Obiective de învățare
- Enumerați diferitele tipuri de microorganisme și descrieți caracteristicile care le definesc
- Dați exemple de diferite tipuri de microorganisme celulare și virale și agenți infecțioși
- Descrieți asemănările și diferențele dintre archaea și bacterii
- Furnizați o prezentare generală a domeniului microbiologiei
Majoritatea microbilor sunt unicelulare și suficient de mici încât necesită mărire artificială pentru a fi văzute. Cu toate acestea, există unii microbi unicelulari care sunt vizibili cu ochiul liber și unele organisme multicelulare care sunt microscopice. Un obiect trebuie să măsoare aproximativ 100 de micrometri (µm) pentru a fi vizibil fără un microscop, dar majoritatea microorganismelor sunt de multe ori mai mici decât atât. Pentru o oarecare perspectivă, considerați că o celulă animală tipică măsoară aproximativ 10 µm în diametru, dar este totuși microscopică. Celulele bacteriene sunt de obicei de aproximativ 1 µm, iar virușii pot fi de 10 ori mai mici decât bacteriile (Figura 1). Consultați Tabelul 1 pentru unitățile de lungime utilizate în microbiologie.
Tabelul 1. Unități de lungime utilizate în mod obișnuit în microbiologie | |||
---|---|---|---|
Unitate metrică | Semnificația prefixului | Echivalent metric | |
metru (m) | – | 1 m = 100 m | |
decimetru (dm) | 1/10 | 1 dm = 0.1 m = 10-1 m | |
centimetru (cm) | 1/100 | 1 cm = 0.01 m = 10-2 m | |
milimetru (mm) | 1/1000 | 1 mm = 0,001 m = 10-3 m | |
micrometru (μm) | 1/1,000,000 | 1 μm = 0.000001 m = 10-6 m | |
nanometru (nm) | 1/1.000.000.000.000 | 1 nm = 0,000000001 m = 10-9 m |
Microorganismele diferă unele de altele nu numai prin dimensiuni, ci și prin structură, habitat, metabolism și multe alte caracteristici. Deși în mod obișnuit ne gândim la microorganisme ca fiind unicelulare, există, de asemenea, multe organisme multicelulare care sunt prea mici pentru a fi văzute fără un microscop. Unii microbi, cum ar fi virușii, sunt chiar acelulare (nu sunt compuse din celule).
Microorganismele se găsesc în fiecare dintre cele trei domenii ale vieții: Archaea, Bacteria și Eukarya. Microbii din domeniile Bacteria și Archaea sunt toți procarioți (celulele lor nu au nucleu), în timp ce microbii din domeniul Eukarya sunt eucarioți (celulele lor au un nucleu). Unele microorganisme, cum ar fi virușii, nu se încadrează în niciunul dintre cele trei domenii ale vieții. În această secțiune, vom prezenta pe scurt fiecare dintre grupurile mari de microbi. Capitolele ulterioare vor aprofunda mai mult despre diversele specii din cadrul fiecărui grup.
Microorganisme procariote
Bacteriile se găsesc în aproape toate habitatele de pe Pământ, inclusiv în interiorul și pe oameni. Majoritatea bacteriilor sunt inofensive sau utile, dar unele sunt agenți patogeni, provocând boli la om și la alte animale. Bacteriile sunt procariote deoarece materialul lor genetic (ADN) nu este adăpostit într-un nucleu adevărat. Majoritatea bacteriilor au pereți celulari care conțin peptidoglican.
Bacteriile sunt adesea descrise în funcție de forma lor generală. Formele comune includ forme sferice (coccus), în formă de tijă (bacillus) sau curbate (spirillum, spirochete sau vibrio). Figura 2 prezintă exemple ale acestor forme.
Acestea au o gamă largă de capacități metabolice și se pot dezvolta într-o varietate de medii, folosind diferite combinații de nutrienți. Unele bacterii sunt fotosintetice, cum ar fi cianobacteriile oxigenate și bacteriile anoxigene verzi sulfuroase și verzi nesulfuroase; aceste bacterii utilizează energia derivată din lumina solară și fixează dioxidul de carbon pentru creștere. Alte tipuri de bacterii nu sunt fotosintetice, obținându-și energia din compușii organici sau anorganici din mediul lor.
