Bakteriler ve arkeler

Bir çiftçi, fasulye ya da nohut ektiği tarlada ertesi yıl buğdayın daha gür bittiğini fark eder. Fasulye bitkisini dikkatle topraktan çıkarıp köklerine bakınca, kökler boyunca toplu iğne başı ile mercimek tanesi büyüklüğünde, pembemsi küçük yumrular görür. Bu yumruların içinde milyarlarca bakteri yaşar ve havadaki azotu bitkinin kullanabileceği bir biçime çevirir. Toprağı gübreleyen şey, gözle görülemeyen bu ortaklardır. Bakterilerin hastalık yapan canlılar olarak bilinmesi, onların yeryüzündeki rolünün yalnız küçük bir kısmını anlatır. Bu derste önce bakterilerin nasıl beslendiğine, nasıl çoğaldığına ve hangi ortamlarda yaşadığına, ardından arkelerin bakterilerden hangi yönleriyle ayrıldığına bakıyoruz.

• Bakterileri beslenme biçimlerine ve oksijen ihtiyaçlarına göre gruplandırırsın.
• Bakterilerin çoğalmasını, endospor oluşturmasını ve gen alışverişini açıklarsın.
• Bakterilerin doğadaki, sağlıktaki ve gündelik hayattaki rollerine örnek verirsin.
• Arkelerin yaşadığı ortamları ve bakterilerden ayrıldıkları özellikleri tanırsın.

İki prokaryot alem

Bakteriler ve arkeler, Bakteriler ve Arkeler üst alemlerinin tek alemleridir. Hücre düzeyindeki ortak noktaları bilinir: ikisinde de çekirdek zarı yoktur, zarlı organel bulunmaz ve hepsi tek hücrelidir. Bazı türler hücrelerini zincir ya da küme halinde bir arada tutar, ama bu kümelerde her hücre kendi başına yaşamını sürdürebilir. Bu derste bu iki alemin hücre yapısından çok yaşam biçimlerine odaklanıyoruz.

Bakteriler nasıl beslenir?

Bakteriler beslenme bakımından şaşırtıcı ölçüde çeşitlidir. İki büyük gruba ayrılırlar.

Ototrof bakteriler kendi besinlerini inorganik maddelerden üretir. Bunların bir kısmı ışık enerjisini kullanır, yani fotosentez yapar. Siyanobakteriler bu grubun en bilinen üyesidir; klorofil taşırlar ve fotosentez sırasında oksijen açığa çıkarırlar. Öteki ototrofların enerji kaynağı ise ışık değil, inorganik maddelerin kimyasal tepkimeleridir. Amonyak, demir ya da kükürt bileşiklerini yükseltgeyerek enerji elde eden bu bakterilere kemosentetik bakteriler denir. Kemosentez ışığa bağlı olmadığı için toprağın derinlerinde ya da karanlık okyanus tabanlarında da yürüyebilir.

Heterotrof bakteriler besinlerini dışarıdan hazır organik madde olarak alır. Üç yaşam biçiminde karşımıza çıkarlar:

• Saprofit (çürükçül) bakteriler ölü canlıları ve atıkları parçalar. Enzimlerini dışarı salgılar, organik maddeyi hücre dışında sindirir ve küçük molekülleri emerler. Bu ayrıştırıcılar olmasaydı karbon, azot ve fosfor gibi elementler ölü maddelerde kilitli kalır ve madde döngüleri dururdu.
• Parazit bakteriler başka bir canlının vücudunda yaşar ve ona zarar verir. Verem ve kolera gibi hastalıklar bakteri kaynaklıdır.
• Mutualist (karşılıklı yarar ilişkisinde olan) bakteriler yaşadıkları canlıyla iki taraflı fayda ilişkisi kurar. Kancadaki kök yumrusu bakterileri bitkiye azot sağlar, karşılığında bitkiden besin alır. İnsan bağırsağındaki bakteriler de bazı vitaminlerin üretimine katkıda bulunur ve zararlı mikropların yerleşmesini zorlaştırır.

