Бактериальные организмы уже давно освоили все известные среды обитания. Они находятся в воздухе, в воде, живут в других организмах. Но больше всего их в верхних слоях почвы. Количество этих организмов зависит не только от особенностей строения. Оно многократно увеличивается благодаря большой способности к воспроизведению. Каким способом размножаются бактерии, кратко будет изложено в статье.
Кто такие бактерии?
Эти организмы представляют собой одноклеточные, реже колониальные организмы. Устроены они достаточно примитивно. Поверхностный аппарат представлен мембраной и слизистой капсулой, а цитоплазма лишена митохондрий и пластид. Многие клетки имеют жгутик, с помощью которого бактерия может передвигаться.
Генетический материал
Бактерии являются прокариотами. Это означает, что их клетки лишены ядра. Но генетический материал в них все-таки присутствует. Скопления молекул ДНК находятся в определенной части цитоплазмы и называются нуклеоид. Другими словами можно сказать, что прокариоты имеют ядро без оболочки. Поэтому сложные биохимические процессы они не могут осуществлять. Однако это никак не сказывается на их способности к размножению.
Каким способом размножаются бактерии?
Бактерии размножаются Это основной и самый быстрый способ. Из одной материнской клетки через полчаса образуется две дочерние. А еще через такой же промежуток времени из двух дочерних снова образуются новые клетки. Это объясняет большое количество бактерий в природе.
При неблагоприятных условиях бактерии способны образовывать споры - клетки Изредка почкуются - образуют небольшие выпячивания, которые растут, превращаются во взрослых особей и отщепляются от материнской.
Каким способом размножаются бактерии, можно также рассмотреть на примере конъюгации. Это форма полового процесса. Заключается она в обмене наследственной информацией между клетками. Перед началом происходит удвоение кольцевой молекулы ДНК. Далее между клетками образуется цитоплазматический мостик, по которому одной клетки передвигается в другую. Там происходит обмен участками ДНК. В результате организм приобретает новые признаки, которые чаще всего являются для него полезными. Например, бактерии приобретают устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, вирусов или антибиотиков.
Живут и размножаются на корнях бобовых и злаковых растений. Внедряясь в корневую систему через пораженные участки или корневые волоски, они разрастаются и образуют выпячивания - клубеньки. Внутри них создается благоприятная среда для обмена веществ. Корень отдает бактериям органические вещества, а бактерии - азот, который так необходим для роста и развития растений.
Деление клетки надвое
Каким способом размножаются бактерии, зависит от их вида и среды обитания. Но надвое способны делиться все бактериальные организмы. Происходит этот процесс в несколько этапов и называется бинарным делением.
Перед началом деления кольцевая молекула ДНК удваивается. Другими словами, происходит репликация. Нуклеотид делится, дочерние ДНК расходятся. Врастая в цитоплазму, мембрана клетки располагается между молекулами ДНК. Именно она и делит клетку и ее содержимое пополам.
В сутки из одной клетки на свет появляется 72 бактериальных поколения. Если бы все эти бактерии оставались жизнеспособными, их биомасса составила бы около 5 т. В природе, естественно, этого не происходит и большинство бактерий погибает.
Вегетативное размножение
Строение также определяет то, каким способом размножаются бактерии.
Колониальные виды и цианобактерии (синезеленые водоросли) способны к вегетативному размножению. Таким способом чаще всего размножаются растения. Он заключается в отделении от целого организма его многоклеточной части.
Нитчатые виды цианобактерий образуют специализированные клетки, которые называются гетероцистами. Вегетативное размножение заключается в разрыве нитей, граница которых проходит в местах расположения гетероцист.
Кокки могут соединяться в цепочки, грозди или другие образования. Отрываясь друг от друга, они также размножаются.
Спорообразование
Бактерии размножаются спорами, которые образуются при наступлении неблагоприятных условий. Спорообразование - это не только способ размножения. Внутри споры создается особая среда, уменьшается содержание воды, приостанавливаются процессы жизнедеятельности. В таком состоянии спорам не страшны ни высокие температуры, ни ионизирующее излучение, ни воздействие химических веществ. Когда благоприятные условия наступают вновь, из спор выходят молодые бактериальные организмы. Таким образом, образование спор является дополнительной возможностью сохранить жизнеспособность клеток в непригодных для жизни условиях. Известны случаи, когда споры бактерий оставались жизнеспособны десятки и даже сотни лет.
