Рост и размножение микроорганизмов

Основные понятия

Для микроорганизмов, как и для других живых существ, характерны рост и размножение. Под ростом клетки подразумевают согласованное увеличение количества всех химических компонентов (например, белка, РНК, ДНК), ведущее в конечном счете к возрастанию размеров и массы клетки. Рост клетки не безграничен, достигнув определенной величины, она прекращает рост и начинает размножаться. Размножение — это увеличение числа клеток микроорганизмов в популяции. Микроорганизмы размножаются поперечным делением, происходящим в процессе роста, почкованием или образованием спор.

Размножение. Прокариоты обычно размножаются бесполым путем — бинарным делением. В начале деления клетка удлиняется, затем делится нуклеоид. Воспроизведение нуклеоида, содержащего всю генетическую информацию, необходимую для жизнедеятельности микроорганизма, — наиболее важный из всех процессов, которые происходят при росте клетки.

Нуклеоид представлен суперспирализованной и весьма плотно уложенной молекулой самореплицируюшейся ДНК, известной под названием репликона. К ре пли конам относят также плазмиды — генетические структуры, способные к самостоятельной репликации. Репликация ДНК осуществляется при участии ферментов ДНК-полимераз. Процесс начинается в определенной точке ДНК и происходит одновременно в двух противоположных направлениях. Заканчивается репликация также в определенном месте ДНК.

В результате репликации количество ДНК в клетке удваивается. Вновь синтезированные молекулы ДНК постепенно расходятся в образующиеся дочерние клетки. Все это позволяет дочерней клетке иметь совершенно тождественную материнской по последовательности нуклеотидов молекулу ДНК. Считают, что репликация ДНК занимает почти 80% всего времени, затрачиваемого бактериальной клеткой на деление.

После завершения репликации ДНК наблюдается целый комплекс процессов, ведущих к образованию межклеточной перегородки. Начинаются они с врастания двух слоев цитоплазматической мембраны с обеих сторон клетки, затем между слоями мембраны синтезируется пептидогликан и, наконец, формируется перегородка из двух слоев цитоплазматической мембраны и пептидогликана.

Во время репликации ДНК и образования делящей перегородки клетка микроорганизма непрерывно растет. В этот период происходят синтез пептидогликана клеточной стенки и составляющих цитоплазматической мембраны, образование новых рибосом и других органелл и соединений цитоплазмы. На последней стадии деления дочерние клетки отделяются друг от друга. У некоторых видов бактерий процесс идет не до конца, в результате образуются цепочки клеток.

При делении палочковидных бактерий клетки вначале растут в длину (диаметр клетки не меняется). Когда бактерии становятся вдвое длиннее, палочка несколько сужается посередине, а затем распадается на две клетки. Таким образом, рост клетки идет вдоль длинной оси, а деление осуществляется в плоскости, перпендикулярной этой оси. Чаще всего клетка делится на две равные части (изоморфное деление), однако встречается и неравномерное (гетеро— морфное) деление, когда дочерняя клетка больше материнской.

На рисунке 34 показано окончание деления бактерии со жгутиками. Жгутики остаются у материнской клетки, у дочерней они вырастают позднее. При многочисленных исследованиях жгутики обычно находили только у одной клетки из недавно разделившейся пары. Можно полагать, что материнская клетка сохраняет главную часть первоначальной клеточной стенки, фимбрии и жгутики.

Спирохеты, риккетсии, а также некоторые дрожжи и мицелиальные грибы, простейшие и другие организмы размножаются поперечным делением клеток. Миксобактерии делятся перетяжкой. Сначала клетка в месте деления слегка сужается, далее.

Рис. 34. Недавно разделившаяся клетка бактерии рода Klebsiella. Электронная микрофотография, х 2500 (по: К. Дугюл) клеточная стенка, постепенно впячиваясь с обеих сторон внутрь клетки, все больше и больше сужает ее и, наконец, делит на две. Дочерняя клетка, одетая уже собственной цитоплазматической мембраной, еше некоторое время сохраняет общую клеточную стенку.

Почкование у бактерий представляет собой разновидность бинарного деления и у ряда форм почти не отличается от деления. Например, у нитрифицирующих (Nitrobacter) и некоторых фотосинтезирующих (Rhodopseudomonas) бактерий клетки делятся, но растут лишь с одного полюса материнской клетки, поэтому образующиеся новые клетки неравноценны — в большинстве случаев между ними можно обнаружить морфологические отличия. Иногда у бактерий наблюдается половой процесс, или конъюгация (см. главу 4).

