Mikroorganizmų augimas ir dauginimasis
Augimas – tai mikroorganizmų ląstelės cheminių komponentų skaičiaus padidėjimas. Mikroorganizmų augimui apibūdinti naudojama bakterijų masės sąvoka, kuri išreiškiama bakterijų tankiu (sausa masė 1 ml). Mikrobų dauginimasis apibūdinamas bakterijų skaičiumi, kuris atspindi ląstelių koncentraciją 1 ml. Nėra griežto proporcingumo tarp bakterijų skaičiaus padidėjimo ir bakterijų masės. Tai paaiškinama tuo, kad bakterijų populiacijoje ne visos ląstelės yra gyvybingos – dalis jų yra mirusios, kai kurios yra skirtingose naikinimo stadijose. Tokios ląstelės, dalyvaudamos kuriant bakterijų masę, nedalyvauja tolesniame bakterijų dauginimosi procese. Bakterijos dauginasi tiesioginio dalijimosi būdu. Tokiu atveju susidaro susiaurėjimas arba citoplazminė membrana pradeda augti į vidų, statmenai išilginei ląstelės ašiai, susiformuojant disko-ląstelės plokštelei.
Ši plokštelė kartais gali būti nepilna ir joje yra skylė, kurios centre jungiasi abi seserinės ląstelės. Vėliau į ląstelės plokštelę įauga šoninė sienelė, kuri sudaro skersinę pertvarą, dalijančią ląstelės plokštelę į dvi dalis, kurių kiekviena patenka į vieną iš gautų ląstelių. Centrinė skylė, nedalyta skersine pertvara ar plokštele, vadinama plazmodesmosu. Plasmodesmos vaidina svarbų vaidmenį sujungdamas kai kurias bakterijų ląsteles į ilgas grandines ar grupes. Be to, kas buvo pažymėta, bakterijų ląstelių dalijimosi procesas gali vykti perrišant. Dauginimosi metu bakterijų ląstelių skaičius eksponentiškai didėja. Daugumos bakterijų generavimo laikas yra 20–30 minučių.
Bakterijų augimas ir dauginimasis pasireiškia skirtingai, priklausomai nuo auginimo sąlygų. Kietose maistinėse terpėse bakterijų augimo ir dauginimosi pasireiškimas yra kolonijų atsiradimas, kurios yra vizualiai išsiskiriančios bakterijų ląstelių sankaupos. Kolonijos pasižymi specifinėmis savybėmis, kuriomis remiantis galima nustatyti grynąsias bakterijų kultūras. Šios charakteristikos apima: dydžius (didelis, vidutinis, mažas, mikroskopinis); forma (apvali, išskleista ir kt.); dažymas priklausomai nuo bakterijų gaminamų pigmentų; paviršius (išgaubtas, plokščias, matinis, blizgus ir kt.); kraštų pobūdis (lygus, šiurkštus ir kt.); konsistencija (homogeninė, pastos konsistencija, gleivėta ir kt.); skaidrumas (skaidrus, drumstas).
Augimo procesas prasideda augimo sulėtėjimo faze arba vėlavimo faze. Šiuo laikotarpiu vyksta intensyvi bakterijų metabolinė veikla, kurios rezultatas – ląstelės paruošimas greitam dauginimuisi. Fazė prasideda nuo to momento, kai bakterijos patenka į aplinką. Jo trukmė priklauso nuo pasėto pasėlio amžiaus (ilgiau užtrunka įvedant seną pasėlį), terpės sudėties, temperatūros ir kitų veiksnių.
Bakterinės ląstelės augimas. Ląstelių protoplazmos biomasės padidėjimas, atsirandantis dėl plastikinės medžiagos sintezės mitybos metu, vadinamas augimu. Mikrobai auga greitai, per trumpą laiką pasiekia savo fiziologinės brandos ribą.
1 pav. Bacillus subtilis vystymosi ciklas
1 - jauna bacila subtilis; 2 - Bacillus subtilis, kuris išmetė savo žvynelius; 3 - ląstelių grandinės padalijimas; 4 - žvynelių susidarymas grandinėse; 5 - ginčo formavimas
Ląstelių dalijimasis. Tam tikro brandaus amžiaus pasiekusi ląstelė pradeda dalytis, o maistinėje terpėje tuo pat metu stebimas bakterijų populiacijos – kultūros – augimas. Prieš ląstelių dalijimąsi susidaro citoplazminė membrana, kuri dažniausiai susidaro bakterijos ląstelės viduryje. Ląstelių dalijimosi metu vyksta DNR replikacija (dvigubėjimas). Tokiu atveju vandeniliniai ryšiai nutrūksta ir susidaro dvi DNR grandinės (spiralės), kurių kiekviena yra dukterinėse ląstelėse. Tada viengrandės DNR sujungiamos vandeniliniais ryšiais ir vėl atsiranda dvigrandės DNR su genetine informacija. Ląstelių dalijimasis laikomas baigtu, kai naujai susidariusios ląstelės atskiriamos citoplazmine pertvara.
