Merkmale der Bakterien: Aufbau, Physiologie, Vermehrung, Einteilung
Bakterien (Singular: Bakterium, veraltet auch als Bakterie oder Bazille bezeichnet) stellen neben Archaeen und Eukaryoten (Lebewesen, deren Zellen einen echten Zellkern besitzen) eine Domäne der zellulären Lebewesen dar. Die typische Länge eines Bakteriums beträgt zwischen 0,5 und 5 µm, während die Dicke im Durchschnitt bei 0,5 µm liegt.
Die beiden Domänen von Bakterien und Archaeen werden als Prokaryoten zusammengefasst. Ihnen ist gemein, dass sie keinen echten Zellkern besitzen. Somit stellen sie das Gegenstück zu den Eukaryoten dar, die einen Zellkern besitzen. Statt einem Zellkern besitzen Prokaryoten einen sog. Nucleoid. Dies ist ein Bereich im Cytoplasma, in dem die DNA zusammengedrängt vorliegt.
Inhalt
Äußere Merkmale
Die äußere Gestalt von Bakterien ist äußerst unterschiedlich. Sie können kugelförmig, zylinderförmig, wendelförmig, gestielt oder auch in mehrzelligen Zellverbänden vorliegen. Die kugelförmige Gestalt weisen sogenannte Kokken auf. Beispiele für Kokken sind die Gattungen Staphylococcus oder Streptococcus. Die zylinderförmige Gestalt weisen sogenannte Stäbchen, wie z.B. Escherichia coli oder Arten der Gattung Bacillus.
Unterschiedliches Aussehen von Bakterien
Spirillen und Spirochäten gleichen einer Wendeltreppe oder der DNA-Helix, aufgrund ihrer wendelförmigen Erscheinungsweise. Die Streptomyceten bilden mehrzellige Zellverbände aus, die einem Pilzmyzel ähneln. Die eingangs erwähnte Gattung Streptococcus bildet darüber hinaus die für viele Bakterien typischen Aggregatsformen. Diese werden bei Streptococcus in Form einer Perlenkette gebildet. Auch Ketten aus Stäbchen existieren, z.B. bei Streptobacillus.
Die in der Definition genannten Größenwerte von Bakterien sind lediglich Durchschnittswerte. Der Durchmesser von Bakterien ist Gattungsspezifisch und kann zwischen 0,1 und 700 µm betragen, wobei die meisten Bakterien einen Durchmesser zwischen 0,5 und 1 µm haben. Auch die Länge variiert sehr stark von 0,5 µm bis 700 µm. Viele Bakterien können nicht mit bloßem Auge, sondern nur unter einem Lichtmikroskop betrachtet werden. Dennoch gibt es Ausnahmen, wie z.B. das Riesenbakterium Thiomargarita magnifica, das ca. 2 cm lang werden kann. Die kleinsten Bakterien sind Mycoplasmen, deren Durchmesser bei ca. 0,3 µm liegt.
Die vier Formen von Bakterien sind: kugelförmig (spherical), stabförmig (rod-shaped), spriralfömig (unten links) und andersförmig (unten rechts)
Strukturelle Merkmale
Alle Bakterien sind von einer Zellmembran umgeben. Viele besitzen darüber hinaus eine Zellwand, wobei Mycoplasmen keine solche Zellwand besitzen. Innerhalb der Zellmembran befindet sich das Cytoplasma, in dem das Erbgut und die Ribosomen befindlich sind. Neben dem Nucleoid befinden sich in vielen Bakterien weitere DNA-Stücke, die ringförmig vorliegen und als Plasmid bezeichnet werden.
Grundlegende Anatomie einer Bakterienzelle mit: Pilus (Zellfortsatz), Kapsel (capsule), Zellwand (cell wall), Zellmembran (plasma membran), Plamide, Geißel (flagelli), Ribosomen, einer freiliegenden DNA, Cytoplasma
Diese Plasmide können unabhängig vom Nucleoid vervielfältigt werden und enthalten oftmals Resistenzgene, die während der Konjugation (sexuelle Fortpflanzung) an die folgenden Tochterzellen weitergegeben werden können. Das Genom ist in vielen Fällen deutlich länger als die Bakterienzelle, wodurch es kontrolliert gefaltet werden muss, um in die Bakterienzelle hineinzupassen.
