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. Чрез пъпкуване бактериите се размножават изключително рядко. Сексуалното размножаване на бактериите присъства 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 бактериална 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.
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 до завършване на процеса на делене (репликация).
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 на клетъчната стена се появява стеснение, което разделя клетката наполовина. Първо, нуклеотидът претърпява разделяне, 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.
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.
Клъстерите от делящи се клетки имат различни форми, които зависят от посоката на равнината на делене.
Глобуларни бактерии подредени 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 бактерията стрептококи (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.
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.
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 плазмиди при 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 антибиотична резистентност между популациите, причиняващи болести, е особено опасно за човечеството.
Ориз. 17. Снимката показва момента на конюгация на две E. coli.
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 културата, 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.
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 своя компас.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.
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.
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. Тази група включва също 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 киселина е неразделна част от коензим А.
Витамин В6 (пиридоксин). Участва в метаболизма на аминокиселините.
Витамини В12 (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 неразделна част от 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
Сапрофитните бактерии се хранят с органична материя от мъртви организми. Те консумират минимално количество хранителни вещества. Паразитните бактерии изискват повишени количества аминокиселини и други растежни фактори.
Ауксотрофи За 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.
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.
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 (фактори на растежа), 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.
