А) Питание
Используют питательные вещества только в относительно небольших молекул, проникающих внутрь клетки. Такой способ питания, характерный для всех организмов растительного происхождения, называют голофитным. Сложные органические вещества (белок, полисахариды, клетчатка и т.д.) могут служить источником питания и энергии только после их предварительного гидролиза до более простых соединений, растворимых в воде либо в липоидах. Способность различных соединений проникать в цитоплазму в клетку зависит от проницаемости цитоплазматической мембраны и химической структуры питательного вещества.
Вещества, которые служат источником питания бактерии поразительно разнообразны. Важнейшим элементом, необходимым для живых организмов, является углерод. Одни виды бактерий (аутотрофы) могут использовать неорганический углерод из углекислоты и ее солей, другие (гетеротрофы) только из органических соединений. Подавляющее большинство бактерий, относятся к гетеротрофам. Для усвоения углерода требуется посторонний источник энергии. Немногочисленные виды бактерий, обладающие фотосинтетическими пигментами, используют энергию солнечного света. Эти бактерии называются фотосинтезирующими. Среди них имеются аутотрофы (зеленые и пурпурные серобактерии) и гетеротрофы (несерные пурпурные бактерии) их называют также, соответственно, фотолитотрофами и фотоорганотрофами. Большинство же бактерий используют энергию химических реакций и называются хемосинтезирующими. Хемосинтезирующие аутотрофы называются хемолитотрофами, а гетеротрофы – хемоорганотрофами.
Гетеротрофные бактерии усваивают углерод усваивают углерод из органических соединений различной химической природы, легко усваивают вещества, содержащие ненасыщенные связи или атомы углерода с частично окисленными валентностями. В связи с этим наиболее доступными источниками углерода, являются сахара, многоатомные спирты и др. некоторые гетеротрофы наряду с усвоением органического углерода могут усваивать и неорганический углерод.
Отношение бактерий к источникам азота также различно. Существуют бактерии, усваивающие минеральный и даже атмосферный азот. Другие бактерии неспособны синтезировать белковые молекулы или некоторые аминокислоты из простейших соединений азота. В этой группе имеются формы, использующие азот из отдельных аминокислот, из пептонов, сложных белковых веществ и из минеральных источников азота с добавлением несинтезируемых ими аминокислот. К этой группе принадлежат многие виды патогенных бактерий.
Кроме источников азота и углерода, бактерии нуждаются в фосфоре, сере, калии, магнии, железе, микроэлементах, а также в дополнительных факторах роста.
З. б) размножение
Бактериальная клетка начинает делится после завершения последовательных реакций, связанных с воспроизведением ее компонентов.
У быстро растущих культур имеется несколько репликационных точек. Процесс репликации ДНК сопровождается сегрегацией синтезирующих цепей ДНК клетки. В разделении нитей ДНК большую роль играют мезосомы клетки.
Во время деления рост клетки замедляется и начинается вновб после деления.
Окончание репликации ДНК является моментом, инициирующим деление клетки. Угнетение синтеза до окончания репликации приводит к нарушению процесса деления: клетка перестает делится и растет в длину. На примере E. Coliпоказано, что для начала деления требуется наличие термолабильного белка и такое состояние между отдельными полиаминами в клетке, при котором количество путресцина должно превышать количество спермидина. Имеются данные о значении фосфолипидов и аутолизинов для процесса деления клеток.
Механизм воспроизведения мезосом, как и мембранного аппарата клетки, еще не ясен. Предполагают, что при росте бактериальной клетки мезосомы постепенно разделяются.
При росте бактериальной клетки клеточная перегородка формируется рядом с мезосомой. Образование перегородки приводит к делению клетки. Вновь образованные дочерние клетки отделяются друг от друга. У некоторых бактерий образование перегородки не приводит к разделению клеток: образуются многокамерные клетки.
