Термин «рост» в применении к микроорганизмам означает увеличение размеров отдельной особи, а «размножение» — повышение числа особей в популяции. При росте микробной клетки объем ее возрастает значительно быстрее, чем поверхность, поэтому распределение питательных веществ в цитоплазме клетки становится менее эффективным и клетка делится. Перед делением ее происходит удвоение молекул ДНК. Каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК.

Быстрота размножения разных микробов, выращиваемых в одинаковых условиях, различна. Для большинства бактерий период генерации (время, прошедшее роорганизмы могут использовать большой набор окисляемых органических соединений, чаще всего глюкозу. Энергия получается из этих соединений в результате их окисления или, точнее, отдачи ими электронов.

Совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки, называется дыханием, или биологическим окислением. Применительно к микроорганизмам говорят об анаэробном и аэробном типах дыхания.

Между двумя последовательными делениями клетки) в среднем равен 15—30 мин; например, для кишечной палочки —15—17 мин, возбудителей брюшного тифа — 23 мин, коринебактерий дифтерии — 34 мин. Микобактерии туберкулеза делятся медленнее — один раз за 18 ч, спирохеты — за 10 ч.

Способы размножения у различных групп микроорганизмов неодинаковы: бактерии, риккетсии, спирохеты размножаются путем поперечного деления на две равноценные особи. Грамположительные бактерии делятся путем образования перегородки, врастающей от периферии к центру. У микобактерий туберкулеза поперечная перегородка образуется внутри клетки, затем она расщепляется на два слоя и клетка делится на две части, В образовании перегородки принимает участие как цитоплазматическая мембрана, так и клеточная стенка. По-видимому, в процессе деления бактерий активное участие принимает мезосома, тесно связанная с цитоплазматической мембраной. Грамотрицательные бактерии и риккетсии истончаются в центре и делятся перетяжкой на две особи. Размножение клубеньковых бактерий и фраициселл происходит путем образования почки, которая, по величине меньше исходной клетки. У бактерий существует также процесс конъюгации — временного соединения двух особей.

Рост бактерий и спирохет не всегда сопровождается их делением. Соли желчных кислот, мыла, пенициллин, ультрафиолетовые лучи задерживают деление клетки, в результате чего образуются длинные нити значительно большего размера, чем исходные клетки.
При внесении бактерий в питательную среду различают фазы их роста и размножения, которые определяются наличием доступных источников питания и накоплением токсических продуктов обмена (рис. 21).

Первая фаза — латентная (лаг-фаза) — соответствует приспособлению бактерий к новым условиям существования. В этот период бактерии адаптируются к питательной среде, роста их не наблюдается.

Вторая фаза — логарифмического роста (экспоненциальная), когда бактерии энергично растут, увеличиваются, при достижении определенного размера начинают делиться на две дочерние клетки. Деление в этот период происходит с постоянной скоростью. Среднее время генерации (или удвоения) для каждого вида бактерий различно. В это время бактерии извлекают из среды питательные вещества, в результате чего в ней начинают накапливаться продукты обмена.

Третья фаза — стационарного роста, во время которой число организмов в культуре все время остается постоянным. В этот период в питательной среде количество питательных веществ значительно уменьшается, а накопление продуктов обмена увеличивается. Условия жизни для микроорганизмов становятся все менее благоприятными. Длительность стационарной фазы у разных бактерий различная.

Четвертая фаза — отмирания, когда клеток бактерий становится все меньше и они погибают. В конце этой фазы число отмирающих бактерий начинает преобладать над числом жизнеспособных клеток. Полная гибель микробов в культуре может наступить через несколько недель или месяцев, что зависит от вида микроба, реакции среды и других факторов.

Простейшие могут размножаться поперечным делением, перетяжкой на две равноценные особи — амебы и продольным делением — трипаносомы, лямблии, балантидии. Балантидии перед делением на две особи могут обмениваться своими ядрами — микронуклеусами (процесс конъюгации), малярийный плазмодий имеет бесполый и половой цикл развития.

