Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, cực nhỏ, tồn tại hàng triệu con, trong mọi môi trường, cả bên trong và bên ngoài các sinh vật khác.
Một số vi khuẩn có hại, nhưng hầu hết đều phục vụ mục đích hữu ích. Chúng hỗ trợ nhiều dạng sống, cả thực vật và động vật, và chúng được sử dụng trong các quy trình công nghiệp và y học.
Vi khuẩn được cho là những sinh vật đầu tiên xuất hiện trên trái đất, khoảng 4 tỷ năm trước. Các hóa thạch lâu đời nhất được biết đến là của các sinh vật giống vi khuẩn.
Vi khuẩn có thể sử dụng hầu hết các hợp chất hữu cơ và vô cơ làm thức ăn, và một số có thể sống sót trong điều kiện khắc nghiệt.
Sự quan tâm ngày càng tăng đến chức năng của hệ vi sinh vật đường ruột đang làm sáng tỏ vai trò của vi khuẩn đối với sức khỏe con người.
Vi khuẩn là gì?
Vi khuẩn là sinh vật đơn bào.
Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào không phải là thực vật hay động vật.
Chúng thường có chiều dài vài micromet và tồn tại cùng nhau trong các cộng đồng hàng triệu người.
Một gam đất thường chứa khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn. Một ml nước ngọt thường chứa khoảng một triệu tế bào vi khuẩn.
Trái đất ước tính chứa ít nhất 5 tỷ vi khuẩn, và phần lớn sinh khối của trái đất được cho là được tạo thành từ vi khuẩn.
Phân loại vi khuẩn
Có nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Một cách để phân loại chúng là theo hình dạng. Có ba hình dạng cơ bản.
- Hình cầu: Vi khuẩn có hình quả bóng được gọi là cầu khuẩn, và một loại vi khuẩn đơn lẻ là cầu khuẩn. Các ví dụ bao gồm nhóm liên cầu, chịu trách nhiệm về “viêm họng do liên cầu khuẩn.”
- Hình que: Chúng được gọi là trực khuẩn (trực khuẩn số ít). Một số vi khuẩn hình que cong. Chúng được gọi là Vibrio. Ví dụ về vi khuẩn hình que bao gồm Bacillus anthracis ( B. anthracis ), hoặc bệnh than.
- Xoắn ốc: Chúng được gọi là khỉ đột (xoắn khuẩn số ít). Nếu cuộn dây của chúng rất chặt, chúng được gọi là xoắn khuẩn. Bệnh Leptospirosis, bệnh Lyme và bệnh giang mai là do vi khuẩn có hình dạng này gây ra.
Có nhiều biến thể trong mỗi nhóm hình dạng.
Kết cấu của vi khuẩn
Tế bào vi khuẩn khác với tế bào thực vật và động vật. Vi khuẩn là sinh vật nhân sơ, có nghĩa là chúng không có nhân.
Một tế bào vi khuẩn bao gồm:
- Vỏ nang: Một lớp được tìm thấy ở bên ngoài thành tế bào ở một số vi khuẩn.
- Thành tế bào: Một lớp được làm bằng polyme gọi là peptidoglycan. Thành tế bào tạo cho vi khuẩn hình dạng của nó. Nó nằm bên ngoài màng sinh chất. Thành tế bào dày hơn ở một số vi khuẩn, được gọi là vi khuẩn Gram dương.
- Màng plasma: Được tìm thấy trong thành tế bào, màng này tạo ra năng lượng và vận chuyển các chất hóa học. Màng có tính thấm, có nghĩa là các chất có thể đi qua nó.
- Tế bào chất: Là chất sền sệt bên trong màng sinh chất có chứa vật liệu di truyền và ribosome.
- DNA: Nó chứa tất cả các chỉ dẫn di truyền được sử dụng trong sự phát triển và chức năng của vi khuẩn. Nó nằm bên trong tế bào chất.
