Rozmnażanie bakterii poprzez rozszczepienie jest najpowszechniejszą metodą zwiększania liczebności populacji drobnoustrojów. Po podziale bakterie rosną do swoich pierwotnych rozmiarów, co wymaga pewnych substancji (czynników wzrostu).
Metody rozmnażania bakterii są różne, ale większość ich gatunków ma formę rozmnażania bezpłciowego przez rozszczepienie. Bakterie rozmnażają się niezwykle rzadko poprzez pączkowanie. Rozmnażanie płciowe bakterii występuje w prymitywnej formie.
Ryż. 1. Zdjęcie przedstawia komórkę bakteryjną w fazie podziału.
Aparat genetyczny bakterii
Aparat genetyczny bakterii jest reprezentowany przez pojedynczy DNA - chromosom. DNA jest zamknięte w okręgu. Chromosom jest zlokalizowany w nukleotydzie, który nie ma błony. Komórka bakteryjna zawiera plazmidy.
Nukleoid
Nukleoid jest analogiem jądra. Znajduje się w centrum komórki.Zawiera DNA, nośnik informacji dziedzicznej w złożonej formie. Nienawinięty DNA osiąga długość 1 mm. Substancja jądrowa komórki bakteryjnej nie ma błony, jąderka ani zestawu chromosomów i nie dzieli się na drodze mitozy. Przed podziałem nukleotyd ulega podwojeniu. Podczas podziału liczba nukleotydów wzrasta do 4.
Ryż. 2. Zdjęcie przedstawia wycinek komórki bakteryjnej. W części środkowej widoczny jest nukleotyd.
Plazmidy
Plazmidy to autonomiczne cząsteczki zwinięte w pierścień dwuniciowego DNA. Ich masa jest znacznie mniejsza niż masa nukleotydu. Pomimo faktu, że informacje dziedziczne są zakodowane w DNA plazmidów, nie są one istotne i niezbędne dla komórki bakteryjnej.
Po osiągnięciu określonej wielkości charakterystycznej dla dorosłej komórki uruchamiane są mechanizmy podziału.
replikacja DNA
Replikacja DNA poprzedza podział komórki. Mezosomy (fałdy błony cytoplazmatycznej) przechowują DNA do czasu zakończenia procesu podziału (replikacji).
Replikacja DNA odbywa się za pomocą enzymów polimeraz DNA. Podczas replikacji wiązania wodorowe w dwuniciowym DNA zostają zerwane, w wyniku czego z jednego DNA powstają dwa jednoniciowe DNA potomne. Następnie, gdy potomne DNA zajmą swoje miejsce w oddzielnych komórkach potomnych, zostają przywrócone.
Po zakończeniu replikacji DNA, w wyniku syntezy ściany komórkowej, pojawia się zwężenie dzielące komórkę na pół. W pierwszej kolejności podziałowi ulega nukleotyd, następnie cytoplazma. Synteza ściany komórkowej kończy podział.
Ryż. 4. Schemat podziału komórki bakteryjnej.
Wymiana odcinków DNA
U Bacillus subtilis proces replikacji DNA kończy się wymianą dwóch odcinków DNA.
Po podziale komórki powstaje most, przez który DNA jednej komórki przechodzi do drugiej. Następnie oba DNA są ze sobą powiązane. Niektóre odcinki obu DNA sklejają się ze sobą. W miejscach adhezji następuje wymiana segmentów DNA. Jedna część DNA przechodzi wzdłuż zworki z powrotem do pierwszej komórki.
Podział przez rozbicie jest charakterystyczny dla prątków wąglika. W wyniku tego podziału komórki pękają w punktach połączeń, rozrywając mostki cytoplazmatyczne. Następnie odpychają się, tworząc łańcuchy.
Podział przesuwny
Przy separacji przesuwnej, po podziale komórka zostaje oddzielona i niejako ślizga się po powierzchni innej komórki. Ta metoda separacji jest typowa dla niektórych form Escherichia.
Podzielony podział
Przy podziale siecznym jedna z podzielonych komórek swoim wolnym końcem opisuje łuk koła, którego środkiem jest punkt jej kontaktu z inną komórką, tworząc rzymską quinque lub klinową (Corynebacterium diphtheria, Listeria).