Вирусы размножаются (репродуцируются) только внутри живой клетки организма хозяина.

Процесс воспроизведения вируса складывается из нескольких этапов:

1) проникновение вируса в клетку;

2) внутриклеточное размножение;

3) созревание вируса и образование внешних оболочек у некоторых вирусов; 4) выделение вируса из клетки.

Процесс проникновения вируса в чувствительную клетку начинается с его адсорбции на поверхности клетки, обладающей специфическими вирусными рецепторами. Процесс освобождения нуклеиновой кислоты от капсида и внешних оболочек начинается уже в цитоплазматической мембране клетки и заканчивается в цитоплазме (вирус гриппа, осповакцины).

Фаза внутриклеточного размножения вируса, или его воспроизведение, начинается обычно с процессов подавления клеточного макромолекулярного синтеза. Все энергетические системы клетки, ее ферменты, РНК, рибосомы начинают работать на воспроизведение вируса. Пораженная клетка поставляет вирусу нуклеотиды для построения нуклеиновых кислот, аминокислоты — для белков. Репликация (англ. replicate — копировать, повторять) вирусной РНК осуществляется с помощью ферментов — полимераз, а матрицей служит сама молекула РНК вируса. У ДНК-содержащих вирусов на матрице ДНК в ядре клетки синтезируется специфическая РНК, которая затем определяет синтез вирусной ДНК и белка. Белки вирусов синтезируются в рибосомах клетки.

Созревание вирусной частицы, заключение вирусной нуклеиновой кислоты в капсид, происходит в ядре пораженной клетки (герпесвирусы, аденовирусы) или в цитоплазме (вирусы группы оспы, рабдовирусы, пикорнавирусы). Формирование внешних оболочек у миксовирусов, тогавирусов происходит при прохождении через цитоплазматическую мембрану клетки хозяина. Вирус герпеса часть своей внешней оболочки получает, проходя через мембрану ядра клетки.

Выделение вируса из клетки может происходить по-разному. Миксовирусы и тогавирусы по мере созревания могут часами выделяться клеткой без ее повреждения. Вирус полиомиелита (не имеющий внешней оболочки) образуется в клетке быстро, остается в ней долго и выделяется мгновенно, в виде вспышки. Конечным результатом взаимодействия вируса и клетки хозяина могут быть быстрая деструкция и гибель клетки. Иногда вирусы могут долго присутствовать в клетке, не вызывая ее гибели, и сохраняются в бесконечном числе клеточных генераций — латентные вирусы. В некоторых случаях вирус может разрушаться клеткой без видимых последствий для нее (абортивная вирусная инфекция).

Рост и размножение микроорганизмов

Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска -клеточной пластины.

Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.

Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).

Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лаг-фазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.

Рост бактериальной клетки. Увеличение биомассы клеточной протоплазмы, возникающее в результате синтеза пластического материала в процессе питания, называется ростом. Микробы растут быстро, достигая в течение короткого времени предела своей физиологической зрелости.

Рис.1. Цикл развития сенной палочки

1 - молодая сенная палочка; 2 - сенная палочка, сбросившая жгутики; 3 - деление цепочки клеток; 4 - образование жгутиков у цепочек; 5 - образование спор

Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции ― культуры. Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечные ДНК, обладающие генетической информацией. Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.

Рис.2. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий

а - стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), × 32 000; б - кишечной палочки - в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 - клеточная стенка, 2 - цитоплазматическая мембрана, 3 - нуклеоид; × 22 000.

Размножение ― бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дизъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов ― нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.

Бактериальные клетки быстрее делятся в начальных стадиях роста популяции. В более поздних стадиях деление идет медленнее, часть материнских клеток отмирает, и у отдельных видов бактерий появляются разнообразные включения.

В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15―20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.

