Бактерии могут размножаться делением при благоприятных условиях, с какой скоростью размножаются бактерии

Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле

Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9—3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы[6]: Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи — первые живые организмы, от которых произошли бактерии.

Эукариоты возникли в результате симбиогенеза из бактериальных клеток намного позже: около 1,9—1,3 млрд лет назад. Для эволюции бактерий характерен ярко выраженный физиолого-биохимический уклон: при относительной бедности жизненных форм и примитивном строении, они освоили практически все известные сейчас биохимические процессы.

Прокариотная биосфера имела уже все существующие сейчас пути трансформации вещества. Эукариоты, внедрившись в неё, изменили лишь количественные аспекты их функционирования, но не качественные, на многих этапах циклов элементов бактерии по-прежнему сохраняют монопольное положение.

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии. В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности — строматолиты, бесспорные свидетельства существования цианобактерий относятся ко времени 2,2—2,0 млрд лет назад.

Благодаря ним в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания. К этому времени относятся образования, свойственные облигатно аэробной Metallogenium.

Появление кислорода в атмосфере нанесло серьёзный удар по анаэробным бактериям. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.

Предполагается, что из-за отсутствия полового процесса, эволюция бактерий идёт по совершенно иному механизму, нежели у эукариот[6]. Постоянный горизонтальный перенос генов приводит к неоднозначностям в картине эволюционных связей, эволюция протекает крайне медленно (а, возможно, с появлением эукариот и вовсе прекратилась), зато в изменяющихся условиях происходит быстрое перераспределение генов между клетками при неизменном общем генетическом пуле.

Способы отсоединения клеток друг от друга

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.

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.

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.
    как размножаются настоящие бактерии

На этом особенности бесполого (вегетативного) размножения бактериальных особей заканчиваются.

Строение протопласта

Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже — звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы, то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т. н. простек).

Из обязательных клеточных структур выделяют три:

  • нуклеоид
  • рибосомы
  • цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоёв (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки). ЦПМ и цитоплазму объединяют вместе в понятие протопласт. ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК, белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, названа цитозолем. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.

Предлагаем ознакомиться:  Вакцина против вируса папилломы человека (ВПЧ)

Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и, строго говоря, отсутствие вообще внутрицитоплазматических мембран, не являющихся производными ЦПМ. Однако у разных групп прокариот (особенно часто у грамположительных бактерий) имеются локальные впячивания ЦПМ — мезосомы, выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие её на функционально различные части.

У многих фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть производных от ЦПМ фотосинтетических мембран. У пурпурных бактерий они сохранили связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую на срезах под электронным микроскопом, у цианобактерий эта связь либо трудно обнаруживается, либо утрачена в процессе эволюции.

Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia).

Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид. ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны, хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6;

Помимо этих структур, в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.

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.

Клеточная оболочка и поверхностные структуры

Клеточная стенка — важный структурный элемент бактериальной клетки, однако необязательный. Искусственным путём были получены формы с частично или полностью отсутствующей клеточной стенкой (L-формы), которые могли существовать в благоприятных условиях, однако иногда утрачивали способность к делению. Известна также группа природных не содержащих клеточной стенки бактерий — микоплазм.

У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам.

Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20—80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1—6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.

У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2—3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим, и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты.

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула — аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.

Бактериальных жгутиков может быть от 0 до 1000. Возможны как варианты расположения одного жгутика у одного полюса (монополярный монотрих), пучка жгутиков у одного (монополярный перитрих или лофотрихиальное жгутикование) или двух полюсов (биполярный перитрих или амфитрихиальное жгутикование), так и многочисленные жгутики по всей поверхности клетки (перитрих).

Помимо жгутиков, среди поверхностных структур бактерий необходимо назвать ворсинки. Они тоньше жгутиков (диаметр 5—10 нм, длина до 2 мкм) и необходимы для прикрепления бактерии к субстрату, принимают участие в транспорте метаболитов, а особые ворсинки — F-пили —нитевидные образования, более тонкие и короткие (3—10 нм х 0, 3—10 мкм), чем жгутики — необходимы клетке-донору для передачи реципиенту ДНК при конъюгации.

Размеры

Размеры бактерий в среднем составляют 0,5—5 мкм. Escherichia coli, например, имеет размеры 0,3—1 на 1—6 мкм, Staphylococcus aureus — диаметр 0,5—1 мкм, Bacillus subtilis 0,75 на 2—3 мкм. Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм). Второй является Epulopiscium fishelsoni имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus. Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм, Beggiatoa alba — 10 на 50 мкм. Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм. В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1—0,25 мкм, что соответствует размеру крупных вирусов, например, табачной мозаики, коровьей оспы или гриппа. По теоретическим подсчётам сферическая клетка диаметром менее 0,15—0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.

Предлагаем ознакомиться:  Какие паразиты живут в толстом кишечнике человека

Однако были описаны нанобактерии, имеющие размеры меньше «допустимых» и сильно отличающиеся от обычных бактерий. Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению (чрезвычайно медленным). Они пока мало изучены, живая их природа ставится под сомнение.

При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает пропорционально квадрату радиуса, а объём — пропорционально кубу, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой.

Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.

Многоклеточность у бактерий

Одноклеточные формы способны осуществлять все функции, присущие организму, независимо от соседних клеток. Многие одноклеточные прокариоты склонны к образованию клеточных , часто скреплённых выделяемой ими слизью. Чаще всего это лишь случайное объединение отдельных организмов, но в ряде случаев временное объединение связано с осуществлением определённой функции, например, формирование плодовых тел миксобактериями делает возможным развитие цист, при том что единичные клетки не способны их образовывать. Подобные явления наряду с образованием одноклеточными эубактериями морфологически и функционально дифференцированных клеток — необходимые предпосылки для возникновения у них истинной многоклеточности.

Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям:

  • его клетки должны быть агрегированы,
  • между клетками должно осуществляться разделение функций,
  • между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.

Многоклеточность у прокариот известна, наиболее высокоорганизованные многоклеточные организмы принадлежат к группам цианобактерий и актиномицетов. У нитчатых цианобактерий описаны структуры в клеточной стенке, обеспечивающие контакт двух соседних клеток — микроплазмодесмы. Показана возможность обмена между клетками веществом (красителем) и энергией (электрической составляющей трансмембранного потенциала). Некоторые из нитчатых цианобактерий содержат помимо обычных вегетативных клеток функционально дифференцированные: акинеты и гетероцисты. Последние осуществляют фиксацию азота и интенсивно обмениваются метаболитами с вегетативными клетками.

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.

Что происходит с микроорганизмами при идеальных и неблагоприятных условиях

При благоприятных факторах бактериям хватает жизненного пространства, питание имеется в нужном объеме, а это влечет за собой рост микроорганизмов, они быстро обретают способность размножаться. В пищу прокариоты употребляют уже готовые органические вещества.

Бактерии могут найти питательную среду на уже погибшем организме (сапротрофы) или паразитировать в теле живого хозяина. Питание за счет других может проходить и по более благоприятной схеме. В этом случае бактерии, забирая питательные вещества владельца, отдают ему взамен другие.

По мере роста начинается активный процесс размножения. Бактерии могут увеличивать численность колонии путем деления клетки. Некоторых простейших принято называть настоящими, только они умеют ради защиты и возможности дальнейшего размножения образовывать споры, как и грибы.

Предлагаем ознакомиться:  Как избавиться навсегда от грибка

Процесс деления происходит достаточно бурно. Подсчитано, что в благоприятных условиях клетки могут образовывать новые с огромной скоростью: через каждые полчаса или 20 минут одна бактерия превращается в две.

Масштаб процесса легко представить с помощью задачи: «Бактерии размножаются делением надвое со скоростью 1 раз в минуту. Если заполнить сосуд питательным раствором и поместить туда одну клетку, то за час сосуд будет полон микроорганизмов.

А сколько времени потребуется, чтобы сосуд наполнился на ½?». Ответ – 59 минут. То есть всего за 60 секунд объем бактерий увеличится вдвое, и если в масштабах одной клетки это сложно оценить, то на примере сосуда скорость размножения бактерий принимает угрожающие масштабы. А каждый новый организм достаточно быстро тоже начинает воспроизводить себе подобные формы жизни.

Если бы такой сценарий имел место, то уже через несколько суток на земле не осталось ничего, кроме массы бактерий. Этого не случается, потому что ряд оптимальных условий стремительно переходит в разряд неблагоприятных факторов:

  • Деление порождает все новых и новых бактерий, питание, так необходимое для развития, постепенно заканчивается.
  • В процессе жизнедеятельности клетки выделяют в окружающую среду продукты отходов. Происходит загрязнение, которое естественным путем тормозит развитие и размножение.

В результате настоящие бактерии уже не могут увеличивать популяцию с прежней скоростью, а через некоторое время клетки начинают умирать быстрее, чем воспроизводиться.

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

Бактерии не размножаются спорами, они таким образом обеспечивают собственную безопасность. Когда цитоплазма клетки сжимается и отходит от оболочки, то постепенно на ее поверхности формируется новое образование с более плотной оболочкой.

Как только повышается или понижается температура, возрастает или уменьшается влажность, заканчивается питание, бактерии начинают таким образом защищаться. Оболочка спор надежно защищает генетический материал микроорганизмов.

Они могут находиться в этом состоянии долгое время. Жара, мороз, кипяток – для спор некоторых простейших такие экстремальные испытания не страшны. Их переносит ветер, они хорошо сохраняются в воде, воздухе и почве, такой способ защиты предусматривает безопасное существование клетки почти при любом форс-мажоре. А когда условия становятся оптимальными – спора прорастает, и бактерия становится жизнеспособной.

Те прокариоты, которые могут сохранять себя путем спорообразования, называются бациллы. Какие бы болезни они ни вызывали, каждая из них представляет серьезную опасность для организма человека.

Коклюш, столбняк, ботулизм, чума и сибирская язва наравне с бациллой Коха, синегнойной и кишечной палочкой представляют далеко не полный список реальных угроз здоровью.

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.

Грибы: особенности размножения

С помощью спор могут размножаться грибы. Их плодовое тело имеет особый спороносный слой, где количество мелких семян иногда доходит до нескольких миллиардов. Споры бывают различного цвета и формы, но все они способны оставаться жизнеспособными не один десяток лет.

Как только спора окажется в благоприятных условиях, из нее прорастает мицелий. А из него появятся новые грибы, и процесс повторится. Способ размножения с помощью спор получил название бесполого. Это не единственный вариант, с помощью которого грибы могут распространяться.

Вегетативный и репродуктивный способы размножения встречаются часто. Во втором случае тоже не обходится без участия спор. А вот дрожжевые грибы размножаются почкованием. Сначала появляется небольшой вырост, который затем увеличивается в размерах. Отделившись от материнской клетки, он начинает почковаться.

Болезнетворные и иные бактерии до сих пор еще не стали единственными обитателями нашей планеты только потому, что идеальные условия для их размножения не сохраняются достаточно долго. Клетки микроскопических организмов гибнут от солнечного света, высушивания, отсутствия питания.

Человек подвергает продукты тепловой обработке, регулярно пользуется антибактериальными препаратами и дезинфицирующими средствами. Прокариоты в свою очередь пытаются решить вопрос количеством или вырабатывают защиту в виде спор. Пока эта борьба за существование ведется с ничейным счетом.

svetlanaguz

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector