Другая часть первичных гетеротрофов «заключила союз» не только с аэробными гетеротрофами, но и с первичными фотосинтетиками, сохранив последних в качестве хлоропластов. Такие симбионты дали начало царству растений.

В пользу симбиотической теории образования эукариот говорят наличие двух мембран у митохондрий и хлоропластов (внутренняя — своя, наружная — образована клеткой-захватчиком) и идеальный генетический код, позволивший эукариотам отстранится от чужой генетической информации. Митохондрии и хлоропласты имеют кольцевую ДНК и бактериальные рибосомы потому, что их предки были бактериями.

Сравнительный биохимический анализ показывает, что в основе энергетического обмена всех без исключения организмов лежат одни и те же поразительно сходные между собой цепи реакций, не связанных с потреблением свободного кислорода, — реакции, которые происходят в клетках современных анаэробов.

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

РОСТ

Рост микроорганизмов — генетически контролируемое увеличение объема и массы микробной клетки, связанное с синтезом новых веществ. Рост в применении к популяции — увеличение биомассы популяции.

Стадии (фазы) роста бактериальной культуры на питательной среде (рис. 62). Каждая фаза роста культуры в питательной среде характеризуется определенным размером клеток, скоростью размножения и потребления субстрата, синтезом метаболитов.

A — фаза задержки роста (начальная стационарная), или лаг-фаза (от англ. lag — отставание), в среднем длится 1–2 ч. Начало лаг-фазы связано с адаптацией клеток к среде обитания. Важную роль играет «предыстория» выращивания посевной культуры. Если использован инокулят из культуры с резко отличающимися условиями выращивания, то клеткам требуется время на синтез новых рибосом, РНК и адаптивных ферментов. В этом периоде увеличивается размер клеток, в 8–12 раз повышается содержание РНК. Деления клеток при этом почти не происходит.

Полноценная среда, физиологически активная посевная культура, которая подготовлена к синхронному делению, способствуют короткой лаг-фазе (или ее отсутствию) и переходу ко II фазе. Синхронизации можно достичь с помощью пониженной температуры, ограничения питательных веществ, фильтрации, обеспечивающей пропускание клеток определенного размера.

Синхронизация длится 2–4 генерации, а далее наступает асинхронный рост.

Логарифм количества жизнеспособных клеток

Время

Рис. 62. Фазы роста бактериальной культуры в питательной среде:

A — лаг-фаза; B — период положительного ускорения; C — лог-фаза; D — фаза отрицательного

ускорения; E — стационарная фаза; F — фаза отмирания

B — короткий период положительного ускорения между фазами A и B, когда начинается деление бактерии.

C— фаза логарифмического (экспоненциального) роста начинается, когда скорость роста клеток всей популяции достигает постоянной величины, средняя продолжительность ее 5–6 ч. Скорость деления клеток максимальная, но клетки имеют наименьший размер. Популяция бактериальной культуры состоит из делящихся клеток

идостаточно стандартна по своим свойствам (содержание белка, нуклеиновых кислот, наиболее выраженные видовые признаки), поэтому эта фаза удобна для определения многих параметров популяции (плотность бактерий, скорости роста и потребления субстрата, содержание биополимеров клетки). В этот период отмечено снижение резистентности к агрессивным веществам.

Несмотря на постоянную скорость роста популяции бактерий в логарифмической фазе, отдельные клетки все же находятся в разных стадиях деления. Иногда важно синхронизировать рост всех клеток популяции, то есть получить синхронную культуру. Простыми методами синхронизации являются изменение температурных условий или культивирование в условиях недостатка питательных веществ. Вначале культуру помещают в неоптимальные условия, затем сменяют их оптимальными. При этом у всех клеток популяции синхронизируется цикл деления, но синхронное деление клеток происходит обычно не более 3–4 циклов.

