Come funzionano i batteri

Dall'ossigeno che inaliamo ai nutrienti che il nostro stomaco estrae dal cibo, dobbiamo ringraziare i batteri per prosperare su questo pianeta. Nei nostri corpi, i microrganismi, inclusi i batteri, superano di 10 a 1 le nostre cellule umane, rendendoci più microbi dell'uomo [fonte: Savage ].

Solo di recente abbiamo iniziato a comprendere appieno questi organismi microscopici e il loro impatto sul nostro pianeta e sulla salute, ma la storia suggerisce che i nostri antenati secoli fa sfruttassero il potere dei batteri per fermentare cibi e bevande ( birra e pane, chiunque?).

Non è stato fino al 17° secolo che abbiamo iniziato a osservare i batteri da vicino e personalmente in un luogo altrettanto vicino e personale: la bocca umana. Il sempre curioso Anton van Leeuwenhoek ha scoperto i batteri mentre esaminava un campione della placca tra i suoi stessi denti. Diventa poetico nei suoi scritti, descrivendo la colonia batterica sui suoi bianchi perlati come "un po' di sostanza bianca, che è densa come se fosse una pastella" [fonte: Dobell ]. Dopo aver posizionato il campione sotto un microscopio composto, van Leeuwenhoek ha visto che i microbi si stavano muovendo. È vivo!

In effetti, i batteri hanno cambiato il gioco per la Terra, giocando un ruolo chiave nella creazione di aria respirabile e nel pianeta biologicamente ricco che chiamiamo casa.

In questo articolo, ti forniremo il quadro generale di questi microrganismi minuscoli ma influenti. Vedremo il buono, il cattivo e il modo del tutto bizzarro in cui i batteri hanno plasmato la storia umana e il nostro ambiente. Per iniziare, ti forniremo informazioni su ciò che rende i batteri diversi dagli altri tipi di vita.

1. Nozioni di base sui batteri
2. Pasti microbici (e miasma)
3. Una grande famiglia
4. Riproduzione batterica
5. Non c'è nessuna montagna alta, non c'è nessuna valle bassa
6. Il cattivo (per noi)
7. I batteri come eroi

Se un singolo batterio non è visibile ad occhio nudo, come possiamo sapere così tanto al riguardo?

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 un'idea del loro funzionamento interno e di come si confrontano con altre forme di vita come piante, animali , virus e funghi.

Come forse già saprai, le cellule fungono da elementi costitutivi della vita, sia che compongano i nostri stessi tessuti o un ramo di un albero fuori dalla tua finestra. Gli esseri umani, gli animali e le piante hanno cellule con informazioni genetiche contenute in un tipo di membrana chiamata nucleo . Questi tipi di cellule, chiamate cellule eucariotiche , hanno organelli specializzati, ciascuno con un compito unico per mantenere la cellula funzionante e sana.

I batteri, tuttavia, mancano di un nucleo e il loro materiale genetico, o DNA , galleggia 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 cellule procariotiche .

Categorie di base a parte, gli scienziati collocano anche i batteri in diversi campi in base a:

La microbiologia, lo studio di tutti i diversi tipi di microbi inclusi batteri, archei, funghi, 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 ai batteri, ma dopo che i ricercatori ne hanno appreso di più, hanno assegnato ai microbi negli archaea una propria categoria per le loro somiglianze con le cellule eucariotiche.

Come gli esseri umani, le piante e gli animali, i batteri hanno bisogno di cibo per sopravvivere.

Alcuni batteri sono autotrofi , nel senso che usano input di base come luce solare, acqua e sostanze chimiche dall'ambiente per creare cibo (pensa ai cianobatteri, che hanno trasformato la luce solare in ossigeno per circa 2,5 milioni di anni) [fonte: Konhauser et al. ]. Altri batteri sono quelli che i ricercatori chiamano eterotrofi perché traggono energia dalla materia organica esistente per il cibo (pensa alle foglie morte sul suolo della foresta).

La verità è che ciò che potrebbe essere appetitoso per i batteri è probabilmente ripugnante per noi. Si sono evoluti per prosperare su ogni genere 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 avvantaggiare la società. Ad esempio, gli esperti d'arte in Italia si sono rivolti ai batteri per inghiottire gli strati in eccesso di sale e colla che minacciavano 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 straordinario ruolo di riciclatori della superficie terrestre, sia nel suolo che nell'acqua.