Enzymatisch gibt es bei Bakterien auch eine Besonderheit. Die RNA-Polymerase besteht bei Bakterien nur aus fünf Untereinheiten, während sie z.B. bei Archaeen aus 11-12 Untereinheiten besteht und Eukaryoten sogar mehrere RNA-Polymerasen besitzen, die aus maximal 12 Untereinheiten bestehen. Dieses Enzym ist insbesondere bei der Proteinsynthese von Nöten.
Die Lebensweise von Bakterien
Bakterien leben an unterschiedlichsten Standorten. Einige Arten benötigen Sauerstoff, um zu überleben, während Sauerstoff für andere Arten giftig ist. Erstere werden als aerobe Bakterien bezeichnet, während zweitere „obligat anaerobe Bakterien“ genannt werden.
Als Mischform dieser beiden Lebensweisen gibt es die fakultativ anaeroben Bakterien, die zwar gewissen Sauerstoffkonzentrationen gegenüber tolerant sind, bei einer zu hohen Konzentration jedoch absterben. Darüber hinaus existieren einige Bakterienarten, die Photosynthese betreiben können. Diese werden als photoautotroph bezeichnet. Viele Bakterien sind auch chemoautotroph, was bedeutet, dass sie ihre lebensnotwendige Energie aus dem Abbau von anorganischem Material beziehen.
Viele Bakterien weisen Toleranzen gegenüber den widrigsten Umweltbedingungen auf. Eine Möglichkeit, dies zu vollführen, ist das Ausbilden von Sporen. Sporen werden z.B. von der Gattung Bacillus gebildet. Diese Sporen weisen keinerlei Stoffwechselaktivitäten auf und können mehrere Jahre überdauern, bis die Lebensbedingungen günstig geworden sind und sie mit dem Auskeimen zu einer neuen Bakterienzelle beginnen. Ebenso wie das Ausbilden von Sporen ist die Anpassung an allgemein extreme Lebensräume.
Diese Anpassung weisen sogenannte extremophile Bakterien auf, die den widrigsten Umweltbedingungen trotzen. So können sie beispielsweise extrem hohen Salzkonzentrationen trotzen, bei äußerst hohen Temperaturen existieren können oder resistent gegenüber extremen pH-Werten sind.
Die Vermehrung von Bakterien
Die allgemeine Form der Bakterienvermehrung ist die asexuelle Zellteilung. Ähnlich wie bei eukaryotischen Zellen wird die DNA verdoppelt, es bildet sich jedoch ein Septum in der Mitte der Zelle, die Zelle wird eingeschnürt und geteilt. Hierbei entstehen immer genetisch identische Tochterzellen, sogenannte Klone.
Bei der Transformation wird freie Bakterien-DNA in eine kompetente Bakterienzelle übertragen
Da sich Bakterien jedoch weiterentwickeln müssen und es im Laufe der Evolution auch bereits getan haben, existiert eine Möglichkeit des Austauschs von genetischem Material. Dieser Prozess wird als Konjugation bezeichnet. Hierbei können zwei Bakterienzellen über sogenannte Sexpili DNA miteinander austauschen.
Vermehrung durch Konjugation
Die Sexpili sind Plasmabrücken, über die entweder das ganze Bakterienchromosom oder einzelne Plasmide transferiert werden. Die Konjugation wird vor allem von gramnegativen Bakterien durchgeführt. Grampositive Bakterien verwenden zum genetischen Austausch den Mechanismus der Transduktion. Während der Transduktion sorgen Bakteriophagen (Viren, die nur Bakterien befallen) dafür, dass genetisches Material eines Bakteriums auf ein anderes Bakterium übertragen wird.
Unterschied zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien
Grundlegend unterscheiden sich gramnegative und grampositive Bakterien durch den Aufbau ihrer Zellwand. Grampositive Bakterien erscheinen nach der Gramfärbung blau, da die dicke Mureinschicht ihrer Zellwand den für die Gramfärbung nötigen Farbstoff (Kristallviolett) zurückhält.
