Когато условията са благоприятни, бактериалната клетка се размножава. Основният начин за възпроизвеждане на бактериите е чрез просто разделяне на клетката наполовина (бинарно делене). В началото на деленето клетката се удължава, след което нуклеоидът се дели. Нуклеоидът е представен от суперспирална и плътно опакована самовъзпроизвеждаща се ДНК молекула - репликон. Плазмидите също са репликони. Репликацията на ДНК се осъществява с участието на ензими ДНК полимераза. Процесът започва в определена точка на ДНК и протича едновременно в две противоположни посоки. Репликацията също завършва на определено място в ДНК. В резултат на репликацията количеството на ДНК в клетката се удвоява. Новосинтезираните ДНК молекули, състоящи се от една майчина и една новосинтезирана верига, постепенно се диспергират в получените дъщерни клетки. Смята се, че репликацията на ДНК отнема почти 80% от общото време, прекарано от деленето на бактериална клетка. След като репликацията на ДНК приключи, процесът на клетъчно делене започва. Първо се синтезира двуслойна цитоплазмена мембрана, след което се синтезира пептидогликан между слоевете на мембраната. Процесът завършва с образуването на дял.
По време на репликацията на ДНК и образуването на разделителна преграда клетката на микроорганизма непрекъснато расте. През този период в клетката активно протичат следните процеси: синтез на пептидогликан от клетъчната стена и компоненти на цитоплазмената мембрана, образуване на нови рибозоми и други органели. На последния етап от деленето дъщерните клетки се отделят една от друга, но при някои видове бактерии процесът не е завършен, което води до образуването на вериги от клетки (стрептококи, тетракоки и др.). Когато пръчковидни бактерии се делят, клетките първо растат на дължина. Когато бактерията стане двойно по-дълга, пръчката се стеснява донякъде в средата и след това се разделя на две клетки.
Някои бактерии се характеризират с друг начин на размножаване - пъпкуване, което е вид бинарно делене. Бактериите от родовете се размножават чрез пъпкуване Hyphomicrobium,Педомикробиуми други, обединени в групата на пъпкуващите бактерии. Тези организми имат вид на удължени пръчици, понякога с крушовидна форма, завършващи с хифи. Размножаването при тези бактерии започва с образуването на пъпка в края на хифата или директно върху майчината клетка. Пъпката расте в дъщерна клетка, образува флагел и се отделя от майчината клетка. При достигане на зряло състояние флагелът се губи и процесът на развитие се повтаря. Понякога бактериите изпитват полов процес, наречен конюгация.
В резултат на растежа и размножаването от една клетка на микроорганизъм се образува колония от неговите потомци. Микроорганизмите се характеризират с висока степен на възпроизводство, оценена от време на поколение, т.е. времето, през което се извършва деленето на клетките: за 24 часа, понякога се сменят толкова поколения, колкото човек има за пет хиляди години. Скоростта на размножаване зависи от редица условия и може да бъде доста различна за всеки вид бактерии. Ако в средата има необходимите хранителни вещества, благоприятна температура и оптимална реакция на околната среда, деленето на всяка клетка, например при E. coli, може да се повтаря на всеки 20-30 минути. При тази скорост на възпроизвеждане една клетка може да произведе 472 10 19 клетки на ден (72 поколения). Ако приемем, че 1 милиард бактериални клетки тежат 1 mg, тогава 472 10 19 клетки ще тежат 4720 тона Такава маса жива материя може да се получи при наличието на идеални условия, които изключват клетъчната смърт.
Високата интензивност на размножаване осигурява запазването на микроорганизмите на земната повърхност: при неблагоприятни условия те умират масово, но е достатъчно няколко клетки да оцелеят някъде и при оптимални условия те отново ще дадат огромно количество на организми.
Бактериалният растеж възниква в резултат на много взаимосвързани биохимични реакции, които синтезират клетъчен материал. При бактериите се прави разлика между индивидуалния растеж на бактериална клетка и растежа на бактерии в популация.
Индивидуалният растеж се оценява по увеличаването на размера на отделните индивиди. Скоростта на растеж зависи от външните условия и физиологичното състояние на самата клетка. При постоянни условия растежът протича с постоянна скорост. Пръчковидните бактерии растат предимно по посока на дългата ос; коките растат равномерно във всички посоки. В интервала между клетъчните деления бактериите са по-големи, отколкото непосредствено след деленето.
Размножаване на бактерии
Най-често бактериите се размножават чрез бинарно делене, когато една клетка се образува на две, всяка от които се дели отново. Процесът на делене винаги се предшества от репликация (удвояване) на ДНК. Има два вида разделяне - разделяне чрез стесняване (завързване) и използване на напречна преграда (Фигура A.7).
Деление чрез стеснение(констрикция) се придружава от стесняване на клетката на мястото на нейното делене и в този процес участват всички слоеве на клетъчните мембрани. Изпъкването на мембраните в клетката я стеснява все повече и повече и накрая я разделя на две. Това разделение е характерно за грам-отрицателните бактерии. Разделяне за образуване на напречна преградахарактерни за грам-положителните бактерии. Въпреки това, при някои групи бактерии е отбелязана промяна в методите на разделяне (тионни бактерии, микобактерии). При сферичните бактерии могат да се образуват няколко напречни прегради (тетракоки, сарцина). Пъпкуване Ubacteria е вид бинарно делене. Този метод на размножаване е характерен за бактерии, които имат диморфни или полиморфни клетъчни цикли. Пъпкуващите бактерии се характеризират с клетъчна полярност. Някои бактерии се възпроизвеждат с помощта на екзоспори (но не и ендоспори!), Някои - чрез фрагменти от хифи (актиномицети). Някои бактерии имат генитални власинки, или П-пих.
