Bakterien

Bakterien als Lebewesen und Zelltyp

Bakterien bilden neben Eukaryoten und Archaeen eine der drei grundlegenden Domänen aller Lebewesen. Sie sind Prokaryoten: Ihre DNA liegt nicht in einem durch eine Doppelmembran abgegrenzten Zellkern, sondern frei im Cytoplasma. Sie ist dabei im Nucleoid, dem Kernäquivalent, stark zusammengedrängt. Die Wissenschaft von Bakterien heißt Bakteriologie.

Alle Bakterien besitzen Cytoplasmamembran, Cytoplasma, Nucleoid und Ribosomen. Die meisten haben zusätzlich eine Zellwand. Bei grampositiven Bakterien ist sie dick, bei gramnegativen dünn; gramnegative Bakterien besitzen außerhalb der Zellwand außerdem eine Äußere Membran. Das meist ringförmig geschlossene Bakterienchromosom enthält die Erbinformation. Zusätzliche kleine ringförmige DNA-Moleküle heißen Plasmide; sie können unabhängig vervielfältigt und zwischen Bakterien übertragen werden. Das Genom von Escherichia coli umfasst knapp 4,7 Millionen Basenpaare und rund 4400 Gene.

Formen, Größen und Bewegung

Bakterien können kugelförmig (Kokken), stäbchenförmig, wendelförmig (Spirillen oder Spirochäten) oder fadenförmig sein. Sie treten einzeln oder in Verbänden auf, etwa als Ketten, flächige Zelllagen oder dreidimensionale Zellpakete. Staphylokokken sind Haufenkokken, Streptokokken Kettenkokken und Diplokokken Doppelkokken.

Die meisten bekannten Bakterien sind 1 bis 5 µm lang und etwa 0,6 bis 1,0 µm dick. Einzelzellen reichen ungefähr von 0,1 bis 700 µm im Durchmesser. Besonders kleine Mycoplasmen erreichen etwa 0,3 µm. Das größte bekannte Bakterium ist Ca. Thiomargarita magnifica, das fadenförmig nachweislich bis zu 2 cm lang wird; T. namibiensis hat einen Durchmesser von 300–700 µm. Beide sind mit bloßem Auge sichtbar.

Viele Bakterien schwimmen mithilfe von Flagellen oder Geißeln. Diese bestehen aus einem wendelförmigen Proteinfaden von etwa 15 bis 20 nm Dicke und werden wie ein Propeller gedreht. Der Antrieb entsteht durch einen Protonenstrom. Spirochaeten schrauben sich durch Drehung ihres wendelförmigen Körpers durch das Medium. Andere, etwa Myxobakterien und manche Cyanobakterien, kriechen. Licht, chemische Stoffe, Sauerstoff, mechanische Reize oder Magnetfelder können die Bewegungsrichtung beeinflussen.

Lebensweise, Vermehrung und Genaustausch

Bakterien haben sehr unterschiedliche Stoffwechselweisen. Aerobier benötigen Sauerstoff, obligate Anaerobier werden durch Sauerstoff geschädigt, und fakultative Anaerobier vertragen ihn. Phototrophe Bakterien wie Cyanobakterien betreiben Photosynthese; die meisten Bakterien sind chemotroph. Von diesen sind die meisten heterotroph, einige jedoch chemoautotroph und lithoautotroph.

Einige Bakterien, zum Beispiel Bacillus, bilden Sporen als Dauerstadien. Dabei kommt der Stoffwechsel zum Stillstand, sodass ungünstige oder extreme Bedingungen überdauert werden können. Extremophile haben ihren Stoffwechsel unmittelbar an extreme Umweltbedingungen angepasst. In der Natur leben die meisten Bakterien in Biofilmen.

Die Vermehrung erfolgt asexuell durch Zellteilung, etwa durch Querteilung, Knospung oder multiple Sporenbildung. Die Nachkommen besitzen identische Genome und bilden einen Klon. Bei der Konjugation kann DNA über eine Plasmabrücke zwischen Zellen übertragen werden. Gramnegative Bakterien nutzen hierfür häufig Sexpili; bei grampositiven Bakterien ist Transduktion durch Bakteriophagen wichtiger. Transformation, also die Aufnahme freier DNA, ist kaum verbreitet.

