Buňky, jako každý živý organismus, se rodí, žijí a umírají. Růst a množení bakterií je velmi rychlé, mohly by zachytit celý životní prostor na planetě, nebýt jejich křehkosti a limitujících faktorů (teplota, úroveň kyselosti, nedostatek potravy atd.). V příznivé podmínky zdvojení buněk trvá v průměru asi půl hodiny. V kritických situacích jsou však některé typy mikroorganismů (sporotvorné bakterie) schopny tvořit spory a „hibernovat“ na poměrně dlouhou dobu.
Rychlé množení bakterií má své klady i zápory. Využití mikroorganismů v biotechnologiích (kvasinky, kyselina mléčná, organismy vázající dusík, plísně atd.) je zaměřeno na zlepšení kvality života. Nekontrolovaný růst choroboplodných (patogenních) mikrobů je však pro člověka nebezpečný. Zdraví může poškodit i vlastní mikroflóra člověka. V medicíně existuje koncept syndromu bakteriálního přerůstání, při kterém se dramaticky zvyšuje počet oportunních mikrobů v lidském těle, což představuje hrozbu pro zdraví.
Buněčný růst a reprodukce jsou dva různé procesy. Růst je chápán jako nárůst buněčné hmoty v důsledku tvorby všech buněčné struktury. Reprodukce je zvýšení počtu buněk v kolonii. Existuje binární štěpení, pučení a genetická rekombinace (proces připomínající sexuální reprodukci).
Většina prokaryotických (nejaderných) buněk, ke kterým patří všechny bakterie, se rozmnožuje štěpením na dvě části (binární štěpení). Množí se tak například bakterie mléčného kvašení. Proces začíná duplikací bakteriálního chromozomu (molekuly DNA, která nahrazuje jádro) a probíhá v několika fázích:
Výsledkem jsou dva identické organismy.
Jednotlivé mikroorganismy se dělí pučením, ale to je spíše výjimka obecné pravidlo. Proces spočívá ve vytvoření krátkého výběžku na jednom z pólů buňky, do kterého se „unáší“ jedna z polovin separovaného nukleoidu (molekuly DNA s genetickou informací). Poté výběžek roste a odděluje se od mateřské buňky.
Existuje další možnost, která se podobá sexuální reprodukci - genetická rekombinace. V tomto případě dochází k výměně genetické informace a výsledkem je buňka obsahující geny svých rodičů. Existují tři způsoby přenosu genetické informace:
Vzájemně identické buňky jsou tedy získány pouze jako výsledek binárního štěpení a pučení. Během genetické rekombinace dochází v buňce ke změnám, rozvíjení nových vlastností a přijímání dalších funkcí.
V živných médiích probíhá růst a množení bakterií v několika fázích, které se liší množstvím dostupné potravy a hromaděním odpadních produktů:
Rychlost kinetického růstu bakteriální kolonie do značné míry závisí na typu bakterií, složení živných médií, počtu nasazených (vpravených do média) buněk, stáří kultury, způsobu dýchání a počtu další faktory. Například pro reprodukci bakterií mléčného kvašení je důležité udržovat teploty v poměrně úzkém rozmezí (25-30⁰С) a určitou úroveň kyselosti média (pH). Pro reprodukci aerobních a anaerobních buněk se stává rozhodujícím faktorem přítomnost nebo nepřítomnost kyslíku pro dýchání a sporotvorné buňky potřebují dostatečné množství potravy.
Pro studium (medicína, mikrobiologie) a použití (průmysl) se bakteriální kultury pěstují na umělých živných půdách, které se dělí podle konzistence, původu a účelu:
Existují bakterie, které vyžadují zvláštní podmínky. Například anaerobní mikroorganismy (jak sporotvorné, tak sporotvorné) se kultivují za anaerobních podmínek (bez kyslíku). Pro aerobní buňky se kyslík stává rozhodujícím faktorem reprodukce. Fakultativní anaeroby jsou schopny změnit způsob dýchání v závislosti na podmínkách. Spórotvorné aerobní organismy používané k výrobě probiotik jsou velmi citlivé na sníženou výživu a kvalitu. Sporotvorné anaeroby vyžadují úplnou nepřítomnost kyslíku. Základním principem kultivace mikroorganismů je vytvoření příznivých podmínek (výživa, dýchání, teplota), což někdy přináší určité obtíže.
Pro kultivaci anaerobů se tedy používá metoda hlubokého výsevu, to znamená, že se kultura bakterií zavede do hloubky hustého živného média, do růstové atmosféry se přidají chemické látky, které absorbují kyslík, nebo se odčerpá vzduch, jeho nahrazení inertním plynem. V případě sporotvorných bakterií se do živného média zavede inhibitor syntézy proteinů, čímž se proces tvorby spor zastaví.
Kultivace se týká umělé kultivace buněk za kontrolovaných podmínek. Konečným cílem je získat biologický produkt z bakterií nebo pomocí bakterií. Takové léky mohou být terapeutické, diagnostické, profylaktické. Existuje několik způsobů pěstování:
Jedním z nejvýznamnějších průmyslových přípravků je kultura bakterií mléčného kvašení, které se používají pro přípravu mléčného kvašení, kysaného zelí, silážování píce a výrobu náhražky krevní plazmy. Pro získání zaručeného konečného výsledku musí být výsledná kvalita bakterií mléčného kvašení přísně kontrolována.
