نمو وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة
النمو هو زيادة في عدد المكونات الكيميائية للخلية الميكروبية. لتوصيف نمو الكائنات الحية الدقيقة، يتم استخدام مفهوم الكتلة البكتيرية، والتي يتم التعبير عنها بكثافة البكتيريا (الكتلة الجافة لكل 1 مل). يتم وصف تكاثر الميكروبات من خلال عدد البكتيريا، مما يعكس تركيز الخلايا في 1 مل. لا يوجد تناسب صارم بين الزيادة في عدد البكتيريا والكتلة البكتيرية. ويفسر ذلك حقيقة أنه في مجتمع البكتيريا، ليست كل الخلايا قابلة للحياة - بعضها ميت، وبعضها في مراحل مختلفة من التدمير. أثناء المشاركة في إنشاء الكتلة البكتيرية، لا تشارك هذه الخلايا في مزيد من تكاثر البكتيريا. تتكاثر البكتيريا بالانقسام المباشر. في هذه الحالة، يتم تشكيل انقباض أو يبدأ الغشاء السيتوبلازمي في النمو إلى الداخل، بشكل عمودي على المحور الطولي للخلية مع تشكيل لوحة خلية القرص.
يمكن أن تكون هذه اللوحة في بعض الأحيان غير مكتملة ولها ثقب في وسطها يربط بين الخليتين الشقيقتين. بعد ذلك، ينمو جدار جانبي داخل صفيحة الخلية، والذي يشكل قسمًا عرضيًا يقسم صفيحة الخلية إلى قسمين، يذهب كل منهما إلى إحدى الخلايا الناتجة. يُطلق على الثقب المركزي، غير المقسم بقسم أو لوحة عرضية، اسم plasmodesmos. يلعب Plasmodesmos دورًا في ربط بعض الخلايا البكتيرية معًا في سلاسل أو مجموعات طويلة. بالإضافة إلى ما لوحظ، يمكن أن تتم عملية انقسام الخلايا البكتيرية عن طريق الربط. يزداد عدد الخلايا البكتيرية بشكل كبير أثناء التكاثر. بالنسبة لمعظم البكتيريا، وقت التوليد هو 20 - 30 دقيقة.
يظهر نمو وتكاثر البكتيريا بشكل مختلف اعتمادًا على ظروف الزراعة. على الوسائط المغذية الصلبة، فإن مظهر نمو وتكاثر البكتيريا هو ظهور المستعمرات، وهي تراكمات يمكن تمييزها بصريًا من الخلايا البكتيرية. وتتميز المستعمرات بمجموعة من الخصائص المحددة، والتي يمكن على أساسها التعرف على المزارع البكتيرية النقية. وتشمل هذه الخصائص: الأحجام (كبيرة، متوسطة، صغيرة، مجهرية)؛ الشكل (دائري، منتشر، وما إلى ذلك)؛ التلوين اعتمادا على إنتاج الأصباغ بواسطة البكتيريا. السطح (محدب، مسطح، غير لامع، لامع، إلخ)؛ طبيعة الحواف (ناعمة، خشنة، إلخ)؛ الاتساق (متجانس، فطيرة، غروي، وما إلى ذلك)؛ الشفافية (شفافة، غائمة).
تبدأ عملية النمو بمرحلة تأخر النمو، أو مرحلة التأخر. خلال هذه الفترة، هناك نشاط استقلابي مكثف للبكتيريا، والنتيجة هي إعداد الخلية للتكاثر السريع. تبدأ المرحلة من لحظة دخول البكتيريا إلى البيئة. تعتمد مدتها على عمر المحصول المزروع (يستغرق وقتًا أطول عند إدخال محصول قديم)، وتكوين الوسط ودرجة الحرارة وعوامل أخرى.
نمو الخلية البكتيرية. وتسمى الزيادة في الكتلة الحيوية للبروتوبلازم الخلوي، الناتجة عن تخليق المواد البلاستيكية أثناء التغذية، بالنمو. تنمو الميكروبات بسرعة، وتصل إلى حد نضجها الفسيولوجي خلال فترة زمنية قصيرة.