Инцистирование
Еще одним способом защиты от неблагоприятных условий и способом размножения служит образование цист. Они представляют собой пузырьки с толстыми оболочками. В состоянии цисты бактерии могут находиться долгое время. При этом они не погибают от температур более 200 градусов. С наступлением обычных условий бактерия выходит из оболочки и начинает обычное бинарное деление.
Каким способом размножаются бактерии, это скорее решают условия окружающей среды. Когда не хватает питательных веществ и влаги, наблюдается избыточное содержание кислорода, воздух имеет слишком высокую или низкую температуру, бактерии используют процессы инцистирования или спорообразования. В комфортных условиях они делятся или размножаются вегетативно. Именно такое разнообразие способов размножения, к которым способны бактерии, обусловливает их количество в природе. Если бы процесс деления одной клетки бактерии не прекращался в течение 10 дней, они могли бы покрыть всю поверхность земного шара.
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.
Одной из функций жизнедеятельности прокариотов, как и любых других живых существ, является размножение. По своей сути, процесс размножения бактерий можно охарактеризовать как рост числа особей, что происходит благодаря делению бактерий.
Современная микробиология описала схемы митоза, мейоза и амитоза – так делятся эукариоты, а прокариоты размножаются прямым делением.
Прокариоты размножаются преимущественно путем деления материнской бактериальной клетки на 2 идентичные дочерние. При благоприятных условиях бинарное деление происходит каждые 20 минут, а в случае ухудшения условий окружающей среды время, необходимое клетке для роста и деления, увеличивается. В случае неблагоприятных внешних условий прокариоты прекращают размножение на время или вовсе.
Непосредственно самому процессу разделения клетки пополам предшествует период роста цитоплазмы и репликации (удвоения) хромосомы бактерии, как на фото.
Репликации кольцевой бактериальной хромосомы
Увеличение клеточных размеров происходит вследствие целого ряда скоординированных процессов биосинтеза, которые жестко контролируются. Процесс роста бактерии не бесконечен – по достижению прокариотом заданных критических размеров происходит деление.
Механизм репликации бактериальной ДНК
При удвоении ДНК нуклеоида (аналог ядра в бактериальной клетке) реализуется следующая схема:
- инициация – начало деления ДНК под действием репликона (ферментативного аппарата, участка ДНК, содержащего информацию о дублировании);
- элонгация – удлинение, рост хромосомной цепи;
- терминация – завершение роста цепи и спирализация ДНК при репликации.
Параллельно с репликацией ДНК происходит рост самой клетки, и расстояние между прикрепленными посредством мезосом к цитоплазматической мембране двумя новыми хромосомами постепенно увеличивается. Прокариотическая клетка начинает делиться спустя некоторое время после репликации. Очевидно, именно дублирование ДНК запускает процесс разделения.
Подобный процесс отсутствует для мейоза эукариотов. Процесс мейоза во многом отличается от размножения прокариотов. Кроме того, разделение материнской клетки на две части для грамположительных и грамотрицательных бактерий имеет свои особенности.
Размножение грамотрицательных бактерий
Грамотрицательные бактерии имеют сравнительно тонкую клеточную стенку, на которой приблизительно по центру расположена кольцевая органелла – септальное кольцо. Разделение бактерий происходит путем сокращения органеллы и формирования перетяжки между дочерними клетками, что видно на фото.
Септальное кольцо представляет собой сложный белковый комплекс, куда входит более 12 различных белков. Оно формируется путем последовательного присоединения белков друг к другу в строгой последовательности.
Белки септального кольца выполняют следующие функции, необходимые для размножения:
- моделируют присоединение филаментов (белков кольца) в определенной последовательности к Z-кольцу (незрелая форма кольцевой органеллы);
- обеспечивают привязку Z-кольца к мембране;
- координируют формирование кольцевой органеллы с сегрегацией (разъединением) хромосомы;
- синтезируют пептидогликан – наиболее значимый компонент бактериальной клеточной стенки, который осуществляет осмотическую защиту;
- осуществляют гидролиз пептидогликана для разделения новых клеток.
Перетяжка у грамотрицательных бактерий охватывает все оболочки клетки – цитоплазматическую (внутреннюю) и внешнюю мембраны, а также связанный с ними липопротеидом тонкий слой пептидогликана.