При таком размножении микробные клетки могли бы покрыть всю поверхность не только морей, океанов, но и материков. Следовательно, жизнь людей на нашей планете была бы невозможной. Однако в размножении микробов не существует абсолютного закона геометрической прогрессии. На их рост и размножение отрицательное влияние оказывают антагонистические взаимоотношения микроорганизмов, истощение питательной среды, кислородная недостаточность, накопление ядовитых продуктов жизнедеятельности микробов. Эти факторы препятствуют непрерывному делению клеток.

Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В ― 1,5 млрд., бактерии дизентерии Григорьева― Шига и стафилококков―300 млрд., палочки брюшного тифа ― 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-концентрацией (М ― максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-концентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентрацию,― лишние погибают.

Размножение бактерий в популяции

Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.

При выращивании микробов на плотных питательных средах выявляются некоторые особенности их роста, т. е. появляются колонии, представляющие потомство одной или нескольких клеток. Внешний вид колоний, их форма, цвет, прозрачность, величина и другие свойства являются отличительными признаками для каждого вида бактерий. Ряд видов бактерий, имеющих жгутики, на агаре дают сплошной рост, покрывающий всю поверхность чашки (вульгарный протей). Спорогенные виды отличаются по характеру колоний, образуя непрозрачные колонии с матовой поверхностью.

Рост бактериальных клеток в жидких питательных средах характеризуется единообразием, чего нет на плотных питательных средах. Однако и при этом методе можно наблюдать некоторые особенности роста бактерий. Виды, образующие сухие колонии на плотных средах, дают разнообразные осадки в прозрачном бульоне. Виды, образующие мягкие и влажные колонии, в основном дают гомогенный рост, равномерно мутящий питательную среду.

Для культуры, растущей в жидкой среде, аэрация имеет большое значение. Известно, что в пробирках или колбах только верхние слои жидкости соприкасаются с атмосферным воздухом, и в силу этого некоторые облигатные аэробы, например, микобактёрии туберкулеза, холерный вибрион и др., скапливаются на поверхности, образуя нежную пленку.

Фазы роста бактериальной популяции

В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.

В исходной фазе (отрезок I) происходит приспособление бактерий к новым условиям обитания с момента их посева на питательную среду. В этой фазе бактерии не размножаются. Длительность исходной фазы― 1―2 часа.

Начальная фаза размножения (отрезок II) характеризуется усилением обменных процессов, скоростью роста и делением клеток. Однако размножение бактерий происходит медленно. Продолжительность этой фазы ― 2 часа.

В логарифмической фазе (отрезок III) наблюдаются ускоренный рост и деление клеток. В этой фазе максимального размножения формируются типичные для каждого вида бактерий морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и вирулентные свойства. Длительность фазы ― 5―6 часов.

Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются, - выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.

Стационарная фаза (отрезок V) характеризуется постоянной концентрацией живых клеток в питательной среде. Умеренное размножение клеток не приводит к увеличению микробной массы. В этой фазе устанавливается равновесие между количеством погибающих и возникающих клеток. Продолжительность фазы ― 2 часа.

Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4―5 часов.

В фазе логарифмической гибели (отрезок VII) массовое отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность фазы около 5 часов.

Фаза уменьшения скорости отмирания (отрезок VIII) характерна тем, что оставшиеся в живых бактерии переходят в состояние покоя.

Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15―20 минут, брюшнотифозные бактерии ― 20―25 минут, стрептококки ― 25―30 минут, микобактёрии туберкулеза―18― 20 часов.

Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2―

3 дня, а кишечной палочки ― месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.

Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска -клеточной пластины.

Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.

Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).

При периодическом культивировании у бактерий наблюдается последовательная смена фаз роста, которую отражает кривая роста (рис. 54).

Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лаг-фазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.

Рост бактериальной клетки. Увеличение биомассы клеточной протоплазмы, возникающее в результате синтеза пластического материала в процессе питания, называется ростом. Микробы растут быстро, достигая в течение короткого времени предела своей физиологической зрелости.