رسم بياني 1. دورة تطوير العصوية الرقيقة
1 - العصوية الصغيرة الرقيقة. 2 - العصوية الرقيقة التي تساقطت سوطها؛ 3 - انقسام سلسلة الخلايا. 4 - تشكيل السوط في السلاسل. 5- تشكيل النزاع
انقسام الخلية. تبدأ الخلية التي وصلت إلى سن نضج معين بالانقسام، وفي الوسط المغذي، يُلاحظ في نفس الوقت نمو السكان البكتيريين - الثقافة -. يسبق انقسام الخلايا تكوين الغشاء السيتوبلازمي، والذي يتشكل عادة في منتصف الخلية البكتيرية. أثناء انقسام الخلايا، يحدث تكرار الحمض النووي (مضاعفة). في هذه الحالة، تنكسر الروابط الهيدروجينية وتتشكل سلسلتين (حلزونات) من الحمض النووي، كل واحدة منها موجودة في الخلايا الوليدة. ثم يتم ربط الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل بواسطة روابط هيدروجينية ويظهر الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل مع المعلومات الوراثية مرة أخرى. يعتبر انقسام الخلايا كاملاً عندما يتم فصل الخلايا المتكونة حديثًا بواسطة حاجز السيتوبلازم.
الصورة 2. أنماط حيود الإلكترون لمقاطع سامسونج من البكتيريا المنقسمة
أ - تقسيم المكورات العنقودية عن طريق تشكيل حاجز الانقسام (المشار إليه بالسهام)، × 32000؛ ب - الإشريكية القولونية - نتيجة لتشكيل انقباض الانقسام (المشار إليه بالسهام)؛ 1 - جدار الخلية، 2 - الغشاء السيتوبلازمي، 3 - النواة؛ × 22,000.
التكاثر هو انشطار ثنائي للبكتيريا، والريكتسيا، والأوالي، وما إلى ذلك. وفي هذه الحالة، يتم تشكيل فردين جديدين، يتمتعان بالمعلومات الوراثية للخلية الأم. تسمى طريقة التكاثر هذه بالتكامل، وتتكاثر الفيروسات بطريقة منفصلة، أي من خلال التوليف المنفصل لمكوناتها - الحمض النووي والبروتين في الخلية المضيفة.
تنقسم الخلايا البكتيرية بسرعة أكبر في المراحل الأولى من النمو السكاني. وفي المراحل اللاحقة، يستمر الانقسام بشكل أبطأ، وتموت بعض الخلايا الأم، وتظهر شوائب مختلفة في أنواع معينة من البكتيريا.
في ظل ظروف مواتية، يكون معدل نمو البكتيريا مرتفعًا جدًا. كل 15-20 دقيقة، يتحول فرد واحد إلى فردين. وفقا لحسابات بعض الباحثين، إذا كان الميكروب ينتج فردين في ساعة واحدة فقط، فإن عدد الخلايا الميكروبية يصل إلى 16.5 مليون خلال يوم واحد. وفقا للتعريف المجازي ل V. L. Omelyansky، يمكن لنسل بكتيريا واحدة أن ينتج مثل هذا عدد الميكروبات خلال 5 أيام والتي يمكنها ملء أحواض جميع البحار والمحيطات.
وبهذا التكاثر، يمكن للخلايا الميكروبية أن تغطي كامل سطح البحار والمحيطات، بل والقارات أيضًا. وبالتالي فإن الحياة البشرية على كوكبنا ستكون مستحيلة. ومع ذلك، لا يوجد قانون مطلق للتقدم الهندسي في التكاثر الميكروبي. ويتأثر نموها وتكاثرها سلبًا بالعلاقات العدائية بين الكائنات الحية الدقيقة، واستنفاد الوسط الغذائي، ونقص الأكسجين، وتراكم النفايات الميكروبية السامة. هذه العوامل تمنع الانقسام المستمر للخلايا.