Во время мейоза эукариотов подобный метод разделения клетки перетяжкой не встречается.
Размножение грамположительных бактерий
Толщина стенки грамположительной бактерии более чем в два раза превышает толщину стенки у бактерий грамотрицательных.
Процесс размножения грамположительной бактерии не имеет сходства с митозом и отличается от мейоза эукариотов. По окончании процесса репликации ДНК грамположительные бактерии не создают перетяжку, а синтезируют поперечную перегородку, как на фото. В процессе синтеза, как и у грамотрицательных бактерий при образовании перетяжки, принимают участие мезосомы, формируя перегородку от края к центру клеточной структуры.
Поперечное бинарное деление бактериальной прокариотической клетки всегда продольно и поперечно симметрично, что является еще одним отличием процесса от мейоза клеточной структуры эукариотов.
При благоприятных условиях прямое бинарное деление бактериальных клеток может осуществляться как одной, так и в нескольких плоскостях, что невозможно для мейоза. В случае, когда клетки после разделения не расходятся, происходит образование различных по форме объединений:
- при сечении клетки в одной плоскости формируются цепочки шаровидных или палочковых клеток (сферические диплококки, цепочка палочковидных бактерий, как на фото);
- при разделении в разных плоскостях наблюдаются клеточные скопления разнообразных форм (цепочки стрептококков, пакеты сарцин, грозди стафилококков).
Разнообразие форм прокариотов, которое видно на фото, совершенно не реализуемо для мейоза ядерных клеток.
Подобное поперечное разделение характерно не только для грамположительных бактерий, но и для нитчатых цианобактерий.
Множественное деление цианобактерий
Одной из разновидностей бинарного размножения прокариотов является множественное образование дочерних прокариотов из материнской клетки, типичное для цианобактерий, и совершенно не характерное для мейоза.
А — размножение цианобактерий рода Dermocarpa
Б — размножение цианобактерий рода Chroococcidiopsis
Первоначально происходит рост цитоплазмы и репликация хромосомы. Затем, как видно на видео, внутри дополнительного фибриллярного слоя материнского организма осуществляются последовательные бинарные деления, которые приводят к образованию баеоцитов (маленьких клеток). Их число может колебаться от 4 до 1000 единиц и связано с видом цианобактерии. Высвобождаются баеоциты после разрыва стенки материнского прокариота, что видно на видео.
Помимо равновеликого разделения, некоторые бактерии размножаются почкованием.
Почкование как частный случай бинарного деления
У фото- и хемотрофов, независимо от источника пищи (автотрофы или гетеротрофы), обнаруживается возможность размножения организма почкованием.
Механизм процесса выглядит следующим образом:
- на полюсе материнской клетки формируется почка;
- происходит рост почки до размеров материнского организма (это видно на фото), причем для почки синтезируется новая клеточная стенка;
- полноценная дочерняя клетка отделяется от материнской.
Если процесс бинарного разделения не имеет ограничений, как в случае мейоза
для эукариотов, то почкование зависит от факта старения прокариота. В среднем материнская клетка отделяет не более 4 почек.
Почкование имеет свои специфические особенности:
- сохраняется только продольная симметрия (хорошо видно на фото);
- после почкования получаются материнская и дочерняя клетки, тогда как после бинарного разделения материнской клетки нет – есть две равноценные дочерние;
- материнский и дочерний организмы не идентичны, различия между ними хорошо видны – наблюдается процесс старения.
При благоприятных физико-химических условиях прокариоты способны делиться в геометрической прогрессии и заполонить собой весь мир. Однако на деле такого не происходит, так как существуют факторы, сдерживающие бактериальное деление.
Факторы, ограничивающие деление
При всем видовом разнообразии и приспособленности бактерии не размножаются бесконечно. Исследования показал, что рост популяции бактерий происходит в согласии с законом размножения микроорганизмов и поддается числовому и графическому описанию.
Рост популяции, связанный с делением бактерий, состоит из нескольких фаз:
- лаг-фаза – период адаптации, когда требуется время для приспособления к новым условиям обитания, деление не имеет высокого значения;
- логарифмическая фаза – период с наибольшим количеством делений и экспоненциальным ростом популяции;
- стационарная фаза – время, когда рост колонии бактерий стремится к нулю, деление бактерий уравнивается с количеством погибших из-за ограниченности пищевых ресурсов;
- замедление роста – происходит из-за значительного сокращения пищевых ресурсов и накопления токсичных продуктов жизнедеятельности.