Archaea sunt, de asemenea, organisme unicelulare procariote. Archaea și bacteriile au istorii evolutive diferite, precum și diferențe semnificative în ceea ce privește genetica, căile metabolice și compoziția pereților și membranelor lor celulare. Spre deosebire de majoritatea bacteriilor, pereții celulari ai arheilor nu conțin peptidoglican, dar pereții lor celulari sunt adesea compuși dintr-o substanță similară numită pseudopeptidoglican. Ca și bacteriile, archaea se găsesc în aproape toate habitatele de pe Pământ, chiar și în medii extreme, foarte reci, foarte calde, foarte bazice sau foarte acide (figura 3). Unele archaea trăiesc în corpul uman, dar nu s-a demonstrat că niciuna nu este patogenă pentru om.
Gândiți-vă la asta
- Care sunt cele două tipuri principale de organisme procariote?
- Numiți câteva dintre caracteristicile definitorii ale fiecărui tip.
Microorganisme eucariote
Domeniul Eukarya conține toate eucariotele, inclusiv eucariotele uni sau multicelulare, cum ar fi protitele, ciupercile, plantele și animalele. Principala caracteristică definitorie a eucariotelor este faptul că celulele lor conțin un nucleu.
Protiștii
Protiștii sunt eucariote unicelulare care nu sunt plante, animale sau ciuperci. Algele și protozoarele sunt exemple de protiști.
Algele (singular: alga) sunt protiști asemănători plantelor care pot fi unicelulare sau pluricelulare (Figura 4). Celulele lor sunt înconjurate de pereți celulari realizați din celuloză, un tip de carbohidrat. Algele sunt organisme fotosintetice care extrag energie de la soare și eliberează oxigen și carbohidrați în mediul lor. Deoarece alte organisme pot folosi produsele lor reziduale pentru energie, algele sunt părți importante ale multor ecosisteme. Multe produse de consum conțin ingrediente derivate din alge, cum ar fi caragenanul sau acidul alginic, care se găsesc în unele mărci de înghețată, sosuri pentru salată, băuturi, rujuri și pastă de dinți. Un derivat al algelor joacă, de asemenea, un rol important în laboratorul de microbiologie. Agar, un gel derivat din alge, poate fi amestecat cu diverși nutrienți și utilizat pentru a crește microorganisme într-o cutie Petri. Algele sunt, de asemenea, în curs de dezvoltare ca o posibilă sursă pentru biocombustibili.
Protozoarele (singular: protozoare) sunt protiști care alcătuiesc coloana vertebrală a multor rețele trofice, furnizând nutrienți pentru alte organisme. Protozoarele sunt foarte diverse. Unele protozoare se deplasează cu ajutorul unor structuri asemănătoare unor fire de păr numite cili sau a unor structuri asemănătoare unor biciuri numite flageli. Altele își extind o parte din membrana celulară și citoplasma pentru a se propulsa înainte. Aceste extensii citoplasmatice se numesc pseudopode („picioare false”). Unele protozoare sunt fotosintetice; altele se hrănesc cu materie organică. Unele trăiesc liber, în timp ce altele sunt parazite, fiind capabile să supraviețuiască doar prin extragerea substanțelor nutritive de la un organism gazdă. Cele mai multe protozoare sunt inofensive, dar unele sunt agenți patogeni care pot provoca boli la animale sau la oameni (figura 5).
Fungii
Fungii (singular: ciuperci) sunt, de asemenea, eucariote. Unele ciuperci pluricelulare, cum ar fi ciupercile, seamănă cu plantele, dar ele sunt de fapt destul de diferite. Ciupercile nu sunt fotosintetice, iar pereții lor celulari sunt de obicei făcuți din chitină, mai degrabă decât din celuloză.