Периодът от разделяне до разделяне се нарича клетъчен цикъл. Има няколко вида вегетативен клетъчен цикъл: мономорфен- образува се само един морфологичен тип клетки (например бацили), диморфен- два морфологични типа клетки, полиморфен- няколко (актиномицети). В диморфните и полиморфните цикли се разграничават дъщерните и майчините клетки.
Бактериите се характеризират с висока скорост на размножаване. Например, при благоприятни условия E. coli се дели на всеки 20-30 минути, на ден това дава 2 72, т.е. 72 поколения. При условия, изключващи смърт, тази биомаса ще бъде 4720 т. Скоростта на възпроизвеждане зависи от факторите на околната среда (температура, условия на хранене, влажност, реакция на околната среда и др.) и от видовите характеристики на бактериите. Високата скорост на размножаване на бактериите осигурява тяхното запазване на земята дори в условията на масова смърт. Оцелелите отделни клетки се размножават и раждат отново.
Растеж на бактерии в популация.Население (фр. население- популация) е колекция от бактерии от един и същи вид (чиста култура) или различни видове (смесена асоциация), развиващи се в ограничено пространство (например в хранителна среда). В бактериалната популация клетките непрекъснато растат, възпроизвеждат се и умират. Култивирането на микроорганизми в изкуствени условия може да бъде периодично, непрекъснато и синхронно.
Пакетно (стационарно) отглежданепротича без приток и отток на хранителната среда. Характеризира се с класически крива на растеж на микроорганизми,в които се разграничават отделни фази на растеж на бактериалната популация, отразяващи общия модел на растеж и размножаване на клетките.
Лаг фаза(Английски) закъснение- изоставане) започва от момента, в който бактериите се инокулират в свежа хранителна среда. Клетките се адаптират към тези условия на култура, растат, но не се размножават, те достигат максимална скорост на растеж. Абсолютните и специфичните темпове на растеж нарастват от нула до максимално възможните стойности.
Абсолютен темп на растежсе определя от отношението:
V = dx/dt , (1.1)
Където V - увеличение на биомасата или броя на клетките, изразено в единици маса, брой клетки или в условни единици за единица време.
х- биомаса или брой клетки;
T- време.
Специфичен темп на растежопределя се по формулата:
µ = (dx/dt)? 1/x, (1.2)
Където µ - прираст на биомаса за единица време за единица биомаса,
х- начална биомаса.
Продължителността на лаг фазата зависи от биологичните характеристики на бактериите, възрастта на културата, количеството на инокулума, състава на хранителната среда, температурата, аерацията, pH и др. Някои бактерии имат кратък период на забавяне на растежа , други дълъг. Колкото по-млада е културата, толкова по-кратък е периодът. Колкото по-близък е съставът на хранителната среда до този, в който са отглеждани микроорганизмите, толкова по-къса е лаг фазата. Промените в хранителната среда водят до промяна в лаг фазата, тъй като е необходимо време за синтезиране на ензими или повишаване на тяхната активност. По този начин факторите на забавяне на растежа могат да бъдат разделени на външни (състав на средата, рН, температура и др.) И вътрешни (възраст на културата). Продължителността на фазата може да бъде от няколко минути до няколко часа и дори дни. В тази фаза μ = 0 .
Дневник фаза (логаритмичен, или експоненциален) се характеризира с максимална скорост на бактериално делене. Общият брой на бактериите се определя по формулата:
N = N 0 -2 n, (1.3)
Където н И N 0- общият брой клетки съответно в края на фазата и в началото на фазата;
н- броят на поколенията или поколенията.
В микробиологичната практика, за да изразят общия брой на микробните клетки, най-често използват не абсолютни числа (тъй като достигат огромни стойности), а техните логаритми. След вземане на логаритъм на уравнение (1.3): log N = log N 0 + n?lg2, n?lg2 = log N - log N 0, следователно броят на поколенията е: n = (log N - log N 0)/ log2
Скоростта на възпроизвеждане на една клетка или период на поколение:
g = t/n , (1.4)
Където T - време;
н - брой поколения;
ж- период на генериране.
означава: g = t ?lg 2 / (log N - log N 0) (1.5)
Горните уравнения се основават на предположението, че в логаритмичната фаза 100% от клетките са жизнеспособни. Експериментално обаче е установено, че около 20% от клетките умират още в тази фаза, затова се прави поправка в дадените формули - вместо 2 се приема 1,6.
Експоненциалното нарастване на населението се описва с уравнението:
X = X 0? e μ max ? T , (1.6)
Където х И X 0 - брой клетки (или биомаса) съответно в края и в началото на експеримента;
T- време на опит;
д- основата на естествения логаритъм;
μ макс -максимална специфична скорост на растеж.
По време на логаритмичната фаза повечето клетки са физиологично млади, биохимично активни и също така най-чувствителни към неблагоприятните фактори на околната среда. В тази фаза μ = макс .
Фаза на бавен растеж. Той съчетава две фази - линейна фаза на растеж(μ = const) и фаза на отрицателно ускорение. Фазата се характеризира през периода на линеен растеж с постоянна скорост на нарастване на биомасата (броя клетки). След това, при преминаване към фазата на отрицателно ускорение, броят на делящите се клетки намалява. Началото на фазата се обяснява с количествени промени в състава на хранителната среда (консумация на хранителни вещества, натрупване на метаболитни продукти).
