetyzujących do których należą zielone i purpurowe bakterie siarkowe, zielone i purpurowe bakterie bezsiarkowe oraz sinice. Istnieje teoria, że chloroplasty roślin są to uproszczone i przekształcone sinice, które w toku ewolucji związały się z komórką gospodarza. Sinice posiadają barwniki podobne do roślin czyli zielony chlorofil a (podstawowy- jest go najwięcej), żółty karoten, niebieski fikocyjan i czerwoną fikoerytrynę. Donorem wodoru u sinic jest woda, dlatego produktem ubocznym fotosyntezy jest cząsteczkowy tlen.
6CO2 + 6H2O →energia świetlna→ C6H12O6 + 6O2
Jednak fotosynteza bakterii siarkowych znacznie różni się od fotosyntezy roślin i sinic. Purpurowe i zielone bakterie siarkowe najsilniej absorbują światło widma podczerwieni, a donorem wodoru są u nich związki siarki.
6CO2 + 6H2S →energia świetlna→ C6H12O6 + 12S + 6H2O
Fotosyntetyzujące bakterie bezsiarkowe redukują CO2 przez utlenianie znajdujących się w środowisku alkoholi lub wodoru.
Chemosynteza polega na wytwarzaniu związków organicznych z prostych składników nieorganicznych przy wykorzystaniu energii powstałej z utleniania tych związków. I tak wśród chemoautotrofów wyróżnia się:
• bakterie siarkowe: H2S + O2 → S (H2SO4) + energia chemiczna
• bakterie azotowe (nitryfikacyjne): NH3 + O2 → N (HNO2, HNO3) + energia chem.
• bakterie żelazowe: Fe2+ → Fe3+
• bakterie metanowe: związek organiczny → metan
• bakterie wodorowe: utlenianie wodoru cząsteczkowego
Oddychanie (nie mylić z wymianą gazową!) jest procesem uwalniania energii zawartej w związkach organicznych. Może odbywać się przy pomocy tlenu z wydzielaniem CO2 i wody:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia
W taki sposób oddychają bezwzględne tlenowce (aeroby), które żyją tylko w obecności tego pierwiastka. Względne beztlenowce (anaeroby) są w stanie istnieć w przy niewielkich stężeniach tlenu, jednak energie czerpią z oddychania beztlenowego poprzez proces fermentacji bądź redukcji.
Fermentacja jest częściowym rozłożeniem związków organicznych do prostych kwasów organicznych, alkoholi lub węglowodanów z uzyskaniem energii. Proces ten wykorzystywany jest często przez ludzi do otrzymywania specyficznych walorów żywności, np.:
• fermentacja mlekowa (jogurty, sery, kiszona kapusta czy ogórki)
• fermentacja alkoholowa (wino, piwo)
Redukcja jest przeprowadzana przez bakterie denitryfikacyjne, które pobierają związki azotu i przekształcają je z azotanów (V) do azotanów (III).Bezwzględne beztlenowce mogą rozwijać się tylko w środowisku pozbawionym tlenu, dla których jest on toksyczny.
Bakterie rozmnażają się bezpłciowo na drodze podziału bezpośredniego - amitozy, poprzedzonej replikacją materiału genetycznego, poprzez pączkowanie bądź rozpad koloni. W idealnych warunkach dzielą się one co 20 min. Nie występuje u nich rozmnażanie płciowe poprzez łączenie gamet, ale wymiana materiału genetycznego może następować np. poprzez proces koniugacji. Wśród bakterii istnieją dwa typy płciowe F+ i F-. Komórki zawierające czynnik płciowy (F+) posiadają długie rurkowate wypustki tzw. fimbrie płciowe za pomocą których przekazują komórkom F- fragment plazmidowego DNA, co powoduje zmianę ich fenotypu na F+ i przejęcie pewnych cech warunkujących np. oporność na antybiotyki.
Innym sposobem przenoszenia genów jest transformacja. Bakteria pobiera fragment obcego DNA z otoczenia , które pochodzi np. z uszkodzonej, innej komórki.
Transdukcja jest procesem zachodzącym przy udziale bakteriofagów łagodnych, które przenoszą fragmenty DNA bakterii wraz ze swoimi i w ten sposób włączają je do chromosomu nowego gospodarza w cyklu lizogenicznym
Organizmy prokariotyczne odgrywają niezwykle ważną rolę w środowisku przyrodniczym jako destruenci rozkładający martwą materię organiczną i przyczyniając się w ten sposób do tworzenia próchnicy glebowej. Procesy rozkładu uwalniają i wprowadzają do obiegu biosferycznego szereg pierwiastków takich jak: węgiel, tlen, azot, siarka czy fosfor. Poza tym są to bardzo ważne ogniwa łańcucha pokarmowego, gdyż tworzą podstawowe źródło pożywienia dla takich organizmów jak pierwotniaki i inne zwierzęta wyższe.
Żyjąc w symbiozie z roślinami motylkowymi (bakterie brodawkowe - korzeniowe) przyłączają azot atmosferyczny wykorzystywany przez gospodarza w zamian za pobierane od tegoż żywiciela związki organiczne. Bakterie które bytują w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy pomagają im w trawieniu celulozy, zaś u człowieka przyczyniają się do syntezy witaminy K i witamin z grupy B.
