График роста и размножения бактерий. Фаза отрицательного ускорения
Бактерии самая древняя форма жизни на земле. Появились на планете около 3,8-3,6 миллионов лет назад. Агрессивные климатические условия сделали их выносливыми и стойкими к выживанию. Древнейшим существом будут цианобактерии.
Именно они поспособствовали накоплению в атмосфере кислорода. Наш организм состоит из многочисленных их видов. Различают полезные и вредные типы. Обитают везде: в воде, в воздухе, в человеке и животных существах, в слоях почвы.
Объем колоний зависит не только от строения, но и от того как происходит деление бактерий. Строение примитивное. Аппарат представляется слизистой капсулой или мембраной. Микроорганизм состоит из всего-то одной живой клетки.
В цитоплазме нет митохондрий и пластид. У большинства микробов есть жгутики и усики, с помощью них они и передвигаются по крови, сосудам и тканям. Являются прокариотами, то есть в них нет ядра.
Это значит, что микрочастицы ДНК скапливаются в определенной части цитоплазмы. Имеют название нуклеотиды. Нуклеотиды своеобразный род ядра, в нем то и содержится информация. ДНК хранит сведения в сжатом виде. При ее разворачивании длина достигает 1 мм.
Размножение бактерий происходит путем деления.
Следует знать, что бактерии размножаются только при наличии благоприятных факторов, каких рассмотрим ниже.
Для их роста нужны:
- свет;
- температура;
- наличие кислорода;
- влажность;
- фактор щелочности и кислотности;
У медиков интерес вызывает температурные условия. Для того, чтобы клетки делились требуется определенная температура. Некоторые классы при очень низкой впадают в состояние анабиоза или спячки, другие же только при высокой не могут продолжить свой рост и разрушаются.
Если одних можно убить кипячением воды, другие прекрасно себя чувствуют, также и с замораживанием. Среди этого предела есть средние условия при которых может осуществляться максимальное развитие с высокой скоростью. Нужная температурная фаза от 23 до 30 градусов, для течения патогенной флоры требуется 38 градусов.
В этой среде плодятся бактериальные простейшие. В идеальных условия прокариоты способны производить 34 триллиона потомков за сутки. Состояние взросления происходит где-то за 20 минут. К счастью живут они не долго, несколько минут или часов.
Что нужно для некоторых микроорганизмов?
Стафилококковая группа нуждается в аргинине и лецитине. Стрептококки в фосфолипидах. Шигеллам, корине бактериям нужна подпитка никотиновая кислота. Золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллез не сможет без витамина Б1, а вот прототрофы сами синтезируют необходимое.
Пути созревания
Как говорилось ранее развитие простейших осуществляется путем деления.
Оно бывает:
- простым;
- почкованием;
- конъюгацией, половым путем;
Простой путь
При первом методе бактерии могут плодиться равновеликим поперечным делением. Материнские клетки после удваивания нитей ДНК и органелл образуют две части, а именно дочерние клетки. Генетический код сформирован аналогично материнскому.
Они как бы клонируют сами себя. В течение суток из одной клеточки выходит 70 поколений. Если предположить, что все они могли жить, масса составила более 5 тонн. Конечно такое невозможно в природе.
Вегетативный этап
Или проще почкование обозначается тем, что существа выращивают на одном из полюсов вторую почку, то есть себя. При ответвлении наступает разрыв нитей ДНК. Именно гетероцисты участвуют в процессе. К такому методу прибегают цианобактерии и колониальные породы.
Таким образом прокариоты могут вырастить до 4 почек, после чего наступает старение и гибель. Кокковые колонии отделяясь свободно идут в рост.
Спорообразование
Есть раздвоение спорами.
Каким образом происходит?
Бациллы репродуцируют себя таким образом при наступлении неблагоприятных условий внешней и внутренней среды. Внутри споры делается особа среда, приостанавливается механизм жизни, уменьшается уровень воды. Если бацилла попала в такое состояние ей не страшен холод, жара, излучения разной этиологии, химические средства.
Как только улучшаются факторы выходят молодые прокариоты. Цикл становится очень длительным. Науке даже известны случаи когда ученые находили простейших, которым десятки, а то и сотни лет.
Половой путь
Конъюгация происходит у бактерий живущих преимущественно в человеческом организме, либо теле животного. Здесь две формы соприкасаются друг с другом и начинается обмен данными. Называется генетическая рекомбинация, образование новых видов.