Стационарна фазахарактеризиращ се с баланс между умиращи и новообразувани клетки. Факторите, ограничаващи бактериалния растеж в предходната фаза, са причина за стационарната фаза. Няма увеличение на биомасата (μ = 0 ) . В тази фаза се наблюдава максимална биомаса и максимален общ брой клетки. Тези максимални стойности се наричат жътва, или изход.
Фаза на умиране (експоненциална клетъчна смърт) се характеризира с намаляване на броя на живите клетки, увеличаване на хетерогенността на популацията (появяват се клетки, които не възприемат багрилото, със слабо развитие на муреиновия слой и др.). Процесът на смъртта надделява над разделянето (μ< 0).
Фаза на оцеляванехарактеризиращ се с наличието на отделни клетки, които са запазили жизнеспособност за дълго време в условията на смърт на по-голямата част от клетките в популацията. Оцелелите клетки се характеризират с ниска активност на метаболитните процеси, промени в клетъчната ултраструктура (финозърнеста цитоплазма, липса на полирибозоми и др.). Клетките са по-устойчиви на неблагоприятни условия на околната среда.
По този начин, по време на стационарно култивиране, микробните клетки са постоянно в променящи се условия: първо всички хранителни вещества са в излишък, след това постепенно възниква техният дефицит, след което клетките се отравят от метаболитни продукти.
Влияние на ограничаващите фактори върху скоростта на растеж. За нормален растеж и развитие на микроорганизмите средата трябва да съдържа необходимите хранителни вещества, да има подходящо pH, температура и др. Наричат се фактори, ограничаващи растежа на културата ограничаване. Характерна особеност на растежа на популация от микроорганизми е зависимостта на специфичната скорост на растеж от концентрацията на субстрата. Тази зависимост е изразена Уравнение на Моно, което е хиперболична функция:
μ = μ max ? S/(S + K S), (1.7)
Където μ - специфичен темп на растеж ;
μ макс- максимален специфичен темп на растеж;
С- концентрация на субстрата;
К С- константа на насищане, числено равна на концентрацията на субстрата, която осигурява скорост на растеж, съответстваща на половината от стойността на μ max.
Тъй като хранителните вещества се консумират, околната среда се обогатява с метаболитни продукти, които също ограничават растежа на културата. Най-общият случай на влиянието на концентрацията на субстрата и метаболитните продукти върху скоростта на растеж на популация от микроорганизми е отразен в модела на N.D. Йерусалим:
μ = μ max ? S/(S + K S) ? K R / (K R + R), (1.8)
Където Р- концентрация на метаболитни продукти;
К Р- константа, числено равна на концентрацията на метаболитни продукти, при която скоростта на растеж се забавя наполовина.
Анализът на това уравнение показва, че при условие K P >> P, когато стойността на P може да бъде пренебрегната. скоростта на растеж е ограничена само от концентрацията на субстрата. Ако S >> K S , тогава скоростта на растеж е ограничена от натрупването на метаболитни продукти.
Непрекъснато отглеждане. Ако непрекъснато се подава свежа хранителна среда към контейнера, където се намира бактериалната популация, и в същото време културална течност, съдържаща бактериални клетки и метаболитни продукти, се отстранява със същата скорост, тогава се получава непрекъснато култивиране. Чрез регулиране на скоростта на потока на средата е възможно да се контролира растежа на бактериалната популация, например чрез удължаване на логаритмичната или стационарна фаза за всяко необходимо време. Непрекъснато култивиране се извършва в специални апарати - хемостати и турбидостати. Непрекъснатото култивиране на микроорганизми се използва за изучаване на тяхната физиология, биохимия, генетика и др., а също така се използва широко в микробиологичната индустрия.
Синхронни култури- това са култури, в които за известно време всички клетки се делят едновременно (синхронно) поради еднаквата готовност за делене на всички индивиди. Синхронизацията се постига чрез физични и химико-биологични методи. Физическите методи включват излагане на температура, диференциално центрофугиране или диференциално филтриране, химичните и биологичните методи включват принудително гладуване на бактерии, отглеждане на бактерии върху по-ниска среда и след това прехвърлянето им в пълна среда. Синхронните култури се използват за генетични и цитологични изследвания, за изследване на синтеза на отделни клетъчни компоненти по време на бактериалното делене.
Възпроизвеждането на бактерии чрез делене е най-често срещаният метод за увеличаване на размера на микробната популация. След разделянето бактериите растат до първоначалния си размер, което изисква определени вещества (растежни фактори).
Методите за размножаване на бактериите са различни, но повечето от техните видове имат форма на безполово размножаване чрез делене. Бактериите рядко се размножават чрез пъпкуване. Сексуалното размножаване на бактериите е налице в примитивна форма.
Ориз. 1. Снимката показва бактериална клетка в етап на делене.
Генетичен апарат на бактериите
Генетичният апарат на бактериите е представен от една ДНК - хромозома. ДНК е затворена в кръг. Хромозомата е локализирана в нуклеотид, който няма мембрана. Бактериалната клетка съдържа плазмиди.
Нуклеоид
Нуклеоидът е аналог на ядрото. Намира се в центъра на клетката. Съдържа ДНК, носител на наследствена информация в сгъната форма. Развитата ДНК достига дължина до 1 mm. Ядреното вещество на бактериалната клетка няма мембрана, ядро или набор от хромозоми и не се дели чрез митоза. Преди да се раздели, нуклеотидът се удвоява. По време на деленето броят на нуклеотидите се увеличава до 4.
