С какой скоростью размножаются бактерии?

Расчеты показали, что кишечная палочка воспроизводится практически так быстро, как это ей позволяет второй закон термодинамики. С какой же скоростью размножается бактерия E. coli, а главное, как эти бактерии разможнаются?
С какой скоростью размножаются бактерии?
Соцсети

Многие знают, что бактерии – крохотные существа, не доступные глазу. Быть может, вы даже знаете, что они размножаются делением. На самом же деле эти существа, состоящие из одной клетки, куда более интересные и, самое главное, важные. Разберемся, чем бактерии необычны и как они размножаются.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Что представляют собой бактерии

Бактерии – прокариотические организмы, в основном одноклеточные. У них отсутствует ядро, но присутствуют молекулы ДНК. Бактерии могут быть разной формы: круглой, овальной, булавовидной. Интересно еще то, что они могут образовывать своеобразные колонии, сбиваясь в группы.

Обычно бактерии состоят из большой молекулы ДНК, которые отличаются у каждого вида, и других мелких молекул. В составе также может быть клеточная мембрана, клеточная стенка, жгутики и реснички.

Бактерии – низшая и простейшая форма жизни. Они встречаются на всей планете, поэтому являются доминирующими существами. Именно бактерии были первым живым существом на планете.

Бактерии ответственны за появление инфекционных заболеваний. При этом они играют важную роль на всех стадиях круговорота питательных веществ. Бактерии могут находиться в паразитических и симбиотических отношениях с растениями и животными. Множество бактерий до сих пор не изучены, и лишь малая их часть может быть искусственно выведена в лаборатории.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Одни из самых опасных представителей бактерий — патогены, с размножением которых в организме борется иммунная система
Одни из самых опасных представителей бактерий — патогены, с размножением которых в организме борется иммунная система
Freepik
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Люди и животные являются носителями бактерий. Они могут находиться в любом месте организма: от кожи до кишечника. Но большинство бактерий безвредны, за что мы во многом должны быть благодарны иммунной системе. Есть, однако, и опасные бактерии: холера, сифилис, сибирская язва, столбняк, бубонная чума и другие. Самыми распространенными заболеваниями из-за бактерий являются респираторные инфекции.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Бактерии используются для очистки сточных вод, ликвидации разлива нефти, при производстве сыров и йогуртов, извлечении золота, палладия и многих других металлов. Они удобряют почву и даже способствуют лучшему усвоению питательных веществ и витаминов. Поэтому бактерии могут быть как очень полезны, так и смертельно опасны.

Как размножаются бактерии

В основном бактерии размножаются путем деления. Для него необходимо соблюдение ряда условий. Причем для разных бактерий эти условия могут отличаться. Так, одни не переносят высокую температуру, другие могут размножаться в кислоте.

Известны бактерии, которые спокойно существуют в серных источниках Йеллоустоунского парка, температура в которых достигает 200 градусов по Цельсию. В лучших условиях популяция может насчитывать около 34 триллионов особей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Пересечение серных озер в парке Йеллоустоун. Слева — водоросли, а вот справа — последствия активного размножения бактерий
Пересечение серных озер в парке Йеллоустоун. Слева — водоросли, а вот справа — последствия активного размножения бактерий
Wikipedia

Вот несколько факторов, которые могут повлиять на размножение бактерий:

  • Солнечный свет;
  • Наличие воды;
  • Температура;
  • Кислород;
  • Кислотность;
  • Щелочность.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Способы размножения бактерий