Половым способом размножаются бактерии кишечной палочки и остальные грамположительные и грамотрицательные типы. Если отсутствует истинное направление то такой обмен между ними является полезным и мочь поспособствовать развитию устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.
Инциститация
Еще один путь защиты от агрессивных обстоятельств преобразование в цист. Цисты обозначают пузырьки в толстой оболочке. Находится в таком положении бациллы могут очень долго. Даже 200 градусов по Цельсию не уничтожит их. Далее при положительных причинах они выходят наружу делясь бинарно.
Так, что приемы приумножения возбудителей подчиняются внешней среде. Недостаток воды, большое содержание кислорода в воздухе, лишение высокопитательных микроэлементов. Низкие или высокие перепады температур заставляют прибегнуть к спорообразованию, инцистированию.
Степень бактериальной популяции
Живя в благоприятных условиях клетки находятся на исходной стадии, начальной. Средняя продолжительность 1-2 часа. Задержание роста, занимает примерно пару часов. При логарифмическом периоде бациллы могут размножаться в быстром порядке, пик достигается через 6 часов.
Отрицательное ускорение, когда истощаются питательные запасы микроэлементов и веществ. Стационарная ступень, погибшие особи заменяются новыми уже через два часа. Этап ускоренной гибели, бациллы гибнут через каждые 3 часа. Логарифмический фазис, отмечается постоянная смерть, составляет 6 часов.
Снижение скорости смерти, на этом моменте оставшиеся живые клеточки переходят в состояние покоя.
Многоклеточная стадия
Одноклеточная фаза способна делать все функции организма, на это не влияют соседствующие рядом микроорганизмы. Одноклеточные образовывают клеточные агрегаты, они скрепляются слизью.
Часто появляется скопление бацилл в одну ветвь. Так микобактерии развивают цисты, получается своеобразный обмен. Явление служит пред посылом к многоклеточному формированию. К ним относятся цианобактерии, актиномицеты.
Каким требованиям должны отвечать особи:
- агрегированностью клеток;
- разделением свойств между ними;
- установка должного контакта между особями;
У нитчатых особей структура описана в клеточной стенке, создает взаимосвязь между индивидуумами. Обмен у бактерий происходит веществами и энергией. Некоторые нитчатые помимо вегетативных особей содержат дифференциальные гетероцисты или акинеты.
Локализация
В зависимости от разбивки бациллы имеют определенные виды скоплений:
- шаровидные;
- спиралевидные;
Первые обнаруживаются в паре или по одному, это диплококки, микрококки, стафилококки. Могут выглядеть как веточки винограда, цепочки. Спиралевидные, разбросаны в хаотичном порядке, к ним причисляются лептоспирозы, вибрио.
Размножение микроорганизмов Размножение микроорганизмов
процесс воспроизведения подобных себе особей (самовоспроизведения) , обеспечивающий продолжение существования вида. Важнейшей особенностью микроорганизмов являются исключительно высокие темпы Р. в благоприятных условиях (взрывной тип Р.) и способность их очень долгое время обходиться без Р. в неблагоприятных условиях. Способы и скорость Р. обусловливаются природой (геномом) микроба и соответствием условий обитания его генетическим потребностям (источники углерода, азота, зольных элементов, ростовых факторов, достаточная для диффузии влажность, определенные показатели рН, осмотического давления, парциального давления кислорода, температуры). Если отсутствует одно или несколько условий, Р. прекращается и микроб гибнет или переходит в стадию покоя. Способы Р. микробов многообразны. Они могут быть разделены на половой - конъюгация (см.), копуляция (см.); параполовой - трансдукция (см.), трансформация (см.) и бесполый. Последний в свою очередь разграничивается на вегетативный - простое деление, почкование и множественное, деление, или шизогония (см.), и спорообразование. Главным способом Р. бактерий и многих видов грибов и простейших является простое деление (бинарное, изоморфное). При простом делении из одной бактер. клетки образуются 2 равноценные дочерние клетки без предварительного обмена генетической информацией. Этот процесс, называемый амитозом, включает фазы роста (см.), кариокинеза (удвоения нуклеоида), цитокинеза (разделения особи) и расхождения дочерних особей. В фазе роста происходит последовательное увеличение содержания РНК® белка® ДНК с возрастанием общих размеров клетки. После достижения определенной фазы роста наступает активация гена-регулятора, к-рый с помощью контролируемого им белка-инициатора снимает репрессию с гена-репликатора. Следствием этого являются синтез ДНК-полимеразы, раскручивание и расхождение нитей ДНК, достройка комплементарных нитей с образованием 2 нуклеоидов. Цитокинез осуществляется путем перетяжки (у грам- бактерий) или перегородки (у грам+ бактерий) в центре клетки. После разделения дочерние клетки расходятся или формируют колониальный организм в виде цепочек, кучек, пакетов и др. Р., как и рост, находится под контролем генома, регулирующего его с помощью пермеаз, оксиредуктаз и системы синтеза белка и НК. В норме рост и Р. строго сбалансированы и последовательны. В неблагоприятных условиях возможно разобщение этих процессов, когда рост продолжается, а Р. не наступает (несбалансированный рост). Это приводит к образованию инволюционных форм микроорганизмов (см.)