Ориз. 2. Снимката показва бактериална клетка в разрез. В централната част се вижда нуклеотид.
Плазмиди
Плазмидите са автономни молекули, сгънати в пръстен от двойноверижна ДНК. Тяхната маса е значително по-малка от масата на нуклеотида. Въпреки факта, че наследствената информация е кодирана в ДНК на плазмидите, те не са жизненоважни и необходими за бактериалната клетка.
Ориз. 3. На снимката е показан бактериален плазмид.
Етапи на разделяне
След достигане на определен размер, характерен за възрастна клетка, се задействат механизми за делене.
репликация на ДНК
Репликацията на ДНК предхожда клетъчното делене. Мезозомите (гънките на цитоплазмената мембрана) задържат ДНК, докато процесът на делене (репликация) завърши.
Репликацията на ДНК се осъществява с помощта на ензими ДНК полимерази. По време на репликацията водородните връзки в двойноверижната ДНК се разкъсват, което води до образуването на две едноверижни дъщерни ДНК от една ДНК. Впоследствие, когато дъщерните ДНК заемат мястото си в отделените дъщерни клетки, те се възстановяват.
Веднага след като репликацията на ДНК завърши, в резултат на синтеза се появява стесняване, което разделя клетката наполовина. Първо нуклеотидът се разделя, а след това цитоплазмата. Синтезът на клетъчната стена завършва деленето.
Ориз. 4. Схема на делене на бактериална клетка.
Обмяна на ДНК участъци
При Bacillus subtilis процесът на репликация на ДНК завършва с размяна на две ДНК секции.
След клетъчното делене се образува мост, през който ДНК на една клетка преминава в друга. След това двете ДНК са преплетени. Някои участъци от двете ДНК се слепват. В местата на адхезия ДНК сегментите се обменят. Една от ДНК преминава по джъмпера обратно в първата клетка.
Ориз. 5. Вариант на обмен на ДНК при Bacillus subtilis.
Видове деления на бактериални клетки
Ако клетъчното делене е преди процеса на разделяне, тогава се образуват многоклетъчни пръчици и коки.
При синхронно клетъчно делене се образуват две пълноценни дъщерни клетки.
Ако нуклеотидът се дели по-бързо от самата клетка, тогава се образуват мултинуклеотидни бактерии.
Методи за разделяне на бактерии
Деление чрез разбиване
Разделянето чрез разрушаване е характерно за антраксните бацили. В резултат на това делене клетките се разпадат в точките на свързване, разрушавайки цитоплазмените мостове. След това те се отблъскват, образувайки вериги.
Плъзгащо се разделение
При плъзгащо се разделяне, след разделянето клетката се отделя и сякаш се плъзга по повърхността на друга клетка. Този метод на разделяне е типичен за някои форми на Escherichia.
Сплит сплит
При секущо деление една от разделените клетки със свободния си край описва дъга от кръг, чийто център е точката на контакт с друга клетка, образувайки римска пета или клинопис (Corynebacterium diphtheria, Listeria).
Ориз. 6. На снимката се виждат пръчковидни бактерии, образуващи вериги (антраксен бацил).
Ориз. 7. Снимката показва плъзгащ метод за отделяне на E. coli.
Ориз. 8. Методът на разделяне на коринебактериите.
Тип бактериални клъстери след разделяне
Клъстерите от делящи се клетки имат различни форми, които зависят от посоката на равнината на делене.
Глобуларни бактерииподредени един по един, два по два (диплококи), в пакети, във вериги или като чепки грозде. Пръчковидни бактерии - във вериги.
Спираловидни бактерии- хаотично.
Ориз. 9. Снимката показва микрококи. Те са кръгли, гладки и бели, жълти и червени на цвят. В природата микрококите са повсеместно разпространени. Те живеят в различни кухини на човешкото тяло.
Ориз. 10. На снимката има бактерии диплококус - Streptococcus pneumoniae.
Ориз. 11. Снимката показва бактерията Sarcina. Кокоидните бактерии се групират заедно в пакети.
Ориз. 12. Снимката показва стрептококова бактерия (от гръцки "streptos" - верига). Подредени във вериги. Те са причинители на редица заболявания.
Ориз. 13. На снимката бактериите са "златни" стафилококи. Подредени като „чепки грозде“. Гроздовете са златисти на цвят. Те са причинители на редица заболявания.
Ориз. 14. На снимката навитите бактерии Leptospira са причинителите на много заболявания.
Ориз. 15. Снимката показва пръчковидни бактерии от рода Vibrio.
Скорост на бактериално делене
Скоростта на делене на бактериите е изключително висока. Средно една бактериална клетка се дели на всеки 20 минути. Само за един ден една клетка образува 72 поколения потомство. Mycobacterium tuberculosis се дели бавно. Целият процес на разделяне им отнема около 14 часа.
Ориз. 16. Снимката показва процеса на делене на стрептококови клетки.
Сексуално размножаване на бактерии
През 1946 г. учените откриват половото размножаване в примитивна форма. В този случай не се образуват гамети (мъжки и женски репродуктивни клетки), но някои клетки обменят генетичен материал ( генетична рекомбинация).
В резултат на това се получава трансфер на гени спрежение- еднопосочно пренасяне на част от генетичната информация във формата плазмидипри контакт с бактериални клетки.