Micozele unicelulare – drojdiile – sunt incluse în cadrul studiului microbiologiei. Există mai mult de 1000 de specii cunoscute. Drojdiile se găsesc în multe medii diferite, de la adâncurile mării până la buricul omului. Unele drojdii au utilizări benefice, cum ar fi creșterea pâinii și fermentarea băuturilor; dar drojdiile pot provoca, de asemenea, deteriorarea alimentelor. Unele chiar provoacă boli, cum ar fi infecțiile vaginale cu drojdie și aftele bucale (figura 6).
Alte ciuperci de interes pentru microbiologi sunt organismele multicelulare numite mucegaiuri. Mucegaiurile sunt alcătuite din filamente lungi care formează colonii vizibile (figura 7). Mucegaiurile se găsesc în multe medii diferite, de la sol la alimente în putrefacție și până la colțuri umede de baie. Mucegaiurile joacă un rol esențial în descompunerea plantelor și animalelor moarte. Unele mucegaiuri pot provoca alergii, iar altele produc metaboliți care cauzează boli, numiți micotoxine. Mucegaiurile au fost folosite pentru a fabrica produse farmaceutice, inclusiv penicilina, care este unul dintre cele mai des prescrise antibiotice, și ciclosporina, folosită pentru a preveni respingerea organelor în urma unui transplant.
Gândiți-vă la asta
- Numiți două tipuri de protiști și două tipuri de ciuperci.
- Numiți câteva dintre caracteristicile definitorii ale fiecărui tip.
Helminți
Vârcolacii paraziți multicelulari numiți helminți nu sunt, din punct de vedere tehnic, microorganisme, deoarece majoritatea sunt suficient de mari pentru a fi văzuți fără microscop. Cu toate acestea, acești viermi se încadrează în domeniul microbiologiei, deoarece bolile cauzate de helminți implică ouă și larve microscopice. Un exemplu de helmint este viermele de Guineea, sau Dracunculus medinensis, care provoacă amețeli, vărsături, diaree și ulcere dureroase la nivelul picioarelor și picioarelor atunci când viermele își croiește drum afară din piele (figura 8). Infecția apare de obicei după ce o persoană bea apă care conține purici de apă infectați de larvele viermelui de Guineea. La mijlocul anilor 1980, se estimează că au existat 3,5 milioane de cazuri de boală a viermilor de Guineea, dar boala a fost în mare parte eradicată. În 2014, au fost raportate doar 126 de cazuri, datorită eforturilor coordonate ale Organizației Mondiale a Sănătății (OMS) și ale altor grupuri angajate în îmbunătățirea condițiilor de igienizare a apei potabile.
Virusuri
Virusurile sunt microorganisme celulare, ceea ce înseamnă că nu sunt compuse din celule. În esență, un virus este format din proteine și material genetic – fie ADN sau ARN, dar niciodată ambele – care sunt inerte în afara unui organism gazdă. Cu toate acestea, prin încorporarea lor într-o celulă gazdă, virusurile sunt capabile să coopteze mecanismele celulare ale gazdei pentru a se înmulți și a infecta alte gazde.
Virusurile pot infecta toate tipurile de celule, de la celule umane la celule ale altor microorganisme. La om, virusurile sunt responsabile de numeroase boli, de la răceala obișnuită până la mortalul Ebola (figura 9). Cu toate acestea, multe virusuri nu provoacă boli.
Gândiți-vă la asta
- Sunt helminții microorganisme? Explicați de ce sau de ce nu.
- Cum se deosebesc virușii de alte microorganisme?
Microbiologia ca domeniu de studiu
Microbiologia este un termen larg care înglobează studiul tuturor tipurilor diferite de microorganisme. Dar, în practică, microbiologii tind să se specializeze într-unul din mai multe subdomenii. De exemplu, bacteriologia este studiul bacteriilor; micologia este studiul ciupercilor; protozoologia este studiul protozoarelor; parazitologia este studiul helminților și al altor paraziți; iar virusologia este studiul virusurilor (Figura 10).