أثبتت سنوات عديدة من البحث والملاحظات التي أجراها بايل أنه في وسط غذائي سائل بحجم معين، يحدث الحد الأقصى لتطور الخلايا بأقصى عدد. في غضون 24 ساعة، في ظل نفس الظروف، يتم تحديد تركيز الخلايا في 1 مل من الوسط السائل: بالنسبة لبكتيريا الإشريكية القولونية وبكتيريا نظيرة التيفية ب - 1.5 مليار، وبكتيريا الزحار غريغورييف-شيغا والمكورات العنقودية - 300 مليار، وعصيات التيفوئيد - 800 مليار. يُطلق على التعبير الرقمي عادةً اسم تركيز M (M هو الحد الأقصى) للميكروبات. في ظل ظروف النمو الطبيعية، يكون تركيز الخلايا M هو الحد الأقصى لتراكم الميكروبات. ومن المثير للاهتمام ملاحظة أنه إذا تم تلقيح عدد من الميكروبات في وسط غذائي طازج يساوي تركيز M، فإن عدد الخلايا لا يزيد، وإذا تجاوز عدد الميكروبات المزروعة تركيز M، فإن الفائض يموت .
تكاثر البكتيريا في السكان
لفهم أنماط التكاثر الميكروبي لدى السكان، تتم دراسة الثقافات النقية. ومع ذلك، فإن الميكروبات في الظروف الطبيعية والاصطناعية تحدث في الجمعيات. المجموعة البكتيرية هي مجموعة من البكتيريا التي تتكاثر في حجم معين من الوسط السائل في أنبوب اختبار أو دورق وما إلى ذلك. عندما تنمو البكتيريا بشكل مستمر على سطح وسط مغذي كثيف في أنبوب اختبار، فإن إجمالي جميع الخلايا فيه عادة ما تعتبر مجموعة سكانية واحدة. وفي حالة نمو المستعمرات المعزولة، يمكن اعتبار كل واحدة منها مجموعة سكانية منفصلة، لأنها لا تتواصل مع بعضها البعض.
عندما تنمو الميكروبات على أوساط مغذية صلبة، تظهر بعض سمات نموها، أي ظهور مستعمرات تمثل نسل خلية واحدة أو عدة خلايا. يعد مظهر المستعمرات وشكلها ولونها وشفافيتها وحجمها وخصائصها الأخرى من السمات المميزة لكل نوع من أنواع البكتيريا. ينتج عدد من أنواع البكتيريا ذات الأسواط نموًا مستمرًا على الأجار، ويغطي كامل سطح اللوحة (Proteus vulgaris). تختلف الأنواع البوغية في طبيعة مستعمراتها، فتشكل مستعمرات غير شفافة ذات سطح غير لامع.
يتميز نمو الخلايا البكتيرية في الوسائط المغذية السائلة بالتجانس، وهو ما لا يحدث في الوسائط المغذية الصلبة. ومع ذلك، حتى مع هذا الأسلوب، يمكن ملاحظة بعض ملامح نمو البكتيريا. الأنواع التي تشكل مستعمرات جافة على الوسائط الصلبة تنتج مجموعة متنوعة من الرواسب في مرق واضح. تنتج الأنواع التي تشكل مستعمرات ناعمة ورطبة عمومًا نموًا متجانسًا يزعج وسط النمو بشكل موحد.
بالنسبة للمحصول الذي ينمو في بيئة سائلة، تعتبر التهوية ذات أهمية كبيرة. من المعروف أنه في أنابيب أو قوارير الاختبار، فإن الطبقات العليا من السائل فقط هي التي تتلامس مع الهواء الجوي، ولهذا السبب، تتراكم على السطح بعض الكائنات الهوائية، مثل المتفطرة السلية، والضمة الكوليرية، وما إلى ذلك. فيلم دقيق.
