רבייה של חיידקים באמצעות ביקוע היא השיטה הנפוצה ביותר להגדלת גודלה של אוכלוסיית חיידקים. לאחר החלוקה גדלים החיידקים לגודלם המקורי, מה שמצריך חומרים מסוימים (גורמי גדילה).
שיטות הרבייה של חיידקים שונות, אך לרוב המינים שלהם יש צורה של רבייה א-מינית על ידי ביקוע. חיידקים מתרבים לעתים רחוקות ביותר על ידי ניצנים. רבייה מינית של חיידקים קיימת בצורה פרימיטיבית.
אורז. 1. בתמונה נראה תא חיידקי בשלב החלוקה.
מנגנון גנטי של חיידקים
המנגנון הגנטי של החיידקים מיוצג על ידי DNA בודד - כרומוזום. ה-DNA סגור במעגל. הכרומוזום ממוקם בנוקלאוטיד שאין לו קרום. תא חיידקי מכיל פלסמידים.
נוקלואיד
נוקלואיד הוא אנלוגי לגרעין. הוא ממוקם במרכז התא.הוא מכיל DNA, נושא המידע התורשתי בצורה מקופלת. DNA שנפרק מגיע לאורך של 1 מ"מ. לחומר הגרעיני של תא חיידק אין קרום, גרעין או קבוצה של כרומוזומים, ואינו מתחלק במיטוזה. לפני החלוקה, הנוקלאוטיד מוכפל. במהלך החלוקה, מספר הנוקלאוטידים עולה ל-4.
אורז. 2. בתמונה נראה תא חיידקי בחתך. נוקלאוטיד נראה בחלק המרכזי.
פלסמידים
פלסמידים הם מולקולות אוטונומיות מקופלות לטבעת של DNA דו-גדילי. המסה שלהם קטנה משמעותית מהמסה של נוקלאוטיד. למרות העובדה שמידע תורשתי מקודד ב-DNA של פלסמידים, הם אינם חיוניים והכרחיים לתא החיידק.
לאחר הגעה לגודל מסוים המאפיין תא בוגר, מנגנוני חלוקה מופעלים.
שכפול הדנ"א
שכפול DNA קודם לחלוקת התא. מזוזומים (קפלים של הממברנה הציטופלזמית) מחזיקים DNA עד להשלמת תהליך החלוקה (השכפול).
שכפול DNA מתבצע בעזרת אנזימים DNA פולימראזות. במהלך השכפול, קשרי המימן ב-DNA דו-גדילי נשברים, וכתוצאה מכך נוצרים שני DNA-בת חד-גדילי מ-DNA אחד. לאחר מכן, כאשר ה-DNA של הבת תפסו את מקומם בתאי הבת המופרדים, הם משוחזרים.
מיד עם השלמת שכפול ה-DNA, כתוצאה מסינתזת דופן התא, מופיעה התכווצות המחלקת את התא לשניים. ראשית, הנוקלאוטיד עובר חלוקה, ואז הציטופלזמה. סינתזת דופן התא משלימה את החלוקה.
אורז. 4. תכנית חלוקת תאי חיידקים.
החלפת קטעי DNA
ב-Bacillus subtilis, תהליך שכפול ה-DNA מסתיים בהחלפה של שני קטעי DNA.
לאחר חלוקת התא נוצר גשר שדרכו עובר ה-DNA של תא אחד לתא אחר. לאחר מכן, שני ה-DNA שלובים זה בזה. חלקים מסוימים של שני ה-DNA נדבקים זה לזה. באתרי ההידבקות מחליפים מקטעי DNA. אחד מה-DNA הולך לאורך המגשר בחזרה לתא הראשון.
אורז. 5. וריאנט של חילופי DNA ב-Bacillus subtilis.
חלוקה על ידי שבירה אופיינית לבצילי אנתרקס. כתוצאה מחלוקה זו, התאים נשברים בנקודות החיבור, ושוברים את הגשרים הציטופלזמיים. ואז הם דוחים זה את זה, יוצרים שרשראות.