Potřebujete vhodné živné médium a přípravek s čistou kulturou bakterií mléčného kvašení pěstovaných v laboratoři. Dále je proces kultivace ponechán až do nástupu třetí fáze (rovnováhy), po které můžete začít sbírat "sklizeň" bakterií mléčného kvašení.
Ne vždy je růst bakteriálních buněk prospěšný, nadměrné zvýšení populace bakterií v lidském těle může být zdraví nebezpečné. Porušení kvalitativního a kvantitativního složení střevní mikroflóry se nazývá klinický syndrom přemnožení bakterií. Lékaři říkají, že není úplně správné používat k popisu tohoto procesu termín „dysbakterióza“. Faktem je, že počet anaerobních bakterií (bifidobakterií) užitečných pro tělo se skutečně snižuje, ale počet podmíněně patogenních buněk (například aerobní Escherichia coli) se zvyšuje.
Různé bakterie žijí v různých částech gastrointestinálního traktu. V tenkém střevě se při pohybu postupně mění složení mikroflóry a počet mikroorganismů. Aerobní (rostoucí v kyslíkovém prostředí) druhy bakterií postupně ustupují anaerobním (bezkyslíkaté prostředí). U klinického syndromu přerůstání se bakteriální spektrum posouvá směrem ke gramnegativním (nejpatogenním), fakultativně aerobním a anaerobním organismům.
Jak se přibližujete k tlustému střevu, zvyšuje se počet anaerobních bakterií (bifidobakterií a bakteroidů). Hlavní zástupci anaerobní mikroflóry – bifidobakterie – jsou zodpovědní za syntézu bílkovin, vitamínů skupiny B, různých kyselin a dalších látek nezbytných pro život. Aerobní mikroorganismy (E. coli) produkují řadu vitamínů a kyselin podílejících se na trávení a podpoře imunity.
Dalším zástupcem střevní mikroflóry jsou bakterie mléčného kvašení. Patří k mikroaerofilním organismům, tedy jedním z faktorů růstu a množení bakterií mléčného kvašení je kyslík, ale ve velmi malých množstvích. Tyto mikroorganismy jsou zodpovědné za regulaci kyselosti gastrointestinálního traktu, čímž inhibují růst hnilobných bakterií.
Každý druh bakterií plní svou vlastní, jasně definovanou funkci. Při syndromu přerůstání vstupuje fekální mikroflóra, která normálně žije v tlustém střevě (E. coli nebo anaerobní buňky). tenké střevo. Kvantitativní a kvalitativní složení bakteriální mikroflóry se mění, výkon určitých funkcí se zpomaluje nebo se stává nemožným. Existují podmínky pro růst a reprodukci patogenních bakterií.
Kritériem pro rozvoj syndromu bakteriálního přerůstání může být:
Klinické projevy syndromu přemnožení bakterií jsou snadno zaměnitelné s jinými onemocněními, často se vzájemně překrývají a zcela zkreslují obraz. V takových případech je možné stanovit diagnózu pouze pomocí speciálních testů zaměřených na identifikaci syndromu přerůstání, které určují nejen počet, ale i druh bakterií. Tento přístup vám umožní vybrat potřebné léky k nápravě složení mikroflóry.
Klinické příznaky onemocnění:
K léčbě syndromu přerůstání se používají antibakteriální léky. V budoucnu budou pro obnovu mikroflóry potřeba probiotické a prebiotické přípravky.
Široká škála bakteriálních buněk (autotrofní a heterotrofní, aerobní a anaerobní, sporotvorné a nesporotvorné atd.) diktuje určité podmínky pro jejich reprodukci. Základním principem pěstování v průmyslovém měřítku je přísná kontrola podmínek prostředí a rychlosti růstu. V přírodě vzácně existují ideální prostředí pro rozvoj mikroorganismů. Jinak by bakterie již dávno zaplnily veškerý dostupný prostor.
Bakterie, stejně jako všechny živé organismy, se množí. Děje se tak nejčastěji jednoduchým příčným dělením v různých rovinách. V tomto případě se tvoří různé kombinace buněk: párové sloučeniny, jednotlivé buňky, shluky, řetězce, balíčky atd.
Některé mikroorganismy se rozmnožují sporulací (aktinomycety a houby) a pučením (kvasinky), některé mikroorganismy se rozmnožují pohlavně, ale většina z nich se rozmnožuje nepohlavně (vegetativně). Za příznivých podmínek probíhá rozmnožování mimořádnou rychlostí - každých 20-30 minut se mateřská bakteriální buňka rozdělí na dvě dceřiné buňky. Dceřiná buňka se nakonec stane buňkou mateřskou a také se dělí. Dělení bakterií tedy jde exponenciálně. Pokud by takové dělení probíhalo bez zábran, pak by za 48 hodin z jedné bakterie mohly vzniknout stovky miliard buněk a za pět dní taková masa, která by zaplnila pánve všech moří a oceánů. To se však neděje, protože na mikroorganismy působí různé faktory prostředí.
