שיטות וקצב רבייה של מיקרואורגניזמים

צמיחה ורבייה של מיקרואורגניזמים

צמיחה היא עלייה במספר המרכיבים הכימיים של תא חיידקי. כדי לאפיין את הצמיחה של מיקרואורגניזמים, נעשה שימוש במושג מסת חיידקים, המתבטא בצפיפות החיידקים (משקל יבש ל-1 מ"ל). רבייה של חיידקים מתוארת על ידי מספר החיידקים, המשקף את ריכוז התאים ב-1 מ"ל. אין מידתיות קפדנית בין העלייה במספר החיידקים לבין מסת החיידקים. זה מוסבר בעובדה שלא כל התאים באוכלוסיית החיידקים ברי קיימא - חלקם מתים, חלקם בשלבי הרס שונים. משתתפים ביצירת מסת החיידקים, תאים כאלה אינם משתתפים בהתרבות נוספת של חיידקים. חיידקים מתרבים בחלוקה ישירה. במקרה זה, נוצרת התכווצות או הממברנה הציטופלזמית מתחילה לצמוח פנימה, בניצב לציר האורך של התא עם היווצרות של צלחת תא דיסק.

צלחת זו יכולה לפעמים להיות לא שלמה ויש לה חור שבמרכזו מחבר את שני התאים האחיות. לאחר מכן, צומח קיר צדדי לתוך לוחית התא, היוצר מחיצה רוחבית המחלקת את לוחית התא לשני חלקים, שכל אחד מהם הולך לאחד התאים שנוצרו. הפתח המרכזי, שאינו מופרד על ידי מחיצה רוחבית או צלחת, נקרא פלסמודסמוס. פלסמודסמוס ממלא תפקיד בחיבור תאים של חיידקים מסוימים לשרשראות או קבוצות ארוכות. בנוסף לאמור לעיל, תהליך החלוקה של תאי חיידק יכול להתרחש על ידי קשירה. מספר תאי החיידק בתהליך הרבייה עולה באופן אקספוננציאלי. עבור רוב החיידקים, זמן היצירה הוא 20 - 30 דקות.

צמיחה ורבייה של חיידקים מתבטאים בצורה שונה בהתאם לתנאי הגידול. על מדיה תזונתית צפופה, ביטוי של גדילה ורבייה של חיידקים הוא הופעתן של מושבות, שהן צבירי תאי חיידקים הניתנים להבחין בהם ויזואלית. מושבות מאופיינות בסט של תכונות ספציפיות, שעל בסיסן ניתן לזהות תרבויות טהורות של חיידקים. סימנים אלו כוללים: גדלים (גדול, בינוני, קטן, מיקרוסקופי); צורה (עגולה, שטוחה וכו'); צבע, בהתאם להיווצרות פיגמנטים על ידי חיידקים; משטח (קמור, שטוח, מט, מבריק וכו'); אופי הקצוות (חלקים, מחוספסים וכו'); עקביות (הומוגנית, דביקה, רירית וכו'); שקיפות (שקופה, מעוננת).

תהליך הגדילה מתחיל בשלב של פיגור בגדילה, או שלב פיגור. במהלך תקופה זו מתרחשת פעילות מטבולית אינטנסיבית של חיידקים, שתוצאתה היא הכנת התא לרבייה מהירה. השלב מתחיל עם החדרת חיידקים למדיום. משך הזמן תלוי בגיל התרבות הזרועה (הוא ארוך יותר כאשר התרבות הישנה מוכנסת), הרכב המדיום, טמפרטורה וגורמים נוספים.

צמיחה של תא חיידקי. עלייה בביומסה של פרוטופלזמה התאית הנובעת מסינתזה של חומר פלסטי בתהליך התזונה נקראת צמיחה. חיידקים גדלים במהירות, ומגיעים תוך זמן קצר לגבול הבשלות הפיזיולוגית שלהם.

איור.1. מחזור התפתחות של חיידק השחת

1 - מקל חציר צעיר; 2 - מקל חציר, לשפוך דגלים; 3 - חלוקת שרשרת תאים; 4 - היווצרות דגלים בשרשראות; 5 - היווצרות נבגים

חלוקת תא. תא שהגיע לגיל בוגר מסוים מתחיל להתחלק, ובמדיום התזונתי נצפית במקביל גידול באוכלוסיית החיידקים - התרבות. לפני חלוקת התא נוצרת ממברנה ציטופלזמית, הנוצרת בדרך כלל באמצע תא חיידקי. במהלך חלוקת התא מתרחשת שכפול DNA. במקרה זה, קשרי מימן נשברים ונוצרות שתי שרשראות (סלילים) של DNA, שכל אחת מהן קיימת בתאי בת. לאחר מכן מצטרפים DNA חד-גדילי בקשרי מימן ומופיעים שוב DNA דו-גדילי, שיש להם מידע גנטי. חלוקת תאים נחשבת שלמה כאשר התאים החדשים שנוצרו מופרדים על ידי מחיצה ציטופלזמית.

