Види розподілу бактерій і фактори обмеження росту популяції

Зміст

  • Бінарний поділ – основний спосіб розмноження
  • Механізм реплікації бактеріальної ДНК
  • Розмноження грамнегативнихбактерій
  • Розмноження грампозитивних бактерій
  • Множинне розподіл ціанобактерій
  • Брунькування як окремий випадок бінарного поділу
  • Фактори, що обмежують поділ

Однією з функцій життєдіяльності прокариотов, як і будь-яких інших живих істот, є розмноження. За своєю суттю, процес розмноження бактерій можна охарактеризувати як зростання числа особин, що відбувається завдяки поділу бактерій.

Сучасна мікробіологія описала схеми мітозу, мейозу і амітозу – так діляться еукаріоти, а прокаріоти розмножуються прямим поділом.

Бінарне поділ – основний спосіб розмноження
Прокаріоти розмножуються переважно шляхом поділу материнської бактеріальної клітини на 2 ідентичні дочірні. При сприятливих умовах бінарне розподіл відбувається кожні 20 хвилин, а у разі погіршення умов навколишнього середовища час, необхідний клітці для зростання і ділення, збільшується. У разі несприятливих зовнішніх умов прокаріоти припиняють розмноження на час або зовсім.

Безпосередньо самому процесу поділу клітини навпіл передує період росту цитоплазми і реплікації (подвоєння) хромосоми бактерії, як на фото.

Схема реплікації бактеріальної хромосоми
Реплікації кільцевої бактерійної хромосоми

Збільшення клітинних розмірів відбувається внаслідок цілого ряду скоординованих процесів біосинтезу, які жорстко контролюються. Процес зростання бактерії не нескінченний – по досягненню прокаріоти заданих критичних розмірів відбувається розподіл.

Механізм реплікації бактеріальної ДНК
При подвоєнні ДНК нуклеоида (аналог ядра в бактеріальної клітці) реалізується наступна схема:

ініціація – початок ділення ДНК під дією реплікону (ферментативного апарату, ділянки ДНК, що містить інформацію про дублювання);
елонгація – подовження, зростання хромосомної ланцюга;
термінация – завершення росту ланцюга і спирализация ДНК при реплікації.
Паралельно з реплікацією ДНК відбувається зростання самої клітини, і відстань між прикріпленими допомогою мезосом до цитоплазматичної мембрані двома новими хромосомами поступово збільшується. Прокаріотів клітина починає ділитися через деякий час після реплікації. Очевидно, саме дублювання ДНК запускає процес поділу.

Подібний процес відсутній для мейозу еукаріотів. Процес мейозу в чому відрізняється від розмноження прокаріотів. Крім того, поділ материнської клітини на дві частини для грампозитивних і грамнегативних бактерій має свої особливості.

Розмноження грамнегативнихбактерій
Грамнегативнібактерії мають порівняно тонку клітинну стінку, на якій приблизно по центру розташована кільцева органела – септального кільце. Поділ бактерій відбувається шляхом скорочення органели і формування перетяжки між дочірніми клітинами, що видно на фото.

Схема поділу клітини прокаріотів

Септального кільце являє собою складний білковий комплекс, куди входить більше 12 різних білків. Воно формується шляхом послідовного приєднання білків один до одного в строгій послідовності.

Білки септального кільця виконують такі функції, необхідні для розмноження:

моделюють приєднання філаментів (білків кільця) в певній послідовності до Z-кільцю (незріла форма кільцевої органели);
забезпечують прив’язку Z-кільця до мембрани;
координують формування кільцевої органели з сегрегацією (роз’єднанням) хромосоми;
синтезують пептидогликан – найбільш значимий компонент бактеріальної клітинної стінки, який здійснює осмотичну захист;
здійснюють гідроліз пептидогликана для розділення нових клітин.
Перетяжка у грамнегативних бактерій охоплює всі оболонки клітини – цитоплазматичну (внутрішню) і зовнішню мембрани, а також пов’язаний з ними ліпопротеїдів тонкий шар пептидоглікану.

Під час мейозу еукаріотів подібний метод поділу клітини перетяжкою не зустрічається.

Розмноження грампозитивних бактерій
Товщина стінки грамположительной бактерії більш ніж у два рази перевищує товщину стінки у бактерій грамнегативних.

Процес розмноження грамположительной бактерії не має подібності з мітозів і відрізняється від мейозу еукаріотів. По закінченні процесу реплікації ДНК грампозитивні бактерії не створюють перетяжку, а синтезують поперечну перегородку, як на фото. У процесі синтезу, як і у грамнегативних бактерій при утворенні перетяжки, беруть участь мезосоми, формуючи перегородку від краю до центру клітинної структури.