Ryż. 6. Zdjęcie przedstawia bakterie tworzące łańcuchy w kształcie pałeczek (pałeczki wąglika).
Ryż. 7. Zdjęcie przedstawia metodę przesuwną separacji E. coli.
Skupiska dzielących się komórek mają różne kształty, które zależą od kierunku płaszczyzny podziału.
Bakterie kuliste ułożone jeden po drugim, dwa po dwa (diplokoki), w paczkach, w łańcuchach lub jak kiście winogron. Bakterie w kształcie pręta - w łańcuchach.
Bakterie w kształcie spirali - chaotyczny.
Ryż. 9. Zdjęcie przedstawia mikrokoki. Są okrągłe, gładkie i mają kolor biały, żółty i czerwony. W naturze mikrokoki są wszechobecne. Żyją w różnych jamach ludzkiego ciała.
Ryż. 10. Na zdjęciu bakteria diplococcus - Streptococcus pneumoniae.
Ryż. 11. Na zdjęciu bakteria Sarcina. Bakterie kokoidowe skupiają się w pakietach.
Ryż. 12. Zdjęcie przedstawia paciorkowce bakteryjne (od greckiego „streptos” - łańcuch). Ułożone w łańcuchy. Są przyczyną wielu chorób.
Ryż. 13. Na zdjęciu bakterie to „złote” gronkowce. Ułożone jak „kiście winogron”. Grona mają złoty kolor. Są przyczyną wielu chorób.
Ryż. 14. Na zdjęciu zwinięte bakterie Leptospira są przyczyną wielu chorób.
Ryż. 15. Zdjęcie przedstawia bakterie w kształcie pałeczki z rodzaju Vibrio.
Szybkość podziału bakterii jest niezwykle wysoka. Średnio jedna komórka bakteryjna dzieli się co 20 minut. W ciągu zaledwie jednego dnia z jednej komórki powstają 72 pokolenia potomstwa. Mycobacterium tuberculosis dzieli się powoli. Cały proces podziału zajmuje im około 14 godzin.
Ryż. 16. Zdjęcie przedstawia proces podziału komórek paciorkowców.
W 1946 roku naukowcy odkryli prymitywną formę rozmnażania płciowego.W tym przypadku nie powstają gamety (męskie i żeńskie komórki rozrodcze), ale niektóre komórki wymieniają materiał genetyczny (rekombinacja genetyczna).
W rezultacie następuje transfer genów koniugacja - jednokierunkowy transfer części informacji genetycznej w postaci plazmidy po kontakcie komórek bakteryjnych.
Plazmidy to małe cząsteczki DNA. Nie są one powiązane z genomem chromosomowym i są zdolne do autonomicznego podwajania. Plazmidy zawierają geny zwiększające odporność komórek bakteryjnych na niekorzystne warunki środowiskowe. Bakterie często przekazują sobie te geny. Odnotowuje się również transfer informacji genetycznej do bakterii innego gatunku.
W przypadku braku prawdziwego procesu seksualnego, koniugacja odgrywa ogromną rolę w wymianie przydatnych cech. W ten sposób przekazywana jest zdolność bakterii do wykazywania lekooporności. Szczególnie niebezpieczne dla ludzkości jest transfer oporności na antybiotyki pomiędzy populacjami chorobotwórczymi.
Ryż. 17. Zdjęcie przedstawia moment koniugacji dwóch E. coli.
Po zaszczepieniu na pożywce rozwój populacji bakterii przebiega przez kilka faz.
Faza początkowa
Faza początkowa to okres od momentu siewu do ich wzrostu. Faza początkowa trwa średnio 1 – 2 godziny.
Faza opóźnienia rozrodu
Jest to faza intensywnego rozwoju bakterii. Jego czas trwania to około 2 godziny. Zależy to od wieku uprawy, okresu adaptacji, jakości pożywki itp.
Faza logarytmiczna
W tej fazie następuje szczyt współczynnika reprodukcji i wzrost populacji bakterii. Jego czas trwania wynosi 5 – 6 godzin.