(Источник: «Словарь терминов микробиологии»)
Смотреть что такое "Размножение микроорганизмов" в других словарях:
Биологически активные вещества (ряд аминокислот, витамины, пуриновые и пиримидиновые основания, стерины и др.), в отсутствии которых многие микроорганизмы не растут даже на питательных средах, содержащих необходимые источники энергии,… …
Их растворение, вызываемое различными причинами. Л. м. может происходить в результате автолиза, при котором клетки микроорганизмов, отделённые от питательной среды и сохраняемые при 35 40°С, лизируются (растворяются) под действием… … Большая советская энциклопедия
Адаптивные или дегенеративные формы бактерий, грибов и простейших, возникающие при старении или резком изменении среды обитания, напр., при появлении в среде конкурента, фага, антибиотиков, антисептиков, дезинфектантов, накоплении продуктов… … Словарь микробиологии
С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и… …
I Инфекция (позднелат. intectio заражение) сложный патофизиологический процесс взаимодействия макро и микроорганизма, имеющий широкий диапазон проявлений от бессимптомного носительства до тяжелых форм инфекционной болезни. Термин «инфекция»… … Медицинская энциклопедия
Содержание ст.: I. Сущность Д.; II. Способы Д.: А физич., Б химич., В заключение. I. Правильное понятие о дезинфекции определяется этимологией этого слова. Инфекция (infectio) значит по русски заражение. Д. (desinfectio) значит обеззараживание.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Субстраты, состоящие из компонентов, обеспечивающих необходимые условия для культивирования микроорганизмов или накопления продуктов их жизнедеятельности. Питательные среды различаются по назначению, консистенции и составу. По назначению их… … Медицинская энциклопедия
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
Стакан коровьего молока Молоко питательная жидкость, вырабатываемая молочными железами самок млекопитающих. Естественное предназначение молока вскармливание детёнышей, которые ещё не способны переваривать другую пищу. В настоящее время молоко… … Википедия
В отличие от многоклеточных организмов, в одноклеточных организмах рост и размножения (деление клетки) тесно связанные. Бактерии дорастают к определенному размеру, после чему проводят процесс деления, форму бесполого размножения. При оптимальных условиях бактерии могут растить и делиться чрезвычайно быстро, до одного деления каждое 9,8 минут для определенных видов бактерий. При делении клетки создаются две генетически идентичных дочерних клетки. Некоторые бактерии, хотя тоже размножаются без полов, формируют более сложные воспроизводящие структуры, которые облегчают распространение новых дочерних клеток. Примеры включают создание плодовых тел миксобактериями, создание воздушных гиф представителями рода Streptomyces и почкование. Почкование означает формирование выступления, которое позднее отделяется, формируя отдельную клетку.
В лабораторных условиях бактерии по обыкновению выращивают, используя твердую или редкую среду. В качестве твердого среды используются чашки Петр с пластом агара, который содержит питательные вещества. Такие чашки используются для получения штаммов бактерий. Однако, редкая среда по обыкновению используется для измерения скорости роста или получение определенных объемов клеток. Иногда используются отборочные среды, (среды с добавлением антибиотику) для выделения и идентификации отдельных штаммов бактерий.