Buněčnému dělení předchází rovnoměrný nárůst celkového dusíku, RNA a bílkovin v cytoplazmě. Poté dochází k replikaci DNA (zdvojení). V dělící se buňce dochází k přerušení vodíkových vazeb mezi šroubovicemi DNA a vznikají jednoduché dceřiné šroubovice DNA (obr. 25).
Rýže. 25. Proces binárního štěpení tyčovitých prokaryot
1 - tvorba jednotlivých řetězců DNA;
2 - zdvojení (replikace) DNA;
3 - protažení buňky;
Tvorba přepážek;
4 - konec tvorby septa a tvorba konvexní buněčné stěny;
5 - buněčné dělení.
Bezprostředně po replikaci DNA začíná prodlužování buněk a tvorba příčné přepážky v důsledku dvou vrstev cytoplazmatické membrány vyčnívajících k sobě. Nejčastěji se uprostřed mateřské buňky vytvoří přepážka, v důsledku čehož jsou dceřiné buňky přibližně stejně velké. Mezi vrstvami přepážky je tvorba buněčné stěny.
Jednoduchá šroubovice DNA v nových buňkách slouží jako templát pro vytvoření druhé šroubovice, což má za následek vytvoření dvoušroubovice DNA s obnovenými vodíkovými vazbami a vytvoření nového nukleoidu.
V procesu reprodukce jedna z polovin buňky neustále zadržuje bičíky. V konečné fázi množení bakterií bičíky rostou také v druhé polovině.
Růst a rozmnožování mikroorganismů závisí na různých faktorech životního prostředí a vlastnostech druhů. Pozorování vývoje mikroorganismů kultivovaných v kapalném živném médiu v uzavřených nádržích ukazuje, že růst biomasy vyžaduje zdroj energie, přítomnost složek nezbytných pro syntézu biomasy, nepřítomnost inhibitorů v médiu, které inhibují růst buněk, a udržení nezbytné fyzikálně-chemické podmínky v médiu. Za těchto podmínek lze růst mikroorganismů podmíněně rozdělit do několika po sobě jdoucích fází nebo období (obr. 26):
Rýže. 26. Typická růstová křivka populace mikroorganismů 1 - lag fáze;
2 - fáze zrychleného růstu; 3 - fáze logaritmického (exponenciálního) růstu;
4 - fáze zpomalení růstu; 5 - fáze stacionárního růstu; 6 - fáze stárnutí a umírání.
1. lag fáze (anglicky lag - delay) - období mezi výsevem bakterií a začátkem množení. Během tohoto období se bakteriální kultura adaptuje na živné médium. Projevuje se nahromaděním optimálního množství potřebných enzymů, inaktivací některého inhibitoru přítomného v médiu, klíčením spor atd. Za příznivých podmínek se bakterie zvětšují a připravují se na dělení. Fáze zpoždění může trvat od 10 minut do několika hodin, ale v průměru je to 4-5 hodin.
2. Fáze zrychleného růstu je pozorována po fázi lag a je charakterizována zvýšením rychlosti dělení mikroorganismů a akumulací biomasy.
3. Fáze logaritmického nebo exponenciálního růstu je obdobím nejintenzivnějšího dělení bakterií. Bakterie se dělí každých 20-40 minut. Během této fáze jsou bakterie obzvláště zranitelné, což se vysvětluje vysokou citlivostí rostoucích buněk na faktory prostředí. Doba exponenciálního růstu závisí na koncentraci živin v substrátu a průměrně 5-6 hodin.
4. Fáze zpomalení je přechodné období z exponenciálního růstu do fáze stacionárního růstu. Během této fáze dochází k vyčerpání živin v substrátu a hromadění metabolických produktů v něm, což snižuje intenzitu množení mikroorganismů.
5. Stacionární růstová fáze je způsobena postupným vyčerpáním média, akumulací lytické enzymy, chemická inhibice růstu mikrobiálních buněk metabolickými produkty. Tato fáze se od předchozí liší zvýšenou odolností bakterií vůči mnoha chemickým a fyzikálním faktorům. Na začátku této fáze počet životaschopných buněk dosáhne maximální úrovně a zůstává na tomto maximu několik hodin v závislosti na typu mikroorganismů a vlastnostech jejich kultivace. Na konci této fáze dochází u některých mikroorganismů k procesu sporulace.
6. Konečná fáze reprodukčního procesu - fáze stárnutí a smrti - je charakterizována zánikem bakterií v důsledku vyčerpání živného média a hromadění metabolických produktů v něm. Autolýza mikroorganismů je pozorována jako extrémní projev buněčné nestability po zastavení růstu. Tato fáze může trvat několik hodin až několik týdnů.