Ujemna faza przyspieszania
W tej fazie następuje spadek współczynnika reprodukcji, zmniejsza się liczba dzielących się bakterii i wzrasta liczba martwych bakterii. Przyczyną ujemnego przyspieszenia jest wyczerpanie się pożywki. Jego czas trwania to około 2 godziny.
Stacjonarna faza maksymalna
W fazie stacjonarnej odnotowuje się równą liczbę osobników martwych i nowo powstałych. Jego czas trwania to około 2 godziny.
Faza Przyspieszenia Śmierci
W tej fazie liczba martwych komórek stopniowo wzrasta. Jego czas trwania to około 3 godziny.
Logarytmiczna faza śmierci
Podczas tej fazy komórki bakteryjne umierają w stałym tempie. Jego czas trwania wynosi około 5 godzin.
Faza zmniejszania szybkości
Podczas tej fazy pozostałe żywe komórki bakteryjne wchodzą w stan uśpienia.
Ryż. 18. Rysunek przedstawia krzywą wzrostu populacji bakterii.
Ryż. 19. Na zdjęciu kolonia Pseudomonas aeruginosa jest niebiesko-zielona, kolonia mikrokoków jest żółta, kolonia Bacterium prodigiosum jest krwistoczerwona, a kolonia Bacteroides niger jest czarna.
Ryż. 20. Zdjęcie przedstawia kolonię bakterii. Każda kolonia jest potomkiem pojedynczej komórki. W kolonii liczba komórek liczy się w milionach. Kolonia rośnie w ciągu 1–3 dni.
W latach 70. XX wieku odkryto bakterie żyjące w morzach, które miały poczucie magnetyzmu. Magnetyzm pozwala tym niesamowitym stworzeniom poruszać się po liniach pola magnetycznego Ziemi i znajdować siarkę, tlen i inne substancje, których tak bardzo potrzebuje. Ich „kompas” reprezentują magnetosomy, które składają się z magnesu. Dzieląc się, bakterie wrażliwe magnetycznie dzielą swój kompas.W tym przypadku zwężenie podczas podziału staje się wyraźnie niewystarczające, przez co komórka bakteryjna wygina się i powoduje ostre pęknięcie.
Ryż. 21. Zdjęcie przedstawia moment podziału bakterii wrażliwej magnetycznie.
Kiedy komórka bakteryjna zaczyna się dzielić, dwie cząsteczki DNA przemieszczają się na przeciwne końce komórki. Następnie komórkę dzieli się na dwie równe części, które oddzielają się od siebie i powiększają do pierwotnego rozmiaru. Szybkość podziału wielu bakterii wynosi średnio 20–30 minut. W ciągu zaledwie jednego dnia z jednej komórki powstają 72 pokolenia potomstwa.
W procesie wzrostu i rozwoju masa komórek szybko wchłania składniki odżywcze z otoczenia. Sprzyjają temu sprzyjające czynniki środowiskowe – warunki temperaturowe, wystarczająca ilość składników odżywczych i wymagane pH środowiska. Komórki tlenowe wymagają tlenu. Jest niebezpieczny dla beztlenowców. Jednak w przyrodzie nie występuje nieograniczone namnażanie się bakterii. Światło słoneczne, suche powietrze, brak pożywienia, wysoka temperatura otoczenia i inne czynniki mają szkodliwy wpływ na komórkę bakteryjną.
Ryż. 22. Zdjęcie przedstawia moment podziału komórki.
Do wzrostu bakterii niezbędne są pewne substancje (czynniki wzrostu), z których część jest syntetyzowana przez samą komórkę, a część pochodzi ze środowiska. Zapotrzebowanie na czynniki wzrostu jest inne dla wszystkich bakterii.
Zapotrzebowanie na czynniki wzrostu jest cechą stałą, co pozwala na wykorzystanie ich do identyfikacji bakterii, przygotowania pożywek i wykorzystania w biotechnologii.
Bakteryjne czynniki wzrostu (witaminy bakteryjne) to pierwiastki chemiczne, z których większość to rozpuszczalne w wodzie witaminy z grupy B. Do tej grupy zaliczają się także zasady heminowe, cholinowe, purynowe i pirymidynowe oraz inne aminokwasy. W przypadku braku czynników wzrostu dochodzi do bakteriostazy.