Большинство лабораторных методов роста используют высокие уровне питательных веществ для получения больших количеств клеток. Однако в естественных условиях количество питательных веществ ограниченная, что означает, что бактерии не могут размножаться бесконечно. Это ограничение привело к созданию бактериями разных стратегий роста. Некоторые организмы могут растить чрезвычайно быстро, когда питательные вещества становятся доступными, например, формирование цветение воды (за счет роста клеток цианобактерий), которые часто происходят в озерах летом. Много организмов адаптируются к бедным и агрессивным окружениям, например, путем производства антибиотиков представителями рода Streptomyces и другими, тем самым не давая роста конкурирующим микроорганизмам. Часто бактерии сотрудничают, формируя биопленки и меняя скорость роста благодаря ощущению кворума. Эти взаимоотношения могут быть существенными для роста всей группы организмов (синтрофия).
Рост бактерий обычно включает три фазы. Когда популяция бактерий попадается к богатому на питательные вещества окружению, которое позволяет рост, клеткам нужен определенное время, чтобы приспособиться к новому окружению. Первая фаза роста, фаза медленного роста , является фазой такого приспособления. Эта фаза характеризуется высокой скоростью биосинтеза ферментов и активного транспорта. За ней следует фаза экспоненциального роста, который характеризуется быстрому экспоненциальным ростом количества бактерий. Скоростью роста полагает время удвоения бактерий на протяжении этой фазы. Последняя фаза роста — стационарная фаза, которая вызвана истощением питательных веществ. Клетки сокращают свою метаболическую деятельность и потребляют несущественные клеточные белки. Стационарная фаза — это переход от быстрого роста к стрессовому состоянию, которое характеризуется увеличением экспрессии генов, которые принимают участие в ремонте ДНК и антиоксидантном метаболизме.
Рост бактерий происходит в результате множества взаимосвязанных биохимических реакций , осуществляющих синтез клеточного материала. У бактерий различают индивидуальный рост бактериальной клетки и рост бактерий в популяции.
Об индивидуальном росте судят по увеличению размеров отдельных особей. Скорость роста зависит от внешних условий и физиологического состояния самой клетки. При постоянных условиях рост осуществляется с постоянной скоростью. Палочковидные бактерии растут преимущественно в направлении длинной оси, кокки растут равномерно во всех направлениях. В промежутке между клеточными делениями бактерии имеют большие размеры, чем сразу после деления.
Размножение бактерий
Наиболее часто бактерии размножаются путем бинарного деления, когда из одной клетки образуется две, каждая из которых вновь делится. Процессу деления всегда предшествует репликация (удвоение) ДНК . Существует два типа деления - деление перетяжкой (перешнуровывание) и с помощью поперечной перегородки (рисунок А.7) .
Деление перетяжкой (констрикция) сопровождается сужением клетки в месте ее деления, и в этом процессе принимают участие все слои клеточных оболочек. Выпячивание оболочек внутрь клетки все более ее сужает и, наконец, делит на две. Это деление присуще грамотрицательным бактериям . Деление с образованием поперечной перегородки присуще грамположительным бактериям. Однако у некоторых групп бактерий отмечена смена способов деления (тионовые бактерии, микобактерии). У шаровидных бактерий может образовываться несколько поперечных перегородок (тетракокки, сарцины). Почкование убактерий является разновидностью бинарного деления. Этот способ размножения присущ бактериям, имеющим диморфные или полиморфные клеточные циклы. Почкующимся бактериям присуща полярность клеток. Некоторые бактерии размножаются с помощью экзоспор (но не эндоспор!), некоторые - фрагментами гиф (актиномицеты). У некоторых бактерий имеются половые ворсинки, или F-пили.
Период от деления до деления называется клеточным циклом . Различают несколько типов вегетативного клеточного цикла: мономорфный - образуется только один морфологический тип клеток (например, бациллы), диморфный - два морфологических типа клеток, полиморфный - несколько (актиномицеты). При диморфном и полиморфном циклах различают дочерние и материнские клетки.
Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения. Например, в благоприятных условиях кишечная палочка делится каждые 20-30 мин, за сутки это дает 2 72 , т.е. 72 поколения. В условиях, исключающих гибель, эта биомасса составит 4720 т. Скорость размножения зависит от факторов внешней среды (температуры, условия питания, влажность, реакция среды и др.) и от видовых особенностей бактерий. Высокая скорость размножения бактерий обеспечивает их сохранение на земле даже в условиях массовой гибели. Сохранившиеся отдельные клетки размножаются и вновь дают поколение.