Неблагоприятные условия провоцируют прекращение деления бактерий и, как следствие, неизбежную гибель популяции.
Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.
Размножение бактерий путем деления — самый распространенный метод увеличения численности микробной популяции. После деления происходит рост бактерий до исходного размера, для чего необходимы определенные вещества (факторы роста).
Способы размножения бактерий различны, но для большинства их видов присуща форма бесполового размножения способом деления. Способом почкования бактерии размножаются исключительно редко. Половое размножение бактерий присутствует в примитивной форме.
Рис. 1. На фото бактериальная клетка в стадии деления.
Генетический аппарат бактерий
Генетический аппарат бактерий представлен единственной ДНК — хромосомой. ДНК замкнута в кольцо. Хромосома локализована в нуклеотиде, не имеющем мембраны. В бактериальной клетке имеются плазмиды.
Нуклеоид
Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.
Рис. 2. На фото бактериальная клетка на срезе. В центральной части виден нуклеотид.
Плазмиды
Плазмиды представляют собой автономные молекулы свернутые в кольцо двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.
Рис. 3. На фото бактериальная плазмида.
Этапы деления
После достижения определенных размеров, присущих взрослой клетке, запускаются механизмы деления.
Репликация ДНК
Репликация ДНК предшествует клеточному делению. Мезосомы (складки цитоплазматической мембраны) удерживают ДНК до тех пор, пока процесс деления (репликации) не завершится.
Репликация ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимеразами. При репликации водородные связи в 2-х спиральной ДНК разрываются, в результате чего из одной ДНК образуются две дочерние односпиральные. В последующем, когда дочерние ДНК заняли свое место в разделенных дочерних клетках, происходит их восстановление.
Как только репликация ДНК завершилась, в результате синтеза появляется перетяжка, разделяющая клетку пополам. Вначале делению подвергается нуклеотид, затем цитоплазма. Синтез клеточной стенки завершает деление.
Рис. 4. Схема деления бактериальной клетки.
Обмен участками ДНК
У сенной палочки процесс репликации ДНК завершается обменом участками 2-х ДНК.
После деления клетки образуется перемычка, по которой ДНК одной клетки переходит в другую. Далее обе ДНК сплетаются. Некоторые отрезки обоих ДНК слипаются. В местах слипания происходит обмен отрезками ДНК. Одна из ДНК по перемычке уходит обратно в первую клетку.
Рис. 5. Вариант обмена ДНК у сенной палочки.
Типы делений бактериальных клеток
Если клеточное деление опережает процесс разделения, то образуются многоклеточные палочки и кокки.
При синхронном клеточном делении образуются две полноценные дочерние клетки.
Если нуклеотид делится быстрее самой клетки, то образуются многонуклеотидные бактерии.
Способы разделения бактерий
Деление с помощью разламывания
Деление с помощью разламывания характерно для сибиреязвенных бацилл. В результате такого деления клетки переламываются в местах сочленения, разрывая цитоплазматические мостики. Далее отталкиваются друг от друга, образуя цепочки.
Скользящее разделение
При скользящем разделении после деления клетка обосабливается и как бы скользит по поверхности другой клетки. Данный способ разделения характерен для некоторых форм эшерихий.
Секущееся разделение
При секущемся разделении одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).
Рис. 6. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).
Рис. 7. На фото скользящий способ разделения кишечных палочек.
Рис. 8. Секущийся способ разделения коринебактерий.
Вид скоплений бактерий после деления
Скопления делящихся клеток имеют разнообразную форму, которая зависит от направления плоскости деления.
Шаровидные бактерии располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками или как гроздья винограда. Палочковидные бактерии — цепочками.
Спиралевидные бактерии — хаотично.
Рис. 9. На фото микрококки. Они круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.
Рис. 10. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.
Рис. 11. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.
Рис. 12. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка). Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 13. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 14. На фото извитые бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Рис. 15. На фото палочковидные бактерии рода Vibrio.
Скорость деления бактерий
Скорость деления бактерий крайне высока. В среднем одна бактериальная клетка делится каждые 20 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства. Микобактерии туберкулеза делятся медленно. Весь процесс деления занимает у них около 14 часов.