Bakterie wykorzystują czynniki wzrostu w minimalnych ilościach i w niezmienionej formie. Wiele substancji chemicznych z tej grupy wchodzi w skład enzymów komórkowych.
Ryż. 23. Zdjęcie pokazuje moment podziału bakterii w kształcie pałeczki.
Najważniejsze czynniki wzrostu bakterii
Witamina B1 (tiamina). Bierze udział w metabolizmie węglowodanów.
Witamina B2 (ryboflawina). Bierze udział w reakcjach redoks.
Kwas pantotenowy jest integralną częścią koenzymu A.
Witamina B6 (pirydoksyna). Bierze udział w metabolizmie aminokwasów.
Witaminy B12 (kobalaminy to substancje zawierające kobalt). Biorą czynny udział w syntezie nukleotydów.
Kwas foliowy. Niektóre jego pochodne wchodzą w skład enzymów katalizujących syntezę zasad purynowych i pirymidynowych, a także niektórych aminokwasów.
Biotyna. Uczestniczy w metabolizmie azotu, a także katalizuje syntezę nienasyconych kwasów tłuszczowych.
Witamina PP (kwas nikotynowy). Uczestniczy w reakcjach redoks, tworzeniu enzymów oraz metabolizmie lipidów i węglowodanów.
Witamina H (kwas paraaminobenzoesowy). Jest czynnikiem wzrostu wielu bakterii, także tych zamieszkujących jelita człowieka. Kwas foliowy jest syntetyzowany z kwasu paraaminobenzoesowego.
Bliźnięta. Jest integralną częścią niektórych enzymów biorących udział w reakcjach utleniania.
Cholin. Bierze udział w reakcjach syntezy lipidów ściany komórkowej. Jest dostawcą grupy metylowej w syntezie aminokwasów.
Zasady purynowe i pirymidynowe (adenina, guanina, ksantyna, hipoksantyna, cytozyna, tymina i uracyl). Substancje te potrzebne są głównie jako składniki kwasów nukleinowych.
Aminokwasy. Substancje te są składnikami białek komórkowych.
Zapotrzebowanie na czynniki wzrostu niektórych bakterii
Bakterie saprofityczne żywią się materią organiczną martwych organizmów. Zużywają minimalną ilość składników odżywczych. Bakterie pasożytnicze wymagają zwiększonej ilości aminokwasów i innych czynników wzrostu.
Auksotrofy Aby zapewnić życie, wymagają dopływu środków chemicznych z zewnątrz. Na przykład Clostridia nie są w stanie syntetyzować lecytyny i tyrozyny. Gronkowce wymagają podaży lecytyny i argininy. Paciorkowce wymagają dostarczenia kwasów tłuszczowych – składników fosfolipidów. Corynebacteria i Shigella wymagają kwasu nikotynowego. Staphylococcus aureus, pneumokoki i Brucella wymagają witaminy B1. Paciorkowce i prątki tężca - w kwasie pantotenowym.
Ryż. 24. Różne warunki środowiskowe mają różny wpływ na rozwój kolonii bakteryjnych. Po lewej stronie widać stały wzrost w postaci powoli rozszerzającego się koła. Po prawej stronie szybki wzrost w postaci „pędów”.
Badanie zapotrzebowania bakterii na czynniki wzrostu pozwala naukowcom uzyskać dużą masę drobnoustrojów, niezbędną przy produkcji leków przeciwdrobnoustrojowych, surowic i szczepionek.
Proliferacja bakterii jest mechanizmem zwiększania liczby populacji drobnoustrojów. Główną metodą rozmnażania jest podział bakterii. Po podziale bakteria musi osiągnąć rozmiary dorosłe. Bakterie rosną poprzez szybkie wchłanianie składników odżywczych ze środowiska. Wzrost wymaga pewnych substancji (czynników wzrostu), z których część jest syntetyzowana przez samą komórkę bakteryjną, a część pochodzi ze środowiska.
Badając wzrost i rozmnażanie się bakterii, naukowcy nieustannie odkrywają korzystne właściwości mikroorganizmów, których zastosowanie w życiu codziennym i produkcji ograniczają jedynie ich właściwości.