Рост бактерий в популяции. Популяция (фр. population - население) - это совокупность бактерий одного вида (чистая культура) или разных видов (смешанная ассоциация), развивающихся в ограниченном пространстве (например, в питательной среде). В бактериальной популяции постоянно происходит рост, размножение и отмирание клеток. Культивирование микроорганизмов в искусственных условиях бывает периодическим, непрерывным и синхронным.
Периодическое (стационарное) культивирование происходит без притока и оттока питательной среды. Оно характеризуется классической кривой роста микроорганизмов, в которой выделяют отдельные фазы роста бактериальной популяции, отражающие общую закономерность роста и размножения клеток.
Лаг-фаза (англ. lag - отставание) начинается с момента посева бактерий в свежую питательную среду. Клетки адаптируются к данным условиям культивирования, растут, но не размножаются, они достигают максимальной скорости роста. Абсолютная и удельная скорость роста увеличиваются от нуля до максимально возможных значений.
Абсолютная скорость роста определяется отношением:
V = dx/dt , (1.1)
где V - прирост биомассы или числа клеток, выражается в массовых единицах, числе клеток или в условных единицах в единицу времени.
х - биомасса или число клеток;
t - время.
Удельная скорость роста определяется по формуле:
µ = (dx/dt) ? 1/х , (1.2)
где µ - прирост биомассы е единицу времени на единицу биомассы,
х - начальная биомасса.
Продолжительность лаг-фазы зависит от биологических особенностей бактерий, возраста культуры, количества посевного материала, состава питательной среды, температуры, аэрации, рН и др. Одни бактерии обладают коротким периодом задержки роста, другие длинным. Чем моложе культура, тем период короче. Чем состав питательной среды ближе к тому, в котором выращивали микроорганизмы, тем короче лаг-фаза. Изменения в питательной среде приводят к изменению лаг-фазы, так как необходимо время для синтеза ферментов, либо повышения их активности. Таким образом, факторы задержки роста можно разделить на внешние (состав среды, рН, температура и др.) и внутренние (возраст культуры). Длительность фазы моет быть от нескольких минут до нескольких часов и даже дней. В этой фазе μ = 0.
Лог-фаза (логарифмическая , или экспоненциальная ) характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Общее количество бактерий определяется по формуле:
N = N 0 ?2 n , (1.3)
где N и N 0 - общее количество клеток в конце фазы и в начале фазы соответственно;
n - число поколений, или генераций.
В микробиологической практике для выражения общего числа микробных клеток чаще всего пользуются не абсолютными числами (так как они достигают огромных величин), а их логарифмами. Прсле логарифмирования уравнения (1.3): lg N = lg N 0 + n?lg2, n?lg2 = lg N - lg N 0 , отсюда число поколений равно: n = (lg N - lg N 0)/ lg2
Скорость размножения одной клетки, или период генерации:
g = t/n , (1.4)
где t - время;
n - число поколений;
g - период генерации.
Значит: g = t ?lg 2 / (lg N - lg N 0) (1.5)
Приведенные уравнения основаны на предположении, что в лог-фазе все 100% клеток жизнеспособны. Однако экспериментально установлено, что около 20% клеток даже в эту фазу отмирает, поэтому в приведенные формулы вносится поправка - вместо 2 берется 1,6.
Экспоненциальный рост популяции описывается уравнением:
Х = Х 0 ? е μ max ? t , (1.6)
где Х и Х 0 - количество клеток (или биомасса) в конце и в начале опыта соответственно;
t - время опыта;
е - основание натурального логарифма;
μ max - максимальная удельная скорость роста.
В период логарифмической фазы большинство клеток является физиологически молодыми, биохимически активными, а также наиболее чувствительными к неблагоприятным факторам внешней среды. В этой фазе μ = max.
Фаза замедленного роста . Она объединяет две фазы - фазу линейного роста (μ = const) и фазу отрицательного ускорения . Фаза характеризуется в период линейного роста постоянной скоростью прироста биомассы (числа клеток). Затем при переходе в фазу отрицательного ускорения численность делящихся клеток уменьшается. Наступление фазы объясняется количественными изменениями состава питательной среды (потребление питательных веществ, накопление продуктов метаболизма).