Imunologia, studiul sistemului imunitar, este adesea inclusă în studiul microbiologiei deoarece interacțiunile gazdă-patogen sunt esențiale pentru înțelegerea noastră a proceselor bolilor infecțioase. Microbiologii se pot specializa, de asemenea, în anumite domenii ale microbiologiei, cum ar fi microbiologia clinică, microbiologia mediului, microbiologia aplicată sau microbiologia alimentară.
În acest manual, suntem preocupați în primul rând de aplicațiile clinice ale microbiologiei, dar, deoarece diferitele subdomenii ale microbiologiei sunt foarte legate între ele, vom discuta adesea aplicații care nu sunt strict clinice.
Bioetica în microbiologie
În anii 1940, guvernul american căuta o soluție la o problemă medicală: prevalența bolilor cu transmitere sexuală (BTS) în rândul soldaților. Mai multe studii finanțate de guvern, acum celebre, au folosit subiecți umani pentru a cerceta STD comune și tratamente. Într-un astfel de studiu, cercetătorii americani au expus în mod intenționat peste 1.300 de subiecți umani din Guatemala la sifilis, gonoree și chancroid pentru a determina capacitatea penicilinei și a altor antibiotice de a combate aceste boli. Printre subiecții studiului s-au numărat soldați guatemalezi, prizonieri, prostituate și pacienți psihiatrici – niciunul dintre ei nu a fost informat că participă la studiu. Cercetătorii au expus subiecții la boli cu transmitere sexuală prin diferite metode, de la facilitarea relațiilor sexuale cu prostituate infectate până la inocularea subiecților cu bacteriile cunoscute ca fiind cauza acestor boli. Această ultimă metodă presupunea realizarea unei mici răni pe organele genitale ale subiectului sau în altă parte a corpului, iar apoi introducerea bacteriilor direct în rană. În 2011, o comisie guvernamentală americană însărcinată cu investigarea experimentului a dezvăluit că doar o parte dintre subiecți au fost tratați cu penicilină, iar 83 de subiecți au murit până în 1953, probabil ca urmare a studiului.
Din păcate, acesta este unul dintre multele exemple oribile de experimente microbiologice care au încălcat standardele etice de bază. Chiar dacă acest studiu ar fi condus la o descoperire medicală care să salveze vieți (nu a făcut-o), puțini ar susține că metodele sale au fost sănătoase din punct de vedere etic sau justificabile din punct de vedere moral. Dar nu toate cazurile sunt atât de clare. Profesioniștii care lucrează în medii clinice se confruntă frecvent cu dileme etice, cum ar fi lucrul cu pacienții care refuză un vaccin sau o transfuzie de sânge care le poate salva viața. Acestea sunt doar două exemple de decizii de viață și de moarte care se pot intersecta cu convingerile religioase și filozofice atât ale pacientului, cât și ale profesioniștilor din domeniul sănătății.
Nu contează cât de nobil este obiectivul, studiile de microbiologie și practica clinică trebuie să fie ghidate de un anumit set de principii etice. Studiile trebuie să fie realizate cu integritate. Pacienții și subiecții de cercetare își dau consimțământul în cunoștință de cauză (nu numai că sunt de acord să fie tratați sau studiați, ci demonstrează că au înțeles scopul studiului și orice riscuri implicate). Drepturile pacienților trebuie să fie respectate. Procedurile trebuie să fie aprobate de o comisie de evaluare instituțională. Atunci când se lucrează cu pacienții, păstrarea exactă a înregistrărilor, comunicarea onestă și confidențialitatea sunt primordiale. Animalele utilizate pentru cercetare trebuie să fie tratate în mod uman și toate protocoalele trebuie să fie aprobate de un comitet instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor. Acestea sunt doar câteva dintre principiile etice explorate în casetele Eye on Ethics de pe parcursul acestei cărți.
Clinical Focus: Cora, Rezoluție
Acest exemplu încheie povestea Corei care a început în Ce știau strămoșii noștri și O abordare sistematică.
