Bakterien

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Einleitung

Bakterien (griechisch bakterion: Stäbchen), große Gruppe mikroskopisch kleiner, einzelliger Lebewesen (Mikroorganismen) ohne echten, klar umrissenen Zellkern, die sich im Allgemeinen durch Zellteilung vermehren.

Bakterien sind winzig, zwischen einem Mikrometer (tausendstel Millimeter) und 0,75 Millimeter groß. Eine Spezies der letzteren, für Bakterien ungewöhnlichen Größe wurde am Meeresboden vor der Küste Namibias entdeckt; die Art erhielt den Namen Namibische Schwefelperle (Thiomargarita namibiensis). Bakterien gehen in unterschiedlicher Weise Symbiosen mit den meisten Pflanzen und Tieren sowie anderen Lebensformen ein. Manche Bakterienarten kommen in fast allen Lebensmitteln vor. Als ältester Bakterienstamm gelten die Planctomyces.

Bakterien versorgen sich auf unterschiedlichste Art mit Energie und Nährstoffen. Sie finden sich in nahezu jeder Umwelt: in Luft, Boden, Wasser, Eis und in über 100 °C heißen Quellen. Im Schnee des Südpols wurden Bakterien entdeckt, die sich noch bei Temperaturen von -17 °C vermehren, und Bakterien der Gattung Colwellia hatten selbst bei -196 °C ihre Proteinsynthese nicht völlig eingestellt (New Scientist, 2006). Sogar hydrothermale Schlote im Meeresboden der Tiefsee beherbergen Bakterien, die Schwefel für ihren Stoffwechsel nutzen. Und im Gestein einer südafrikanischen Goldmine wurde in 2,8 Kilometer Tiefe eine Lebensgemeinschaft aus Bakterien und Archaebakterien entdeckt, die seit mindestens 15 Millionen Jahren von anderen Lebewesen isoliert ist; diese Mikroben beziehen ihre Energie u. a. aus Wasserstoff, der durch radioaktive Strahlung aus Wasser freigesetzt wird (Science, 2006). Das Bakterium Deinococcus radiodurans überlebt eine Strahlendosis von 15 000 Gray, während die meisten Organismen bereits bei 10 Gray zugrunde gehen. Das Bakterium vermag offenbar Strahlenschäden an seiner DNA (siehe Nucleinsäuren) leicht zu reparieren, weil zerbrochene DNA-Fragmente in seinem dicht gepackten, ringförmigen Genom nicht auseinanderfallen und fehlerfrei repariert werden können (Science, 2003).

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Klassifikation

In der derzeit angewandten biologischen Systematik bilden Bakterien das Reich der Prokaryonten: Organismen, in deren Zellen das Kernmaterial nicht von einer Membran umgeben ist. Etwa 1 600 Arten sind bekannt. Im Allgemeinen werden Bakterien aufgrund bestimmter Eigenschaften systematisch zugeordnet, z. B. nach ihrer Form als Kokken (kugelförmig), Bazillen (stäbchenförmig, Bacillus) oder Spirochäten (spiralförmig); nach ihrer Zellwandstruktur; nach unterschiedlicher Färbbarkeit (siehe Gram-Färbung); nach der Fähigkeit, in An- oder Abwesenheit von Luft zu leben und zu wachsen (aerob bzw. anaerob); nach der Fähigkeit, unter ungünstigen Bedingungen Sporen zu bilden; nach serologischer Bestimmung ihrer Oberflächenbestandteile sowie nach ihrer Nucleinsäureverwandtschaft.