Стационарная фаза характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Факторы, лимитирующие рост бактерий в предыдущей фазе, являются причиной возникновения стационарной фазы. Прироста биомассы нет (μ = 0) . В этой фазе наблюдается максимальная величина биомассы и максимальная суммарная численность клеток. Эти максимальные величины называются урожаем , или выходом .
Фаза отмирания (экспоненциальной гибели клеток ) характеризуется уменьшением числа живых клеток, возрастанием гетерогенности популяции (появляются клетки, не воспринимающие краситель, со слабым развитием муреинового слоя и др.). Процесс отмирания превалирует над делением (μ < 0).
Фаза выживания характеризуется наличием отдельных клеток, сохранивших в течение длительного времени жизнеспособность в условиях гибели большинства клеток популяции. Выжившие клетки характеризуются низкой активностью процессов метаболизма, изменением ультраструктуры клеток (мелкозернистая цитоплазма, отсутствие полирибосом и др.). Клетки более устойчивы к неблагоприятным условиям среды.
Таким образом, при стационарном культивировании микробные клетки все время находятся в изменяющихся условиях: сначала имеются в избытке все питательные вещества, затем постепенно наступает их недостаток, затем отравление клеток продуктами метаболизма.
Влияние лимитирующих факторов на скорость роста . Для нормального роста и развития микроорганизмов среда должна содержать необходимые элементы питания, иметь соответствующую рН, температуру и т.д. Факторы, ограничивающие рост культуры, называются лимитирующими . Характерная особенность роста популяции микроорганизмов - зависимость удельной скорости роста от концентрации субстрата. Эта зависимость выражается уравнением Моно , представляющим собой гиперболическую функцию:
μ = μ max ? S/(S + K S) , (1.7)
где μ - удельная скорость роста;
μ max - максимальная удельная скорость роста;
S - концентрация субстрата;
K S - константанасыщения, численно равная такой концентрации субстрата, которая обеспечивает скорость роста, соответствующую половине значенияμ max .
По мере потребления питательных веществ среда обогащается продуктами обмена, которые также лимитируют рост культуры. Наиболее общий случай влияния концентрации субстрата и продуктов обмена на скорость роста популяции микроорганизмов нашел отражение в модели Н.Д. Иерусалимского:
μ = μ max ? S/(S + K S) ? К Р / (К Р + Р) , (1.8)
где Р - концентрация продуктов обмена;
К Р - константа, численно равная такой концентрации продуктов обмена, при которой скорость роста замедляется вдвое.
Анализ этого уравнения показывает, что при условии К Р >> Р, когда величиной Р можно пренебречь. скорость роста ограничена только концентрацией субстрата. Если S >> K S , то скорость роста лимитирована накоплением продуктов обмена.
Непрерывное культивирование . Если в емкость, где находится бактериальная популяция, непрерывно подавать свежую питательную среду и одновременно с такой же скоростью выводить культуральную жидкость, содержащую бактериальные клетки и продукты метаболизма, то получается непрерывное культивирование. Регулируя скорость проточной среды, можно управлять ростом бактериальной популяции, например, удлинять логарифмическую или стационарную фазу на любое необходимое время. Непрерывное культивирование осуществляется в специальных приборах - хемостатах и турбидостатах. Непрерывное культивирование микроорганизмов используется для изучения их физиологии, биохимии, генетики и др., а также широко используется в микробиологической промышленности.
Синхронные культуры - это культуры, в которых некоторое время все клетки делятся одновременно (синхронно) за счет одинаковой готовности к делению всех особей. Синхронизация достигается физическими и химико-биологическими методами. К физическим методам относится температурное воздействие, дифференциальное центрифугирование или дифференциальное фильтрование, химико-биологическим - вынужденное голодание бактерий, выращивание бактерий на неполноценных средах с последующим переносом их в полноценные среды. Синхронные культуры используются для генетических и цитологических исследований, для изучения синтеза отдельных клеточных компонентов в процессе деления бактерий.
Рост и размножение микроорганизмов
Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска -клеточной пластины.
Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.
Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).
Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лаг-фазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.
Рост бактериальной клетки. Увеличение биомассы клеточной протоплазмы, возникающее в результате синтеза пластического материала в процессе питания, называется ростом. Микробы растут быстро, достигая в течение короткого времени предела своей физиологической зрелости.