Деление клетки. Клетка, достигшая определенного зрелого возраста, начинает делиться, и в питательной среде одновременно наблюдается рост бактериальной популяции Ї культуры.

Делению клетки предшествует образование цитоплазматической мембраны, которая обычно формируется в середине бактериальной клетки. В процессе деления клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. При этом разрываются водородные связи и образуются две цепи (спирали) ДНК, каждая из них имеется в дочерних клетках. Затем одноцепочечные ДНК соединяются водородными связями и снова появляются двуцепочечиые ДНК, обладающие генетической информацией.

Деление клетки считается завершенным когда вновь образовавшиеся клетки разделяются цитоплазматической перегородкой.

Размножение Ї бинарное деление бактерий, риккетсий, простейших и др. При этом образуются две новые особи, наделенные генетической информацией материнской клетки. Этот способ размножения называется интегральным, а вирусы репродуцируются дисъюнктивным способом, т. е. путем раздельного синтеза их компонентов Ї нуклеиновой кислоты и белка в клетке хозяина.

Бактериальные клетки быстрее делятся в начальных стадиях роста популяции. В более поздних стадиях деление идет медленнее, часть материнских клеток отмирает, и у отдельных видов бактерий появляются разнообразные включения.

В благоприятных условиях скорость размножения бактерий весьма высока. Каждые 15Ї20 минут из одной особи получаются две. По расчетам некоторых исследователей, если только за один час микроб будет давать две особи-, то через сутки число микробных клеток достигает 16,5 млн. По образному определению В. Л. Омелянского, потомство одной бактерии в течение 5 суток может дать такое количество микробов, которое может заполнить бассейны всех морей и океанов.

При таком размножении микробные клетки могли бы покрыть всю поверхность не только морей, океанов, но и материков. Следовательно, жизнь людей на нашей планете была бы невозможной. Однако в размножении микробов не существует абсолютного закона геометрической прогрессии. На их рост и размножение отрицательное влияние оказывают антагонистические взаимоотношения микроорганизмов, истощение питательной среды, кислородная недостаточность, накопление ядовитых продуктов жизнедеятельности микробов. Эти факторы препятствуют непрерывному делению клеток.

Многолетними исследованиями и наблюдениями Байля установлено, что в жидкой питательной среде в определенном объеме происходит максимальное развитие клеток с предельной численностью. В течение 24 часов при одинаковых условиях концентрация клеток в 1 мл жидкой среды устанавливается: для кишечной палочки и бактерии паратифа В Ї 1,5 млрд., бактерии дизентерии ГригорьеваЇ Шига и стафилококковЇ300 млрд., палочки брюшного тифа Ї 800 млрд. Приведенное числовое выражение принято называть М-к он центрацией (М Ї максимальная) микробов. При обычных условиях их выращивания М-коицентрация клеток является пределом накопления микробов. Интересно отметить, что если засевать в свежую питательную среду такое количество микробов, которое равно М-концентрации, то число клеток не увеличивается, а в случае, если количество культивируемых микробов превышает М-концентраццю,Ї лишние погибают.

Размножение бактерий в популяции. Для понимания закономерностей размножения микробов в популяции изучаются чистые культуры. Однако микробы в естественных и искусственных условиях встречаются в ассоциациях. Бактериальной популяцией называется совокупность бактерий, размножающихся в определенном объеме жидкой среды в пробирке, колбе и т. д. При сплошном росте бактерий на поверхности плотной питательной среды в пробирке совокупность всех находящихся в ней клеток принято считать единой популяцией. В случае роста изолированных колоний каждую из них можно считать отдельной популяцией, поскольку они не сообщаются друг с другом.