חלוקה הזזה
בהפרדה בהחלקה, לאחר החלוקה התא מתנתק וכביכול מחליק לאורך פני תא אחר. שיטה זו של הפרדה אופיינית לצורות מסוימות של Escherichia.
פיצול מפוצל
עם חלוקה סקאנטית, אחד התאים המחולקים עם הקצה החופשי שלו מתאר קשת של מעגל, שמרכזה הוא נקודת המגע שלו עם תא אחר, ויוצרים קווינק או כתב יתדות רומאי (Corynebacterium diphtheria, Listeria).
קצב חלוקת החיידקים גבוה ביותר. בממוצע, תא חיידק אחד מתחלק כל 20 דקות. תוך יום אחד בלבד, תא אחד יוצר 72 דורות של צאצאים. Mycobacterium tuberculosis מתחלק לאט. כל תהליך החלוקה לוקח להם כ-14 שעות.
אורז. 16. התמונה מציגה את תהליך חלוקת תאי הסטרפטוקוקוס.
בשנת 1946, מדענים גילו רבייה מינית בצורה פרימיטיבית.במקרה זה, גמטות (תאי רבייה זכריים ונשיים) אינם נוצרים, אך חלק מהתאים מחליפים חומר גנטי (רקומבינציה גנטית).
העברת גנים מתרחשת כתוצאה מכך נְטִיָה - העברה חד כיוונית של חלק מהמידע הגנטי בצורה פלסמידים במגע של תאי חיידקים.
פלסמידים הם מולקולות DNA קטנות. הם אינם קשורים לגנום הכרומוזום ומסוגלים להכפיל את עצמם באופן אוטונומי. פלסמידים מכילים גנים המגבירים את העמידות של תאי חיידקים לתנאים סביבתיים לא נוחים. לעתים קרובות חיידקים מעבירים את הגנים הללו זה לזה. כמו כן צוין העברת מידע גנטי לחיידקים ממין אחר.
בהיעדר תהליך מיני אמיתי, הצימוד הוא זה שממלא תפקיד עצום בהחלפת מאפיינים שימושיים. כך מועברת יכולתם של חיידקים להפגין עמידות לתרופות. העברת העמידות לאנטיביוטיקה בין אוכלוסיות הגורמות למחלות מסוכנת במיוחד לאנושות.
אורז. 17. התמונה מציגה את רגע הצימוד של שני E. coli.
בחיסון על מצע תזונתי, התפתחות אוכלוסיית החיידקים עוברת מספר שלבים.
שלב ראשוני
השלב הראשוני הוא התקופה מרגע הזריעה ועד לגדילתם. בממוצע, השלב הראשוני נמשך 1 - 2 שעות.
שלב עיכוב הרבייה
זהו השלב של צמיחה אינטנסיבית של חיידקים. משך הזמן הוא כשעתיים. זה תלוי בגיל הגידול, תקופת ההסתגלות, איכות המדיום התזונתי וכו'.
שלב לוגריתמי
בשלב זה יש שיא בקצב ההתרבות והגידול באוכלוסיית החיידקים. משך הזמן הוא 5 - 6 שעות.
שלב האצה שלילית
בשלב זה חלה ירידה בקצב הרבייה, מספר החיידקים המתחלקים יורד ומספר החיידקים המתים עולה. הסיבה לתאוצה השלילית היא דלדול המדיום התזונתי. משך הזמן הוא כשעתיים.
שלב מקסימלי נייח
במהלך השלב הנייח, מצוין מספר שווה של מתים וחדשים שזה עתה נוצרו. משך הזמן הוא כשעתיים.
שלב האצת מוות
במהלך שלב זה, מספר התאים המתים גדל בהדרגה. משך הזמן הוא כ-3 שעות.
שלב מוות לוגריתמי
בשלב זה, תאי חיידק מתים בקצב קבוע. משך הזמן הוא כ-5 שעות.