Плазмидите са малки ДНК молекули. Те не са свързани с хромозомния геном и са способни да се удвояват автономно. Плазмидите съдържат гени, които повишават устойчивостта на бактериалните клетки към неблагоприятни условия на околната среда. Бактериите често предават тези гени една на друга. Отбелязва се и трансфер на генетична информация към бактерии от друг вид.
При липсата на истински сексуален процес конюгацията играе огромна роля в обмена на полезни характеристики. Така се предава способността на бактериите да проявяват лекарствена резистентност. Прехвърлянето на резистентност към антибиотици между популациите, причиняващи болести, е особено опасно за човечеството.
Ориз. 17. Снимката показва момента на конюгация на две E. coli.
Фази на развитие на бактериалната популация
При посяване върху хранителна среда развитието на бактериалната популация преминава през няколко фази.
Начална фаза
Началната фаза е периодът от момента на засяване до израстването им. Средно началната фаза продължава 1 - 2 часа.
Фаза на забавяне на размножаването
Това е фазата на интензивен бактериален растеж. Продължителността му е около 2 часа. Зависи от възрастта на посева, периода на адаптация, качеството на хранителната среда и др.
Логаритмична фаза
По време на тази фаза има пик в скоростта на размножаване и увеличаване на бактериалната популация. Продължителността му е 5-6 часа.
Фаза на отрицателно ускорение
По време на тази фаза се наблюдава спад в скоростта на възпроизводство, броят на делящите се бактерии намалява и броят на мъртвите бактерии се увеличава. Причината за отрицателното ускорение е изчерпването на хранителната среда. Продължителността му е около 2 часа.
Стационарна максимална фаза
По време на стационарната фаза се отбелязва равен брой мъртви и новообразувани индивиди. Продължителността му е около 2 часа.
Фаза на ускоряване на смъртта
По време на тази фаза броят на мъртвите клетки прогресивно нараства. Продължителността му е около 3 часа.
Логаритмична смъртна фаза
По време на тази фаза бактериалните клетки умират с постоянна скорост. Продължителността му е около 5 часа.
Фаза на намаляване на скоростта
По време на тази фаза останалите живи бактериални клетки влизат в латентно състояние.
Ориз. 18. Фигурата показва кривата на растеж на бактериална популация.
Ориз. 19. На снимката колония от Pseudomonas aeruginosa е синьо-зелена, колония от микрококи е жълта, колония от Bacterium prodigiosum е кървавочервена, а колония от Bacteroides niger е черна.
Ориз. 20. На снимката се вижда колония от бактерии. Всяка колония е потомство на една клетка. В една колония броят на клетките е милиони. Колонията нараства за 1 - 3 дни.
Раздел на магнитно чувствителните бактерии
През 70-те години на миналия век са открити бактерии, живеещи в моретата, които имат чувство за магнетизъм. Магнетизмът позволява на тези удивителни същества да се движат по линиите на магнитното поле на Земята и да намират сяра, кислород и други вещества, от които толкова много се нуждае. Техният "компас" е представен от магнитозоми, които се състоят от магнит. При делене магнитно чувствителните бактерии разделят компаса си. В този случай стеснението по време на деленето става очевидно недостатъчно, така че бактериалната клетка се огъва и прави рязка фрактура.
Ориз. 21. Снимката показва момента на делене на магнитно чувствителна бактерия.
Бактериален растеж
Когато една бактериална клетка започне да се дели, две ДНК молекули се придвижват към противоположните краища на клетката. След това клетката се разделя на две равни части, които се отделят една от друга и се увеличават до първоначалния си размер. Скоростта на делене на много бактерии е средно 20 - 30 минути. Само за един ден една клетка образува 72 поколения потомство.
По време на процеса на растеж и развитие маса от клетки бързо абсорбира хранителни вещества от околната среда. Това се улеснява от благоприятни фактори на околната среда - температурни условия, достатъчни количества хранителни вещества и необходимото pH на околната среда. Аеробните клетки изискват кислород. Опасен е за анаероби. В природата обаче не се среща неограничено размножаване на бактерии. Слънчевата светлина, сухият въздух, липсата на храна, високата температура на околната среда и други фактори имат пагубен ефект върху бактериалната клетка.
Ориз. 22. Снимката показва момента на клетъчно делене.
Фактори на растежа
За растежа на бактериите са необходими определени вещества (растежни фактори), някои от които се синтезират от самата клетка, други идват от околната среда. Нуждата от растежни фактори е различна за всички бактерии.
Необходимостта от растежни фактори е постоянна характеристика, което прави възможно използването им за идентифициране на бактерии, приготвяне на хранителни среди и използването им в биотехнологиите.
Бактериалните растежни фактори (бактериални витамини) са химични елементи, повечето от които са водоразтворими витамини от група В. Към тази група спадат още хемин, холин, пуринови и пиримидинови бази и други аминокиселини. При липса на растежни фактори възниква бактериостаза.
Бактериите използват растежни фактори в минимални количества и непроменени. Редица химикали в тази група са част от клетъчните ензими.
Ориз. 23. Снимката показва момента на делене на пръчковидна бактерия.
Най-важните бактериални растежни фактори
- Витамин В1 (тиамин). Участва в метаболизма на въглехидратите.
- Витамин В2" (рибофлавин). Участва в редокс реакции.
- Пантотенова киселинае компонент на коензим А.
- Витамин В6 (пиридоксин). Участва в метаболизма на аминокиселините.
- Витамини B12(кобаламините са вещества, съдържащи кобалт). Те участват активно в синтеза на нуклеотиди.