Рис. 16. На фото отображен процесс деления клетки стрептококка.
Половое размножение бактерий
В 1946 году учеными было обнаружено половое размножение в примитивной форме. При этом гаметы (мужские и женские половые клетки) не образуются, однако некоторые клетки обмениваются генетическим материалом (генетическая рекомбинация ).
Передача генов осуществляется в результате конъюгации — однонаправленного переноса части генетической информации в виде плазмид при контакте бактериальных клеток.
Плазмиды представляют собой молекулы ДНК небольшого размера. Они не связаны с геномом хромосом и способны удваиваться автономно. В плазмидах содержаться гены, которые повышают устойчивость бактериальных клеток к неблагоприятным условиям внешней среды. Бактерии часто передают эти гены друг другу. Отмечается так же передача генной информации бактериям другого вида.
При отсутствии истинного полового процесса именно конъюгация играет огромную роль при обмене полезными признаками. Так передается способность бактерий проявлять лекарственную устойчивость. Для человечества особо опасным является передача устойчивости к антибиотикам между болезнетворными популяциями.
Рис. 17. На фото момент конъюгации двух кишечных палочек.
Фазы развития бактериальной популяции
При посевах на питательную среду развитие бактериальной популяции проходит несколько фаз.
Исходная фаза
Исходная фаза — это период от момента посева до их роста. В среднем исходная фаза длится 1 — 2 часа.
Фаза задержки размножения
Это фаза интенсивного роста бактерий. Ее длительность составляет около 2-х часов. Она зависит от возраста культуры, периода приспособления, качества питательной среды и др.
Логарифмическая фаза
В эту фазу отмечается пик скорости размножения и увеличения бактериальной популяции. Ее длительность составляет 5 — 6 часов.
Фаза отрицательного ускорения
В эту фазу отмечается спад скорости размножения, уменьшается количество делящихся и увеличивается число погибших бактерий. Причина отрицательного ускорения — истощение питательной среды. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Стационарная фаза максимума
В стационарную фазу отмечается равное количество погибших и вновь образованных особей. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Фаза ускорения гибели
В эту фазу прогрессивно нарастает количество погибших клеток. Ее длительность составляет около 3-х часов.
Фаза логарифмической гибели
В эту фазу клетки бактерий отмирают с постоянной скоростью. Ее длительность составляет около 5-и часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания
В эту фазу оставшиеся живыми клетки бактерий переходят в состояние покоя.
Рис. 18. На рисунке отображена кривая роста бактериальной популяции.
Рис. 19. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета, колонии микрококков желтого цвета, колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета и колонии Bacteroides niger черного цвета.
Рис. 20. На фото колонии бактерий. Каждая колония — потомство одной-единственной клетки. В колонии число клеток исчисляется миллионами. вырастает колония за 1 — 3 суток.
Деление магниточувствительных бактерий
В 1970-х годах были открыты бактерии, обитающие в морях, которые обладали чувством магнетизма. Магнетизм позволяет этим удивительным существам ориентироваться по линиям магнитного поля Земли и находить серу, кислород и другие, так необходимые ей вещества. Их «компас» представлен магнитосомами, которые состоят из магнита. При делении магниточувствительные бактерии делят свой компас. При этом перетяжки при делении становится явно недостаточно, поэтому бактериальная клетка сгибается и делает резкий перелом.
Рис. 21. На фото момент деления магниточувствительной бактерии.
Рост бактерий
Вначале деления бактериальной клетки две молекулы ДНК расходятся в разные концы клетки. Далее клетка делится на две равноценные части, которые отделяются друг от друга и увеличиваются до исходного размера. Скорость деления многих бактерий составляет в среднем 20 — 30 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства.
Масса клеток в процессе роста и развития быстро поглощает питательные вещества из окружающей среды. Этому способствуют благоприятные факторы внешней среды — температурный режим, достаточное количество питательных веществ, необходимая pH среды. Для клеток аэробов необходим кислород. Для анаэробов он представляет опасность. Однако безграничное размножение бактерий в природе не происходит. Солнечный свет, сухой воздух, недостаток пищи, высокая температура окружающей среды и другие факторы губительно действуют на бактериальную клетку.