- Ribosome: Đây là nơi tạo ra hoặc tổng hợp protein. Ribosome là các hạt phức tạp được tạo thành từ các hạt giàu RNA.
- Flagellum: Loại này được sử dụng để di chuyển, đẩy một số loại vi khuẩn. Có một số vi khuẩn có thể có nhiều hơn một.
- Pili: Những phần phụ giống như sợi tóc này ở bên ngoài tế bào cho phép nó bám vào các bề mặt và chuyển vật liệu di truyền sang các tế bào khác. Điều này có thể góp phần làm lây lan bệnh tật ở người.
Vi khuẩn ăn gì?
Vi khuẩn kiếm ăn theo nhiều cách khác nhau.
Vi khuẩn dị dưỡng hay sinh vật dị dưỡng lấy năng lượng thông qua việc tiêu thụ carbon hữu cơ. Hầu hết hấp thụ chất hữu cơ chết, chẳng hạn như thịt phân hủy. Một số vi khuẩn ký sinh này giết chết vật chủ của chúng, trong khi những vi khuẩn khác giúp chúng.
Vi khuẩn tự dưỡng (hoặc chỉ sinh vật tự dưỡng) tự tạo thức ăn cho chúng, thông qua:
- quang hợp, sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide, hoặc
- tổng hợp hóa học, sử dụng carbon dioxide, nước và các hóa chất như amoniac, nitơ, lưu huỳnh và các chất khác
Vi khuẩn sử dụng quang hợp được gọi là sinh vật quang dưỡng. Một số loại, ví dụ vi khuẩn lam, tạo ra oxy. Chúng có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra oxy trong bầu khí quyển của trái đất. Những loài khác, chẳng hạn như vi khuẩn heliobacteria, không tạo ra oxy.
Những loài sử dụng quá trình tổng hợp hóa học được gọi là sinh vật tự dưỡng. Những vi khuẩn này thường được tìm thấy trong các lỗ thông hơi đại dương và trong rễ của các loại đậu, chẳng hạn như cỏ linh lăng, cỏ ba lá, đậu Hà Lan, đậu, đậu lăng và đậu phộng.
Vi khuẩn sống ở đâu?
Vi khuẩn có thể phát triển mạnh ngay cả trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như sông băng.
Vi khuẩn có thể được tìm thấy trong đất, nước, thực vật, động vật, chất thải phóng xạ, sâu trong vỏ trái đất, băng ở Bắc cực và sông băng, và suối nước nóng. Có vi khuẩn trong tầng bình lưu, từ 6 đến 30 dặm lên trong khí quyển, và ở các vùng sâu, xuống 32.800 feet hoặc 10.000 mét sâu.
Vi khuẩn hiếu khí, hoặc vi khuẩn hiếu khí, chỉ có thể phát triển ở nơi có oxy. Một số loại có thể gây ra các vấn đề cho môi trường con người, chẳng hạn như ăn mòn, bám bẩn, các vấn đề về độ trong của nước và có mùi hôi.
Vi khuẩn kỵ khí, hoặc vi khuẩn kỵ khí, chỉ có thể phát triển ở nơi không có oxy. Ở người, phần lớn này nằm trong đường tiêu hóa. Chúng cũng có thể gây ra khí, hoại thư, uốn ván, ngộ độc thịt và hầu hết các bệnh nhiễm trùng răng miệng.
Vi khuẩn kỵ khí, hoặc vi khuẩn kỵ khí có thể sống có hoặc không có oxy, nhưng chúng thích môi trường có oxy. Chúng hầu hết được tìm thấy trong đất, nước, thảm thực vật và một số hệ thực vật bình thường của con người và động vật. Ví dụ bao gồm Salmonella .
Mesophiles, hoặc vi khuẩn ưa nhiệt, là vi khuẩn gây ra hầu hết các bệnh nhiễm trùng ở người. Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ vừa phải, khoảng 37 ° C. Đây là nhiệt độ của cơ thể con người.
Ví dụ bao gồm Listeria monocytogenes , Pesudomonas maltophilia , Thiobacillus novellus , Staphylococcus aureus , Streptococcus pyrogenes , Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli và Clostridium kluyveri .
Hệ vi khuẩn đường ruột của con người, hoặc hệ vi sinh vật đường ruột, chứa các vi khuẩn ưa nhiệt có lợi, chẳng hạn như Lactobacillus acidophilus trong chế độ ăn uống.
Các vi khuẩn cực thích, hoặc vi khuẩn cực kỳ ưa thích, có thể chịu được các điều kiện được coi là quá khắc nghiệt đối với hầu hết các dạng sống.
Loài ưa nhiệt có thể sống ở nhiệt độ cao, lên đến 75 đến 80 ° C, và loài ưa nhiệt có thể sống ở nhiệt độ lên đến 113 ° C.
Sâu trong đại dương, vi khuẩn sống trong bóng tối hoàn toàn bởi các lỗ thông hơi nhiệt, nơi cả nhiệt độ và áp suất đều cao. Chúng tự chế biến thức ăn bằng cách oxy hóa lưu huỳnh có từ sâu bên trong trái đất.
Những kẻ cực đoan khác bao gồm:
- halophile, chỉ được tìm thấy trong môi trường mặn
- ưa axit, một số sống trong môi trường có tính axit như pH 0
- alkaliphiles, sống trong môi trường alkiline lên đến pH 10,5
- psychrophiles, được tìm thấy ở nhiệt độ lạnh, ví dụ, trong sông băng
Những sinh vật cực đoan có thể tồn tại ở nơi không sinh vật nào khác có thể.
Cách sinh sản và biến đổi của vi khuẩn
Vi khuẩn có thể sinh sản và thay đổi bằng các phương pháp sau:
- Phân hạch nhị phân: Là hình thức sinh sản vô tính, trong đó một tế bào tiếp tục phát triển cho đến khi thành tế bào mới phát triển xuyên qua trung tâm, tạo thành hai tế bào. Chúng tách biệt nhau, tạo nên hai tế bào có cùng vật liệu di truyền.
- Chuyển vật chất di truyền: Tế bào thu nhận vật chất di truyền mới thông qua các quá trình được gọi là tiếp hợp, biến nạp hoặc tải nạp. Những quá trình này có thể làm cho vi khuẩn mạnh hơn và có khả năng chống lại các mối đe dọa, chẳng hạn như thuốc kháng sinh.
- Bào tử: Khi một số loại vi khuẩn ít tài nguyên, chúng có thể hình thành bào tử. Bào tử giữ nguyên liệu DNA của sinh vật và chứa các enzym cần thiết cho quá trình nảy mầm. Chúng có khả năng chống chịu rất tốt với các áp lực từ môi trường. Các bào tử có thể không hoạt động trong nhiều thế kỷ, cho đến khi xảy ra các điều kiện thích hợp. Sau đó, chúng có thể kích hoạt lại và trở thành vi khuẩn.
- Bào tử có thể tồn tại qua các giai đoạn căng thẳng của môi trường, bao gồm bức xạ tia cực tím (UV) và gamma, hút ẩm, đói, tiếp xúc với hóa chất và nhiệt độ khắc nghiệt.
Một số vi khuẩn tạo ra nội bào tử, hoặc nội bào tử, trong khi những vi khuẩn khác tạo ra ngoại bào tử, được giải phóng ra bên ngoài. Chúng được gọi là u nang.
Clostridium là một ví dụ về vi khuẩn hình thành nội bào tử. Có khoảng 100 loài Clostridium , bao gồm cả Clostridium botulinim ( C. botulinim ) hay còn gọi là bệnh ngộ độc thịt, gây ra một loại ngộ độc thực phẩm có thể gây tử vong và Clostridium difficile ( C. Difficile ), gây viêm đại tràng và các vấn đề đường ruột khác.