איור 2. דפוסי עקיפה של אלקטרונים של חלקים דקים במיוחד של חיידקים מתחלקים

a - staphylococcus, מחלק על ידי היווצרות מחיצת חלוקה (מסומן בחצים), × 32,000; b - Escherichia coli - כתוצאה מהיווצרות התכווצות חלוקה (מסומן בחצים); 1 - דופן התא, 2 - ממברנה ציטופלזמית, 3 - נוקלואיד; × 22,000.

רבייה - ביקוע בינארי של חיידקים, ריקטסיה, פרוטוזואה וכו'. במקרה זה נוצרים שני פרטים חדשים שניחנו במידע הגנטי של תא האם. שיטת רבייה זו נקראת אינטגרלית, ונגיפים מתרבים בצורה מנותקת, כלומר על ידי סינתזה נפרדת של מרכיביהם - חומצת גרעין וחלבון בתא המארח.

תאים חיידקיים מתחלקים מהר יותר בשלבים הראשונים של גידול האוכלוסייה. בשלבים המאוחרים יותר החלוקה מתקדמת לאט יותר, חלק מתאי האם מתים ותכלילים שונים מופיעים בסוגים מסוימים של חיידקים.

בתנאים נוחים, קצב ההתרבות של החיידקים גבוה מאוד. כל 15-20 דקות מתקבלים שני אנשים מאדם אחד. על פי חישובים של כמה חוקרים, אם חיידק מייצר שני פרטים בשעה אחת בלבד, אז ביום מספר התאים המיקרוביאליים מגיע ל-16.5 מיליון, שיכולים למלא את הבריכות של כל הימים והאוקיינוסים.

עם רבייה כזו, תאים מיקרוביאליים יכולים לכסות את כל פני השטח של לא רק הימים והאוקיינוסים, אלא גם היבשות. כתוצאה מכך, החיים של אנשים על הפלנטה שלנו יהיו בלתי אפשריים. עם זאת, ברפרודוקציה של חיידקים אין חוק מוחלט של התקדמות גיאומטרית. הצמיחה והרבייה שלהם מושפעים לרעה מהיחסים האנטגוניסטיים של מיקרואורגניזמים, דלדול המדיום התזונתי, מחסור בחמצן והצטברות של תוצרי פסולת רעילים של חיידקים. גורמים אלו מונעים חלוקת תאים מתמשכת.

מחקרים ותצפיות ארוכות טווח של בייל קבעו כי בתווך תזונתי נוזלי בנפח מסוים, מתרחשת התפתחות מקסימלית של תאים עם מספר מגביל. בתוך 24 שעות באותם תנאים נקבע ריכוז התאים ב-1 מ"ל מהמדיום הנוזלי: עבור חיידקי E. coli ופארטיפוס B - 1.5 מיליארד, עבור חיידקי הדיזנטריה של גריגורייב - שיגה וסטפילוקוקוס - 300 מיליארד, עבור חיידקי קדחת הטיפוס. - 800 מיליארד. הביטוי המספרי נקרא בדרך כלל ריכוז M (M הוא המקסימום) של חיידקים. בתנאי גידול רגילים, ריכוז ה-M של התאים הוא הגבול של הצטברות חיידקים. מעניין לציין שאם מחסנים כמות כזו של חיידקים לתווך תזונתי טרי השווה לריכוז ה-M, אזי מספר התאים אינו גדל, ואם מספר החיידקים התרבותיים עולה על ריכוז ה-M, העודפים מתים.

רבייה של חיידקים באוכלוסייה

כדי להבין את דפוסי הרבייה של חיידקים באוכלוסייה, חוקרים תרבויות טהורות. עם זאת, חיידקים בתנאים טבעיים ומלאכותיים נמצאים באגודות. אוכלוסיית חיידקים היא אוסף של חיידקים המתרבים בנפח מסוים של תווך נוזלי במבחנה, בבקבוק וכו'. עם צמיחה מתמשכת של חיידקים על פני מצע תזונתי צפוף במבחנה, סך כל התאים בו נחשבת לאוכלוסייה יחידה. במקרה של גידול של מושבות מבודדות, כל אחת מהן יכולה להיחשב כאוכלוסייה נפרדת, שכן הן אינן מתקשרות זו עם זו.