Рис. 22. На фото момент деления клетки.
Факторы роста
Для роста бактерий необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезируется самой клеткой, часть поступает из окружающей среды. Потребность в факторах роста у всех бактерий разная.
Потребность в факторах роста является постоянным признаком, что позволяет использовать его для идентификации бактерий, подготовке питательных сред и использовать в биотехнологии.
Факторы роста бактерий (бактериальные витамины) — химические элементы, большинством из которых являются водорастворимые витамины группы В. В эту группу входят так же гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и другие аминокислоты. При отсутствии факторов роста наступает бактериостаз.
Бактерии используют факторы роста в минимальных количествах и в неизменном виде. Ряд химических веществ этой группы входят в состав клеточных ферментов.
Рис. 23. На фото момент деления палочковидной бактерии.
Важнейшие бактериальные факторы роста
- Витамин В1 (тиамин) . Принимает участие в углеводном обмене.
- Витамин В2» (рибофлавин) . Принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях.
- Пантотеновая кислота является составной частью кофермента А.
- Витамин В6 (пиридоксин) . Принимает участие в обмене аминокислот.
- Витамины В12 (кобаламины — вещества, содержащие кобальт). Принимают активное участие в синтезе нуклеотидов.
- Фолиевая кислота . Некоторые ее производные входят в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот.
- Биотин . Участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот.
- Витамин РР (никотиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, образовании ферментов и обмене липидов и углеводов.
- Витамин Н (парааминобензойная кислота). Является фактором роста многих бактерий, в том числе населяющих кишечник человека. Из парааминобензойной кислоты синтезируется фолиевая кислота.
- Гемин . Является составной частью некоторых ферментов, которые принимают участие в реакциях окислениях.
- Холин . Принимает участие в реакциях синтеза липидов клеточной стенки. Является поставщиком метильной группы при синтезе аминокислот.
- Пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Вещества необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот.
- Аминокислоты . Эти вещества являются составляющими белков клетки.
Потребность в факторах роста некоторых бактерий
Ауксотрофы для обеспечения жизнедеятельности нуждаются в поступлении химических веществ из вне. Например, клостридии не способны синтезировать лецитин и тирозин. Стафилококки нуждаются в поступлении лецитина и аргинина. Стрептококки нуждаются в поступлении жирных кислот — компонентов фосфолипидов. Коринебактерии и шигеллы нуждаются в поступлении никотиновой кислоты. Золотистые стафилококки, пневмококки и бруцеллы нуждаются в поступлении витамина В1. Стрептококки и бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте.
Прототрофы самостоятельно синтезируют необходимые вещества.
Рис. 24. Разные условия окружающей среды по-разному влияют на рост колоний бактерий. Слева — стабильный рост в виде медленно расширяющегося круга. Справа — быстрый рост в виде «побегов».
Изучение потребности бактерий в факторах роста позволяет ученым получать большую микробную массу, так необходимую при изготовлении антимикробных препаратов, сывороток и вакцин.
Подробно о бактерияx читай в статьях:
Размножение бактерий является механизмом повышения числа микробной популяции. Деление бактерий — основной способ размножения. После деления бактерии должны достигнуть размеров взрослых особей. Рост бактерий происходит путем быстрого поглощения питательных веществ их окружающей среды. Для роста необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезирует сама бактериальная клетка, часть поступает из окружающей среды.
Изучая рост и размножение бактерий, ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.
Скорость роста бактерий зависит как от внешних условий, так и от физиологических особенностей самой клетки. При наличии благоприятных условий рост бактериальной клетки завершается размножением. Основным способом размножения большинства бактерий является простое деление клетки пополам. Делению предшествует репликация (удвоение) хромосомы. Эти два процесса тесно взаимосвязаны. Частота репликации регулируется скоростью роста клетки. Репликация бактериальной хромосомы осуществляется описанным ранее способом (см. п. 3.2.5).
Изучение закономерности равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками, образовавшимися в результате деления материнской клетки, позволило Г. Жакобу, С. Бреннеру и Т. Кузену (1963) сформулировать концепцию репликона. Репликон - единица репликации, это участок ДНК, содержащий регуляторные элементы, необходимые для независимой репликации. У бактерий таковым являются хромосома и плазмиды. Каждый репликон содержит не менее двух локусов, участвующих в контроле репликации: структурный ген-репликатор (ген-инициатор), детерминирующий синтез белка-инициатора и специальный сайт-репликатор, который распознает сигналы на начало удвоения хромосомы.