При выращивании микробов на плотных питательных средах выявляются некоторые особенности их роста, т. е. появляются колонии, представляющие потомство одной или нескольких клеток. Внешний вид колоний, их форма, цвет, прозрачность, величина и другие свойства являются отличительными признаками для каждого вида бактерий. Ряд видов бактерий, имеющих жгутики, на агаре дают сплошной рост, покрывающий всю поверхность чашки (вульгарный протей). Спорогенные виды отличаются по характеру колоний, образуя непрозрачные колонии с матовой поверхностью.

Рост бактериальных клеток в жидких питательных средах характеризуется единообразием, чего нет на плотных питательных средах. Однако и при этом методе можно наблюдать некоторые особенности роста бактерий. Виды, образующие сухие колонии на плотных средах, дают разнообразные осадки в прозрачном бульоне. Виды, образующие мягкие и влажные колонии, в основном дают гомогенный рост, равномерно мутящий питательную среду.

Для культуры, растущей в жидкой среде, аэрация имеет большое значение. Известно, что в пробирках или колбах только верхние слои жидкости соприкасаются с атмосферным воздухом, и в силу этого некоторые облигатные аэробы, например, микобактёрии туберкулеза, холерный вибрион и др., скапливаются на поверхности, образуя нежную пленку.

Фазы роста бактериальной популяции. В 1918г. Бюкенен, изучая особенности размножения бактерий, предложил кривую, указав количество клеток в каждый отрезок времени. Динамика размножения бактерий характеризуется следующими фазами, обозначенными римскими цифрами.

В исходной фазе (отрезок I) происходит приспособление бактерий к новым условиям обитания с момента их посева на питательную среду. В этой фазе бактерии не размножаются. Длительность исходной фазыЇ 1Ї2 часа.

Начальная фаза размножения (отрезок II) характеризуется усилением обменных процессов, скоростью роста и делением клеток. Однако размножение бактерий происходит медленно. Продолжительность этой фазы Ї 2 часа.

В логарифмической фазе (отрезок III) наблюдаются ускоренный рост и деление клеток. В этой фазе максимального размножения формируются типичные для каждого вида бактерий морфологические, культуральные, биохимические, антигенные и вирулентные свойства. Длительность фазы Ї 5Ї6 часов.

Фаза замедления (отрезок IV) наступает после активного роста и размножения бактериальных клеток. К этому времени условия в среде изменяются; накапливаются ядовитые продукты обмена, запас питательных веществ уменьшается, рН среды не соответствует индивидуальным потребностям отдельных микробов, акцепторы водорода расходуются,- выделение энергии и скорость деления клеток замедляются, время генерации уменьшается, количество погибающих клеток возрастает. Продолжительность фазы - 2 часа.

Стационарная фаза (отрезок V) характеризуется постоянной концентрацией живых клеток в питательной среде. Умеренное размножение клеток не приводит к увеличению микробной массы. В этой фазе устанавливается равновесие между количеством погибающих и возникающих клеток. Продолжительность фазы Ї 2 часа.

Фаза ускорения гибели (отрезок VI) характеризуется нарушением равновесия между размножением и ускоренной гибелью клеток. Эта фаза длится 4Ї5 часов.

В фазе логарифмической гибели (отрезок VII) массовое отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность фазы около 5 часов.

Фаза уменьшения скорости отмирания (отрезок VIII) характерна тем, что оставшиеся в живых бактерии переходят в состояние покоя.

Фазы размножения бактерий во времени зависят от вида бактерий, качества питательной среды, ее концентрации, температуры и аэрации. Поэтому продолжительность каждой фазы указана ориентировочно. При оптимальных условиях деление клетки у ряда особей происходит в разное время, например, кишечные палочки делятся через 15Ї20 минут, брюшнотифозные бактерии Ї 20Ї25 минут, стрептококки Ї 25Ї30 минут, микобактёрии туберкулезаЇ18Ї 20 часов.

Длительность фазы отмирания клеток связана с видовыми особенностями бактерий. Период отмирания пневмококка длится 2Ї

3 дня, а кишечной палочки Ї месяцы. В стадии отмирания клетки слабо окрашиваются, а некоторые из них не воспринимают краски. Кроме того, изменяются формы бактерий, их биохимическая активность и антигенные свойства.