Růst je nárůst počtu chemických složek mikrobiální buňky. Pro charakterizaci růstu mikroorganismů se používá pojem bakteriální hmoty, který se vyjadřuje hustotou bakterií (suchá hmotnost na 1 ml). Reprodukce mikrobů je popsána počtem bakterií, odrážejícím koncentraci buněk v 1 ml. Neexistuje žádná přísná úměrnost mezi nárůstem počtu bakterií a bakteriální hmotou. To je způsobeno skutečností, že ne všechny buňky v bakteriální populaci jsou životaschopné - některé z nich jsou mrtvé, některé jsou na různé fáze zničení. Tyto buňky se podílejí na tvorbě bakteriální hmoty a nepodílejí se na další reprodukci bakterií. Bakterie se množí přímým dělením. V tomto případě se vytvoří konstrikce nebo cytoplazmatická membrána začne růst směrem dovnitř, kolmo k podélné ose buňky, s vytvořením destičky disk-buňka.
Tato deska může být někdy neúplná a má díru ve středu, která spojuje obě sesterské buňky. Následně do buněčné desky vrůstá boční stěna, která tvoří příčnou přepážku rozdělující buněčnou desku na dvě části, z nichž každá jde do jedné z vytvořených buněk. Centrální otvor, který není oddělen příčnou přepážkou nebo destičkou, se nazývá plasmodesmos. Plazmodesmos hraje roli při spojování buněk některých bakterií do dlouhých řetězců nebo skupin. Kromě výše uvedeného může proces dělení bakteriálních buněk probíhat ligací. Počet bakteriálních buněk v procesu reprodukce roste exponenciálně. U většiny bakterií je doba generování 20 - 30 minut.
Růst a rozmnožování bakterií se projevuje různě v závislosti na kultivačních podmínkách. Na hustých živných půdách je projevem růstu a množení bakterií výskyt kolonií, což jsou vizuálně rozlišitelné shluky bakteriálních buněk. Kolonie se vyznačují souborem specifických znaků, na jejichž základě lze identifikovat čisté kultury bakterií. Mezi tyto znaky patří: velikosti (velké, střední, malé, mikroskopické); tvar (kulatý, zploštělý atd.); barva v závislosti na tvorbě pigmentů bakteriemi; povrch (konvexní, plochý, matný, lesklý atd.); povaha okrajů (hladké, drsné atd.); konzistence (homogenní, pastovitá, slizovitá atd.); průhlednost (průhledná, zakalená).
Při periodické kultivaci u bakterií je pozorována postupná změna růstových fází, která se odráží na růstové křivce (obr. 54).
Proces růstu začíná fází zpomalení růstu nebo fází zpoždění. V tomto období dochází k intenzivní metabolické aktivitě bakterií, jejímž výsledkem je příprava buňky k rychlé reprodukci. Fáze začíná zavedením bakterií do média. Jeho trvání závisí na stáří vysévané kultury (při zavádění staré kultury je delší), složení média, teplotě a dalších faktorech.
Růst bakteriální buňky. Nárůst biomasy buněčné protoplazmy, který je výsledkem syntézy plastového materiálu v procesu výživy, se nazývá růst. Mikrobi rychle rostou a během krátké doby dosáhnou hranice své fyziologické zralosti.
Buněčné dělení. Buňka, která dosáhla určitého zralého věku, se začíná dělit a v živném médiu je současně pozorován nárůst bakteriální populace kultury Ї.
Buněčnému dělení předchází vznik cytoplazmatické membrány, která se obvykle tvoří uprostřed bakteriální buňky. Během buněčného dělení dochází k replikaci DNA. V tomto případě se přeruší vodíkové vazby a vytvoří se dva řetězce (šroubovice) DNA, z nichž každý je přítomen v dceřiných buňkách. Poté jsou jednovláknové DNA spojeny vodíkovými vazbami a dvouvláknové DNA se znovu objevují s genetickou informací.
Buněčné dělení se považuje za dokončené, když jsou nově vytvořené buňky odděleny cytoplazmatickou přepážkou.
Rozmnožování - binární štěpení bakterií, rickettsie, prvoků atd. V tomto případě se tvoří dva noví jedinci, obdaření genetickou informací mateřské buňky. Tento způsob reprodukce se nazývá integrální a viry se rozmnožují disjunktivním způsobem, tj. oddělenou syntézou jejich složek. nukleová kyselina a protein v hostitelské buňce.
Bakteriální buňky se dělí rychleji počáteční fáze populační růst. V pozdějších fázích je dělení pomalejší, část mateřských buněk odumírá a v určité typy bakterie objevují různé inkluze.
V příznivých podmínkách je rychlost reprodukce bakterií velmi vysoká. Každých 15-20 minut jsou od jednoho získáni dva jedinci. Podle výpočtů některých výzkumníků, pokud mikrob vyprodukuje dva jedince za pouhou hodinu, pak za den počet mikrobiálních buněk dosáhne 16,5 milionu, což může naplnit bazény všech moří a oceánů.