Bedeutung für Menschen, Medizin und Umwelt

Bakterien sind Teil des menschlichen Mikrobioms. Ein Mensch besitzt etwa 10 Billionen (10^13) eigene Zellen, zusätzlich befinden sich auf und in ihm etwa zehnmal so viele Bakterien. Im Mund leben ungefähr 10 Milliarden (10^10), auf der Haut etwa eine Billion (10^12) Bakterien. Mehr als 100 Billionen (10^14) Mikroorganismen mit mindestens 400 Arten leben vor allem im Verdauungstrakt und bilden die Darmflora. Auch in der Lunge gesunder Menschen wurden 128 Bakterienarten nachgewiesen.

Bakterien können nützlich sein, aber auch Krankheiten auslösen. Sie verursachen unter anderem Wundinfektionen, Sepsis sowie Blasen- oder Lungenentzündung. Sterilisation macht Geräte und Materialien keimfrei, Desinfektion vermindert die Zahl von Bakterien stark. Antibiotika wie Penicillin wirken gegen Bakterien; Penicillin hemmt die Zellwand-Synthese und wirkt deshalb nur gegen wachsende Bakterien. Resistenzen können angeboren sein oder durch Mutationen entstehen. Antibiotika können zudem nützliche Darmbakterien schädigen, wodurch resistente Clostridium difficile schwere Durchfälle auslösen kann.

In der Biotechnik werden Bakterien zur Herstellung von Antibiotika, Enzymen, Insulin, Bioethanol, Essigsäure, Milchsäure und Aceton eingesetzt. Bedeutend sind unter anderem Escherichia coli, Clostridium, Corynebacterium, Lactobacillus und Acetobacter. Bodenbakterien wirken als Destruenten und machen Nährsalze für Pflanzen verfügbar. Cyanobakterien betreiben Photosynthese und bilden mit Algen das Phytoplankton, eine Nahrungsgrundlage vieler Gewässer.

Einteilung, Evolution und Forschung

Eine natürliche Klassifikation beruht vor allem auf molekularen Merkmalen, besonders auf der Basensequenz der 16S-rRNA. Aus Umweltproben und Metagenomanalysen werden mehr als 50 Bakterien-Phyla vermutet, obwohl viele davon noch nicht kultiviert werden konnten. Seit 2024 führt die LPSN Supergruppen und -phyla als Prokaryoten-Reiche ein; die Domäne Bacteria umfasst dabei unter anderem die Reiche Bacillati, Fusobacteriati, Pseudomonadati und Thermotogati.

Praktisch werden Bakterien weiterhin nach Form, Geißeln, Kapseln, Sporen, Stoffwechsel und Färbeverhalten unterschieden. Die Gramfärbung, 1884 von Gram eingeführt, gibt Hinweise auf Zusammensetzung und Struktur der Zellwand. Serologisch unterscheidbare Varianten heißen Serotypen.

Bakterien können Gene auch über Artgrenzen hinweg austauschen und DNA-Fragmente aus ihrer Umgebung aufnehmen. Chloroplasten und Mitochondrien vieler Eukaryoten gelten nach der Endosymbiontentheorie als Nachfahren ursprünglich eigenständiger Bakterien. Hinweise sind ihre Doppelmembran, eigene zirkuläre DNA sowie Ähnlichkeiten ihrer rRNA, Proteine und Codons mit denen von Bakterien.

Als letzter gemeinsamer Vorfahr aller Bakterien wird ein anaerobes Urbakterium angenommen, das vor 3,5 bis vielleicht 3,7 Milliarden Jahren in hydrothermalen Schloten lebte. Der Fund von Bacillus permians, dessen Alter auf 250 Millionen Jahre geschätzt wurde, ist umstritten: Andere Forschende verwiesen auf mögliche Verunreinigungen durch heutige Bakterien.