Одним из проявлений жизнедеятельности микроорганизмов является их рост и размножение.

Рост - это увеличение размеров отдельной особи.

Размножение - способность организма к воспроизведению.

Основным способом размножения у бактерий является поперечное деление, которое происходит в различных плоскостях с формированием многообразных сочетаний, клеток (гроздья, цепочки, тюки и т. д.). У бактериальных клеток делению предшествует удвоение материнской ДНК. Каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК. Процесс деления считается законченным, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегородкой. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате действия ферментов, которые разрушают сердцевину перегородки.

Скорость размножения бактерий различна и зависит от вида микроба, возраста культуры, питательной среды, температуры.

При выращивании бактерий в жидкой питательной среде наблюдается несколько фаз роста культур:

1. Фаза исходная (латентная) - микробы адаптируются к питательной среде, увеличивается размер клеток. К концу этой фазы начинается размножение бактерий.

2. Фаза логарифмического инкубационного роста - идет интенсивное деление клеток. Длится эта фаза около 5 часов. При оптимальных условиях бактериальная клетка может делиться каждые 15-30 мин.

3. Стационарная фаза - число вновь появившихся бактерий равно числу отмерших. Продолжительность этой фазы выражается в часах и колеблется в зависимости от вида микроорганизмов.

4. Фаза отмирания - характеризуется гибелью клеток в условиях истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма микроорганизмов.

5ч 10 15 20 25 30 35 40 45 Время нед нед

Если питательная среда, в которой культивируются микроорганизмы, будет обновляться, то можно поддерживать фазу логарифмического роста.

При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют на поверхности среды и внутри нее типичные для каждого микробного вида колонии. Колонии могут быть выпуклыми или плоскими, с ровными или неровными краями, с шероховатой или гладкой поверхностью и иметь различную окраску: от белой до черной. Все эти особенности (культуральные свойства) учитывают при идентификации бактерий, а также при отборе колоний для получения чистых культур. Чтобы знать, как получить чистую культуру того или иного микроорганизма, надо внимательно ознакомиться с практической частью данной главы.

§ 5. Пигментообразование у бактерий

Образование пигментов происходит при хорошем доступе кислорода и определенном составе питательной среды. По химическому составу и свойствам пигменты неоднородны и подразделяются на:

Растворимые в воде (пиоцианины синегнойной палочки);

Растворимые в спирте;

Нерастворимые в воде;

Нерастворимые в воде и спирте.

Бактерии могут образовывать пигменты разного цвета:

красный - Serratia marcescens; кремовый - Staphilococcus aureus; желтый - Scifreus; синий - синегнойная палочка и т. д.

Пигменты бактерий защищают их от природной ультрафиолетовой радиации, участвуют в процессах дыхания, реакциях синтеза, обладают антибиотическим действием.

Фотогенные бактерии, т. е. бактерии, способные светиться, - это своеобразная форма освобождения энергии при окислительных процессах. Чем сильнее приток кислорода, тем сильнее свечение бактерий.

Светящиеся бактерии называют «фотобактериями». К ним относится большая группа физиологически сходных, но морфологически различимых бактерий (кокки, палочки, вибрионы). Они являются не образующими спор вибрионами. Большая часть видов светящихся бактерий выделена из морской воды; они не вызывают гниения, культивируются в обычных средах. Из некоторых бактерий были получены экстракты, испускающие свет в темном помещении, из некоторых экстрактов был выделен люциферин и фермент люцифераза.

Типичный представитель фотогенных микробов Photobacterium phosphoreum - неподвижная кокковидная бактерия, развивающаяся при температуре 28 °С.

Патогенных для человека видов в группе фотогенных бактерий не установлено.