כאשר חיידקים גדלים על חומרי הזנה צפופים, מאפיינים מסוימים של הצמיחה שלהם מתגלים, כלומר מופיעות מושבות המייצגות צאצאים של תא אחד או יותר. מראה המושבות, צורתן, צבען, שקיפותן, גודלן ומאפיינים נוספים הם המאפיינים המבדילים עבור כל סוג של חיידק. מספר מיני חיידקים שיש להם פלגלה על אגר נותנים צמיחה מתמשכת המכסה את כל פני הצלחת (Proteus vulgaris). מינים ספרוגניים נבדלים באופי המושבות, ויוצרים מושבות אטומות עם משטח מט.

צמיחת תאי חיידקים במדיות תזונתיות נוזליות מאופיינת באחידות, מה שלא קורה במצעים תזונתיים צפופים. עם זאת, אפילו בשיטה זו, ניתן לראות כמה תכונות של גידול חיידקים. מינים היוצרים מושבות יבשות על גבי מדיה צפופה נותנים מגוון של משקעים במרק צלול. מינים היוצרים מושבות רכות ולחות בדרך כלל נותנים צמיחה הומוגנית, ומפריעים באופן שווה לתווך התזונתי.

לתרבית הגדלה במדיום נוזלי יש חשיבות רבה לאוורור. ידוע שבמבחנות או צלוחיות רק השכבות העליונות של הנוזל באות במגע עם אוויר אטמוספרי, ובגלל זה מצטברים על פני השטח כמה אירוביים מחייבים, למשל Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae וכו', יצירת סרט עדין.

שלבי גדילה של אוכלוסיית חיידקים

בשנת 1918 ביוקנן, שחקר את המאפיינים של רבייה חיידקית, הציע עקומה המציינת את מספר התאים בכל פרק זמן. הדינמיקה של רבייה חיידקית מאופיינת בשלבים הבאים, המצוינים על ידי ספרות רומיות. בשלב הראשוני (מקטע I), חיידקים מסתגלים לתנאי חיים חדשים מרגע זריעתם על מצע מזין. בשלב זה, החיידקים אינם מתרבים. משך השלב הראשוני הוא 1-2 שעות. השלב הראשוני של הרבייה (סעיף II) מאופיין בתהליכים מטבוליים מוגברים, קצב גדילה וחלוקת תאים. עם זאת, גדילת החיידקים איטית. משך שלב זה הוא שעתיים.

בשלב הלוגריתמי (קטע III), נצפים גדילה וחלוקה מואצת של תאים. בשלב זה של רבייה מרבית, נוצרות תכונות מורפולוגיות, תרבותיות, ביוכימיות, אנטיגניות וארסיות האופייניות לכל מין חיידקי. משך השלב הוא 5-6 שעות. שלב ההאטה (קטע IV) מתרחש לאחר צמיחה ורבייה פעילים של תאי חיידקים. בשלב זה, התנאים בסביבה משתנים; תוצרים מטבוליים רעילים מצטברים, אספקת החומרים התזונתיים יורדת, ה-pH של המדיום אינו עונה על הצרכים האינדיבידואליים של חיידקים בודדים, קולטי מימן נצרכים, שחרור האנרגיה וקצב חלוקת התא מואט, זמן היצירה פוחת, מספר התאים הגוססים עולה. משך השלב הוא שעתיים.

השלב הנייח (מקטע V) מאופיין בריכוז קבוע של תאים חיים במצע התזונתי. ריבוי מתון של תאים אינו מוביל לעלייה במסה המיקרוביאלית. בשלב זה נוצר איזון בין מספר התאים הגוססים והתאים המתעוררים. משך השלב הוא שעתיים. שלב האצת המוות (קטע VI) מאופיין בחוסר איזון בין רבייה למוות מואץ של תאים. שלב זה נמשך 4-5 שעות. בשלב המוות הלוגריתמי (קטע VII), מוות תאים מסיבי מתרחש בקצב קבוע. משך השלב כ-5 שעות. שלב הפחתת שיעור התמותה (קטע VIII) מאופיין בכך שהחיידקים השורדים עוברים למצב רדום.

שלבי רביית החיידקים בזמן תלויים בסוג החיידק, באיכות המדיום התזונתי, בריכוזו, בטמפרטורה ובאוורור. לכן, משך כל שלב מצוין בקירוב. בתנאים אופטימליים, חלוקת תאים במספר פרטים מתרחשת בזמנים שונים, למשל, Escherichia coli מתחלק לאחר 15-20 דקות, חיידקי טיפוס הבטן - 20-25 דקות, סטרפטוקוקים - 25-30 דקות, Mycobacterium tuberculosis - 18-20 שעות .

משך שלב המוות של התא קשור למאפייני המין של חיידקים. תקופת המוות של pneumococcus נמשכת 2-3 ימים, ושל E. coli - חודשים. בשלב הגסיסה, התאים צובעים בצורה חלשה, וחלקם אינם קולטים צבעים. בנוסף, צורות החיידקים, פעילותם הביוכימית ותכונותיהם האנטיגניות משתנות.