Клеточные циклы бактерий. Бактериальная клетка проходит от деления к делению клеточный цикл, равнозначный онтогенезу (периоду от возникновения бактериальной клетки до прекращения ее существования). При отсутствии дифференциации клеточный цикл бактерий представляется вегетативным клеточным циклом, который включает процессы, связанные с ростом и делением. У бактерий выделяют три типа вегетативного клеточного цикла:

• • мономорфный, когда при делении образуется только один морфологический тип клеток;
• • диморфный, когда при делении образуются две клетки, отличающиеся формой, размерами и другими признаками;
• • полиморфный, свойственный бактериям, которые в зависимости от состава среды могут образовывать клетки двух и более морфологически разных типов.

Для большинства бактерий характерен мономорфный клеточный никл. До наступления деления клетка проходит ряд периодов. Началу репликации хромосомы (инициации) предшествует период А, во время которого у новой клетки синтеза ДНК не происходит. Затем наступает период С, во время которого осуществляются инициация репликации, репликация ДНК и ее терминация. Третий период — D занимает время от репликации хромосомы до разделения клеток. В ряде случаев выделяют также и Т-период, который занимает время от начала до конца образования перегородки или перетяжки между вновь образованными дочерними клетками.

Диморфный клеточный цикл наблюдается у грамотрицатсльных бактерий, он характерен, например, для представителей рода Caulobacter и некоторых почкующихся форм. В процессе размножения Caulobacter образуются два типа клеток — подвижные со жгутиками и неподвижные со стебельком. Подвижные клетки обычно рассматриваются как дочерние, неподвижные со стебельками — как материнские.

Полиморфный клеточный цикл свойствен бактериям таких родов, как Arthrobacter, Hyphomicmbium, Rhodomicrobium и др. Наиболее характерный представитель бактерий с полиморфным циклом — Arthrobacter. Сначала у него формируются палочковидные неправильной формы клетки, затем переходящие в кокки; последние удлиняются, превращаясь в палочки. Интересной особенностью палочковидных бактерий данного рода является их способность при делении образовывать фигуры, подобные римской цифре V.

Для некоторых бактерий характерно образование специализированных клеток и особый порядок прохождения жизненных циклов (неточная дифференцировка бактерий). Так, у представителей семейства Bacillaceae наблюдается образование эндоспор, семейства Azotobacteriaceae — цист, пурпурной несерной бактерии Rhodomicrobium — экзоспор. Для многих облигатно паразитических и симбиотических бактерий характерно образование специализированных клеток, называемых элементарными тельцами (ЭТ).

Миксобактерии отличаются сложными жизненными циклами. Их палочковидные клетки с закругленными или заостренными концами способны ползать по плотному субстрату. Размножаются вегетативные клетки бинарным делением. В определенных условиях, чаще при истощении пищи и на поверхности твердого субстрата, клетки миксобактсрий собираются и образуют плодовые тела, которые состоят из слизи и дифференцированных покоящихся клеток, называемых миксоспорами, или микроцистами.

Время генерации. В результате роста и размножения из одной клетки микроорганизма образуется колония его потомков. Микроорганизмы отличаются высоким темпом размножения, оцениваемым по времени генерации, т. е. времени, в течение которого происходит деление клетки. Время генерации неодинаково у разных видов микроорганизмов, у клеток одною вида, но разного возраста; оно зависит также от условий роста (состава питательной среды, температуры, pH и других факторов).

При благоприятных условиях время генерации многих микроорганизмов колеблется от 20 до 30 мин. При такой скорости роста можно получить шесть генераций за 2 ч (у человека столько же поколений проходит за 120 лет). Вследствие способности к быстрому размножению в природе бактерии численно превышают все другие живые организмы. Однако бактерии не могут очень долго продолжать расти с периодом генерации 20 мин. Если бы такой рост был возможен, то из одной-единственной клетки кишечной палочки через 24 ч образовалось бы 2⁷², или около I0²² потомков, общая масса которых составила бы несколько десятков тысяч тонн, а сше через 24 ч роста бактерии масса ее потомков превысила бы в несколько раз массу земного шара. Недостаток пиши и накопление продуктов распада ограничивают столь бурное размножение бактерий. Однако в проточной среде они способны делиться каждые 15—18 мин.