Człowiek nauczył się wykorzystywać właściwości bakterii do potrzeb przemysłowo-rolniczych takich jak:
• produkcja jogurtów, serów, kiszonek (bakterie fermentacji mlekowej) - przemysł spożywczy,
• produkcja szczepionek i antybiotyków (głównie szczepy Streptomyces) - przemysł farmaceutyczny,
• produkcja acetonu, etanolu, aminokwasów, witamin, hormonów i enzymów (bakterie transgeniczne) - inżynieria genetyczna,
• likwidacja zanieczyszczeń w biooczyszczalniach ścieków,
• jako organizmy owadobójcze w rolnictwie
• wykorzystanie złóż ropy, żelaza czy siarki, które zostały utworzone w odległych epokach geologicznych przez bakterie
Istnieje jednak szereg negatywnych skutków działania bakterii dla człowieka i innych organizmów żywych. Są to przede wszystkim choroby, które wywołują te drobnoustroje. Do najważniejszych z nich należą:
• rzeżączka wywoływana przez Neisseria gonorrhoeae (dwoinka rzeżączki - gonokok) oraz kiła powodowana przez bakterie Treponema pallidum (krętek blady) - choroby przenoszone drogą płciową,
• gruźlica - Mycobacterium tuberculosis (prątek gruźlicy)
• błonica - Corynebacterium diphtheriae (maczugowiec błonicy)
• wrzody żołądka i dwunastnicy - Helicobacter pylori
• tężec - Clostridium tetani ( laseczka tężca) - choroba przyranna
• zapalenie opon mózgowych - Neisseria meningitidis (dwoinka zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych)
• zapalenie płuc - Streptococcus pneumoniae
• angina - (paciorkowce grupy A)
• zatrucie pokarmowe:
• słabe - Staphylococcus aureus (gronkowiec złocisty)
• ostre - Salmonella (pałeczki) - niektóre szczepy mogą powodować tez dur brzuszny
• trąd - Mycobacterium leprae
• gorączka plamista Gór Skalistych - Rickettsia rickettssi
Bakterie wytwarzają także liczne toksyny w podłożu w którym żyją, np. jad kiełbasiany produkowany przez Clostridium botulinum i są także przyczyną zachodzenia procesów gnilnych pogarszających jakość żywności, szczególnie owoców i warzyw.
Organizmy prokariotyczne odkryte w 1977 roku, które tworzą odrębną linie od bakterii właściwych, a w swojej budowie komórkowej mają nawet więcej cech wspólnych z Eucaryota niż Eubacteria jak np. brak peptydoglikanu w ścianie komórkowej, brak wrażliwości na streptomycynę i chloramfenikol oraz posiadanie metioniny jako pierwszego aminokwasu w syntezie białka (u Eubacteria jest to formylometionina) czy białek histonowych (tworzą struktury podobne do nukleosomów).
Archeony w większości są ekstremofilami tzn. żyją w skrajnych warunkach środowiskowych. I tak:
• halofile żyją w silnie zasolonych (do 60%) zbiornikach wodnych takich jak Morze Martwe,
• acydofile - środowisko kwaśne o pH = 1 (pH = 7 - śmierć bakterii),
• alkalifile - środowisko silnie zasadowe,
• termofile - temperatury wysokie do 75°C,
• psychrofile - temperatury niskie (optimum - 4°C),
• hipertermofile - żyją w gorących źródłach gdzie temperatura przekracza 100°C).
Archaebacteria za względu na swe wyjątkowe właściwości wykorzystywane są do produkcji enzymów dodawanych do proszków do prania lub wykorzystywanych w biologii molekularnej (np. do reakcji PCR).
Riketsje - grupa organizmów większych od wirusów ale zdecydowanie mniejszych od bakterii o rozmiarach od 300 do 2000 nm. Są to bezwzględne pasożyt, które podobnie jak wirusy rozmnażają się tylko w komórkach żywiciela. W genomie zawierają DNA i RNA, otoczone są ścianą komórkową, która nadaje im kształt pałeczkowaty. Większość riketsji pasożytuje na stawonogach takich jak wszy, kleszcze pchły czy roztocza. Do głównych chorób człowieka jakie wywołują należy dur plamisty i gorączka plamista Gór Skalistych, na którą zmarł ich odkrywca Howard Ricketts (1910 rok).
Chlamydie różnią się od riketsji kształtem kulistym. Są także gramujemnymi bakteriami pasożytującymi. Zakażają prawie wszystkie gatunki ptaków i ssaków, a także ok. 20% ludzi. Powodują głównie choroby przenoszone drogą płciową oraz jaglicę (przyczyna ślepoty) W odróżnieniu od riketsji nie przenoszą się za pośrednictwem stawonogów.
Sinice przez długi czas w systematyce były zaliczane do glonów, gdyż maja wiele cech wspólnych z nimi. Zamieszkują one tereny wilgotne i bagniste, stawy, jeziora, a także korę drzew, martwe pnie i inne szczątki roślinne. Niektóre gatunki można spotkać w gorących źródłach i gejzerach.
Większość z nich tworzy kolonie kuliste bądź nitkowate, w których często zachodzi specjalizacja. Za pomocą pewnych połączeń (plazmodesmy) komórki przekazują sobie nawzajem różne substancje i dlatego niektóre z nich mogą pełnić inne funkcje niż fotosynteza jak np. wiązanie azotu atmosferycznego przez grubościenne komórki zwane heterocystami.
Sinice zawierają chlorofil a oraz inne maskujące barwniki: niebieski fikocyjan, czerwoną fikoerytrynę i żółty karoten. Substancje te nadają sinicom specyficzną niebieskozieloną (siną) barwę. Barwniki te zawarte są w tylakoidach - strukturach błony komórkowej. Produktem fotosyntezy jest tzw. skrobia sinicowa.
Razem z grzybami sinice tworzą często symbiotyczne związki - niektóre rodzaje porostów. Szybkie namnażanie się sinic w zbiornikach wodnych może doprowadzić do zatruwania środowiska i tworzenia się zielono-niebieskich "zakwitów", które są niebezpieczne i toksyczne dla innych organizmów.
Rainhardt