Bakterien sind mikroskopische, einzellige Organismen, die zu Millionen in jeder Umgebung existieren, sowohl innerhalb als auch außerhalb anderer Organismen.

Einige Bakterien sind schädlich, aber die meisten dienen einem nützlichen Zweck. Sie unterstützen viele Formen des Lebens, sowohl pflanzliche als auch tierische, und sie werden in industriellen und medizinischen Prozessen verwendet.

Man nimmt an, dass Bakterien die ersten Organismen waren, die vor etwa 4 Milliarden Jahren auf der Erde auftauchten. Die ältesten bekannten Fossilien sind von bakterienähnlichen Organismen.

Bakterien können die meisten organischen und einige anorganische Verbindungen als Nahrung nutzen, und einige können extreme Bedingungen überleben.

Ein wachsendes Interesse an der Funktion des Darmmikrobioms wirft ein neues Licht auf die Rolle, die Bakterien für die menschliche Gesundheit spielen.

Was sind Bakterien?

Bakterien sind einzellige Organismen, die weder Pflanzen noch Tiere sind.

Sie sind in der Regel nur wenige Mikrometer groß und leben in Gemeinschaften von Millionen von Individuen zusammen.

Ein Gramm Erde enthält normalerweise etwa 40 Millionen Bakterienzellen. Ein Milliliter Süßwasser enthält in der Regel etwa eine Million Bakterienzellen.

Es wird geschätzt, dass die Erde mindestens 5 Billionen Bakterien enthält, und es wird angenommen, dass ein Großteil der Biomasse der Erde aus Bakterien besteht.

Arten

Es gibt viele verschiedene Arten von Bakterien. Eine Möglichkeit, sie zu klassifizieren, ist ihre Form. Es gibt drei grundlegende Formen.

  • Kugelförmig: Bakterien, die wie eine Kugel geformt sind, werden Kokken genannt, und ein einzelnes Bakterium ist ein Kokkus. Beispiele sind die Streptokokkengruppe, die für „Streptokokken“ verantwortlich ist.
  • Stäbchenförmig: Diese werden als Bazillen (Singular Bacillus) bezeichnet. Einige stäbchenförmige Bakterien sind gekrümmt. Diese sind als Vibrio bekannt. Beispiele für stäbchenförmige Bakterien sind Bacillus anthracis(B. anthracis), oder Anthrax.
  • Spirale: Diese werden als Spirillen (Singular Spirillus) bezeichnet. Wenn ihre Spirale sehr eng ist, werden sie als Spirochäten bezeichnet. Leptospirose, Lyme-Borreliose und Syphilis werden durch Bakterien dieser Form verursacht.

Innerhalb jeder Formgruppe gibt es viele Variationen.

Aufbau

Bakterielle Zellen unterscheiden sich von pflanzlichen und tierischen Zellen. Bakterien sind Prokaryoten, das heißt, sie haben keinen Zellkern.

Eine Bakterienzelle umfasst:

  • Kapsel: Eine Schicht, die sich bei einigen Bakterien an der Außenseite der Zellwand befindet.
  • Zellwand: Eine Schicht, die aus einem Polymer namens Peptidoglykan besteht. Die Zellwand gibt dem Bakterium seine Form. Sie befindet sich außerhalb der Plasmamembran. Bei einigen Bakterien, den sogenannten Gram-positiven Bakterien, ist die Zellwand dicker.
  • Plasmamembran: Sie befindet sich innerhalb der Zellwand und dient der Energiegewinnung und dem Transport von Chemikalien. Die Membran ist durchlässig, was bedeutet, dass Substanzen durch sie hindurchtreten können.
  • Zytoplasma: Eine gallertartige Substanz innerhalb der Plasmamembran, die genetisches Material und Ribosomen enthält.
  • DNA: Sie enthält alle genetischen Anweisungen, die für die Entwicklung und Funktion des Bakteriums benötigt werden. Sie befindet sich im Inneren des Zytoplasmas.
  • Ribosomen: Hier werden die Proteine hergestellt bzw. synthetisiert. Ribosomen sind komplexe Partikel, die aus RNA-reichen Granula bestehen.
  • Flagellum: Dies dient der Bewegung, um einige Arten von Bakterien anzutreiben. Es gibt einige Bakterien, die mehr als eines haben können.
  • Pili: Diese haarähnlichen Anhängsel an der Außenseite der Zelle ermöglichen es ihr, an Oberflächen zu haften und genetisches Material auf andere Zellen zu übertragen. Dies kann zur Verbreitung von Krankheiten beim Menschen beitragen.

Fütterung

Bakterien ernähren sich auf unterschiedliche Weise.