Фазы цикла развития культуры бактерий. Наблюдения за ростом микроорганизмов, культивируемых на жидкой среде в замкнутых резервуарах, показывают, что скорость их роста изменяется во времени. Внесенные в питательную среду микроорганизмы сначала не развиваются — «привыкают» к условиям среды. Затем начинается размножение со все возрастающей скоростью, достигающей максимальной, на которую данный вид способен в данной среде. По мере исчерпания запаса питательных веществ и накопления продуктов обмена рост замедляется, а затем прекращается полностью. Цикл развития культуры бактерий состоит из ряда фаз (рис. 35).

Рис. 35. Фазы роста бактерий: I — исходная (стационарная фаза); II — фаза задержки размножения; III — логарифмическая фаза; IV — фаза отрицательного ускорения; V — стационарная фаза максимума; VI — фаза ускорения гибели клеток; VII — фаза логарифмической гибели; VIII — фаза уменьшения скорости отмирания.

Первая фаза — исходная, или стационарная. Начинается после внесения микроорганизмов в питательную среду и продолжается 1—2 ч. Количество бактерий во время этой фазы не увеличивается, и клетки не растут.

Вторая, или л, а г-фаза, — период задержки размножения. В указанное время бактерии, внесенные в свежую питательную среду, начинают интенсивно расти, но скорость их деления пока невысока. Две первые фазы развития бактериальной популяции называют периодом приспособления к новой среде. К концу лаг-фазы клетки часто увеличиваются по объему. Длительность лаг-фазы зависит как от внешних условий, так и от возраста бактерий и их видовой специфичности.

Третья фаза — интенсивного логарифмического, или экспоненциального, размножения. В этот период размножение бактерий идет с наибольшей скоростью и число клеток увеличивается в геометрической прогрессии.

Четвертая фаза — отрицательного ускорения. Клетки бактерий становятся менее активными, и период генерации удлиняется. Одна из причин, замедляющих размножение бактерий, — истощение питательной среды и накопление в ней токсичных продуктов обмена. Это замедляет ритм размножения. Некоторые клетки перестают размножаться и погибают.

Пятая фаза — стационарная. Период, когда число вновь возникающих клеток примерно равно числу отмирающих. Поэтому количество живых клеток некоторое время остается практически неизменным. Однако общая численность живых и мертвых бактерий несколько увеличивается, хотя и не очень быстро. Данную фазу иногда называют максимально стационарной, так как численность клеток в среде во время нее достигает максимума.

Шестая — восьмая фазы — отмирания — характеризуются тем, что отмирание клеток преобладает над размножением. Во время прохождения шестой фазы увеличивается число отмерших клеток. Седьмая фаза — логарифмической гибели клеток, когда они отмирают с постоянной скоростью. Во время восьмой фазы скорость отмирания клеток бактерий постепенно уменьшается. Отмирание в последние три фазы связано с изменением физико-химических свойств питательной среды в неблагоприятную для бактерий сторону и другими причинами. Ритм гибели клеток в эти фазы становится быстрым, и число живых клеток все более снижается, до тех пор пока они почти полностью не отмирают.

В описанных выше фазах развития микроорганизмов при культивировании в замкнутом резервуаре последние все время находятся в меняющихся условиях. Это так называемая непроточная культура микроорганизмов. Первое время они имеют в избытке все питательные вещества, затем постепенно начинают проявляться нсдостаток в питании и отравление продуктами обмена. Все указанное и приводит к снижению скорости роста, в результате чего культура переходит в стационарную фазу.

Однако если добавлять в среду питательные вещества и одновременно удалять продукты обмена, то микроорганизмы могли бы пребывать в течение неопределенного времени в экспоненциальной фазе роста. Такой способ положен в основу проточного культивирования микроорганизмов, осуществляемого в хемостатах и турбидостатах при помощи специальных устройств, обеспечивающих непрерывную подачу среды с регулируемой скоростью и хорошее ее перемешивание. В результате для микроорганизмов создаются неизменные условия, что позволяет поддерживать непрерывный и постоянный прирост клеток при любой скорости роста культуры. Проточное культивирование микроорганизмов поддается автоматическому регулированию, оно весьма перспективно и широко внедряется в практику.

В исследованиях физиологии микроорганизмов важно получение синхронных культур. Так называют бактериальную культуру, или популяцию, в которой все клетки находятся на одинаковой стадии клеточного цикла. Синхронные культуры обычно используют для изучения процессов роста у отдельных видов бактерий.

Контрольные вопросы и задания

1. В чем выражается рост микроорганизмов? 2. Как происходит размножение микроорганизмов? 3. Какие существуют типы вегетативного клеточного цикла? 4. Кратко охарактеризуйте основные фазы цикла развития культуры бактерий.