Biologia 5: luku 2 Mikroskooppisen pienet eliöt ovat mikrobeja

Mikrobeihin kuuluvat kaikki bakteerit ja arkit, alkueliöiden kunnasta alkueläimet ja yksisoluiset levät sekä sienten kunnasta hiiva- ja homesienet. Lisäksi mikrobeihin luokitellaan virukset, vaikka niitä ei pidetäkään itsenäisinä eliöinä, koska niillä ei ole solurakennetta eikä aineenvaihduntaa. Ne eivät myöskään pysty lisääntymään itsenäisesti.

Esitumallisilta eliöiltä puuttuvat tumakotelo ja monet soluelimet. Bakteerit ja arkit luokitellaan esitumallisiin eliöihin. Tumallisiin eliöihin luokitellaan kasvit, sienet, eläimet ja alkueliöt eli protoktistit.

Esitumallisten ja tumallisten solujen erot

-         esitumalliset solut ovat erittäin pieniä, pienempiä kuin tumalliset solut

-          

-         bakteerien soluseinä on mureiinia. Soluseinä on kasvisoluilla selluloosaa ja sienisoluilla kitiiniä, eläinsoluilta se puuttuu

-          

-         esitumallisilla soluilla ei ole tumaa, vaan niillä on rengasmainen kromosomi sytoplasmassa sekä lisäksi DNA:ta plasmideissa. Tumallisilla soluilla on tumakotelon ympäröimä tuma, jonka sisällä ovat kromosomit. Lisäksi DNA:ta on mitokondrioissa ja viherhiukkasissa

-         esitumallisilla soluilla on vain vähän soluelimiä ja tumallisilla paljon

-          

-         bakteerit ja arkit ovat esitumallisia. Tumallisia ovat alkueliöt, sienet, kasvit ja eläimet

Arkit menestyvät myös äärioloissa

Arkit jaetaan halofiileihin, metanogeeneihin ja termofiileihin. Arkkeja löytyy esim syvänmeren pohjasta, + 300-asteisesta vedestä sekä suolajärvistä. Arkeissa on sekä oma- että toisenvaraisia lajeja. Omavaraiset lajit yhteyttävät kemosynteesin avulla eli ne hapettavat epäorgaanisia aineita. Kemosynteettisiin bakteereihin kuuluvat rikki-, typpi- ja rautabakteerit. Fotosynteesin avulla sokeria valmistavia bakteereja ovat syanobakteerit.

Halofiilit voivat elää niin suolaisessa vedessä, jossa muut eliöt kuivuisivat. Metanogeenit ovat metaania muodostavia arkkeja. Niitä esiintyy mm. nautojen ruuansulatuselimistössä, kaatopaikoilla ja soilla. Ne pystyvät elämään ainoastaan anaerobisissa oloissa. Termofiilit sietävät hyvin korkeita lämpötiloja.

Bakteerit ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin tumalliset eliöt

Bakteereilla on vain yksi kromosomi. Lisäksi bakteereilla voi olla erillisiä pieniä DNA-renkaita eli plasmideja. Bakteereilta puuttuvat solulimakalvosto ja kalvolliset soluelimet kuten mitokondriot ja viherhiukkaset. Bakteerien soluhengitysreaktiot tapahtuvat solukalvosta poimuttuneessa soluhengityskalvostossa ja fotosynteesireaktiot solukalvosta poimuttuneessa yhteyttämiskalvostossa. Bakteereilla on solukalvon ulkopuolella mureiinista koostuva soluseinä. Joiltakin bakteereilta, kuten mykoplasmoilta, soluseinä kuitenkin puuttuu. Lisäksi joillakin bakteereilla voi olla soluseinän ulkopuolella limamainen kapseli, joka suojaa bakteeria ja jonka avulla se pystyy kiinnittymään kohteeseensa.

Pyöreät bakteerit ovat kokkeja, sauvamaiset basilleja, käyrät sauvamaiset bakteerit vibrioita ja kiereiset spirokeettoja. Diplokokit ovat pareittain kasvavia kokkeja ja ketjuina kasvavat streptokokkeja. Rykelminä esiintyvät kokit ovat stafylokokkeja.

Bakteerin rakenne Kuva Googlen kuvahaku.

Bakteerit jaetaan soluseinän rakenteen perusteella gram-positiivisiin ja gram-negatiivisiin bakteereihin. Gram-positiivisten bakteerien solulima värjäytyy gram-värjäysmenetelmällä tummanvioletiksi, koska niillä ei ole soluseinässä väriaineen sisällepääsyn estävää ulkokalvoa. Gram-negatiivisilla bakteereilla on soluseinässä ulkokalvo, joka estää väriaineen pääsyn bakteerien sisälle. Bakteerit jäävät vaaleanpunaisiksi.

                                                                                                                                    

Bakteerit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla

Suvuttomalle lisääntymiselle on ominaista perinnöllisen muuntelun vähäisyys. Siinä vain geenimutaatiot tuottavat uutta materiaalia luonnonvalinnalle. Ennen jakautumista bakteerin perintöaines eli sekä kromosomin että mahdollisten plasmidien DNA kahdentuu. Bakteereissa syntyy uusia ominaisuusyhdistelmiä eli tapahtuu rekombinaatiota, mikä lisää bakteerien perinnöllistä muuntelua ja siten sopeutumista muuttuviin ympäristöolosuhteisiin.  Bakteerien perinnöllinen muuntelu ilmenee esim siten, että niillä on suuri joukko antibiooteille vastustuskyvyn antavia geenejä, jotka sijaitsevat useimmiten plasmideissa.

Geenimutaatiot ovat bakteereilla tärkein perinnöllistä muuntelua aiheuttava tekijä. Koska bakteereilla on vain yksi kromosomi, niillä on jokaista geeniä vain yksi kappale. Alleeleilta puuttuvat siis vastinalleelit, minkä vuoksi kaikki geenimutaatiot ilmenevät heti. Geenimutaatio voi tapahtua myös plasmidin geenissä.

Bakteereissa tapahtuu rekombinaatiota kolmella eri tavalla: ne voivat saada geenejä transformaatiolla, konjugaatiolla ja transduktiolla. Transformaatiossa elävät bakteerit voivat ottaa sisäänsä kuolleista bakteereista vapautuneita kokonaisia plasmideja tai kromosomin osia, jotka ne liittävät osaksi omaa perimäänsä. Tätä hyödynnetään bioteknologiassa.

Konjugaatiossa kaksi bakteeria voi kiinnittyä toisiinsa hetkeksi ja siirtää perintöainesta niiden välillä olevan ulokkeen, piluksen, kautta. Toinen bakteeri toimii perintöaineksen luovuttajana ja toinen vastaanottajana. Transduktiossa bakteriofagi eli bakteerissa lisääntyvä virus lisääntyy bakteerissa ja joidenkin bakteriofagien sisään voi joutua hajoavan bakteerin perintöainesta. Kun tällainen bakteriofagi infektoi seuraavan bakteerin, edellisestä bakteerista tullut kromosomin osa liittyy osaksi seuraavan bakteerin kromosomia.

Anaerobisille bakteereille happi on myrkkyä, ja ne kuolevat joutuessaan tekemisiin hapen kanssa. Jos olot ovat epäedulliset, voivat eräät bakteerit muuttua lepoitiöiksi, jolloin niiden aineenvaihdunta on erittäin vähäistä. Lepoitiöt voivat elää jopa 200 miljoonaa vuotta.

Bakteriofagit ovat bakteereissa lisääntyviä viruksia. Bioteknologiassa bakteereista on paljon hyötyä. Esim ihmisen insuliinia valmistetaan bakteereissa.

Bakteereista on muille eliöille hyötyä ja haittaa

Toisenvaraiset bakteerit voivat toimia hajottajina ekosyteemeissä, elää mutualistisissa eli molempia osapuolia hyödyttävissä suhteissa muiden eliöiden kanssa tai olla patogeenisiä eli taudinaiheuttajia. Esimerkkinä mutualistisesta suhteesta ovat ihmisen paksusuolessa elävät bakteerit, jotka tuottavat ihmisen käyttöön K- ja B12-vitamiineja. B12-vitamiinia tarvitaan uusien punasolujen muodostumisessaja K-vitamiinia veren hyytymisessä. Lisäksi ihmisen suolistobakteerit estävät haitallisten bakteerien kiinnittymisen suoliston seinämään ja edistävät ravintoaineiden imeytymistä.

Suuri osa alkueläimistä on tauteja aiheuttavia loisia

Alkueläimet ovat yksisoluisia tumallisia, liikkumiskykyisiä eliöitä, joiden soluissa ei ole soluseinää eikä viherhiukkasia, ja ne ovat toisenvaraisia. Ne elävät kosteissa ympäristöissä. Alkueläimet lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia tai monistumalla isäntäeläimessään. Epäedullisissa olosuhteissa ne voivat muuttua lepovaiheiksi ja säilyä siten hengissä.

Malaria on yksi eniten kuolonuhreja vaativista eläintaudeista. Malarian aiheuttaa alkueläimiin kuuluva malarialoisio, joka lisääntyy ihmisen erytrosyyteissä. Hyttyset toimivat malarialoision väli-isäntänä ja taudin levittäjänä.

Kun naarashyttynen ihmee ihmisen verta, se siirtää samalla elimistössään olevia malarialoisioita ihmisen verenkiertoon. Loisiot asettuvat maksaan, josta ne siirtyvät erytrosyytteihin. Malarialoisiot lisääntyvät erytrosyyteissä monistumalla. Tartunnan saaneet erytrosyytit hajoavat ja malarialoisiot siirtyvät vereen tartuttamaan uusia erytrosyyttejä. Tässä vaiheessa malarialoisioiden myrkylliset aineenvaihduntatuotteet aiheuttavat korkean kuumeen.

Yksisoluiset levät ovat tärkeitä tuottajia

Yhteyttäessään levät sitovat samalla ilmakehän hiilidioksidia ja toimivat siten hiilinieluina. Levien hyödyntämistä bioenergian tuotannossa tutkitaan innokkaasti, koska levät tuottavat enemmän biomassaa pinta-alayksikköä kohti kuin mitkään muut omavaraiset eliöt.

Hiiva- ja homesienet ovat toisenvaraisia

Hiiva- ja homesoluissa on solukalvon ulkopuolella kitiinistä koostuva soluseinä, eikä niillä ole viherhiukkasia. Hiivasoluissa on kromosomien lisäksi DNA:sta rakentuvia plasmidirenkaita. Suurin osa home- ja hiivasienistä on loisia tai hajottajia. Jotkin niistä ovat taudinaiheuttajia. Bioteknologiassa hyödynnetään sekä hiiva- että homesieniä. Niitä voidaan käyttää biologisina tuotantolaitoksina:  homeiden avulla tuotetaan antibiootteja ja hiivojen avulla valmistetaan esim alkoholia.

Mikrobien ja muiden eliöiden evoluutio on kiinteässä yhteydessä toisiinsa

Ilman mikrobeja ei maapallolla voisi olla nykyisenkaltaista elämää. Arkit vaikuttivat maapallon ilmakehän syntyyn, koska osa niistä tuotti muinaiseen kaasukehään metaania. Syanobakteerit olivat ensimmäisiä fotosynteesiin kykeneviä eliöitä. Niiden toiminnan tuloksena kaasukehään vapautunut happi reagoi metaanin kanssa, jolloin syntyi hiilidioksidia ja vettä. Hapen määrän lisääntyminen hävitti muutkin elämälle myrkylliset kaasut kaasukehästä. Yläilmakehään syntyi otsonikerros, joka muodosti suojan haitallista UV-säteilyä vastaan.

Ihmisen eläminen läheisessä yhteydessä kotieläinten kanssa lisäsi mikrobien siirtymistä eläimistä ihmisiin. Eläimistä ihmiseen siirtyviä tauteja kutsutaan zoonooseiksi. Esim punkkien levittämä borrelioosi ja erään alkueläimen levittämä unitauti. Ihmiskuntaa muokanneita mikrobien aiheuttamia tauteja ovat olleet mm. rutto, lepra ja malaria.