2 pav. Labai plonų besidalijančių bakterijų pjūvių elektronų difrakcijos modeliai
a - stafilokokas dalijasi suformuojant dalijimosi pertvarą (pažymėta rodyklėmis), × 32 000; b - Escherichia coli - susidarius padalijimo susiaurėjimui (pažymėta rodyklėmis); 1 - ląstelės sienelė, 2 - citoplazminė membrana, 3 - nukleoidas; × 22 000.
Dauginimasis – tai dvejetainis bakterijų, riketsijų, pirmuonių ir kt. dalijimasis Tokiu atveju susidaro du nauji individai, aprūpinti motininės ląstelės genetine informacija. Šis dauginimosi būdas vadinamas integraliniu, o virusai dauginasi disjunkciniu būdu, tai yra per atskirą jų komponentų – nukleino rūgšties ir baltymų – sintezę šeimininko ląstelėje.
Pradinėse populiacijos augimo stadijose bakterijų ląstelės dalijasi greičiau. Vėlesniuose etapuose dalijimasis vyksta lėčiau, kai kurios motininės ląstelės miršta, tam tikrų tipų bakterijose atsiranda įvairių inkliuzų.
Esant palankioms sąlygoms, bakterijų augimo greitis yra labai didelis. Kas 15–20 minučių vienas individas tampa dviem. Kai kurių tyrinėtojų skaičiavimais, jei vos per vieną valandą mikrobas išaugina du individus, tai per parą mikrobų ląstelių skaičius siekia 16,5 mln.. Pagal vaizdinį V.L.Omeljanskio apibrėžimą, vienos bakterijos palikuonis gali susilaukti tokio mikrobų skaičius per 5 dienas, kurie gali užpildyti visų jūrų ir vandenynų baseinus.
Taip dauginantis mikrobų ląstelės galėtų padengti visą ne tik jūrų, vandenynų, bet ir žemynų paviršių. Vadinasi, žmogaus gyvybė mūsų planetoje būtų neįmanoma. Tačiau nėra absoliutaus geometrinės progresijos dėsnio mikrobų dauginimuisi. Jų augimą ir dauginimąsi neigiamai veikia antagonistiniai ryšiai tarp mikroorganizmų, maistinės terpės išeikvojimas, deguonies trūkumas, toksiškų mikrobų atliekų kaupimasis. Šie veiksniai užkerta kelią nuolatiniam ląstelių dalijimuisi.
Daugiamečiai Bayle'o tyrimai ir stebėjimai parodė, kad skystoje maistinėje terpėje tam tikrame tūryje vyksta maksimalus ląstelių, turinčių didžiausią skaičių, vystymasis. Per 24 valandas tomis pačiomis sąlygomis nustatoma ląstelių koncentracija 1 ml skystos terpės: Escherichia coli ir paratifoidinių B bakterijų - 1,5 mlrd., Grigoriev-Shiga dizenterijos bakterijų ir stafilokokų - 300 mlrd., vidurių šiltinės bacilų - 800 mlrd. skaitine išraiška paprastai vadinama mikrobų M koncentracija (M yra didžiausia). Normaliomis augimo sąlygomis ląstelių M koncentracija yra mikrobų kaupimosi riba. Įdomu pastebėti, kad jei į šviežią maistinę terpę, kuri yra lygi M koncentracijai, pasėjama daug mikrobų, ląstelių skaičius nedidėja, o jei auginamų mikrobų skaičius viršija M koncentraciją, perteklius miršta.
Bakterijų dauginimasis populiacijoje
Norint suprasti mikrobų dauginimosi populiacijoje modelius, tiriamos grynosios kultūros. Tačiau mikrobai natūraliomis ir dirbtinėmis sąlygomis atsiranda asociacijose. Bakterijų populiacija – tai bakterijų rinkinys, besidauginantis tam tikrame skystos terpės tūryje mėgintuvėlyje, kolboje ir pan. Kai bakterijos nuolat auga tankios maistinės terpės paviršiuje mėgintuvėlyje, visų joje esančių ląstelių visuma. paprastai laikoma viena populiacija. Kai auga izoliuotos kolonijos, kiekviena iš jų gali būti laikoma atskira populiacija, nes jos nebendrauja tarpusavyje.
Kai mikrobai auginami kietoje maistinėje terpėje, atsiskleidžia kai kurios jų augimo ypatybės, t. y. atsiranda kolonijų, kurios atstovauja vienos ar kelių ląstelių palikuonims. Kolonijų išvaizda, forma, spalva, skaidrumas, dydis ir kitos savybės yra skiriamieji kiekvienos rūšies bakterijų bruožai. Nemažai bakterijų rūšių, turinčių žiuželius, nuolat auga ant agaro, apimančios visą plokštelės paviršių (Proteus vulgaris). Sporogeninės rūšys skiriasi savo kolonijų pobūdžiu, sudarydamos nepermatomas kolonijas su matiniu paviršiumi.