مراحل نمو السكان البكتيرية
في عام 1918 اقترح بوكانان، الذي يدرس خصائص التكاثر البكتيري، منحنى يشير إلى عدد الخلايا في كل فترة زمنية. تتميز ديناميات التكاثر البكتيري بالمراحل التالية، المشار إليها بالأرقام الرومانية. في المرحلة الأولية (الجزء الأول)، تتكيف البكتيريا مع الظروف المعيشية الجديدة منذ لحظة زرعها في وسط غذائي. في هذه المرحلة، لا تتكاثر البكتيريا. مدة المرحلة الأولية هي 1-2 ساعات. تتميز المرحلة الأولية من التكاثر (الجزء الثاني) بزيادة في عمليات التمثيل الغذائي ومعدل النمو وانقسام الخلايا. ومع ذلك، تتكاثر البكتيريا ببطء. مدة هذه المرحلة ساعتان.
في المرحلة اللوغاريتمية (الجزء الثالث)، لوحظ النمو المتسارع وانقسام الخلايا. في هذه المرحلة من التكاثر الأقصى، تتشكل الخصائص المورفولوجية والثقافية والكيميائية الحيوية والمستضدية والخبيثة النموذجية لكل نوع من أنواع البكتيريا. مدة المرحلة 5-6 ساعات. تحدث مرحلة التباطؤ (الجزء الرابع) بعد النمو النشط وتكاثر الخلايا البكتيرية. بحلول هذا الوقت، تغيرت الظروف البيئية. تتراكم المنتجات الأيضية السامة، وينخفض إمداد العناصر الغذائية، ولا يتوافق الرقم الهيدروجيني للبيئة مع الاحتياجات الفردية للميكروبات الفردية، ويتم استهلاك مستقبلات الهيدروجين، ويتباطأ إطلاق الطاقة ومعدل انقسام الخلايا، وينخفض وقت التوليد، و يزداد عدد الخلايا الميتة. مدة المرحلة ساعتان.
تتميز المرحلة الثابتة (الجزء الخامس) بالتركيز المستمر للخلايا الحية في الوسط المغذي. تكاثر الخلايا المعتدل لا يؤدي إلى زيادة في الكتلة الميكروبية. في هذه المرحلة، يتم تحقيق التوازن بين عدد الخلايا الميتة والخلايا الناشئة. مدة المرحلة ساعتان. تتميز مرحلة الموت المتسارع (الجزء السادس) بعدم التوازن بين التكاثر وموت الخلايا المتسارع. تستمر هذه المرحلة من 4 إلى 5 ساعات. في مرحلة الموت اللوغاريتمي (الجزء السابع)، يحدث موت الخلايا الهائل بمعدل ثابت. مدة المرحلة حوالي 5 ساعات. تتميز مرحلة انخفاض معدل الوفاة (الجزء الثامن) بحقيقة أن البكتيريا الباقية تدخل حالة سبات.
تعتمد مراحل التكاثر البكتيري بمرور الوقت على نوع البكتيريا وجودة الوسط المغذي وتركيزه ودرجة حرارته وتهويته. ولذلك، يشار إلى مدة كل مرحلة تقريبا. في ظل الظروف المثالية، يحدث انقسام الخلايا لدى عدد من الأفراد في أوقات مختلفة، على سبيل المثال، انقسام الإشريكية القولونية في 15-20 دقيقة، وبكتيريا التيفوئيد - 20-25 دقيقة، والمكورات العقدية - 25-30 دقيقة، والمتفطرة السلية - 18-20 ساعات.
ترتبط مدة مرحلة موت الخلية بخصائص أنواع البكتيريا. تستمر فترة وفاة المكورات الرئوية 2-3 أيام، وتستمر الإشريكية القولونية لأشهر. في مرحلة الموت، تكون الخلايا ملطخة بشكل ضعيف، وبعضها لا يرى الطلاء. بالإضافة إلى ذلك، تتغير أشكال البكتيريا ونشاطها الكيميائي الحيوي وخصائصها المستضدية.