In einer gängigen Klassifizierung werden Bakterien aufgrund ihrer Zellwandeigenschaften vier Hauptgruppen zugeordnet. Zur Hauptgruppe der Gracilicutes zählen Bakterien mit dünnen, gramnegativen Zellwänden. Firmicutes besitzen dicke, grampositive Zellwände. Tenericutes verfügen über keine Zellwände, und bei den Mendosicutes sind sie aus einem anderen Material als dem für Bakterien typischen Peptidoglycan aufgebaut. Zu den Mendosicutes zählen die Archaebakterien, eine Gruppe ungewöhnlicher Organismen wie die methanbildenden Bakterien, die völlig anaerob leben und aus Kohlendioxid und Wasserstoff Methan bilden. Weitere Beispiele für Archaebakterien sind Halobakterien, die bei hohem Salzgehalt gedeihen, und die Thermoacidophilen, die schwefelabhängig und äußerst wärmeliebend sind. Es besteht die Ansicht, dass die Archaebakterien als eigenes Reich klassifiziert werden sollten, da sie sich, wie jüngste biochemische Untersuchungen ergaben, von den übrigen Bakterien grundsätzlich unterscheiden: Sie sind Eukaryonten, d. h., ihr Zellkern ist von einer Membran umgeben. Die vier Hauptgruppen werden weiter in 30 nummerierte Gruppen unterteilt. Einige davon werden wiederum in Ordnungen, Familien und Gattungen klassifiziert. Als Gruppe 1 sind z. B. die Spirochäten angeführt, lange, spiralförmige Bakterien mit gramnegativer Zellwand und zwischen Zellwand und Zellmembran liegenden, faserigen Flagellen (Geißeln), die Fortbewegung ermöglichen. Der Syphilis-Erreger Treponema pallidum ist eine Spirochäte der Ordnung Spirochaetales und der Familie Spirochaetaceae.

Nicht alle Bakterien können sich bewegen, doch die mobilen unter ihnen sind im Allgemeinen mit schraubenartigen Fortsätzen versehen, den Flagellen. Diese können rund um die Zelle verteilt, an einem oder zwei Enden, einzeln oder in Büscheln auftreten. Je nachdem, in welche Richtung die Flagellen schlagen, bewegen sich Bakterien entweder vorwärts oder drehen sich auf der Stelle. Ob sich das Bakterium fortbewegt oder dreht, hängt von Rezeptoren in der Membran ab. Mit Hilfe dieser unterschiedlichen Bewegungsarten können sich Bakterien z. B. auf Nahrungsquellen zubewegen und von ungünstigen Umweltbedingungen entfernen. Bei einigen im Wasser lebenden Bakterien, die eisenreiche Partikel enthalten, wurde festgestellt, dass ihre Bewegung am Magnetfeld der Erde orientiert ist.

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Genetik

Das Erbmaterial der Bakterienzelle liegt in Form eines kreisförmigen DNA-Doppelstranges vor. Viele Bakterien besitzen auch kleinere kreisrunde DNA-Abschnitte, so genannte Plasmide, die ebenfalls Erbinformation enthalten, welche allerdings für die Fortpflanzung nicht wesentlich ist. Plasmide können durch so genannte Konjugation, einen Mechanismus zum Genaustausch, auf andere Bakterien übertragen werden. Weitere Methoden des Genaustauschs sind die Transduktion, bei der Bakterienviren (siehe Bakteriophage) DNA übertragen, und Transformation, wobei DNA direkt aus der Umgebung in die Bakterienzelle übernommen wird. Bakterien haben normalerweise etwa 2 000 bis 6 000 Gene. Das in Blattläusen symbiotisch lebende Bakterium Carsonella ruddii, das vollständig von seinem Wirt abhängig ist, weist jedoch nur 182 Gene auf (Science, 2006).

Bakterienzellen vermehren sich durch Zellteilung. Dabei verdoppelt sich das genetische Material, das Bakterium dehnt sich aus, schnürt sich etwa in der Mitte ab und teilt sich vollständig. Es entstehen zwei Tochterzellen, die im Wesentlichen mit der Mutterzelle identisch sind. Einige Bakterien teilen sich alle 15 bis 40 Minuten. Unter günstigen Bedingungen, bei einer Zellteilung alle 30 Minuten, kann nach 15 Stunden aus einer einzigen Zelle eine Nachkommenschaft von etwa einer Milliarde entstehen. Eine solche Kolonie ist mit bloßem Auge wahrzunehmen. Unter ungünstigen Bedingungen können einige Bakterien eine veränderte Zellteilung durchlaufen und Dauersporen bilden. Dabei handelt es sich um ruhende Zellen, die extreme Temperaturen, Trockenheit oder Feuchtigkeit ertragen.