Sử dụng vi khuẩn vào mục đích tốt
Vi khuẩn thường bị cho là xấu, nhưng nhiều loại lại có ích. Chúng tôi sẽ không tồn tại nếu không có họ. Oxy mà chúng ta hít thở có lẽ được tạo ra bởi hoạt động của vi khuẩn.
Sự sống còn của con người
Nhiều vi khuẩn trong cơ thể đóng một vai trò quan trọng trong sự tồn tại của con người. Vi khuẩn trong hệ tiêu hóa phân hủy các chất dinh dưỡng, chẳng hạn như đường phức tạp, thành các dạng mà cơ thể có thể sử dụng.
Vi khuẩn không nguy hại cũng giúp ngăn ngừa bệnh tật bằng cách chiếm giữ những nơi mà vi khuẩn gây bệnh hoặc gây bệnh muốn bám vào. Một số vi khuẩn bảo vệ chúng ta khỏi bệnh tật bằng cách tấn công các mầm bệnh.
Cố định đạm
Vi khuẩn lấy nitơ và thải ra để sử dụng cho cây trồng khi chúng chết. Thực vật cần nitơ trong đất để sống, nhưng chúng không thể tự làm được điều này. Để đảm bảo điều này, nhiều hạt giống cây trồng có một hộp nhỏ chứa vi khuẩn được sử dụng khi cây nảy mầm.
Công nghệ thực phẩm
Vi khuẩn lactic, chẳng hạn như Lactobacillus và Lactococcus cùng với nấm men và nấm mốc, hoặc nấm, được sử dụng để chế biến thực phẩm như pho mát, nước tương, natto (đậu nành lên men), giấm, sữa chua và dưa chua.
Quá trình lên men không chỉ hữu ích để bảo quản thực phẩm mà một số loại thực phẩm này có thể mang lại lợi ích cho sức khỏe.
Ví dụ, một số thực phẩm lên men có chứa các loại vi khuẩn tương tự như vi khuẩn có liên quan đến sức khỏe đường tiêu hóa. Một số quá trình lên men dẫn đến các hợp chất mới, chẳng hạn như axit lactic, dường như có tác dụng chống viêm.
Cần điều tra thêm để xác nhận lợi ích sức khỏe của thực phẩm lên men.
Vi khuẩn trong công nghiệp và nghiên cứu
Vi khuẩn có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ. Điều này rất hữu ích cho các hoạt động như xử lý chất thải và làm sạch dầu tràn và chất thải độc hại.
Các ngành công nghiệp dược phẩm và hóa chất sử dụng vi khuẩn trong sản xuất một số hóa chất.
Vi khuẩn được sử dụng trong sinh học phân tử, hóa sinh và nghiên cứu di truyền, vì chúng có thể phát triển nhanh chóng và tương đối dễ thao tác. Các nhà khoa học sử dụng vi khuẩn để nghiên cứu cách thức hoạt động của gen và enzyme.
Vi khuẩn là cần thiết để tạo ra kháng sinh.
Bacillus thuringiensis (Bt) là một loại vi khuẩn có thể được sử dụng trong nông nghiệp thay cho thuốc trừ sâu. Nó không có những hậu quả môi trường không mong muốn liên quan đến việc sử dụng thuốc trừ sâu.
Mối nguy hiểm từ vi khuẩn
Một số loại vi khuẩn có thể gây bệnh cho người, chẳng hạn như bệnh tả, bệnh diptheria, bệnh kiết lỵ, bệnh dịch hạch, viêm phổi, bệnh lao (TB), thương hàn, và nhiều bệnh khác.
Nếu cơ thể con người tiếp xúc với vi khuẩn mà cơ thể không nhận ra là hữu ích, hệ thống miễn dịch sẽ tấn công chúng. Phản ứng này có thể dẫn đến các triệu chứng sưng và viêm mà chúng ta thấy, ví dụ như ở vết thương bị nhiễm trùng.