После некоторого периода роста клетка достигает определенного физиологического состояния. Из цитоплазматической мембраны в репликон поступают сигналы о необходимости репликации хромосомы и готовности клетки к делению. Под влиянием сигналов активизируется деятельность структурного гена и синтезируется белок-инициатор. Он, воздействуя на репликатор, запускает репликацию.
Между системой репликации хромосомы и делением клетки существует координированное взаимодействие: делению клетки всегда предшествует удвоение хромосомы. После завершения репликации начинается процесс деления клетки. У грамположительных бактерий и цианобактерий это осуществляется образованием поперечной перегородки, разделяющей материнскую клетку на две равноценные дочерние.
Деление происходит следующим образом. Вначале
синтезируется двуслойная цитоплазматическая мембрана. Затем на внутренней стороне клеточной стенки образуются два бугорка. Они интенсивно растут и, проникая кольцеобразно внутрь клетки между слоями образовавшейся цитоплазматической мембраны, образуют двойную перегородку, делящую клетку пополам.
Деление большинства грамотр тщательных бактерий
происходит путем перетяжки. При этом геномы расходятся по полюсам клетки, цитоплазматическая мембрана и клеточная стенка растягиваются, впячиваясь от периферии к центру клетки до контакта друг с другом. В результате клетка перешнуровывается на две дочерние. Деление клеток образованием перегородки или перетяжкой получило название бинарного в связи с формированием двух одинаковых дочерних клеток.
Кроме описанного бинарного деления, у бактерий известен другой способ размножения * почкование. Почкованием размножаются бактерии родов Hyphomicrobium, Pedomicrobium и других, объединенных в группу почкующихся бактерий. Эти организмы имеют вид вытянутых палочек (0,5х 2 мкм), иногда грушевидных, оканчивающихся гифами, или простеками (выростами).
Размножение у этих бактерий начинается с образования почки на конце гифы или непосредственно на материнской клетке. Почка разрастается в дочернюю клетку, формирует жгутик и отделяется от материнской клетки. По достижению зрелого состояния жгутик теряется и процесс развития повторяется.
В отличие от бинарного деления при почковании исходная клетка остается материнской, а вновь образованная - дочерней. Между ними имеются морфологические и физиологические различия.
Актиномицеты размножаются фрагментами мицелия и спорами. У одних (род Micromonospora) единичные споры формируются на гифах вегетативного мицелия, у других (род Streptomyces и др.) цепочки спор образуются на концах гиф воздушного мицелия, так называемых конидиеносцах. Фрагменты мицелия и споры в благоприятных условиях влажности, температуры прорастают и дают начало новым организмам.
Нитчатые цианобактерии кроме бинарного деления размножаются участками трихом и гормогониями. Последние представляют собой укороченные нити, состоящие из мелких вегетативных клеток одинаковой формы и размеров. При отмирании средних клеток трихома (нити) гормогонии выскальзывают из чехла материнского трихома, растут, делятся, образуя новые трихомы. Гормогонии, в отличие от материнского трихома, не имеют гетероцист и никогда не окружены чехлом.
Независимо от того, каким путем идет процесс размножения бактерий, скорость этого процесса огромна: за 24 ч может смениться столько поколений, сколько у человека за пять тысяч лет. Скорость размножения зависит от многих условий и для каждого вида бактерий различна. При наличии в среде необходимых питательных веществ, благоприятной температуры и кислотности среды деление каждой клетки может повторяться через 20-30 мин (Е. coli). При такой скорости размножения из одной клетки за сутки возможно образование 472 * 1019 клеток (273, 72 генерации).
Интенсивное размножение имеет для бактерий большое биологическое значение. Оно обеспечивает сохранение микроорганизмов на земной поверхности. При наступлении неблагоприятных условий они погибают массами, но достаточно сохраниться где-нибудь нескольким клеткам, как при подходящих условиях они дадут большое потомство клеток.
Численность популяции микроорганизмов в естественных местообитаниях, например, в почве или воде, постоянно меняется в соответствии с изменением условий существования. Но в лабораторных условиях на питательных средах изменение численности популяции микроорганизмов происходит закономерным образом.