Při takovém rozmnožování by mikrobiální buňky mohly pokrýt celý povrch nejen moří a oceánů, ale i kontinentů. V důsledku toho by život lidí na naší planetě byl nemožný. V reprodukci mikrobů však neexistuje absolutní zákon geometrického postupu. Jejich růst a rozmnožování jsou nepříznivě ovlivněny antagonistickými vztahy mikroorganismů, vyčerpáním živného média, nedostatkem kyslíku a hromaděním toxických odpadních produktů mikrobů. Tyto faktory brání neustálému dělení buněk.
Bayleovy dlouhodobé studie a pozorování prokázaly, že v tekutém živném médiu v určitém objemu dochází k maximálnímu rozvoji buněk s limitujícím počtem. Během 24 hodin za stejných podmínek se stanoví koncentrace buněk v 1 ml kapalného média: pro E. coli a paratyfové bakterie B - 1,5 miliardy, bakterie Grigorjevovy úplavice - Shiga a stafylokoky - 300 miliard, bacilus tyfu - 800 miliard Uvedené číselné vyjádření je přijato jako M-k koncentrace (M maximum) mikrobů. Za normálních podmínek růstu je M-kocentrace buněk limitem mikrobiální akumulace. Je zajímavé poznamenat, že pokud je do čerstvého živného média naočkováno takové množství mikrobů, které se rovná M-koncentraci, pak se počet buněk nezvyšuje, a pokud počet kultivovaných mikrobů převyšuje M-koncentraci, je třeba poznamenat, že pokud počet mikrobů překročí M-koncentraci, dojde k nárůstu počtu mikrobů. ti navíc zemřou.
Rozmnožování bakterií v populaci. Pro pochopení vzorců reprodukce mikrobů v populaci jsou studovány čisté kultury. Mikroby v přirozených a umělých podmínkách se však nacházejí ve sdruženích. Bakteriální populace je soubor bakterií, které se množí v určitém objemu kapalného média ve zkumavce, baňce atd. Při nepřetržitém růstu bakterií na povrchu hustého živného média ve zkumavce se souhrn všech buněk v něm se považuje za jedinou populaci. V případě růstu izolovaných kolonií lze každou z nich považovat za samostatnou populaci, protože spolu nekomunikují.
Když mikroby rostou na hustých živných médiích, odhalují se určité rysy jejich růstu, tj. objevují se kolonie představující potomky jedné nebo více buněk. Vzhled kolonie, jejich tvar, barva, průhlednost, velikost a další vlastnosti jsou charakteristické znaky pro každý typ bakterií. Řada bakteriálních druhů, které mají bičíky na agaru, poskytuje souvislý růst pokrývající celý povrch misky (Proteus vulgaris). Sporogenní druhy se liší povahou kolonií, tvoří neprůhledné kolonie s matným povrchem.
Růst bakteriálních buněk v tekutých živných médiích se vyznačuje rovnoměrností, což není případ hustých živných médií. I u této metody však lze pozorovat některé rysy bakteriálního růstu. Druhy, které tvoří suché kolonie na hustých médiích, poskytují různé sedimenty v čistém bujónu. Druhy, které tvoří měkké a vlhké kolonie, obecně poskytují homogenní růst a rovnoměrně narušují živné médium.
Pro kulturu rostoucí v kapalném médiu má velký význam provzdušňování. Je známo, že ve zkumavkách nebo baňkách přicházejí do styku s atmosférickým vzduchem pouze horní vrstvy kapaliny, a proto se na povrchu hromadí některé obligátní aeroby, například Mycobacterium tuberculosis, Vibrio cholerae atd. vytváří jemný film.
Fáze růstu bakteriální populace. V roce 1918 Buchanan, který studoval charakteristiky bakteriální reprodukce, navrhl křivku udávající počet buněk v každém časovém období. Dynamika množení bakterií je charakterizována následujícími fázemi, označenými římskými číslicemi.
V počáteční fázi (segment I) se bakterie adaptují na nové životní podmínky od okamžiku, kdy jsou zasety na živnou půdu. V této fázi se bakterie nemnoží. Doba trvání počáteční fáze je 1-2 hodiny.
Počáteční fáze reprodukce (sekce II) je charakterizována zvýšenými metabolickými procesy, rychlostí růstu a dělením buněk. Růst bakterií je však pomalý. Délka této fáze je 2 hodiny.
V logaritmické fázi (segment III) je pozorován zrychlený růst a dělení buněk. V této fázi maximální reprodukce se vytvářejí morfologické, kulturní, biochemické, antigenní a virulentní vlastnosti typické pro každý bakteriální druh. Doba trvání fáze je 5-6 hodin.
Fáze zpomalení (segment IV) nastává po aktivním růstu a reprodukci bakteriálních buněk. Do této doby se podmínky v prostředí mění; hromadí se jedovaté produkty látkové výměny, snižuje se přísun živin, pH média nevyhovuje individuálním potřebám jednotlivých mikrobů, dochází ke spotřebě akceptorů vodíku, zpomaluje se uvolňování energie a rychlost dělení buněk, zkracuje se generační doba počet odumírajících buněk se zvyšuje. Délka fáze je 2 hodiny.