Eșantioanele de LCR ale Corei nu prezintă semne de inflamație sau infecție, așa cum ar fi de așteptat în cazul unei infecții virale. Cu toate acestea, există o concentrație ridicată a unei anumite proteine, proteina 14-3-3, în LCR-ul ei. O electroencefalogramă (EEG) a funcției sale cerebrale este, de asemenea, anormală. EEG-ul seamănă cu cel al unui pacient cu o boală neurodegenerativă precum Alzheimer sau Huntington, dar declinul cognitiv rapid al Corei nu se potrivește cu niciuna dintre acestea. În schimb, medicul ei concluzionează că Cora are boala Creutzfeldt-Jakob (CJD), un tip de encefalopatie spongiformă transmisibilă (TSE).
CJD este o boală extrem de rară, cu doar aproximativ 300 de cazuri în Statele Unite în fiecare an. Ea nu este cauzată de o bacterie, o ciupercă sau un virus, ci mai degrabă de prioni – care nu se încadrează perfect în nicio categorie anume de microbi. La fel ca și virușii, prionii nu se regăsesc în arborele vieții, deoarece sunt acelulare. Prionii sunt extrem de mici, aproximativ o zecime din dimensiunea unui virus tipic. Ei nu conțin material genetic și sunt compuși exclusiv dintr-un tip de proteină anormală.
CJD poate avea mai multe cauze diferite. Ea poate fi dobândită prin expunerea la țesutul creierului sau al sistemului nervos al unei persoane sau al unui animal infectat. Consumul de carne de la un animal infectat este o modalitate prin care poate avea loc o astfel de expunere. Au existat, de asemenea, cazuri rare de expunere la CJD prin contactul cu echipamente chirurgicale contaminate și de la donatori de cornee și hormoni de creștere care, fără să știe, aveau CJD. În cazuri rare, boala rezultă dintr-o mutație genetică specifică, care poate fi uneori ereditară. Cu toate acestea, la aproximativ 85% dintre pacienții cu CJD, cauza bolii este spontană (sau sporadică) și nu are o cauză identificabilă. Pe baza simptomelor sale și a progresiei rapide a acestora, Cora este diagnosticată cu CJD sporadică.
Din păcate pentru Cora, CJD este o boală fatală pentru care nu există un tratament aprobat. Aproximativ 90% dintre pacienți mor în termen de 1 an de la diagnosticare. Medicii ei se concentrează pe limitarea durerii și a simptomelor cognitive pe măsură ce boala avansează. Opt luni mai târziu, Cora moare. Diagnosticul ei de CJD este confirmat cu o autopsie a creierului.
Concepte cheie și rezumat
- Microorganismele sunt foarte diverse și se găsesc în toate cele trei domenii ale vieții: Archaea, Bacteria și Eukarya.
- Archaea și bacteriile sunt clasificate ca procariote deoarece nu au un nucleu celular. Archaea diferă de bacterii în ceea ce privește istoria evoluției, genetica, căile metabolice și compoziția peretelui celular și a membranei.
- Archaea locuiesc în aproape toate mediile de pe Pământ, dar nicio archaea nu a fost identificată ca agent patogen uman.
- Eucariotele studiate în microbiologie includ algele, protozoarele, ciupercile și helminții.
- Algele sunt organisme asemănătoare plantelor care pot fi unicelulare sau pluricelulare și își obțin energia prin fotosinteză.
- Protozoarele sunt organisme unicelulare cu structuri celulare complexe; cele mai multe sunt mobile.
- Fungii microscopici includ mucegaiurile și drojdiile.
- Helminții sunt viermi paraziți pluricelulare. Aceștia sunt incluși în domeniul microbiologiei deoarece ouăle și larvele lor sunt adesea microscopice.
- Virusurile sunt microorganisme celulare care au nevoie de o gazdă pentru a se reproduce.
- Domeniul microbiologiei este extrem de vast. Microbiologii se specializează de obicei într-unul dintre numeroasele subdomenii, dar toți profesioniștii din domeniul sănătății au nevoie de o bază solidă în microbiologia clinică.