Аромат-образующие микробы - микроорганизмы, которые обладают способностью выделять летучие вещества, вырабатываемые ими в процессе жизнедеятельности. Они образуют уксусно-этиловый и уксусно-амиловый эфиры.

Ароматические свойства вин, молочных продуктов, почвы, сена и других веществ зависят от деятельности некоторых видов микроорганизмов. Ароматичность молочным продуктам, особенно маслу, придает такая бактерия, как Теисо-nostos cremoris.

С помощью микробов путем сбраживания навоза, растительных остатков и бытовых отходов получают метан, который используется во многих странах для отопления помещений.

Промышленные предприятия уже начали выпуск микробного белка, используемого для корма животных и птиц. С помощью микробов можно получить витамины, ферменты (амилазу, лактозу, пенициллиназу, протеазы.)

Патогенные представители вырабатывают ядовитые для человека и животных вещества - токсины, которые делятся на 2 группы:

1. Экзотоксин - белки, которые клетка выделяет во внешнюю среду, обладает выраженными иммуногенными и антигенными свойствами. Часто они состоят из двух фрагментов - А и В. В-фрагмент способствует адгезии, инвазиии. А - обладает выраженной активностью по отношению к внутренним системам клетки.

2. Эндоксин - тесно связан с телом микробной клетки, так как локализуется в липополисахаридном слое клеточной стенки. Действие эндоксинов на организм не отличается специфичностью. Эндоксины освобождаются при разрушении микробной клетки.

Подробнее о свойствах токсинов можно узнать из главы «Учение об инфекции».

Размножение микроорганизмов - увеличение концентрации микроорганизмов в единице объема среды, направленное на сохранение вида.

Для микроорганизмов характерно:

разнообразие способов размножения;

переключение с одного способа размножения на другой;

возможность одновременного использования нескольких способов;

высокая скорость размножения.

Способы размножения микроорганизмов

I . Половой с пособ размножения наблюдается толькоу эукариот.

II. Бесполые способы размножения.

Равновеликое бинарное поперечное деление (простое деление, изоморфное деление, митоз) наблюдается у большинства одноклеточных микроорганизмов (бактерий, риккетсий, простейших, дрожжей), в результате образуются две новые дочерние полноценные особи, наделенные генетической информацией мате­ринской клетки, симметричные в отношении продольной и поперечной оси, сама материнская клетка исчезает.

При этом у большинства Грам+ бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру (рис. 63А). Клетки большинства Грам- бактерий делятся путем перетяжки клетки (клетка истончается посередине) (рис. 63Б).

Почкование (неравновеликое бинарное деление) наблюдается у представителей родов Francisella и Mycoplasma и дрожжеподобных грибов. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке: на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется. КС почки полностью синтезируется заново (рис. 63В). В процессе почкования симметрия наблюдается в отношении только продольной оси. Между материнской и дочерней клетками существуют морфологические и физиологические различия. Новая дочерняя клетка лучше приспосабливается к меняющимся условиям.

Фрагментация нитевидных форм характерна для рода Actinomyces и Mycoplasma .

Образование экзоспор характерно для Streptomycetes , дрожжеподобных и плесневых грибов.

Особый цикл разви тия наблюдается у Chlamydia . К делению в клетках макроорганизма способны лишь вегетативные формы хламидий (ретикулярные или инициальные тельца). Их цикл, состоящий из нескольких делений, завершается образованием промежуточных форм, из которых формируются элементарные тельца, дающие начало вегетативным формам. После разрушения стенки вакуоли и клетки-хозяина элементарные тельца высвобождаются, и цикл повторяется. Цикл длится 40–48 ч.

Множественное деление описано для одной группы одноклеточных цианобактерий. В основе множественного деления лежит принцип равновеликого бинарного деления. Отличие заключается в том, что в этом случае после бинарного деления не происходит роста образовавшихся дочерних клеток, а они снова подвергаются делению (рис. 63Г).