Получен ряд мутантов у E. Coli, у которых клеточная перегородка образуется либо в необычном месте, либо на ряду с перегородкой с обычной локализацией формируется добавочная перегородка близко от полюса клетки, так и маленькие клетки (мини-клетки) размером 0,3-0,5мкм. Мини-клетки лишены, как правило, ДНК, так как при делении родительской клетки Нуклеоид не попадает в них. В связи с отсутствием ДНК мини-клетки используются в генетике бактерий для изучения выражения функции генов у внехромосомных факторов наследственности и других вопросов. После посева клеток в свежую питательную среду некоторое время бактерии не размножаются – эту фазу называют начальной стационарной или лаг-фазой. Лаг-фаза переходит в фазу положительного ускорения. В этой фазе начинается деление бактерии. Когда скорость роста клеток всей популяции достигает постоянной величины начинается логарифмическая фаза размножения. Логарифмическая фаза сменяется фазой отрицательного ускорения, затем наступает стационарная фаза. Количество жизнеспособных клеток в этой фазе постоянно. Затем следует фаза отмирания популяции. Влияют: вид культуры бактерии, возрастной состав культуры, состав питательной среды, температура выращивания, аэрация и др.
Не смотря 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.
В) Спорообразование
Бактерии рода Bacillis Clostnidiumи PesuifotomaCulumтак же как и отдельные виды кокки и спириллы способны образовать споры (эндеспоры) – тельца сферической или устойчивые к воздействию неблагоприятных факторов. Споры четко преломляют споры и четко видны в световом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако в последнее время у отдельных видов Clostnidium обнаружены клетки с двумя и более спорами. Обычно спорообразование начинается когда бактерия испытывает недостаток питательных веществ или когда в среде в большом количестве накапливаются продукты обмена веществ бактерий. Поэтому споры можно рассматривать как приспособление организма для выживания в неблагоприятных условиях среды.
Формирование спор зависит от условии роста. Споры могут оставаться живыми в условиях, когда вегетативные клетки, то есть клетки не образовавшие споры погибают. Большинство спор хорошо переносят высушивание, многие споры нельзя убить даже кипячением в течении нескольких часов. Для их уничтожения требуется температура пара 120 при давлении его 1атм (1,01*10 Па). При этих условиях споры погибают через 20 минут. В сухом состоянии они погибают лиши при сильном нагревании (до 150-160) в течении нескольких часов. Споры отдельных видов бактерий отличаются особенной термоустойчивостью. Общая схема спорообразования может быть представлена в следующем виде. В результате неравномерного деления бактериальной клетки, сопровождающееся впячиванием цитоплазматической мембраны, наблюдается обособление части нуклеоида с небольшой частью цитоплазмы. Образовавшаяся проспора затем покрывается цитоплазматической мембраной бактериальной клетки.
Таким образом внутри клетки возникает новая клетка-спора, окруженная двумя мембранами. Затем между мембранами образуется кортикальный слой или кортекс, состоящий из особых молекул пептидогликана.
Дальнейшее развитие споры заключается в образовании нескольких слоев споровых покрытий и ее созревании. Споровые покровы синтезируются в основном из вновь синтезированных особых белков, а также липидов и гликолипидов. Электронномикроскопическое изучение ультратоных срезов многих бактерий показало, что поверх покровов споры образуется еще одна структура – экзеспориум, часто состоящий из ряда слоев и имеющий подчас разнообразную «лепную» форму. Диаметр споры приблизительно равен диаметру клетки, которая при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки. У других спора образуется в центре клетки и последняя либо не меняет формы (род Bacillis), либо расширяется в середине, принимая вид веретена (род Clostnidium).
После созревания споры клеточная стенка вегетативной части клетки разрушается и спора выходит в окружающую среду. При попадании в благоприятные условия спора начинает прорастать.
Прорастанию предшествует поглощение спорой воды и последующее набухание. Затем оболочка, под влиянием давления, вызванного ростом, разрывается, возникает ростовая трубка. В дальнейшем происходит удлинение освободившегося бактериального организма и, наконец, деление уже удлиненной клетки.
Споры бактерий могут длительное время (десятки, сотни и даже тысячи лет) существовать в покоящемся состоянии.