Alegere multiplă
Care dintre următoarele tipuri de microorganisme este fotosintetic?
- levă
- virusuri
- helminți
- alge
- alge
Vezi răspunsul
Răspuns d. Algele sunt fotosintetice.
Care dintre următoarele este un microorganism procariot?
- helminți
- protozoare
- cianobacterii
- mucegai
- Mucegai
Vezi răspunsul
Răspuns c. Cianobacteria este un microorganism procariot.
Care dintre următoarele este acelular?
- virus
- bacterie
- fungus
- protozoar
Vezi răspunsul
Răspuns a. Virusurile sunt acelulare.
Care dintre următoarele este un tip de microorganism fungic?
- bacterie
- protozoar
- alga
- levă
Vezi răspunsul
Răspuns d. Drojdia este un tip de microorganism fungic.
Care dintre următoarele nu este un subdomeniu al microbiologiei?
- bacteriologie
- botanică
- microbiologie clinică
- virologie
Vezi răspunsul
Răspuns b. Botanica nu este un subdomeniu al microbiologiei.
Completați spațiul gol
Un ________ este un microorganism cauzator de boli.
Vezi răspunsul
Un agent patogen este un microorganism cauzator de boli.
Vezi răspunsul
Un agent patogen este un microorganism cauzator de boli.
Vârcolacii paraziți pluricelulare studiați de microbiologi se numesc ___________.
Afișează răspunsul
Vârcolacii paraziți pluricelulare studiați de microbiologi se numesc helminți.
Studiul virușilor este ___________.
Afișează răspunsul
Studiul virușilor este virologia.
Celulele organismelor procariote nu au _______.
Afișează răspunsul
Celulele organismelor procariote nu au un nucleu.
Gândiți-vă
- Descrisă diferențele dintre bacterii și archaea.
- Numiți trei structuri pe care diverse protozoare le folosesc pentru locomoție.
- Descrieți dimensiunile reale și relative ale unui virus, ale unei bacterii și ale unei celule vegetale sau animale.
- Contrapuneți comportamentul unui virus în afara față de cel din interiorul unei celule.
- Unde ar trebui să se încadreze un virus, o bacterie, o celulă animală și un prion pe acest grafic?
- P. Rudge et al. „CJD iatrogenă datorată hormonului de creștere derivat din hipofiză cu timpi de incubație determinați genetic de până la 40 de ani”. Brain 138 nr. 11 (2015): 3386-3399. ↵
- Kara Rogers. „Guatemala Syphilis Experiment: American Medical Research Project”. Encylopaedia Britannica. http://www.britannica.com/event/Guatemala-syphilis-experiment. Accesat la 24 iunie 2015. ↵
- Susan Donaldson James. „Experimentele cu sifilis șochează, dar și testele cu medicamente din lumea a treia”. ABC World News. 30 august 2011. http://abcnews.go.com/Health/guatemala-syphilis-experiments-shock-us-drug-trials-exploit/story?id=14414902. Accesat la 24 iunie 2015. ↵
- C. Greenaway „Dracunculiasis (Guinea Worm Disease)”. Canadian Medical Association Journal 170 nr. 4 (2004):495-500. ↵
- Organizația Mondială a Sănătății. „Dracunculioza (boala viermilor de Guineea)”. OMS. 2015. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs359/en/. Accesat la 2 octombrie 2015. ↵
- Greg Botelho. „Caz de boală Creutzfeldt-Jakob confirmat în New Hampshire”. CNN. 2013. http://www.cnn.com/2013/09/20/health/creutzfeldt-jakob-brain-disease/. ↵
- J.G. Heckmann et al. „Transmission of Creutzfeldt-Jakob Disease via a Corneal Transplant”. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 63 nr. 3 (1997): 388-390. ↵
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Fișa informativă privind boala Creutzfeldt-Jakob”. NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. ↵
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Creutzfeldt-Jakob Disease Fact Sheet” (în engleză). NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. Accesat la 22 iunie 2015. ↵