שלב הפחתת שיעור
במהלך שלב זה, תאי החיידק החיים הנותרים נכנסים למצב רדום.
אורז. 18. האיור מציג את עקומת הגדילה של אוכלוסיית חיידקים.
אורז. 19. בתמונה מושבה של Pseudomonas aeruginosa בצבע כחול-ירוק, מושבה של מיקרוקוקים צהובה, מושבה של Bacterium prodigiosum היא אדומה בדם ומושבה של Bacteroides niger שחורה.
אורז. 20. התמונה מציגה מושבה של חיידקים. כל מושבה היא צאצא של תא בודד. במושבה, מספר התאים הוא במיליונים. המושבה גדלה תוך 1 - 3 ימים.
בשנות ה-70 התגלו חיידקים החיים בים בעלי תחושת מגנטיות. המגנטיות מאפשרת ליצורים המדהימים הללו לנווט לאורך קווי השדה המגנטי של כדור הארץ ולמצוא גופרית, חמצן וחומרים אחרים להם הם זקוקים כל כך. ה"מצפן" שלהם מיוצג על ידי מגנטוזומים, המורכבים ממגנט. בעת חלוקה, חיידקים רגישים מגנטית מחלקים את המצפן שלהם.במקרה זה, ההיצרות במהלך החלוקה הופכת לבלתי מספקת בבירור, כך שתא החיידק מתכופף ועושה שבר חד.
אורז. 21. התמונה מציגה את רגע החלוקה של חיידק רגיש מגנטית.
כאשר תא חיידקי מתחיל להתחלק, שתי מולקולות DNA נעות לקצוות מנוגדים של התא. לאחר מכן, התא מחולק לשני חלקים שווים, המופרדים זה מזה וגדלים לגודלם המקורי. מהירות החלוקה של חיידקים רבים היא בממוצע 20 - 30 דקות. תוך יום אחד בלבד, תא אחד יוצר 72 דורות של צאצאים.
במהלך תהליך הגדילה וההתפתחות, מסת תאים קולטת במהירות חומרי הזנה מהסביבה. זה מקל על ידי גורמים סביבתיים נוחים - תנאי טמפרטורה, כמויות מספיקות של חומרים מזינים וה-pH הנדרש של הסביבה. תאים אירוביים דורשים חמצן. זה מסוכן לאנאירובים. עם זאת, שגשוג בלתי מוגבל של חיידקים אינו מתרחש בטבע. לאור שמש, אוויר יבש, מחסור במזון, טמפרטורת סביבה גבוהה וגורמים נוספים יש השפעה מזיקה על תא החיידק.
לצורך גדילת חיידקים נחוצים חומרים מסוימים (גורמי גדילה) שחלקם מסונתזים על ידי התא עצמו, חלקם מגיעים מהסביבה. הצורך בגורמי גדילה שונה עבור כל החיידקים.
הצורך בגורמי גדילה הוא מאפיין קבוע, המאפשר להשתמש בו לזיהוי חיידקים, הכנת מדיות תזונתיות ושימוש בו בביוטכנולוגיה.
גורמי גדילה חיידקיים (ויטמינים חיידקיים) הם יסודות כימיים, רובם ויטמיני B מסיסים במים קבוצה זו כוללת גם בסיסים של המין, כולין, פורין ופירימידין וחומצות אמינו נוספות. בהיעדר גורמי גדילה מתרחשת בקטריוסטזיס.
חיידקים משתמשים בגורמי גדילה בכמויות מזעריות וללא שינוי. מספר כימיקלים בקבוצה זו הם חלק מאנזימים תאיים.
אורז. 23. התמונה מציגה את רגע החלוקה של חיידק בצורת מוט.
גורמי הגדילה החשובים ביותר של חיידקים
ויטמין B1 (תיאמין). לוקח חלק בחילוף החומרים של פחמימות.
ויטמין B2 (ריבופלבין). לוקח חלק בתגובות חיזור.
חומצה פנטותנית הוא חלק בלתי נפרד מקו-אנזים A.
