Как размножаются бактерии при благоприятных и неблагоприятных условиях?

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.

1. Бактерия достигает определенного размера и запаса питательных веществ. В результате она готова к началу процесса.
2. Затем клетка начинает продольно вытягиваться, то есть удлиняться.
3. При этом посередине формируется поперечная перегородка (перетяжка), которая начинает сходиться к центру клетки, сдавливая ее.
4. Внутри при этом происходит процесс репликации молекулы ДНК, то есть деление нуклеоида.
5. Генетический материал обоими концами молекулы крепится к стенкам бактериальной клетки.
6. Основная и реплицированная ДНК расходятся по разным полюсам.
7. Перетяжка смыкается и происходит разделение клетки пополам. Так формируются две дочерние особи.
8. Недостающие структуры (жгутики, слизевые капсулы и так далее) достраиваются у каждого представителя отдельно.
9. 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.

1. Клетки ломают цитоплазматический мостик между ними и отталкиваются друг от друга (разламывающее разделение). Пример: палочки сибирской язвы.
2. Аккуратное разделение при помощи скольжения одной особи по поверхности другой. Пример: эшерихия.
3. 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.

1. Две клетки сближаются между собой и устанавливают контакт.
2. Место контакта называется пили, и оно является полой фиброзной трубочкой. Вырабатывается "мужской" клеткой.
3. Затем по образованному каналу начинает происходить передача ДНК отца в материнскую клетку.
4. Здесь генетический материал рекомбинируется, то есть обменивается участками. Каждая молекула достраивает себе недостающую цепочку.
5. Процесс очень медленный, поэтому за время его прохождения "мужская" клетка способна несколько раз реплицировать свою ДНК.
6. 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.