Схема поділу грампозитивних бактерій

Поперечний бінарне поділ бактеріальної клітини прокаріотів завжди поздовжньо і поперечно симетрично, що є ще однією відмінністю процесу від мейозу клітинної структури еукаріотів.
При сприятливих умовах пряме бінарне поділ бактеріальних клітин може здійснюватися як однією, так і в декількох площинах, що неможливо для мейозу. У випадку, коли клітини після поділу не розходяться, відбувається утворення різних за формою об’єднань:

при перетині клітини в одній площині формуються ланцюжка кулястих або паличкових клітин (сферичні диплококки, ланцюжок паличковидних бактерій, як на фото);
при поділі в різних площинах спостерігаються клітинні скупчення різноманітних форм (ланцюжки стрептококів, пакети сарцин, грона стафілококів).
Різноманітність форм прокаріотів, яке видно на фото, абсолютно не реалізовується для мейозу ядерних клітин.

Подібне поперечне поділ характерно не тільки для грампозитивних бактерій, але й для нитчастих ціанобактерій.

Множинне розподіл ціанобактерій
Одним з різновидів бінарного розмноження прокаріотів є множинне утворення дочірніх прокариотов з материнської клітини, типове для ціанобактерій, і абсолютно не характерне для мейозу.

Цикли розвитку деяких ціанобактерій
А – розмноження ціанобактерій роду Dermocarpa
Б – розмноження ціанобактерій роду Chroococcidiopsis

Спочатку відбувається зростання цитоплазми і реплікація хромосоми. Потім, як видно на відео, всередині додаткового фибриллярного шару материнського організму здійснюються послідовні бінарні ділення, які призводять до утворення баеоцітов (маленьких клітин). Їх число може коливатися від 4 до 1000 одиниць і пов’язано з видом ціанобактерії. Вивільняються баеоціти після розриву стінки материнського прокаріоти, що видно на відео.

Крім рівновеликого поділу, деякі бактерії розмножуються брунькуванням.

Брунькування як окремий випадок бінарного поділу
Способи поділу у прокаріотів
А – розмноження шляхом утворення поперечної перегородки; Б – шляхом перетяжки; В – брунькування; Г – множинне розподіл.

У фото- і хемотрофов, незалежно від джерела їжі (автотрофи або гетеротрофи), виявляється можливість розмноження організму брунькуванням.

Механізм процесу виглядає наступним чином:

на полюсі материнської клітини формується нирка;
відбувається зростання нирки до розмірів материнського організму (це видно на фото), причому для нирки синтезується нова клітинна стінка;
повноцінна дочірня клітина відділяється від материнської.
Якщо процес бінарного розподілу не має обмежень, як у випадку мейозу

для еукаріотів, то брунькування залежить від факту старіння прокаріотів. У середньому материнська клітина відокремлює не більше 4 нирок.

Брунькування має свої специфічні особливості:

зберігається тільки поздовжня симетрія (добре видно на фото);
після брунькування виходять материнська і дочірня клітини, тоді як після бінарного розподілу материнської клітини немає – є дві рівноцінні дочірні;
материнський і дочірній організми не ідентичні, відмінності між ними добре видно – спостерігається процес старіння.
При сприятливих фізико-хімічних умовах прокаріоти здатні ділитися в геометричній прогресії і заполонити собою весь світ. Однак на ділі такого не відбувається, так як існують фактори, які стримують бактеріальне поділ.

Фактори, що обмежують поділ
При всьому видовому розмаїтті і пристосованості бактерії не розмножуються нескінченно. Дослідження показало, що зростання популяції бактерій відбувається у згоді з законом розмноження мікроорганізмів і піддається числовому і графічному опису.

Зростання популяції, пов’язаний з розподілом бактерій, складається з декількох фаз:

лаг-фаза – період адаптації, коли потрібен час для пристосування до нових умов проживання, поділ не має високого значення;
логарифмічна фаза – період з найбільшою кількістю поділок і ростом популяції;
стаціонарна фаза – час, коли зростання колонії бактерій прагне до нуля, поділ бактерій зрівнюється з кількістю загиблих через обмеженість харчових ресурсів;
уповільнення зростання – відбувається через значне скорочення харчових ресурсів та накопичення токсичних продуктів життєдіяльності.
Несприятливі умови провокують припинення ділення бактерій і, як наслідок, неминучу загибель популяції.

Посилання на основну публікацію