Heterotrophe Bakterien, oder Heterotrophe, erhalten ihre Energie durch den Verbrauch von organischem Kohlenstoff. Die meisten absorbieren totes organisches Material, wie z. B. sich zersetzendes Fleisch. Einige dieser parasitären Bakterien töten ihren Wirt, während andere ihm helfen.

Autotrophe Bakterien (oder einfach Autotrophe) stellen ihre eigene Nahrung her, entweder durch

  • Photosynthese, unter Verwendung von Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid, oder
  • Chemosynthese, unter Verwendung von Kohlendioxid, Wasser und Chemikalien wie Ammoniak, Stickstoff, Schwefel und anderen

Bakterien, die Photosynthese betreiben, werden Photoautotrophe genannt. Einige Arten, zum Beispiel Cyanobakterien, produzieren Sauerstoff. Diese spielten wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre. Andere, wie die Heliobakterien, produzieren keinen Sauerstoff.

Diejenigen, die die Chemosynthese nutzen, werden als Chemoautotrophe bezeichnet. Diese Bakterien sind häufig in Meeresschloten und in den Wurzeln von Hülsenfrüchten wie Alfalfa, Klee, Erbsen, Bohnen, Linsen und Erdnüssen zu finden.

Wo leben sie?

Bakterien findet man im Boden, im Wasser, in Pflanzen, in Tieren, in radioaktivem Abfall, tief in der Erdkruste, im arktischen Eis und in Gletschern sowie in heißen Quellen. Es gibt Bakterien in der Stratosphäre, zwischen 6 und 30 Meilen hoch in der Atmosphäre, und in den Tiefen der Ozeane, bis zu 32.800 Fuß oder 10.000 Meter tief.

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Aerobes, oder aerobe Bakterien, können nur dort wachsen, wo Sauerstoff vorhanden ist. Einige Arten können Probleme für die menschliche Umwelt verursachen, z. B. Korrosion, Verschmutzung, Probleme mit der Klarheit des Wassers und schlechte Gerüche.

Anaerobier, oder anaerobe Bakterien, können nur dort wachsen, wo kein Sauerstoff vorhanden ist. Beim Menschen ist dies vor allem im Magen-Darm-Trakt der Fall. Sie können auch Blähungen, Gangrän, Tetanus, Botulismus und die meisten Zahninfektionen verursachen.

Fakultative Anaerobier oder fakultativ anaerobe Bakterien können sowohl mit als auch ohne Sauerstoff leben, aber sie bevorzugen Umgebungen, in denen Sauerstoff vorhanden ist. Sie kommen meist im Boden, im Wasser, in der Vegetation und in der normalen Flora von Menschen und Tieren vor. Beispiele hierfür sind Salmonellen.

Mesophile oder mesophile Bakterien sind die Bakterien, die für die meisten menschlichen Infektionen verantwortlich sind. Sie gedeihen bei moderaten Temperaturen, etwa 37°C. Dies ist die Temperatur des menschlichen Körpers.

Beispiele sind Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli und Clostridium kluyveri.

Die menschliche Darmflora, oder das Darmmikrobiom, enthält nützliche mesophile Bakterien, wie z. B. Lactobacillus acidophilus.

Extremophile, oder extremophile Bakterien, können Bedingungen aushalten, die für die meisten Lebensformen als zu extrem gelten.

Thermophile können bei hohen Temperaturen leben, bis zu 75 bis 80°C, und Hyperthermophile können bei Temperaturen bis zu 113°C überleben.

Tief im Ozean leben Bakterien in völliger Dunkelheit an thermischen Schloten, wo sowohl Temperatur als auch Druck hoch sind. Sie stellen ihre eigene Nahrung her, indem sie Schwefel oxidieren, der aus dem tiefen Erdinneren stammt.

Andere Extremophile sind:

  • Halophile, die nur in einer salzigen Umgebung vorkommen
  • Acidophile, von denen einige in Umgebungen mit einem sauren pH-Wert von 0 leben
  • Alkaliphile, die in alkalischen Umgebungen bis zu einem pH-Wert von 10,5 leben
  • Psychrophile, die bei kalten Temperaturen leben, z. B. in Gletschern

Extremophile können dort überleben, wo kein anderer Organismus überleben kann.