Oksijenle ilişki

Bakteriler oksijene göre de gruplanır. Zorunlu aerob bakteriler yaşamak için oksijene muhtaçtır. Zorunlu anaerob bakteriler için oksijen zehir etkisi yapar; bunlar oksijensiz ortamlarda, örneğin derin yaralarda, bataklık çamurunda ya da kapalı konserve kutularında çoğalabilir. Fakültatif anaerob bakteriler ise ortamda oksijen varsa oksijenli solunum yapar, yoksa fermantasyona geçer. Bu esneklik onlara çok farklı ortamlarda yaşama şansı verir.

Çoğalma ve dayanıklılık

Bakterilerin çoğalması eşeysizdir: kalıtım maddesi kopyalanır, ardından hücre ortadan ikiye ayrılır. Uygun sıcaklık ve besin bulunduğunda bazı türler yaklaşık her yirmi dakikada bir bölünebilir. Bu hız, bir bakterinin kısa sürede milyonlarca hücreye ulaşabilmesini açıklar; açıkta bırakılan yemeğin birkaç saatte bozulmasının nedeni de budur.

Bazı bakteriler koşullar kötüleştiğinde endospor oluşturur. Endospor, kalıtım maddesini ve az miktarda sitoplazmayı kalın bir örtüyle saran, kuruluğa, sıcağa ve kimyasallara çok dayanıklı bir yapıdır. Bir bakteri hücresi genellikle tek bir endospor yapar ve koşullar düzelince bu spordan yine tek bir hücre çıkar. Bu yüzden endospor bir çoğalma yolu değil, bir dayanma yoludur. Konserve ve tıbbi aletlerin yüksek basınçlı buharla sterilize edilmesinin nedeni bu dayanıklı yapıları da yok etmektir.

Bakteriler eşeyli üreme yapmaz, ama aralarında gen alışverişi olur. Konjugasyon sırasında bir bakteri, kurduğu geçici bir bağlantı üzerinden küçük bir DNA parçasını başka bir bakteriye aktarabilir. Antibiyotiğe direnç sağlayan genler bu yolla bir bakteriden ötekine geçebilir. Antibiyotiklerin gereksiz ya da yarım kullanılması, dirençli bakterilerin hayatta kalıp çoğalmasına yol açar.

Gündelik hayattaki bakteriler

Yoğurt, peynir ve turşu yapımında bakterilerin fermantasyonundan yararlanılır. Atık su arıtma tesislerinde organik kirleticiler bakterilerle parçalanır. Biyoteknolojide bakterilere insan genleri aktarılarak insülin gibi ilaçlar üretilir. Öte yandan gıdaların bozulması ve bazı zehirlenmeler de bakteri kaynaklıdır; buzdolabında saklama, kurutma, tuzlama ve kaynatma gibi yöntemlerin ortak amacı bakteri çoğalmasını yavaşlatmak ya da durdurmaktır.

Azot döngüsündeki yer

Canlılar proteinlerini ve nükleik asitlerini kurmak için azota muhtaçtır. Havanın büyük kısmı azot gazıdır, ama bitkiler ve hayvanlar bu gazı doğrudan kullanamaz. Azotu bağlayıp amonyağa çeviren bakteriler, amonyağı nitrata dönüştüren kemosentetik bakteriler ve nitratı yeniden azot gazına çeviren bakteriler bu döngünün farklı halkalarını oluşturur. Kancadaki tarlanın verimi bu zincirin bir halkasının sonucudur.

Arkeler

Arkeler dış görünüşleriyle bakterilere çok benzer; uzun süre onlarla aynı grupta sayılmalarının nedeni budur. Ama moleküler karşılaştırmalar önemli farkları ortaya çıkarmıştır. Arkelerin zarındaki lipitler bakterilerinkinden farklı bir kimyasal yapıdadır ve hücre duvarlarında bakterilerde bulunan peptidoglikan yoktur. Kalıtım bilgisinin okunmasında kullandıkları bazı moleküller ise bakterilerden çok ökaryotlarınkine benzer.