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Wirkung der Bakterien

Bakterien lassen sich hinsichtlich ihrer Lebensweise in zwei Hauptgruppen unterscheiden: Saprophyten, die auf totem tierischen oder pflanzlichen Material leben, und Symbionten, die lebende Organismen besiedeln. Saprophyten sind für die Zersetzung toter Tiere und Pflanzen wesentlich und führen damit dem Boden wieder Nährstoffe zu. Symbiotische Bakterien kommen in vielen menschlichen Gewebearten vor, z. B. im gesamten Verdauungstrakt und in der Haut. Dort sind sie für einige physiologische Prozesse unerlässlich. Eine solche Beziehung wird als mutualistisch bezeichnet, d. h. sie beruht auf Gegenseitigkeit. Andere Symbionten versorgen sich bei ihren lebenden Wirten mit Nährstoffen, ohne ernsten Schaden anzurichten. Diese Form des Zusammenlebens wird Kommensalismus genannt. Eine dritte Art, die Parasiten, können die Pflanzen oder Tiere, die sie besiedeln, zerstören.

Bakterien verursachen das Verderben von Fleisch, Wein, Gemüse, Milch und Milchprodukten. Sie verändern die Zusammensetzung solcher Lebensmittel, so dass diese ungenießbar werden. Bakterienwachstum in Nahrungsmitteln kann auch zu Lebensmittelvergiftung führen, wie sie beispielsweise von den Erregern Staphylococcus aureus (siehe Staphylokokken) oder Clostridium botulinum verursacht wird (siehe Botulismus). Andererseits sind Bakterien in manchen Industriezweigen von großer Bedeutung. Die Fähigkeit einiger Arten zur Fermentation wird für die Herstellung von Käse, Joghurt, Sauerkraut und anderem sauer eingelegtem Gemüse genutzt. Bakterien sind auch für die Produktion von gegerbtem Leder, Tabak, Silofutter Textilien, Pharmazeutika, verschiedenen Enzymen, Polysacchariden und Waschmitteln von Bedeutung.

Bakterien befinden sich in nahezu jeder Umgebung und tragen dort zu den unterschiedlichsten biologischen Abläufen bei. Beispielsweise können sie Licht erzeugen, wie bei der Chemolumineszenz toter Fische (siehe Biolumineszenz). Sie sind auch in der Lage, ausreichende Temperaturen für eine spontane Entzündung in Heuschobern oder Hopfenspeichern zu verursachen. Durch die Zersetzung von Cellulose bilden einige anaerobe Bakterien in Stillgewässern Methan (Sumpfgas). Andere tragen durch Oxidierungsprozesse zur Bildung von eisen- und manganhaltigem Sumpferz und Ockerablagerungen bei.

Bakterien haben immensen Einfluss auf Art und Zusammensetzung des Bodens. Mit ihrer Hilfe werden organische pflanzliche und tierische Überreste sowie anorganische Gesteinspartikel vollständig zersetzt. Dadurch werden ungeheure Mengen an Pflanzennährstoffen gewonnen. Außerdem reichern Hülsenfrüchtler mit Hilfe von Knöllchenbakterien wie Rhizobium radicicola den Boden mit Stickstoff an. Diese Bakterien besiedeln die Pflanzenwurzeln und sorgen für das Wachstum stickstoffbindender Knötchen (siehe Stickstofffixierung). Es gilt als gesichert, dass die Photosynthese, auf der das Pflanzenleben basiert, ursprünglich von Bakterien entwickelt wurde.