Quotidianamente, potresti avere fin troppo familiarità con gli effetti che inducono gli odori dei batteri affamati da quell'odore strano nel tuo cestino mentre raccolgono i tuoi avanzi, li scompongono e rilasciano i loro stessi sottoprodotti gassosi. Non si ferma qui, però. Hai anche i batteri da incolpare per quei momenti che richiamano la natura (sì, flatulenza), quando i batteri nell'intestino rilasciano metano maleodorante durante la digestione.

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 per sopravvivere su una varietà di superfici, dalle rocce in un ruscello ai molari in bocca.

I biofilm hanno i loro vantaggi e problemi. Da un lato, stanno beneficiando a vicenda 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 proprietà immobiliari privilegiate per i batteri. Una volta colonizzati, 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 anche i batteri non hanno paura di volare da soli. In effetti, 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 endospora , mettendo la cellula in uno stato dormiente che preserva il materiale genetico dei batteri [fonte: Cornell University Department of Microbiology ].

Uno scienziato ha persino trovato 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 ; Vreland et al. ]. Tutto ciò 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.

In che modo i batteri creano colonie in primo luogo?

I 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 la 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 marroni 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 origine a mutazioni , o cambiamenti casuali nel DNA, che creano diversità. Maggiore è la diversità genetica da cui attingere, più è probabile che un organismo possa adattarsi ai vincoli di un ambiente.

Per i batteri, la riproduzione non è questione di incontrare il microbo giusto e stabilirsi; 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 suo DNA e spostato il materiale genetico alle 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 utilizzano trucchi per portare a termine il lavoro, con il risultato finale che è il trasferimento genico orizzontale o lo scambio di materiale genetico senza riprodursi. Ci sono alcuni modi in cui i batteri possono farlo. Un metodo prevede la raccolta di materiale genetico dall'ambiente esterno alla cellula, facendo affidamento su altri microbi e batteri (attraverso molecole chiamate plasmidi). Un altro deriva dai virus che usano i batteri come ospiti. Dopo aver infettato nuovi batteri, i virus lasciano accidentalmente il materiale genetico dei batteri precedenti nel nuovo [fonte: Marraffini ].

Lo scambio di materiale genetico offre ai batteri la flessibilità di adattarsi, e alcuni lo fanno, una volta che avvertono cambiamenti stressanti nell'ambiente come carenza di cibo 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 domanda non è: "Dove sono i batteri?" ma piuttosto, "Dove non ci 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 octillion di microbi come batteri e archaea: è 10 alla 28a potenza! [fonte: Whitman et al.]

Rimane difficile anche fissare un numero su quante specie, o tipi classificabili, di batteri ci siano. Una stima indica circa 30.000 specie formalmente identificate, ma gli scienziati stanno costantemente imparando e aggiungendo 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, molto tempo. In effetti, hanno dato origine ad alcuni dei primi fossili conosciuti , risalenti a 3,5 miliardi di anni [fonte: University of California Museum of Paleontology ]. 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, il che ha dato origine all'atmosfera terrestre e ossigeno abbondante per farci respirare [fonte: Konhauser et al. ].

I batteri possono sopravvivere in aria, acqua, suolo, ghiaccio e calore 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 privi 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 a prese d'aria riscaldate sottomarine e nel ghiaccio.

Ma il divertimento va oltre i ricercatori nel campo. I turisti sono affascinati dalla più bella bellezza naturale dei batteri in luoghi come la Opalescent Pool nel Parco Nazionale di Yellowstone, che presenta batteri termofili (amante 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 nel formare 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 avrebbero Terra, fornendo ai ricercatori informazioni su come migliorare i risultati sulla salute degli astronauti nello spazio, oltre che delle persone sulla Terra.

Sebbene i batteri contribuiscano in modo determinante alla salute degli esseri umani e del pianeta, hanno anche un lato oscuro. Alcuni batteri hanno il potenziale per essere patogeni , il che significa che possono causare malattie e malattie.