Рис.1. Цикл развития сенной палочки
1 - молодая сенная палочка; 2 - сенная палочка, сбросившая жгутики; 3 - деление цепочки клеток; 4 - образование жгутиков у цепочек; 5 - образование спор
Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции ― культуры. Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечные ДНК, обладающие генетической информацией. Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.
Рис.2. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий
а - стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), × 32 000; б - кишечной палочки - в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 - клеточная стенка, 2 - цитоплазматическая мембрана, 3 - нуклеоид; × 22 000.
Размножение ― бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дизъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов ― нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.
Бактериальные клетки быстрее делятся в начальных стадиях роста популяции. В более поздних стадиях деление идет медленнее, часть материнских клеток отмирает, и у отдельных видов бактерий появляются разнообразные включения.
В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15―20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.
При таком размножении микробные клетки могли бы покрыть всю поверхность не только морей, океанов, но и материков. Следовательно, жизнь людей на нашей планете была бы невозможной. Однако в размножении микробов не существует абсолютного закона геометрической прогрессии. На их рост и размножение отрицательное влияние оказывают антагонистические взаимоотношения микроорганизмов, истощение питательной среды, кислородная недостаточность, накопление ядовитых продуктов жизнедеятельности микробов. Эти факторы препятствуют непрерывному делению клеток.
Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В ― 1,5 млрд., бактерии дизентерии Григорьева― Шига и стафилококков―300 млрд., палочки брюшного тифа ― 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-концентрацией (М ― максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-концентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентрацию,― лишние погибают.
Размножение бактерий в популяции
Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.
При выращивании микробов на плотных питательных средах выявляются некоторые особенности их роста, т. е. появляются колонии, представляющие потомство одной или нескольких клеток. Внешний вид колоний, их форма, цвет, прозрачность, величина и другие свойства являются отличительными признаками для каждого вида бактерий. Ряд видов бактерий, имеющих жгутики, на агаре дают сплошной рост, покрывающий всю поверхность чашки (вульгарный протей). Спорогенные виды отличаются по характеру колоний, образуя непрозрачные колонии с матовой поверхностью.
Рост бактериальных клеток в жидких питательных средах характеризуется единообразием, чего нет на плотных питательных средах. Однако и при этом методе можно наблюдать некоторые особенности роста бактерий. Виды, образующие сухие колонии на плотных средах, дают разнообразные осадки в прозрачном бульоне. Виды, образующие мягкие и влажные колонии, в основном дают гомогенный рост, равномерно мутящий питательную среду.
Для культуры, растущей в жидкой среде, аэрация имеет большое значение. Известно, что в пробирках или колбах только верхние слои жидкости соприкасаются с атмосферным воздухом, и в силу этого некоторые облигатные аэробы, например, микобактёрии туберкулеза, холерный вибрион и др., скапливаются на поверхности, образуя нежную пленку.
Фазы роста бактериальной популяции
В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.
В исходной фазе (отрезок I) происходит приспособление бактерий к новым условиям обитания с момента их посева на питательную среду. В этой фазе бактерии не размножаются. Длительность исходной фазы― 1―2 часа.
Начальная фаза размножения (отрезок II) характеризуется усилением обменных процессов, скоростью роста и делением клеток. Однако размножение бактерий происходит медленно. Продолжительность этой фазы ― 2 часа.
В логарифмической фазе (отрезок III) наблюдаются ускоренный рост и деление клеток. В этой фазе максимального размножения формируются типичные для каждого вида бактерий морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и вирулентные свойства. Длительность фазы ― 5―6 часов.
Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются, - выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.
Стационарная фаза (отрезок V) характеризуется постоянной концентрацией живых клеток в питательной среде. Умеренное размножение клеток не приводит к увеличению микробной массы. В этой фазе устанавливается равновесие между количеством погибающих и возникающих клеток. Продолжительность фазы ― 2 часа.
Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4―5 часов.
В фазе логарифмической гибели (отрезок VII) массовое отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность фазы около 5 часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания (отрезок VIII) характерна тем, что оставшиеся в живых бактерии переходят в состояние покоя.
Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15―20 минут, брюшнотифозные бактерии ― 20―25 минут, стрептококки ― 25―30 минут, микобактёрии туберкулеза―18― 20 часов.
Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2―
3 дня, а кишечной палочки ― месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.