Bakterijų ląstelių augimui skystoje maistinių medžiagų terpėje būdingas vienodumas, o kietose maistinėse terpėse to nėra. Tačiau net ir taikant šį metodą galima pastebėti kai kurias bakterijų augimo ypatybes. Rūšys, kurios sudaro sausas kolonijas ant kietos terpės, skaidraus sultinio gamina įvairias nuosėdas. Rūšys, kurios sudaro minkštas ir drėgnas kolonijas, paprastai augina vienalytį augimą, kuris tolygiai trikdo auginimo terpę.
Skystoje aplinkoje augančiam augalui didelę reikšmę turi aeracija. Yra žinoma, kad mėgintuvėliuose ar kolbose su atmosferos oru liečiasi tik viršutiniai skysčio sluoksniai, todėl paviršiuje kaupiasi kai kurie privalomi aerobai, pavyzdžiui, Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae ir kt., sudarydami subtilus filmas.
Bakterijų populiacijos augimo fazės
1918 metais Buchananas, tirdamas bakterijų dauginimosi ypatybes, pasiūlė kreivę, nurodančią ląstelių skaičių kiekvienu laikotarpiu. Bakterijų dauginimosi dinamiką apibūdina šios fazės, pažymėtos romėniškais skaitmenimis. Pradinėje fazėje (I segmentas) bakterijos prisitaiko prie naujų gyvenimo sąlygų nuo to momento, kai jos pasėjamos į maistinę terpę. Šioje fazėje bakterijos nesidaugina. Pradinio etapo trukmė – 1–2 valandos. Pradinė reprodukcijos fazė (II segmentas) pasižymi medžiagų apykaitos procesų, augimo greičio ir ląstelių dalijimosi padidėjimu. Tačiau bakterijos dauginasi lėtai. Šio etapo trukmė – 2 valandos.
Logaritminėje fazėje (III segmentas) stebimas pagreitėjęs augimas ir ląstelių dalijimasis. Šioje maksimalaus dauginimosi fazėje susiformuoja kiekvienam bakterijų tipui būdingos morfologinės, kultūrinės, biocheminės, antigeninės ir virulentinės savybės. Fazės trukmė 5-6 val. Lėtėjimo fazė (IV segmentas) atsiranda po aktyvaus bakterijų ląstelių augimo ir dauginimosi. Iki to laiko sąlygos aplinkoje pasikeitė; Kaupiasi nuodingi medžiagų apykaitos produktai, mažėja aprūpinimas maistinėmis medžiagomis, aplinkos pH neatitinka individualių atskirų mikrobų poreikių, sunaudojami vandenilio akceptoriai, sulėtėja energijos išsiskyrimas ir ląstelių dalijimosi greitis, mažėja generacijos laikas, t. didėja mirštančių ląstelių skaičius. Fazės trukmė – 2 valandos.
Stacionariai fazei (V segmentui) būdinga pastovi gyvų ląstelių koncentracija maistinėje terpėje. Vidutinis ląstelių dauginimasis nedidina mikrobų masės. Šioje fazėje nustatoma pusiausvyra tarp mirštančių ir besiformuojančių ląstelių skaičiaus. Fazės trukmė – 2 valandos. Pagreitintos mirties fazei (VI segmentui) būdingas disbalansas tarp reprodukcijos ir pagreitintos ląstelių mirties. Šis etapas trunka 4–5 valandas. Logaritminės mirties fazėje (VII segmentas) masinė ląstelių mirtis vyksta pastoviu greičiu. Fazės trukmė apie 5 val. Mirties greičio mažėjimo fazei (VIII segmentas) būdinga tai, kad išgyvenusios bakterijos pereina į ramybės būseną.
Bakterijų dauginimosi fazės laikui bėgant priklauso nuo bakterijų rūšies, maistinės terpės kokybės, jos koncentracijos, temperatūros ir aeracijos. Todėl kiekvienos fazės trukmė nurodoma apytiksliai. Optimaliomis sąlygomis daugelio individų ląstelės dalijasi skirtingu laiku, pavyzdžiui, E. coli dalijasi po 15–20 minučių, vidurių šiltinės bakterijos – 20–25 minutes, streptokokai – 25–30 minučių, tuberkuliozės mikobakterijos – 18–20 minučių. valandų.
Ląstelių mirties fazės trukmė yra susijusi su bakterijų rūšies savybėmis. Pneumokoko mirties laikotarpis trunka 2-3 dienas, o E. coli – mėnesius. Mirimo stadijoje ląstelės yra silpnai nudažytos, o kai kurios iš jų nejaučia dažų. Be to, kinta bakterijų formos, jų biocheminis aktyvumas, antigeninės savybės.