Nel corso della storia umana, alcuni batteri hanno (comprensibilmente) avuto un brutto colpo, causando ansia e isteria pubblica. Prendi la peste , per esempio. Il batterio che causa la peste, Yersinia pestis , non solo ha ucciso più di 100 milioni di persone, ma si suggerisce anche di aver plasmato la storia, contribuendo persino al crollo dell'Impero Romano [fonte: Centers for Disease Control and Prevention ]. Prima dell'avvento degli antibiotici o dei farmaci in grado di trattare le infezioni batteriche, le infezioni erano difficili da fermare.

Ancora oggi questi batteri patogeni pesano molto sulle nostre menti. I batteri che causano una serie di malattie - da antrace , polmonite, meningite, colera, salmonella e mal di gola a E. coli e infezioni da stafilococco - possono sfidare i nostri trattamenti grazie alla resistenza agli antibiotici .

Ciò è particolarmente vero per lo 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 esserne esposti durante gli impianti medici e l'inserimento del catetere.

In una sezione precedente, abbiamo parlato della selezione naturale e di come alcuni batteri hanno geni più diversificati per aiutare a gestire ciò che il loro ambiente getta loro addosso. Se hai un'infezione e alcuni 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 lo spazio per riprodursi e prendere piede. Questo è il motivo per cui i medici raccomandano di stare lontano dagli antibiotici a meno che non ne abbiano davvero bisogno.

Le armi biologiche sono un altro aspetto spaventoso di questa conversazione. I batteri possono essere usati come armi in alcuni casi, incluso essere schierati in spaventapasseri dell'antrace e incorporati in spray aerosol.

E non sono solo gli esseri umani a subire un colpo dai batteri. In effetti, anche i batteri hanno appetito per il transatlantico affondato Titanic [fonte: Kaufman ]. La specie, denominata Halomonas titanicae , divora il metallo della nave storica.

Abbiamo imparato come i batteri possono essere dannosi. Nella prossima sezione, vedremo come possono aiutarci.

Batteri e salute dentale

Ecco, la sostanza viscida che chiamiamo placca sui nostri denti è in realtà da batteri. Se dato libero sfogo, questi batteri possono corrodere lo smalto dei nostri denti, causandoci alla fine la carie. Gli archeologi hanno raccolto conoscenze dal passato studiando crani e denti umani per saperne di più sulla dieta umana e sulla suscettibilità alle malattie in vari momenti [fonte: Watson ].

Prendiamoci un momento per esaminare il lato buono dei batteri. Dopotutto, questi sono i microbi che ci portano cibi gustosi come formaggio, birra, lievito naturale e altri prodotti fermentati. Sono anche gli eroi sconosciuti dietro la medicina e il progresso della salute umana.

Abbiamo anche batteri da ringraziare per aver plasmato l'evoluzione umana. La scienza sta raccogliendo più informazioni dal microbiota o dai microrganismi che risiedono nel nostro 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 al nostro corpo, 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 stanno "lavorando" per te. Quando mangi, batteri e altri microbi ti aiutano a scomporre e ad assorbire i nutrienti dagli alimenti, in particolare i 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, al metabolismo e alla suscettibilità di una persona 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 dell'approccio "calorie in, calorie fuori" [fonte: Cox ].

Anche nelle fasi iniziali, 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 curare alcune malattie gastrointestinali sembrano promettenti. Sono in corso ricerche sui probiotici, si pensa che i microbi abbiano aggiunto benefici per la salute, ma le raccomandazioni generali sul loro uso non sono state stabilite a novembre 2014.

Inoltre, i batteri hanno cambiato il 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 potrebbero rivoluzionare la medicina [fonte: Marraffini ]. I ricercatori hanno modificato i batteri per apportare benefici alla salute umana in molti modi, inclusa la produzione di insulina per il trattamento del diabete.

Abbiamo appena iniziato a capire tutto quello che possiamo imparare dai nostri amici batterici.

Nota dell'autore: come funzionano i batteri

Nonostante il loro status di microbi "senza cervello", i batteri si comportano in modi sorprendenti. Dai 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'ampia gamma di vita complessa brulica sotto i nostri nasi (e anche in loro).

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