Vi khuẩn tiến hóa
Năm 1900, viêm phổi, lao và tiêu chảy là ba kẻ giết người lớn nhất ở Hoa Kỳ. Kỹ thuật khử trùng và thuốc kháng sinh đã làm giảm đáng kể số ca tử vong do các bệnh do vi khuẩn gây ra.
Tuy nhiên, việc lạm dụng thuốc kháng sinh đang khiến tình trạng nhiễm trùng do vi khuẩn khó điều trị hơn. Khi vi khuẩn đột biến, chúng trở nên kháng thuốc hơn với các loại thuốc kháng sinh hiện có, làm cho bệnh nhiễm trùng khó điều trị hơn. Vi khuẩn biến đổi tự nhiên, nhưng việc lạm dụng thuốc kháng sinh đang đẩy nhanh quá trình này.
Vì lý do này, các nhà khoa học và cơ quan y tế đang kêu gọi các bác sĩ không kê đơn thuốc kháng sinh trừ khi cần thiết và để mọi người thực hiện các cách phòng bệnh khác, chẳng hạn như vệ sinh thực phẩm, rửa tay, tiêm chủng và sử dụng bao cao su.
Hệ vi sinh vật đường ruột
Nghiên cứu gần đây đã dẫn đến một sự chờ đợi mới và đang phát triển về cách cơ thể con người tương tác với vi khuẩn, và đặc biệt là các cộng đồng vi khuẩn sống trong đường ruột, được gọi là hệ vi sinh vật đường ruột, hoặc hệ thực vật đường ruột.
Năm 2009, các nhà nghiên cứu đã công bố những phát hiện cho thấy phụ nữ bị béo phì có nhiều khả năng có một loại vi khuẩn đặc biệt, Selenomonas noxia ( S. noxia ) , trong miệng của họ.
Vào năm 2015, các nhà khoa học tại Đại học Bắc Carolina đã phát hiện ra rằng ruột của những người mắc chứng biếng ăn có chứa các vi khuẩn “rất khác”, hoặc các cộng đồng vi sinh vật, so với những người không mắc chứng bệnh này. Họ cho rằng điều này có thể có tác động tâm lý.
Lịch sử phát triển của vi khuẩn
Hơn 2.000 năm trước, một tác giả người La Mã, Marcus Terentius Varro, cho rằng dịch bệnh có thể do những con vật nhỏ bay lơ lửng trên không trung gây ra. Ông khuyến cáo mọi người nên tránh những nơi đầm lầy trong quá trình xây dựng vì chúng có thể chứa côn trùng quá nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy xâm nhập vào cơ thể qua miệng và lỗ mũi và gây bệnh.
Vào thế kỷ 17, một nhà khoa học người Hà Lan, Antonie van Leeuwenhoek đã tạo ra một chiếc kính hiển vi một thấu kính để ông nhìn thấy thứ mà ông gọi là phân tử, sau này được gọi là vi khuẩn. Ông được coi là nhà vi sinh vật học đầu tiên.
Vào thế kỷ 19, các nhà hóa học Louis Pasteur và Robert Koch nói rằng bệnh tật là do vi trùng gây ra. Điều này được gọi là Lý thuyết mầm.
Vào năm 1910, nhà khoa học Paul Ehrlich đã công bố sự phát triển của loại kháng sinh đầu tiên, Salvarsan. Ông đã sử dụng nó để chữa bệnh giang mai. Ông cũng là nhà khoa học đầu tiên phát hiện vi khuẩn bằng cách sử dụng các vết bẩn.
Năm 2001, Joshua Lederburg đặt ra thuật ngữ “hệ vi sinh vật đường ruột” và các nhà khoa học trên toàn thế giới hiện đang tìm cách mô tả và hiểu chính xác hơn về cấu trúc, loại và cách sử dụng của “hệ thực vật đường ruột” hay vi khuẩn trong cơ thể người.
Theo thời gian, công việc này được kỳ vọng sẽ làm sáng tỏ một loạt các tình trạng sức khỏe.