Множественное деление (шизогония) описано также у простейших (малярийных плазмодиев): ядерный материал делится на множество ядрышек, окружается участками цитоплазмы, в результате образуется множество дочерних клеток.

Механизм и фазы простого деления

А. Рост до определенной степени зрелости. Рост клетки не беспределен и после достижения определенных размеров бактериальная клетка начинает делиться. Во время деления рост клетки замедляется и начинается вновь после деления.

Б. Кариокинез ( репликация ДНК и д еление нуклеоида). Из созревшей цитоплазмы поступает сигнал, который активирует ген-инициатор на ДНК. Микроорганизмы под действием гена-инициатора синтезируют белок-инициатор, который действует на ген-репликатор - специальный участок ДНК, с которого начинается удвоение ДНК и деление на две нити.

Деление молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму и в норме всегда предшествует делению клетки. Репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где локализован ферментативный аппарат, ответственный за репликацию.

Механизм репликации ДНК выражается в разрыве водородных связей между ее двумя полинуклеотидными цепями, раскручивании их и синтезе с помощью ДНК-полимеразы вдоль каждой старой цепи новых цепей с комплементарной последовательностью оснований. После расхождения в дочерние клетки по одной старой и одной новой полинуклеотидной цепи между ними восстанавливаются водородные связи и формируется полуконсервативная двухцепочечная ДНК.

В норме существует определенная временная связь между репликацией хромосомы и делением бактериальной клетки. Воздействия различными химическими веществами и физическими факторами, приводящие к подавлению репликации ДНК, останавливают и клеточное деление. Однако при некоторых условиях связь между обоими процессами может быть нарушена, и клетки способны делиться в отсутствие синтеза ДНК.

В. Цитокинез (деление клетки). Параллельно с репликацией молекул ДНК происходит синтез мембраны рядом с мезосомой, в области контакта ДНК с ЦПМ. Образование перегородки приводит к делению клетки. Моментом, инициирующим деление клетки, является окончание репликации ДНК. Это приводит к разделению дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом. Вновь образованные дочерние клетки отделяются друг от друга.

Угнетение синтеза мембраны до окончания репликации приводит к нарушению процесса деления: клетка перестает делиться и растет в длину. У некоторых бактерий образование перегородки не приводит к разделению клеток: образуются многокамерные клетки.

Г. Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в результате лизиса среднего слоя КС. Если после многократного деления в одной плоскости клетки не расходятся, образуются цепочки палочковидных (Bacillus ) или сферических (Streptococcus ) клеток или парные клетки (Neisseria ) . Разъединение клеток возможно с обособлением одной из клеток путем движения по поверхности другой, в результате бактерии располагаются беспорядочно (Escherichia ). Если при разъединении одна из дочерних клеток, не отрываясь от точки деления, передвигается по дуге, создается V -образная форма (Corynebacterium , Bifidobacterium ). После бинарного деления и расхождения клеток в нескольких плоскостях образуются клеточные скопления разной формы: гроздья (Staphylococcus ), пакеты (Sarcina ) (рис. 65). Если деление нуклеоида предшествует клеточному делению, образуются многонуклеоидные микроорганизмы. Под влиянием неблагоприятных внешних факторов (соли желчных кислот, УФ-лучи, ПАВ, антибиотики) деление клетки может остановиться с сохранением ее роста. В таком случае возможно образование удлиненных нитевидных клеток.

Рис. 65. Деление кокков

Период генерации - интервал времени, в течение которого происходит удвоение количества бактерий Скорость размножения микроорганизмов и период генерации зависят от вида микроорганизма, величины и свойств инокулята, состава питательной среды, ее рН, аэрации, температуры инкубации, других факторов. При благоприятных условиях у многих микроорганизмов деление происходит через 15–30 мин (E . coli , S . typhi ). У прихотливых микроорганизмов деление осуществляется через 45–90 мин (Streptococcus , Corynebacterium ) и даже через 18 ч (M . tuberculosis ).