Vermehrung und Umwandlung

Bakterien können sich mit den folgenden Methoden vermehren und verändern:

  • Binäre Spaltung: Eine ungeschlechtliche Form der Vermehrung, bei der eine Zelle weiter wächst, bis eine neue Zellwand durch das Zentrum wächst und zwei Zellen bildet. Diese trennen sich und es entstehen zwei Zellen mit dem gleichen genetischen Material.
  • Übertragung von genetischem Material: Zellen erwerben neues genetisches Material durch Prozesse, die als Konjugation, Transformation oder Transduktion bekannt sind. Diese Prozesse können Bakterien stärker und widerstandsfähiger gegen Bedrohungen, wie z. B. antibiotische Medikamente, machen.
  • Sporen: Wenn bei einigen Bakterienarten die Ressourcen knapp sind, können sie Sporen bilden. Sporen enthalten das DNA-Material des Organismus und die für die Keimung notwendigen Enzyme. Sie sind sehr widerstandsfähig gegenüber Umweltbelastungen. Die Sporen können über Jahrhunderte inaktiv bleiben, bis die richtigen Bedingungen eintreten. Dann können sie reaktiviert und zu Bakterien werden.
  • Sporen können in Perioden von Umweltstress überleben, einschließlich ultravioletter (UV) und Gamma-Strahlung, Austrocknung, Verhungern, chemischer Exposition und extremen Temperaturen.

Einige Bakterien produzieren Endosporen, also innere Sporen, während andere Exosporen produzieren, die nach außen abgegeben werden. Diese werden als Zysten bezeichnet.

Clostridium ist ein Beispiel für ein Endosporen-bildendes Bakterium. Es gibt etwa 100 Arten von Clostridium, darunter Clostridium botulinim(C. botulinim) oder Botulismus, der für eine potenziell tödliche Art der Lebensmittelvergiftung verantwortlich ist, und Clostridium difficile(C. Difficile), das Colitis und andere Darmprobleme verursacht.

Verwendet

Bakterien werden oft als schlecht angesehen, aber viele sind hilfreich. Ohne sie würden wir nicht existieren. Der Sauerstoff, den wir atmen, wurde wahrscheinlich durch die Aktivität von Bakterien erzeugt.

Menschliches Überleben

Viele der Bakterien im Körper spielen eine wichtige Rolle für das Überleben des Menschen. Bakterien im Verdauungssystem zerlegen Nährstoffe, wie z. B. komplexe Zucker, in für den Körper verwertbare Formen.

Ungefährliche Bakterien helfen auch, Krankheiten vorzubeugen, indem sie Stellen besetzen, an denen sich die pathogenen oder krankmachenden Bakterien festsetzen wollen. Einige Bakterien schützen uns vor Krankheiten, indem sie die Krankheitserreger angreifen.

Stickstoff-Fixierung

Bakterien nehmen Stickstoff auf und geben ihn nach ihrem Absterben an die Pflanzen ab. Pflanzen brauchen Stickstoff im Boden, um zu leben, aber sie können dies nicht selbst tun. Um dies zu gewährleisten, haben viele Pflanzensamen einen kleinen Behälter mit Bakterien, der beim Keimen der Pflanze genutzt wird.

Lebensmitteltechnik

Milchsäurebakterien wie Lactobacillus und Lactococcus werden zusammen mit Hefe und Schimmelpilzen oder Pilzen zur Herstellung von Lebensmitteln wie Käse, Sojasauce, Natto (fermentierte Sojabohnen), Essig, Joghurt und Essiggurken verwendet.

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Die Fermentation ist nicht nur nützlich, um Lebensmittel zu konservieren, sondern einige dieser Lebensmittel können auch gesundheitliche Vorteile bieten.

Zum Beispiel enthalten einige fermentierte Lebensmittel Bakterientypen, die denen ähnlich sind, die mit der Gesundheit des Magen-Darm-Trakts in Verbindung gebracht werden. Einige Fermentationsprozesse führen zu neuen Verbindungen, wie z. B. Milchsäure, die eine entzündungshemmende Wirkung zu haben scheinen.

Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die gesundheitlichen Vorteile von fermentierten Lebensmitteln zu bestätigen.

Bakterien in Industrie und Forschung

Bakterien können organische Verbindungen abbauen. Dies ist nützlich für Tätigkeiten wie die Abfallverarbeitung und die Reinigung von Ölverschmutzungen und giftigen Abfällen.

Die pharmazeutische und chemische Industrie nutzt Bakterien bei der Herstellung bestimmter Chemikalien.

Bakterien werden in der Molekularbiologie, Biochemie und Genforschung eingesetzt, da sie schnell wachsen und relativ leicht zu manipulieren sind. Wissenschaftler nutzen Bakterien, um zu untersuchen, wie Gene und Enzyme funktionieren.

Bakterien werden zur Herstellung von Antibiotika benötigt.

Bacillus thuringiensis (Bt) ist ein Bakterium, das in der Landwirtschaft anstelle von Pestiziden eingesetzt werden kann. Es hat nicht die unerwünschten Umweltfolgen, die mit dem Einsatz von Pestiziden verbunden sind.

