Bakterien (Eubakterien und Archaeen)

Die Mikrobiologie entstand weitgehend durch Untersuchungen von Bakterien. Die Experimente von Louis Pasteur in Frankreich, Robert Koch in Deutschland und anderen in den späten 1800er Jahren stellten die Bedeutung von Mikroben für den Menschen fest. Wie im Abschnitt Historischer Hintergrund angegeben, lieferte die Forschung dieser Wissenschaftler Beweise für die Keimtheorie der Krankheit und die Keimtheorie der Fermentation. In ihren Labors wurden Techniken für die mikroskopische Untersuchung von Proben, die Kultivierung (Züchtung) von Mikroben im Labor, die Isolierung von Reinkulturen aus Mischkulturpopulationen und viele andere Labormanipulationen entwickelt. Diese Techniken, die ursprünglich zur Untersuchung von Bakterien verwendet wurden, wurden für die Untersuchung aller Mikroorganismen modifiziert — daher der Übergang von der Bakteriologie zur Mikrobiologie.

Die Organismen, die die mikrobielle Welt bilden, werden entweder als Prokaryoten oder Eukaryoten charakterisiert; alle Bakterien sind prokaryotisch — dh einzellige Organismen ohne membrangebundenen Kern. Ihre DNA (das genetische Material der Zelle), anstatt im Zellkern enthalten zu sein, existiert als langer, gefalteter Faden ohne spezifische Position innerhalb der Zelle.

Bis in die späten 1970er Jahre war allgemein anerkannt, dass alle Bakterien in der evolutionären Entwicklung eng miteinander verwandt sind. Dieses Konzept wurde 1977 von Carl R. Woese und Coinvestigators an der Universität von Illinois, deren Forschung an ribosomaler RNA aus einem breiten Spektrum lebender Organismen ergab, dass sich zwei Bakteriengruppen auf getrennten Wegen aus einer gemeinsamen und alten Ahnenform entwickelten. Diese Entdeckung führte zur Etablierung einer neuen Terminologie, um die wichtigsten verschiedenen Gruppen von Mikroben zu identifizieren — nämlich die Eubakterien (die traditionellen oder „wahren“ Bakterien), die Archaeen (Bakterien, die sich in einem frühen Stadium der Evolution von anderen Bakterien unterschieden und sich von den Eubakterien unterscheiden) und die Eukaryoten (die Eukaryoten). Heute sind die Eubakterien einfach als die wahren Bakterien (oder die Bakterien) bekannt und bilden die Domänenbakterien. Die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Mitgliedern dieser drei Gruppen sind jedoch unsicher geworden, da Vergleiche zwischen den DNA-Sequenzen verschiedener Mikroben viele rätselhafte Ähnlichkeiten aufgedeckt haben. Infolgedessen ist die genaue Abstammung der heutigen Mikroben sehr schwer zu lösen. Sogar Merkmale, von denen angenommen wird, dass sie für verschiedene taxonomische Gruppen charakteristisch sind, wurden unerwartet bei anderen Mikroben beobachtet. So wurde 1999 erstmals ein anaerobes Ammoniak-Oxidationsmittel — das „Missing Link“ im globalen Stickstoffkreislauf — isoliert. Es wurde festgestellt, dass dieses Bakterium (ein abweichendes Mitglied der Ordnung Planctomycetales) innere Strukturen ähnlich wie Eukaryoten, eine Zellwand mit archaischen Merkmalen und eine Form der Fortpflanzung (Knospung) ähnlich der von Hefezellen aufweist.

Bakterien haben eine Vielzahl von Formen, darunter Kugeln, Stäbchen und Spiralen. Einzelne Zellen haben in der Regel eine Breite von 0,5 bis 5 Mikrometern (µm; Millionstel Meter). Obwohl einzellig, erscheinen Bakterien oft in Paaren, Ketten, Tetraden (Vierergruppen) oder Clustern. Einige haben Flagellen, äußere peitschenartige Strukturen, die den Organismus durch flüssige Medien treiben; einige haben Kapsel, eine äußere Beschichtung der Zelle; Einige produzieren Sporen — Fortpflanzungskörper, die ähnlich wie Samen unter Pflanzen funktionieren. Eines der Hauptmerkmale von Bakterien ist ihre Reaktion auf die Gram-Färbung. Abhängig von der chemischen und strukturellen Zusammensetzung der Zellwand sind einige Bakterien grampositiv und nehmen die violette Farbe des Flecks an, während andere gramnegativ sind.

Durch ein Mikroskop sehen die Archaeen Bakterien sehr ähnlich, aber es gibt wichtige Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung, biochemischen Aktivitäten und Umgebung. Die Zellwände aller echten Bakterien enthalten die chemische Substanz Peptidoglycan, während den Zellwänden der Archaeen diese Substanz fehlt. Viele Archaeer sind bekannt für ihre Fähigkeit, ungewöhnlich raue Umgebungen wie hohe Salz- oder Säuregehalte oder hohe Temperaturen zu überleben. Diese Mikroben, Extremophile genannt, leben an Orten wie Salinen, Thermalbecken und Tiefseeschlössern. Einige sind zu einer einzigartigen chemischen Aktivität fähig – der Produktion von Methangas aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Methan produzierende Archaeen leben nur in sauerstofffreien Umgebungen wie Sumpfschlamm oder im Darm von Wiederkäuern wie Rindern und Schafen. Gemeinsam zeigt diese Gruppe von Mikroorganismen eine enorme Vielfalt an chemischen Veränderungen, die sie in ihre Umgebung bringt.