Stacionární fáze (segment V) je charakterizována konstantní koncentrací živých buněk v živném médiu. Mírné množení buněk nevede ke zvýšení mikrobiální hmoty. V této fázi je nastolena rovnováha mezi počtem odumírajících a vznikajících buněk. Doba trvání fáze Ї je 2 hodiny.
Fáze akcelerace smrti (segment VI) je charakterizována nerovnováhou mezi reprodukcí a zrychlenou buněčnou smrtí. Tato fáze trvá 4-5 hodin.
Ve fázi logaritmické smrti (segment VII) dochází k masivní buněčné smrti konstantní rychlostí. Délka fáze je cca 5 hodin.
Fáze snižování úmrtnosti (segment VIII) je charakterizována tím, že přežívající bakterie přecházejí do klidového stavu.
Fáze množení bakterií v čase závisí na druhu bakterií, kvalitě živného média, jeho koncentraci, teplotě a provzdušňování. Proto je doba trvání každé fáze uvedena přibližně. Za optimálních podmínek dochází u řady jedinců k buněčnému dělení v jiný čas, např. Escherichia coli se dělí po 15-20 minutách, břišní tyfus - 20-25 minut, streptokoky - 25-30 minut, Mycobacterium tuberculosis - 18 - 20 hodin.
Trvání fáze buněčné smrti souvisí s druhovými charakteristikami bakterií. Doba úmrtí pneumokoka trvá 2
3 dny a E. coli Ї měsíců. Ve fázi umírání se buňky slabě barví a některé z nich nevnímají barviva. Kromě toho se mění formy bakterií, jejich biochemická aktivita a antigenní vlastnosti.
Termín "růst" při aplikaci na mikroorganismy znamená zvětšení velikosti jedince a "reprodukce" - zvýšení počtu jedinců v populaci. S růstem mikrobiální buňky se její objem zvětšuje mnohem rychleji než povrch, takže distribuce živin v cytoplazmě buňky se stává méně efektivní a buňka se dělí. Před rozdělením jsou molekuly DNA duplikovány. Každá dceřiná buňka obdrží kopii mateřské DNA.
Rychlost reprodukce různých mikrobů pěstovaných za stejných podmínek je různá. Pro většinu bakterií může generační perioda (uplynulý čas) rhoorganismy využívat širokou škálu oxidovatelných organických sloučenin, nejčastěji glukózy, z nichž je energie získávána v důsledku jejich oxidace, přesněji řečeno darováním elektronů jimi .
Souhrn biochemických procesů, v jejichž důsledku se uvolňuje energie nezbytná pro život buňky, se nazývá dýchání nebo biologická oxidace. Ve vztahu k mikroorganismům se hovoří o anaerobním a aerobním typu dýchání.
Mezi dvěma po sobě jdoucími buněčnými děleními) je v průměru 15-30 minut; například pro Escherichia coli - 15-17 minut, původce břišního tyfu - 23 minut, korynebakterie difterie - 34 minut. Mycobacterium tuberculosis se dělí pomaleji - jednou za 18 hodin, spirochéty - za 10 hodin.
Způsoby rozmnožování u různých skupin mikroorganismů nejsou stejné: bakterie, rickettsie, spirochety se rozmnožují příčným dělením na dva rovnocenné jedince. Gram-pozitivní bakterie se dělí vytvořením přepážky, která roste z periferie do středu. U Mycobacterium tuberculosis se uvnitř buňky vytvoří příčná přepážka, poté se rozdělí na dvě vrstvy a buňka se rozdělí na dvě části.Jak cytoplazmatická membrána, tak buněčná stěna. Zdá se, že mezozom, který je úzce spojen s cytoplazmatickou membránou, se aktivně účastní procesu dělení bakterií. Gramnegativní bakterie a rickettsie se ve středu ztenčují a rozdělují se zúžením na dva jedince. K rozmnožování nodulových bakterií a fraiciselly dochází vytvořením ledviny, která je co do velikosti menší než původní buňka. U bakterií také dochází k procesu konjugace – dočasného spojení dvou jedinců.
Růst bakterií a spirochet není vždy doprovázen jejich dělením. Žlučové soli, mýdla, penicilin, ultrafialové paprsky zpomalují buněčné dělení, což má za následek tvorbu dlouhých vláken mnohem větších než původní buňky.
Při zavedení bakterií do živného média se rozlišují fáze jejich růstu a rozmnožování, které jsou dány dostupností dostupných zdrojů potravy a akumulací toxických metabolických produktů (obr. 21).
První fáze – latentní (lag fáze) – odpovídá adaptaci bakterií na nové podmínky existence. Během tohoto období se bakterie adaptují na živné médium, jejich růst není pozorován.
Druhou fází je logaritmický růst (exponenciální), kdy bakterie prudce rostou, zvětšují se a po dosažení určité velikosti se začnou dělit na dvě dceřiné buňky. K dělení během tohoto období dochází konstantní rychlostí. Průměrná doba generování (nebo zdvojnásobení) pro každý typ bakterií je odlišná. V této době bakterie extrahují živiny z média, v důsledku čehož se v něm začnou hromadit produkty metabolismu.