Arkelerin bir kısmı aşırı koşullara uyum sağlamıştır:

• Termofil arkeler kaplıcalar ve okyanus tabanındaki sıcak su kaynakları gibi çok sıcak ortamlarda yaşar.
• Halofil arkeler tuz oranı çok yüksek göllerde ve tuzlalarda yaşar.
• Metanojen arkeler oksijensiz ortamlarda metan gazı üretir; bataklık çamurunda ve geviş getiren hayvanların sindirim kanalında bulunurlar.

Arkelerin yalnız aşırı ortamlarda yaşadığını sanmak yanlıştır; okyanuslarda, toprakta ve insan bağırsağında da bulunurlar. İnsanda hastalık yaptığı bilinen bir arke türü ise tanımlanmamıştır. Bu durum, onları hastalık etkeni olabilen birçok bakteriden ayıran bir özelliktir.

Sıradaki ders, ökaryotlar arasında ne bitki ne hayvan ne de mantar sayılan, çoğu tek hücreli canlıların oluşturduğu protistleri ele alıyor.

Örnek 1 — Beslenme biçimi

Soru: Amonyağı yükseltgeyerek elde ettiği enerjiyle inorganik maddelerden besin üreten bir bakteri hangisidir?

• A) Saprofit
• B) Parazit
• C) Kemosentetik ototrof
• D) Fotosentetik ototrof
• E) Mutualist heterotrof

Çözüm: Enerji kaynağı ışık değil kimyasal tepkime olduğu ve besin kendisi tarafından üretildiği için kemosentetiktir. Cevap: C.

Örnek 2 — Endospor

Soru: Bakterilerde endospor oluşumunun asıl işlevi nedir?

• A) Bakteri sayısını hızla artırmak
• B) Olumsuz koşullara dayanıp hayatta kalmak
• C) Eşeyli üreme yapmak
• D) Fotosentez yapmak
• E) Besin depolamak

Çözüm: Bir hücreden bir endospor, bir spordan bir hücre çıkar; sayı artmaz, dayanıklılık kazanılır. Cevap: B.

Örnek 3 — Oksijen

Soru: Oksijenli ortamda oksijenli solunum, oksijensiz ortamda fermantasyon yapan bakteri hangi gruptadır?

• A) Zorunlu aerob
• B) Zorunlu anaerob
• C) Termofil
• D) Halofil
• E) Fakültatif anaerob

Çözüm: İki yolu da kullanabilmek fakültatif anaerobların özelliğidir. Cevap: E.

Örnek 4 — Arke

Soru: Bataklık çamurunda yaşayıp metan gazı üreten prokaryotlar hangisidir?

• A) Siyanobakteriler
• B) Halofil arkeler
• C) Kök yumrusu bakterileri
• D) Metanojen arkeler
• E) Saprofit bakteriler

Çözüm: Oksijensiz ortamda metan üretmek metanojen arkelerin ayırt edici özelliğidir. Cevap: D.

• Bütün bakterileri zararlı saymak. Ayrıştırıcı, azot bağlayan ve bağırsakta yaşayan bakteriler yaşam için gereklidir.
• Bütün bakterileri heterotrof saymak. Siyanobakteriler ve kemosentetik bakteriler kendi besinini üretir.
• Endosporu çoğalma yolu sanmak. Endospor bir dayanma yapısıdır; sayıyı artırmaz.
• Konjugasyonu eşeyli üreme sanmak. Gen aktarımı olur, ama yeni birey oluşmaz.
• Arkeleri yalnız aşırı ortamlara bağlamak. Toprakta, denizde ve bağırsakta da bulunurlar.