ויטמין B6 (פירידוקסין). לוקח חלק במטבוליזם של חומצות אמינו.
ויטמינים B12 (קובלמינים הם חומרים המכילים קובלט). הם לוקחים חלק פעיל בסינתזה של נוקלאוטידים.
חומצה פולית. חלק מנגזרותיו הן חלק מאנזימים המזרזים את הסינתזה של בסיסים פורין ופירימידין, כמו גם כמה חומצות אמינו.
ביוטין. משתתף במטבוליזם של חנקן וגם מזרז סינתזה של חומצות שומן בלתי רוויות.
ויטמין PP (חומצה ניקוטינית). משתתף בתגובות חיזור, יצירת אנזימים וחילוף חומרים של שומנים ופחמימות.
ויטמין H (חומצה פארא-אמינו-בנזואית). זהו גורם גדילה עבור חיידקים רבים, כולל אלה המאכלסים את המעיים האנושיים. חומצה פולית מסונתזת מחומצה פארא-אמינו-בנזואית.
תאומים. זהו חלק בלתי נפרד מכמה אנזימים הלוקחים חלק בתגובות חמצון.
חולין. לוקח חלק בתגובות של סינתזת שומנים בדפנות התא. היא ספקית של קבוצת מתיל בסינתזה של חומצות אמינו.
בסיסים של פורין ופירימידין (אדנין, גואנין, קסנטין, היפוקסנטין, ציטוזין, תימין ואורציל). החומרים נחוצים בעיקר כמרכיבים של חומצות גרעין.
חומצות אמינו. חומרים אלו הם מרכיבים של חלבוני התא.
דרישה לגורמי גדילה של חיידקים מסוימים
חיידקי ספרופיטים ניזונים מחומר אורגני מאורגניזמים מתים. הם צורכים מינימום חומרים מזינים. חיידקים טפילים דורשים כמויות מוגברות של חומצות אמינו וגורמי גדילה אחרים.
אוקסוטרופים כדי להבטיח חיים, הם דורשים אספקה של כימיקלים מבחוץ. לדוגמה, קלוסטרידיה אינם מסוגלים לסנתז לציטין וטירוזין. סטפילוקוקים דורשים אספקה של לציטין וארגינין. סטרפטוקוקים דורשים אספקה של חומצות שומן - מרכיבים של פוספוליפידים. Corynebacteria ו Shigella דורשים חומצה ניקוטינית. Staphylococcus aureus, pneumococci ו- Brucella דורשים ויטמין B1. סטרפטוקוקים וחיידקי טטנוס - בחומצה פנטותנית.
פרוטוטרופים לסנתז באופן עצמאי את החומרים הדרושים.
אורז. 24. לתנאים סביבתיים שונים יש השפעות שונות על גדילת מושבות חיידקים. בצד שמאל יש צמיחה מתמדת בצורה של מעגל שמתרחב לאט. בצד ימין יש צמיחה מהירה בצורה של "יורה".
לימוד הצורך של חיידקים בגורמי גדילה מאפשר למדענים להשיג מסה מיקרוביאלית גדולה, הנחוצה כל כך בייצור תרופות אנטי-מיקרוביאליות, סרומים וחיסונים.
התפשטות חיידקים היא מנגנון להגדלת מספר אוכלוסיות החיידקים. חלוקת חיידקים היא שיטת הרבייה העיקרית. לאחר חלוקת החיידקים חייבים להגיע לגודל בוגר. חיידקים גדלים על ידי ספיגה מהירה של חומרים מזינים מסביבתם. לצמיחה יש צורך בחומרים מסוימים (גורמי גדילה), שחלקם מסונתזים על ידי תא החיידק עצמו, וחלקם מגיעים מהסביבה.
על ידי לימוד הצמיחה והרבייה של חיידקים, מדענים מגלים כל הזמן את התכונות המועילות של מיקרואורגניזמים, שהשימוש בהם בחיי היומיום ובייצור מוגבל רק על ידי תכונותיהם.