- Фолиева киселина. Някои от неговите производни са част от ензими, които катализират синтеза на пуринови и пиримидинови бази, както и някои аминокиселини.
- Биотин. Участва в азотния метаболизъм, а също така катализира синтеза на ненаситени мастни киселини.
- Витамин РР(никотинова киселина). Участва в окислително-възстановителните реакции, образуването на ензими и метаболизма на липидите и въглехидратите.
- витамин H(пара-аминобензоена киселина). Той е растежен фактор за много бактерии, включително тези, обитаващи човешките черва. Фолиевата киселина се синтезира от пара-аминобензоена киселина.
- Gemin. Той е съставна част на някои ензими, които участват в окислителни реакции.
- Холин. Участва в реакциите на липидния синтез на клетъчната стена. Той е доставчик на метилова група в синтеза на аминокиселини.
- Пуринови и пиримидинови бази(аденин, гуанин, ксантин, хипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Веществата са необходими главно като компоненти на нуклеиновите киселини.
- Аминокиселини. Тези вещества са компоненти на клетъчните протеини.
Изискване за растежни фактори на някои бактерии
АуксотрофиЗа да осигурят живот, те изискват доставка на химикали отвън. Например, клостридиите не са в състояние да синтезират лецитин и тирозин. Стафилококите изискват доставка на лецитин и аргинин. Стрептококите изискват доставка на мастни киселини - компоненти на фосфолипидите. Коринебактериите и шигелите изискват никотинова киселина. Стафилококус ауреус, пневмококи и бруцела изискват витамин В1. Стрептококи и тетаничен бацил - в пантотенова киселина.
Прототрофисамостоятелно синтезират необходимите вещества.
Ориз. 24. Различните условия на околната среда имат различен ефект върху растежа на бактериалните колонии. Отляво има постоянен растеж под формата на бавно разширяващ се кръг. Вдясно има бърз растеж под формата на „издънки“.
Изследването на нуждата на бактериите от растежни фактори позволява на учените да получат голяма микробна маса, така необходима при производството на антимикробни лекарства, серуми и ваксини.
Прочетете повече за бактериите в статиите:
Бактериалната пролиферация е механизъм за увеличаване на броя на микробните популации. Бактериалното делене е основният метод на размножаване. След разделянето бактериите трябва да достигнат размер на възрастни. Бактериите растат чрез бързо абсорбиране на хранителни вещества от околната среда. Растежът изисква определени вещества (растежни фактори), някои от които се синтезират от самата бактериална клетка, а други идват от околната среда.
Изучавайки растежа и размножаването на бактериите, учените непрекъснато откриват полезните свойства на микроорганизмите, чиято употреба в ежедневието и в производството е ограничена само от техните свойства.
Растеж и размножаване на микроорганизми
Растежът е увеличаване на броя на химическите компоненти на микробната клетка. За характеризиране на растежа на микроорганизмите се използва понятието бактериална маса, която се изразява чрез плътността на бактериите (суха маса на 1 ml). Микробната пролиферация се описва с броя на бактериите, който отразява концентрацията на клетките в 1 ml. Няма строга пропорционалност между нарастването на броя на бактериите и бактериалната маса. Това се обяснява с факта, че в една бактериална популация не всички клетки са жизнеспособни - някои от тях са мъртви, други са на различни етапи на унищожаване. Докато участват в създаването на бактериална маса, такива клетки не участват в по-нататъшното размножаване на бактериите. Бактериите се размножават чрез директно делене. В този случай се образува стеснение или цитоплазмената мембрана започва да расте навътре, перпендикулярно на надлъжната ос на клетката с образуването на дисково-клетъчна плоча.
Тази пластина понякога може да бъде непълна и има дупка, в центъра на която свързва двете сестрински клетки. Впоследствие странична стена прераства в клетъчната плоча, която образува напречна преграда, разделяща клетъчната плоча на две части, всяка от които отива към една от получените клетки. Централният отвор, който не е разделен от напречна преграда или плоча, се нарича плазмодесмос. Плазмодесмът играе роля в свързването на някои бактериални клетки в дълги вериги или групи. В допълнение към това, което беше отбелязано, процесът на делене на бактериални клетки може да се случи чрез лигиране. Броят на бактериалните клетки се увеличава експоненциално по време на размножаването. За повечето бактерии времето за генериране е 20 - 30 минути.
Растежът и размножаването на бактериите се проявяват различно в зависимост от условията на култивиране. На твърди хранителни среди проявата на растежа и размножаването на бактериите е появата на колонии, които са визуално различими натрупвания на бактериални клетки. Колониите се характеризират с набор от специфични характеристики, въз основа на които могат да бъдат идентифицирани чисти култури от бактерии. Тези характеристики включват: размери (големи, средни, малки, микроскопични); форма (кръгла, разперена и т.н.); оцветяване в зависимост от производството на пигменти от бактерии; повърхност (изпъкнала, плоска, матова, лъскава и др.); естеството на ръбовете (гладки, грапави и т.н.); консистенция (хомогенна, пастообразна, лигава и др.); прозрачност (прозрачен, мътен).
Процесът на растеж започва с фаза на забавяне на растежа или лаг фаза. През този период се наблюдава интензивна метаболитна активност на бактериите, резултатът от която е подготовката на клетката за бързо възпроизвеждане. Фазата започва от момента, в който бактериите са въведени в околната среда. Продължителността му зависи от възрастта на засетата култура (при внасяне на стара култура отнема повече време), състава на средата, температурата и други фактори.