D— фаза замедления скорости роста (отрицательного ускорения) длится около 2 ч. Количество питательных веществ существенно уменьшается (отмечается воздействие на бактерии лимитирующих факторов), в культуральной жидкости накапливаются метаболиты, в т. ч. токсичные для бактерий (отмечается ингибирующее воздействие) и скорость деления клеток снижается.

E— стационарная фаза, или фаза максимальной концентрации (М-кон-

центрация). Клетки перестают делиться. Однако количество живых клеток постоянно, т. к. количество жизнеспособных бактерий соизмеримо с количеством

отмирающих. В этот период клетки переходят на эндогенные субстраты (окисляют запасные вещества, белки, углеводы, липиды). Длительность стационарной фазы различается у разных микроорганизмов. Например, у E. coli она наступает через 18–24 ч, у Azotobacter — через 72 ч с момента внесения инокулята в питательную среду.

F — фаза отмирания, характеризуется массовой гибелью бактерий. В бактериальной популяции отмечается образование инволюционных форм, аутолиз под действием собственных ферментов. У бактерий меняются морфологические и биохимические свойства. Гибель может наступить через несколько дней, недель, месяцев.

В эту фазу различают периоды ускоренной гибели (количество живых клеток начинает снижаться с увеличивающейся скоростью), логарифмической гибели (количество живых клеток убывает с максимальной скоростью), уменьшения скорости гибели (количество живых клеток убывает с уменьшающейся скоростью) и стационарную фазу минимума (количество живых клеток минимально).

Данная динамика характерна для периодических (статических) культур с

постепенным истощением запаса питательных веществ и накоплением метаболитов. Таким образом, неограниченный рост в закрытой от доступа дополнительных питательных веществ периодической культуре невозможен.

Если в питательной среде создают условия для поддержания микробной популяции в экспоненциальной фазе — это хемостатные (непрерывные) культуры.

РАЗМНОЖЕНИЕ

Размножение микроорганизмов — увеличение их концентрации 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 способ размножения наблюдается только у эукариот.

II. Бесполые способы размножения.

1.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. 63, а). Клетки большинства Грам– бактерий делятся путем перетяжки клетки (клетка истончается посередине) (рис. 63, б).

2.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. 63, в). 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.

3.Фрагментация нитевидных форм характерна для рода Actinomyces и Mycoplasma.

4.Образование экзоспор характерно для Streptomycetes, дрожжеподобных и плесневых грибов.

5.Особый цикл развития 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.

6.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. 63, г).

Рис. 63. Способы деления и синтез КС у прокариот:

а — деление путем образования поперечной перегородки; б — деление путем перетяжки; в — почкование; г — множественное деление: 1 — КС (толстой линией обозначена КС материнской клетки, тонкой — заново синтезированная); 2 — ЦПМ; 3 — мембранная структура; 4 — цито-

плазма, в центре которой расположен нуклеоид; 5 — дополнительный фибриллярный слой КС

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:

1.Рост до определенной степени зрелости. Рост клетки не беспределен, и

после достижения определенных размеров она начинает делиться. Во время деления рост клетки замедляется и начинается вновь после деления.

2.Кариокинез (репликация ДНК и деление 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 начиначинается 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 деление.

Контакт ДНК с ЦПМ осуществляется посредством мезосом. Репликация, начавшаяся в точке прикрепления, идет затем в двух противоположных направлениях. Возникающие дочерние хромосомы остаются прикрепленными к мембране (рис. 64).

Рис. 64. Репликация хромосомы у бактерий

Механизм репликации ДНК выражается в разрыве водородных связей между ее двумя полинуклеотидными цепями, раскручивании их и синтезе с помощью ДНКполимеразы 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.

3.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.

4.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).

Рис. 65. Деление кокков

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.

Период генерации — интервал времени, в течение которого происходит удвоение количества бактерий. Скорость размножения микроорганизмов в этот период зависит от вида микроорганизма, величины и свойств инокулята, состава питательной среды, ее рН, аэрации, температуры инкубации, других факторов. При