Gramnegative Bakterien haben eine deutlich dünnere Zellwand, wodurch das Kristallviolett im Waschschritt der Gramfärbung ausgewaschen wird und mit Safranin gegengefärbt wird. Somit erscheinen gramnegative Bakterien rosa.
Die Fortbewegung von Bakterien
Ähnlich wie eukaryotische Einzeller können sich auch Bakterien fortbewegen. Viele Bakterien sind begeißelt. Diese Geißeln funktionieren ähnlich wie Propeller, indem sie durch das jeweilige Medium rotieren und so einen Vortrieb generieren. Bei eukaryotischen Zellen bewegen sich die Geißeln ähnlich wie eine Walflosse nur auf- und abwärts.
Die Endosymbiontentheorie
Das Vorkommen von gewissen Organellen in eukaryotischen Zellen wird heutzutage mit der Endosymbiontentheorie begründet. Dieser Theorie liegt die Annahme zugrunde, dass Chloroplasten und Mitochondrien ursprünglich eigenständige Bakterien waren, die von einer anderen Zelle aufgenommen wurden, ohne diese zu verdauen. Diese Theorie wurde bereits bestätigt und kann somit als bewiesen angesehen werden.
Die Bedeutung der Bakterien für den Menschen
Das menschliche Leben ist ohne das Leben von Bakterien nicht vorstellbar. Mensch und Bakterium leben in Koexistenz. Der Mensch besteht beispielsweise aus 10 Billionen Zellen, auf und in ihm leben jedoch etwa 100 Billionen Bakterien. Die Verdauung von gewissen Nahrungsmitteln wäre ohne die Hilfe von bakteriellen Enzymen gar nicht möglich.
Jedoch können verschiedene Bakterien auch Krankheiten hervorrufen, die dann mit Antibiotika (Singular: Antibiotikum) behandelt werden sollten. Da jedoch aufgrund teils unnötiger und viel zu häufig stattfindender Antibiotikagabe sehr viele Bakterienstämme resistent gegenüber verschiedenen Antibiotika geworden sind, stellt das ein ernst zu nehmendes Problem dar.
Bei der Biotechnologie macht man sich viele Eigenschaften von Bakterien zu Nutze. Gerade die leicht durchzuführende genetische Manipulation einiger Bakterien wie z.B. Escherichia coli ist ein bedeutender Vorteil bei der Synthese verschiedener Stoffe. Verpflanzt man beispielsweise das Gen, das für die Insulinproduktion zuständig ist, in eine Zelle von E.coli, so kann im Laufe der Zellteilung dieses Gen an die nachfolgenden Tochterzellen weitergegeben werden und in einem Bioreaktor Insulin in riesigen Mengen produziert werden. Das gleiche Prinzip wird auch bei der Produktion von Essigsäure oder Bioethanol angewandt.
Bakterien haben auch eine immense ökologische Bedeutung. Hierbei wirken viele Bakterien als Destruenten und sorgen dafür, dass Nährstoffe verrottender Pflanzen dem Ökosystem erneut zugeführt werden. Weiterhin bilden viele Bakterien, insbesondere die Cyanobakterien (photoautotrophe Bakterien) die Grundlage der Nahrungskette.
Einteilung
Im Gegensatz zu den eukaryotischen Lebewesen, insbesondere den Tieren, ist eine phylogenetische Einteilung anhand morphologischer Merkmale bei Bakterien schwer möglich. Diese wird häufig anhand verschiedener molekularer Marker festgemacht. Diese Marker sind Moleküle, die sich in ihrem Aufbau unterscheiden, je weiter die Entfernung der Verwandtschaft zwischen zwei Arten reicht. So ergeben sich verschiedene Klassen, denen verschiedene Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten innewohnen.
Verfolgt man diese Stammbäume bis zu dem ältesten gemeinsamen Vorfahren aller Bakterien, so muss es sich bei diesem Bakterium um ein anaerobes Bakterium gehandelt haben, da zu dieser Zeit kein Sauerstoff in der Erdatmosphäre vorhanden war. Sauerstoff wurde vor ca. 2,4 Milliarden Jahren durch die ersten Cyanobakterien gebildet, was ein Massenaussterben zur Folge hatte, da für alle strikt anaeroben Bakterien Sauerstoff eine giftige Wirkung aufweist.
Über den Autor