Растеж на бактериална клетка. Увеличаването на биомасата на клетъчната протоплазма в резултат на синтеза на пластичен материал по време на хранене се нарича растеж. Микробите растат бързо, достигайки границата на своята физиологична зрялост за кратко време.
Фиг. 1. Цикъл на развитие на Bacillus subtilis
1 - млад bacillus subtilis; 2 - Bacillus subtilis, който е отделил камшичетата си; 3 - разделяне на верига от клетки; 4 - образуване на флагели във вериги; 5 - образуване на спор
Клетъчно делене. Клетка, достигнала определена зряла възраст, започва да се дели и в хранителната среда едновременно се наблюдава растеж на бактериалната популация - културата. Клетъчното делене се предшества от образуването на цитоплазмена мембрана, която обикновено се образува в средата на бактериалната клетка. По време на клетъчното делене се извършва репликация (удвояване) на ДНК. В този случай водородните връзки се разкъсват и се образуват две вериги (спирали) от ДНК, всяка от които присъства в дъщерните клетки. Тогава едноверижните ДНК се свързват с водородни връзки и отново се появяват двойноверижни ДНК с генетична информация. Клетъчното делене се счита за завършено, когато новообразуваните клетки са разделени от цитоплазмена преграда.
Фиг.2. Електронна дифракция на ултратънки срезове от делящи се бактерии
a - стафилококи, които се разделят чрез образуване на разделителна преграда (обозначени със стрелки), × 32 000; b - Escherichia coli - в резултат на образуване на делителна стесняване (посочено със стрелки); 1 - клетъчна стена, 2 - цитоплазмена мембрана, 3 - нуклеоид; × 22 000.
Възпроизвеждането е бинарно делене на бактерии, рикетсии, протозои и др. В този случай се образуват два нови индивида, надарени с генетичната информация на майчината клетка. Този метод на възпроизвеждане се нарича интегрален, а вирусите се възпроизвеждат по дизюнктивен начин, тоест чрез разделен синтез на техните компоненти - нуклеинова киселина и протеин в клетката гостоприемник.
Бактериалните клетки се делят по-бързо в началните етапи на нарастване на популацията. В по-късните етапи деленето протича по-бавно, някои от майчините клетки умират и в някои видове бактерии се появяват различни включвания.
При благоприятни условия скоростта на растеж на бактериите е много висока. На всеки 15-20 минути един индивид става двама. Според изчисленията на някои изследователи, ако само за един час един микроб произведе два индивида, то в рамките на един ден броят на микробните клетки достига 16,5 милиона.Според образното определение на V.L.Omelyansky, потомството на една бактерия може да произведе такъв брой микроби в рамките на 5 дни, които могат да напълнят басейните на всички морета и океани.
При такова размножаване микробните клетки биха могли да покрият цялата повърхност не само на морета, океани, но и на континенти. Следователно човешкият живот на нашата планета би бил невъзможен. Въпреки това, няма абсолютен закон на геометричната прогресия в микробното размножаване. Техният растеж и размножаване се влияят негативно от антагонистичните взаимоотношения между микроорганизмите, изчерпването на хранителната среда, недостига на кислород и натрупването на токсични микробни отпадъчни продукти. Тези фактори предотвратяват непрекъснатото делене на клетките.
Дългогодишните изследвания и наблюдения на Бейл са установили, че в течна хранителна среда в определен обем се получава максимално развитие на клетки с максимален брой. В рамките на 24 часа при същите условия се установява концентрацията на клетките в 1 ml течна среда: за Escherichia coli и паратиф В бактерии - 1,5 милиарда, Григориев-Шига дизентерия бактерии и стафилококи - 300 милиарда, коремен тиф бацили - 800 милиарда. численият израз обикновено се нарича М-концентрация (М е максималната) на микробите. При нормални условия на отглеждане концентрацията М на клетки е границата за натрупване на микроби. Интересно е да се отбележи, че ако броят на микробите се инокулира в свежа хранителна среда, която е равна на М-концентрацията, тогава броят на клетките не се увеличава и ако броят на култивираните микроби надвишава М-концентрацията, излишните умират.
Размножаване на бактерии в популация
За да се разберат моделите на микробно възпроизвеждане в популация, се изучават чисти култури. Въпреки това микробите в естествени и изкуствени условия се срещат в асоциации. Бактериалната популация е колекция от бактерии, които се размножават в определен обем течна среда в епруветка, колба и др. Когато бактериите растат непрекъснато върху повърхността на плътна хранителна среда в епруветка, съвкупността от всички клетки в нея обикновено се счита за една популация. В случай на отглеждане на изолирани колонии, всяка от тях може да се счита за отделна популация, тъй като те не комуникират помежду си.
Когато микробите се отглеждат върху твърди хранителни среди, се разкриват някои особености на техния растеж, т.е. появяват се колонии, които представляват потомството на една или няколко клетки. Появата на колонии, тяхната форма, цвят, прозрачност, размер и други свойства са отличителни черти за всеки вид бактерии. Редица видове бактерии с флагели произвеждат непрекъснат растеж върху агар, покриващ цялата повърхност на плочата (Proteus vulgaris). Спорогенните видове се различават по естеството на своите колонии, образувайки непрозрачни колонии с матова повърхност.