Třetí fází je stacionární růst, během kterého zůstává počet organismů v kultuře po celou dobu konstantní. V tomto období výrazně klesá množství živin v živném médiu, zvyšuje se akumulace metabolických produktů. Životní podmínky pro mikroorganismy jsou stále méně příznivé. Doba trvání stacionární fáze je u různých bakterií různá.
Čtvrtou fází je smrt, kdy se bakteriální buňky zmenšují a umírají. Na konci této fáze začíná převažovat počet umírajících bakterií nad počtem životaschopných buněk. K úplné smrti mikrobů v kultuře může dojít během několika týdnů nebo měsíců, v závislosti na typu mikroba, reakci prostředí a dalších faktorech.
Nejjednodušší se může rozmnožovat příčným dělením, zúžením na dva rovnocenné jedince – améba a podélné dělení – trypanozomy, giardie, balantidie. Před rozdělením na dva jedince si balantidia může vyměňovat svá jádra - mikrojádra (proces konjugace), malarické plazmodium má asexuální a pohlavní vývojový cyklus.
Viry se rozmnožují (rozmnožují) pouze uvnitř živé buňky hostitelského organismu.
Proces reprodukce viru se skládá z několika fází:
1) pronikání viru do buňky;
2) intracelulární reprodukce;
3) dozrávání viru a tvorba vnějších obalů u některých virů; 4) izolace viru z buňky.
Proces pronikání viru do citlivé buňky začíná jeho adsorpcí na buněčný povrch, který má specifické virové receptory. Proces uvolňování nukleové kyseliny z kapsidy a vnějších obalů začíná již v cytoplazmatické membráně buňky a končí v cytoplazmě (virus chřipky, vakcínie).
Fáze intracelulární reprodukce viru, respektive jeho reprodukce, obvykle začíná supresí buněčné makromolekulární syntézy. Všechno energetické systémy buňky, jeho enzymy, RNA, ribozomy začnou pracovat na reprodukci viru. Postižená buňka dodává viru nukleotidy pro stavbu nukleových kyselin, aminokyseliny pro proteiny. Replikace (anglicky replicate - copy, repeat) virové RNA se provádí pomocí enzymů - polymeráz a jako matrice slouží samotná molekula RNA viru. U virů obsahujících DNA se na templátu DNA v buněčném jádře syntetizuje specifická RNA, která pak určuje syntézu virové DNA a proteinu. Virové proteiny jsou syntetizovány v ribozomech buňky.
Ke zrání virové částice, uzavření virové nukleové kyseliny v kapsidě dochází v jádře postižené buňky (herpesviry, adenoviry) nebo v cytoplazmě (viry skupiny variol, rhabdoviry, pikornaviry). K tvorbě vnějších obalů u myxovirů, togavirů dochází při průchodu cytoplazmatickou membránou hostitelské buňky. Herpes virus přijímá část svého vnějšího obalu průchodem přes membránu buněčného jádra.
Izolace viru z buňky může probíhat různými způsoby. Myxoviry a togaviry, jak dozrávají, mohou být buňkou vylučovány celé hodiny, aniž by ji poškodily. Virus dětské obrny (který nemá vnější obal) se v buňce tvoří rychle, zůstává v ní dlouho a uvolňuje se okamžitě, ve formě záblesku. Konečným výsledkem interakce mezi virem a hostitelskou buňkou může být rychlá destrukce a smrt buňky. Někdy mohou být viry přítomny v buňce po dlouhou dobu, aniž by způsobily její smrt, a zůstávají v nekonečném počtu buněčných generací – latentní viry. V některých případech může být virus zničen buňkou bez viditelných následků (abortivní virová infekce).
Termín "růst" znamená zvýšení cytoplazmatické hmoty jednotlivé buňky nebo skupiny bakterií jako výsledek syntézy buněčného materiálu (např. proteinu, RNA, DNA). Po dosažení určité velikosti buňka přestane růst a začne se množit.
Reprodukcí mikrobů se rozumí jejich schopnost sebereprodukce, zvýšení počtu jedinců na jednotku objemu. Jinak můžeme říci: reprodukce je nárůst počtu jedinců mikrobiální populace.
Bakterie se množí převážně jednoduchým příčným štěpením ( vegetativní rozmnožování), který se vyskytuje v různých rovinách, s tvorbou různorodých kombinací buněk (kartáč hroznů - stafylokoky, řetězce - streptokoky, párová spojení - diplokoky, balíky, balíčky - sarciny atd.). Proces dělení se skládá z několika po sobě jdoucích fází. První fáze začíná vytvořením příčné přepážky ve střední části buňky (obr. 6), která se zpočátku skládá z cytoplazmatické membrány, která rozděluje cytoplazmu mateřské buňky na dvě dceřiné buňky. Paralelně s tím se syntetizuje buněčná stěna, která tvoří plnohodnotný předěl mezi dvěma dceřinými buňkami. V procesu dělení bakterií je důležitou podmínkou replikace (zdvojení) DNA, kterou provádějí enzymy DNA polymerázy. Když je DNA duplikována, vodíkové vazby se přeruší a vytvoří se dva řetězce DNA, z nichž každý je umístěn v dceřiných buňkách. Dále dceřiná jednovláknová DNA obnovuje vodíkové vazby a opět tvoří dvouvláknovou DNA.