Gefahren

Einige Bakterientypen können beim Menschen Krankheiten verursachen, wie z. B. Cholera, Diptherie, Dysenterie, Beulenpest, Lungenentzündung, Tuberkulose (TB), Typhus und viele mehr.

Wenn der menschliche Körper mit Bakterien in Kontakt kommt, die der Körper nicht als hilfreich erkennt, greift das Immunsystem diese an. Diese Reaktion kann zu den Symptomen von Schwellungen und Entzündungen führen, die wir z. B. bei einer infizierten Wunde sehen.

Resistenz

Im Jahr 1900 waren Lungenentzündung, Tuberkulose und Durchfallerkrankungen die drei größten Todesursachen in den Vereinigten Staaten. Sterilisationstechniken und Antibiotika-Medikamente haben zu einem deutlichen Rückgang der Todesfälle durch bakterielle Erkrankungen geführt.

Allerdings macht der übermäßige Einsatz von Antibiotika die Behandlung von bakteriellen Infektionen schwieriger. Wenn die Bakterien mutieren, werden sie immer resistenter gegen vorhandene Antibiotika, was die Behandlung von Infektionen erschwert. Bakterien verändern sich auf natürliche Weise, aber der übermäßige Einsatz von Antibiotika beschleunigt diesen Prozess.

„Selbst wenn neue Medikamente entwickelt werden, wird die Antibiotikaresistenz ohne Verhaltensänderung eine große Bedrohung bleiben.“

Weltgesundheitsorganisation (WHO)

Aus diesem Grund rufen Wissenschaftler und Gesundheitsbehörden die Ärzte dazu auf, Antibiotika nur dann zu verschreiben, wenn es notwendig ist, und die Menschen dazu zu bringen, andere Methoden zur Vorbeugung von Krankheiten zu praktizieren, wie z. B. gute Lebensmittelhygiene, Händewaschen, Impfen und die Verwendung von Kondomen.

Das Darmmikrobiom

Jüngste Forschungen haben zu einem neuen und wachsenden Bewusstsein darüber geführt, wie der menschliche Körper mit Bakterien interagiert, insbesondere mit den Bakteriengemeinschaften, die im Darmtrakt leben, dem sogenannten Darmmikrobiom oder der Darmflora.

Im Jahr 2009 veröffentlichten Forscher Ergebnisse, die nahelegen, dass Frauen mit Fettleibigkeit eher eine bestimmte Art von Bakterien, Selenomonas noxia(S. noxia), in ihrem Mund haben.

Im Jahr 2015 fanden Wissenschaftler der Universität von North Carolina heraus, dass der Darm von Menschen mit Magersucht „sehr unterschiedliche“ Bakterien oder mikrobielle Gemeinschaften enthält, verglichen mit Menschen, die nicht an der Krankheit leiden. Sie vermuten, dass dies einen psychologischen Einfluss haben könnte.

Geschichte

Vor über 2.000 Jahren schlug ein römischer Autor, Marcus Terentius Varro, vor, dass Krankheiten durch winzige Tiere, die in der Luft schweben, verursacht werden könnten. Er riet den Menschen, bei Bauarbeiten sumpfige Orte zu meiden, weil sie Insekten enthalten könnten, die zu klein für das Auge sind, um sie zu sehen, und die durch Mund und Nasenlöcher in den Körper gelangen und Krankheiten verursachen.

Im 17. Jahrhundert schuf der holländische Wissenschaftler Antonie van Leeuwenhoek ein einlinsiges Mikroskop, mit dem er das sah, was er Tierchen nannte, die später als Bakterien bekannt wurden. Er gilt als der erste Mikrobiologe.

Im 19. Jahrhundert behaupteten die Chemiker Louis Pasteur und Robert Koch, dass Krankheiten durch Keime verursacht werden. Dies wurde als die Keimtheorie bekannt.

Im Jahr 1910 verkündete der Wissenschaftler Paul Ehrlich die Entwicklung des ersten Antibiotikums, Salvarsan. Er benutzte es, um Syphilis zu heilen. Er war auch der erste Wissenschaftler, der Bakterien mit Hilfe von Färbungen nachweisen konnte.

Im Jahr 2001 prägte Joshua Lederburg den Begriff „Darm-Mikrobiom“, und Wissenschaftler weltweit versuchen derzeit, die Strukturen, Arten und Verwendungszwecke der „Darmflora“, also der Bakterien im menschlichen Körper, genauer zu beschreiben und zu verstehen.

Mit der Zeit wird erwartet, dass diese Arbeit ein neues Licht auf eine Vielzahl von Gesundheitszuständen werfen wird.