Растежът на бактериалните клетки в течни хранителни среди се характеризира с равномерност, което не е така при твърдите хранителни среди. Но дори и с този метод могат да се наблюдават някои характеристики на бактериалния растеж. Видовете, които образуват сухи колонии върху твърда среда, произвеждат различни утайки в бистър бульон. Видовете, които образуват меки и влажни колонии, обикновено произвеждат хомогенен растеж, който равномерно нарушава средата за отглеждане.
За култура, растяща в течна среда, аерацията е от голямо значение. Известно е, че в епруветки или колби само горните слоеве течност влизат в контакт с атмосферния въздух и поради това някои задължителни аероби, например Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae и др., Се натрупват на повърхността, образувайки деликатен филм.
Фази на растеж на бактериалната популация
През 1918г Бюканън, изучавайки характеристиките на бактериалното размножаване, предложи крива, показваща броя на клетките за всеки период от време. Динамиката на бактериалното размножаване се характеризира със следните фази, означени с римски цифри. В началната фаза (сегмент I) бактериите се адаптират към новите условия на живот от момента, в който са засети върху хранителна среда. В тази фаза бактериите не се размножават. Продължителността на началната фаза е 1-2 часа. Началната фаза на размножаване (сегмент II) се характеризира с увеличаване на метаболитните процеси, скоростта на растеж и клетъчното делене. Бактериите обаче се размножават бавно. Продължителността на тази фаза е 2 часа.
В логаритмичната фаза (сегмент III) се наблюдава ускорен растеж и клетъчно делене. В тази фаза на максимално размножаване се формират морфологични, културни, биохимични, антигенни и вирулентни свойства, характерни за всеки вид бактерии. Продължителността на фазата е 5-6 часа. Фазата на забавяне (сегмент IV) настъпва след активен растеж и размножаване на бактериални клетки. До този момент условията в околната среда са се променили; Натрупват се токсични метаболитни продукти, снабдяването с хранителни вещества намалява, pH на околната среда не отговаря на индивидуалните нужди на отделните микроби, консумират се акцептори на водород, освобождаването на енергия и скоростта на клетъчно делене се забавят, времето за генериране намалява и броят на умиращите клетки се увеличава. Продължителността на фазата е 2 часа.
Стационарната фаза (сегмент V) се характеризира с постоянна концентрация на живи клетки в хранителната среда. Умерената клетъчна пролиферация не води до увеличаване на микробната маса. В тази фаза се установява баланс между броя на умиращите и нововъзникващите клетки. Продължителността на фазата е 2 часа. Фазата на ускорена смърт (сегмент VI) се характеризира с дисбаланс между възпроизводството и ускорената клетъчна смърт. Тази фаза продължава 4-5 часа. Във фазата на логаритмична смърт (сегмент VII), масивната клетъчна смърт настъпва с постоянна скорост. Продължителността на фазата е около 5 часа. Фазата на намаляваща смъртност (сегмент VIII) се характеризира с факта, че оцелелите бактерии влизат в латентно състояние.
Фазите на размножаване на бактериите във времето зависят от вида на бактериите, качеството на хранителната среда, нейната концентрация, температура и аерация. Следователно продължителността на всяка фаза е посочена приблизително. При оптимални условия клетъчното делене в редица индивиди се случва по различно време, например Е. coli се делят за 15-20 минути, тифните бактерии - 20-25 минути, стрептококите - 25-30 минути, Mycobacterium tuberculosis - 18-20 минути. часа.
Продължителността на фазата на клетъчна смърт е свързана с видовите характеристики на бактериите. Периодът на смърт на пневмокока продължава 2-3 дни, а E. coli продължава месеци. В етапа на умиране клетките са слабо оцветени и някои от тях не възприемат боя. Освен това се променят формите на бактериите, тяхната биохимична активност и антигенни свойства.
Бактериите са прокариоти (без ядрени), най-простите форми на организация на живите организми. Можете да разберете какви са тези организми от нашата статия.
Как се размножават бактериите: методи
Няма толкова много начини, по които бактериите се възпроизвеждат: просто делене, пъпкуване, конюгация (някои учени смятат, че това е сексуалният процес при бактериите). Нека разгледаме подробно всеки от тях.
Най-разпространеният метод за размножаване при бактериите в естествена среда е равното напречно делене. Това означава, че майчината клетка, след удвояване на ДНК веригата и всички органели, се разделя на две, образувайки две дъщерни клетки, чийто генетичен материал ще бъде подобен на този на майката. Така бактерията буквално се самоклонира. Процесът на делене се осъществява чрез образуване на стеснение или напречна преграда в екваториалната част на клетката.
Друг метод за размножаване, който бактериите използват в природата и човешкото тяло, е пъпкуването, което е малко по-различно от деленето. Така майчината клетка не се дели „наполовина“, а „отглежда“ дъщерна клетка (пъпка) на един от полюсите си. Майчината клетка най-често може да израсне до 4 дъщерни клетки, след което остарява и умира. Пъпкуването, подобно на деленето, произвежда генетични клонинги на майчината клетка.
Сексуален процес при бактериите
Друг начин за възпроизвеждане на бактерии, който включва най-простия полов процес, е конюгацията. По-често се използва от бактерии, живеещи в тялото на хора или животни. При тях, за разлика от еукариотите (ядрените организми), не се образуват гамети и половите клетки (гамети) не се сливат.
По време на такова размножаване две бактериални клетки влизат в контакт, образуват конюгационен мост и обменят гени, което води до образуването на генетично нови клетки. Този процес се нарича още генетична рекомбинация. Бактерии като ешерихия коли и някои други грам-отрицателни и грам-положителни бактерии се размножават по полов път.