K replikaci DNA a buněčnému dělení dochází určitou rychlostí vlastní každému typu mikrobu, která závisí na stáří kultury a povaze živného média. Například rychlost růstu Escherichia coli se pohybuje od 16 do 20 minut; Mycobacterium tuberculosis se dělí až po 18-20 hodinách; kultivace buňky savčí tkáňové kultury trvá 24 hodin. V důsledku toho se bakterie většiny druhů reprodukují téměř 100krát rychleji než buňky tkáňové kultury.
Typy dělení bakteriálních buněk. 1. Buněčné dělení předchází dělení, což vede ke vzniku „mnohobuněčných“ tyčinek a koků. 2. Synchronní buněčné dělení, při kterém je dělení a dělení nukleoidu doprovázeno tvorbou jednobuněčných organismů. 3. Dělení nukleoidů předchází dělení buněk, což způsobuje vznik multinukleoidních bakterií.
K separaci bakterií dochází zase třemi způsoby: 1) porušením dělení, kdy dvě jednotlivé buňky, opakovaně se lámající v místě spojení, přeruší cytoplazmatický můstek a vzájemně se odpuzují, čímž vznikají řetězce (bacily antraxu); 2) posuvná separace, při které se po buněčném dělení buňky oddělí a jedna z nich klouže po povrchu druhé (oddělené formy Escherichia); 3) sečnová separace, kdy jedna z dělených buněk opisuje svým volným koncem kruhový oblouk, jehož střed je bodem jeho kontaktu s další buňkou, tvořící římskou pětici neboli klínové písmo (corynebacterium diphtheria, l hysteria).
Fáze vývoje bakteriální populace. Teoreticky se předpokládá, že pokud jsou bakteriím poskytnuty podmínky pro nepřetržitý příliv a progresivní nárůst hmoty čerstvého živného média a odtok vylučovacích produktů, pak se reprodukce zvýší logaritmicky a smrt aritmeticky.
Obecný vzorec růstu a reprodukce bakteriální populace je obvykle znázorněn graficky ve formě křivky, která odráží závislost logaritmu počtu živých buněk na čase. Typická růstová křivka má tvar S a umožňuje rozlišit mezi několika růstovými fázemi, které po sobě následují v určitém pořadí:
1. Počáteční (stacionární, latentní nebo klidová fáze). Představuje čas od okamžiku výsevu bakterií na živnou půdu do jejich růstu. V této fázi se počet živých bakterií nezvyšuje, ba může dokonce klesat. Doba trvání počáteční fáze je 1-2 hodiny.
2. Fáze zpoždění reprodukce. Během této fáze bakteriální buňky intenzivně rostou, ale množí se slabě. Doba trvání této fáze trvá asi 2 hodiny a závisí na řadě podmínek: stáří kultury (mladé kultury se adaptují rychleji než staré); biologické vlastnosti mikrobiálních buněk (bakterie střevní skupiny se vyznačují krátkou dobou adaptace, pro Mycobacterium tuberculosis - dlouhou); užitečnost živného média, teplota růstu, koncentrace CO2, pH, stupeň provzdušnění média, redoxní potenciál atd. Obě fáze jsou často kombinovány s pojmem „lag-phase“ (angl. lag - lag, delay).
3. Logaritmická fáze. V této fázi je rychlost reprodukce buněk a nárůst bakteriální populace maximální. Generační období (lat. generatio - narození, rozmnožování), tedy doba, která uplynula mezi dvěma po sobě jdoucími děleními bakterií, bude v této fázi pro daný druh konstantní a počet bakterií se začne exponenciálně zdvojnásobovat. To znamená, že na konci první generace z jedné buňky vzniknou dvě buňky, na konci druhé generace se obě bakterie rozdělí a vytvoří čtyři, z výsledných čtyř osm atd. Proto po n generacích počet buněk v kultuře bude 2n. Délka logaritmické fáze je 5-6 hodin.
4. Fáze záporného zrychlení. Rychlost rozmnožování bakterií přestává být maximální, snižuje se počet dělicích se jedinců a zvyšuje se počet mrtvých (doba trvání je asi 2 hodiny). Jeden z možné příčiny, zpomalení množení bakterií - vyčerpání živného média, tedy mizení z něj látek specifických pro daný bakteriální druh.
5. Stacionární fáze maxima. V něm se počet nových bakterií téměř rovná počtu mrtvých, tj. nastává rovnováha mezi mrtvými buňkami a nově vzniklými. Tato fáze trvá 2 hodiny.
6. Zrychlení fáze smrti. Vyznačuje se progresivní převahou počtu mrtvých buněk nad počtem nově narozených. Trvá to asi 3 hodiny.
7. Fáze logaritmické smrti. Buněčná smrt nastává konstantní rychlostí (trvá asi 5 hodin).
8. Fáze poklesu úmrtnosti. Buňky, které zůstanou naživu, přejdou do stavu klidu.
