Самые мелкие организмы на нашей планете - прокариотические клетки бактерий. Наверное, их размеры - это и есть одна из причин, по которой они способны к колоссальному увеличению численности. Подсчитано, что в норме размножение бактерий происходит каждые 20-30 минут. Естественно, что количество формирующихся клеток просто невероятно! За сутки в переводе на массу потомство от одной особи составит около 5 тонн.
Однако в силу различных лимитирующих факторов такого прироста не происходит. Чем же обусловлено такое стремительное размножение этих организмов? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Способы размножения бактерий
Таковых несколько. Основной фактор, который определяет тот или иной вариант процесса размножения - это внешние условия. Как размножаются бактерии при благоприятных условиях? Способов два:
- вегетативно (бесполое);
- почкованием.
Это более быстрые, простые и эволюционно древние методы. Однако при таких способах не происходит обмен генетической информацией, поэтому дочерние особи являются точной материнской копией.
А вот как размножаются бактерии, если параметры внешней сферы неблагоприятны? Тогда наступает особый процесс, имеющий такую же основу, как половое размножение многоклеточных - обмен генетической информацией благодаря рекомбинации участков молекул ДНК соседних нуклеоидов в клетках.
Рассмотрим каждый из этих вариантов более подробно и выясним особенности искусственного выращивания популяций микроорганизмов.
Бесполое размножение и его особенности
Каждая бактериальная клетка совершает все жизненно важные процессы:
- дышит;
- питается;
- передвигается;
- поглощает и тратит энергию;
- растет;
- развивается.
Итогом всей жизни становится процесс бесполого размножения, в результате которого материнская клетка дает начало новым особям и постепенно отмирает.
Описание процесса
То, как размножаются бактерии вегетативно, можно коротко описать в нескольких пунктах.
- Бактерия достигает определенного размера и запаса питательных веществ. В результате она готова к началу процесса.
- Затем клетка начинает продольно вытягиваться, то есть удлиняться.
- При этом посередине формируется поперечная перегородка (перетяжка), которая начинает сходиться к центру клетки, сдавливая ее.
- Внутри при этом происходит процесс репликации молекулы ДНК, то есть деление нуклеоида.
- Генетический материал обоими концами молекулы крепится к стенкам бактериальной клетки.
- Основная и реплицированная ДНК расходятся по разным полюсам.
- Перетяжка смыкается и происходит разделение клетки пополам. Так формируются две дочерние особи.
- Недостающие структуры (жгутики, слизевые капсулы и так далее) достраиваются у каждого представителя отдельно.
- Первым делится нуклеоид клетки, а после него происходит цитокинез.
Очевидно, что рост и размножение бактерий по такому типу - очень простой и быстро происходящий процесс, не требующий подготовки и каких-то специфических особенностей.
Однако у некоторых видов (например, у сенной палочковидной бактерии) на этом процесс не заканчивается. Две дочерние клетки образуют между собой мостик, по которому ДНК свободно переходит из одной в другую. Встречаясь между собой, молекулы нуклеиновой кислоты обмениваются участками, что приводит к возникновению мутаций. После этого ДНК возвращается в свою клетку, только уже измененная, с новыми встроенными в цепь участками. Мостик рушится, каждая особь начинает самостоятельное существование.
Типы деления клеток
Есть еще несколько особенностей в том, как размножаются бактерии бесполым путем. При совершении процесса возможны три варианта развития событий.
- Цитокинез и деление нуклеоида происходит раньше, чем успевают сформироваться перетяжки, и клетки расходятся двумя структурами. Поэтому в этих случаях происходит формирование диплококков, стрептококков, стафилококков, палочковидных многоклеточных образований и прочих объединенных форм.
- Нормальное разделение. При этом происходит своевременное и гармоничное вегетативное деление как самих клеток, так и генетического материала и цитоплазмы. В результате из одной материнской получаются две нормальные дочерние клетки.
- Происходящее деление генетического материала сильно опережает разделение самих клеток. В результате формируются многонуклеоидные формы.
После того как образовалась любая из вышеперечисленных колоний, клетки во многих из них также стремятся к отделению друг от друга и самостоятельному существованию.
Способы отсоединения клеток друг от друга
Особенности размножения бактерий вегетативным способом предусматривают разные варианты отделения клеток. Всего их можно назвать три.
- Клетки ломают цитоплазматический мостик между ними и отталкиваются друг от друга (разламывающее разделение). Пример: палочки сибирской язвы.
- Аккуратное разделение при помощи скольжения одной особи по поверхности другой. Пример: эшерихия.
- Сечение. Способ, при котором одна клетка описывает вокруг другой фигуру в форме V. Пример: дифтерийные бактерии.
На этом особенности бесполого (вегетативного) размножения бактериальных особей заканчиваются.
Половое размножение: особенности
Как происходит размножение бактерий половым способом, было установлено лишь в 1946 году. До этого был известен только уже рассмотренный нами вариант. Считалось, что ответ на вопрос о том, как размножаются настоящие бактерии, однозначен: только бесполым путем деления клетки надвое.
Однако эксперименты над штаммами эшерихии коли показали, что ее клетки способны к конъюгации. Так называется особый процесс обмена генетическим материалом. А это уже прямой признак именно полового размножения.
Как таковых женских и мужских клеток среди бактерий нет. Однако всегда есть та, что содержит начальную ДНК (мужская) и та, что будет ее принимать у себя (женская). Весь процесс происходит следующим образом.
- Две клетки сближаются между собой и устанавливают контакт.
- Место контакта называется пили, и оно является полой фиброзной трубочкой. Вырабатывается "мужской" клеткой.
- Затем по образованному каналу начинает происходить передача ДНК отца в материнскую клетку.
- Здесь генетический материал рекомбинируется, то есть обменивается участками. Каждая молекула достраивает себе недостающую цепочку.
- Процесс очень медленный, поэтому за время его прохождения "мужская" клетка способна несколько раз реплицировать свою ДНК.
- В результате формируются особи новые, имеющие рекомбинантный генетический материал с признаками и мужской, и женской клетки. А также остаются несколько начальных отцовских клеток.
Рост бактериальных колоний
Для того чтобы изучить, как происходит рост и размножение бактерий, готовят специальные питательные среды, подходящие для каждого вида. На них высеивают штаммы и, соблюдая определенные стерильные условия, чтобы избежать конкуренции при подселении других микроорганизмов, наблюдают за происходящими изменениями и ростом целых колоний.
Если не ограничивать лимитирующими факторами этот процесс, то прирост популяции идет в логарифмической прогрессии. Отмирание клеток естественным путем - всего лишь в арифметической.
Спорообразование
Услышав о том, что микробы способны формировать особые структуры - споры, многие думают, что это еще один вариант того, как размножаются бактерии. Однако это не так.
Спора - это лишь временное состояние покоя клетки, в котором она способна переживать неблагоприятные условия среды. Иногда даже десятки лет. С процессами воспроизведения потомства это никоим образом не связано.