  • Бинарное деление. При достижении определенного размера бактерия начинает делиться. В первую очередь происходит репликация ДНК, при котором молекула удваивается. Далее проходит разделение цитоплазмы. Ближе к последнему этапу образуется новая клеточная стенка. В таком случае процесс деления происходит часто и быстро: новая бактерия образуется каждые 30 минут. Происходит это потому, что большинство клеток погибает под влиянием множества факторов.
  • Вегетативное размножение. Одна из стенок бактерии образует отросток, который увеличивается, пока не сравняется в размерах с изначальной клеткой. Так, одна бактерия может произвести до четырех себе подобных. Преимущественно такой способ размножения встречается у цианобактерий.
  • Размножение спорами. При попадании в негативные условия бактерия может перейти в особое состояние, которое может держаться даже больше века. Тогда внутри созревает спора, которая покрывается особым защитным слоем. Когда материнская клетка погибает, спора остается, при этом становится более устойчивой к температуре, влиянию определенных веществ и другим неблагоприятным условиям. Когда ситуация вокруг бактерии изменится, из споры вновь вырастет полноценная особь.
  • Множественное деление. Такой вид размножения отличается от бинарного только тем, что происходит внутри материнской клетки. При этом количество новых особей может варьироваться от 4 до 1000. Когда нужное количество будет готово, изначальная клетка разорвется и выпустит тех, кто был создан внутри нее.
  • Фрагментация клеток. При этом способе размножения материнская клетка делится на несколько частей, после чего каждая из них развивается до самостоятельной и полноценной особи.
  • Половой метод. Способ размножения, при котором две особи передают друг другу генетическую информацию. Предметом этой передачи становятся пластиды, которые содержат гены устойчивости в негативных условиях. Большинство опасных для человека бактерий размножаются именно таким путем.
  • Трансформация. Редкий способ размножения. При нем фрагмент ДНК встраивается внутрь другой бактерии и обменивается информацией. Происходит это, кстати, без участия вирусов.
  • Трансдукция. Похожий на трансформацию метод размножения. Отличается он лишь способом доставки: бактериофаги, то есть вирусы, переносят генетическую информацию от одной клетки к другой.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Один из способов размножения бактерий подразумевает, что генетическую информацию от одной клетки до другой переносят бактериофаги, то есть вирусы
Один из способов размножения бактерий подразумевает, что генетическую информацию от одной клетки до другой переносят бактериофаги, то есть вирусы
Freepik

Среда для размножения бактерий

Бактерии могу размножаться в разных условиях: в жидкой и плотной питательных средах. При этом размножение неизбежно ведет к истощению питательных веществ и вымиранию многих микроорганизмов.

Размножение бактерий в жидкой среде может быть различаться, в зависимости от местонахождения:

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
  • Придонное размножение;
  • Диффузное размножение;
  • Поверхностное размножение.

Периодичность размножения бактерий

Фазы жизненного цикла бактерии:

  1. Лаг-фаза. Длится от появления до роста, около 1-2 часов;
  2. Интенсивный рост. До двух часов;
  3. Логарифмическая фаза. Происходит пик увеличения популяции. Длительность до 6 часов;
  4. Спад размножения. Питательная среда истощается, бактерии начинают погибать. До двух часов;
  5. Стационарная фаза. На этом этапе количество погибших и живых бактерий становится равным. До двух часов;
  6. Ускорение гибели клеток. До 3 часов;
  7. Фаза логарифмической гибели. Скорость гибели не снижается, а, наоборот, фиксируется. До 5 часов;
  8. Снижение скорости отмирания. Последняя стадия, при которой живые клетки переходят в состояние покоя.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Особенности размножения кишечной палочки

Всё живое и неживое обязано подчиняться законам физики — в том числе второму началу термодинамики, гласящему, что энтропия изолированной системы не может уменьшаться. На первый взгляд, высокоорганизованные многоклеточные организмы существуют вопреки этому закону «неубывания беспорядка», но на самом деле тепло, выделяемое ими, увеличивает энтропию вселенной, и второй закон термодинамики не нарушается.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Тем не менее в этой области остается множество вопросов. Сколько тепла должна выделять клетка во внешнее пространство, чтобы компенсировать свою внутреннюю упорядоченность с точки зрения термодинамики? Как близко подходят клетки к пределу, установленному вторым законом термодинамики?

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Джереми Ингланд (Jeremy England), физик из MIT, смоделировал процесс размножения кишечной палочки (E.coli). Приняв в расчет устройство бактериальной клетки, особенности воспроизводства и скорость роста, ученый рассчитал минимальное количество тепла, которое E. coli должна выделять в окружающее пространство, чтобы не нарушать второй закон термодинамики.

Низкотемпературная электронная микрофотография бактерий кишечной палочки
Низкотемпературная электронная микрофотография бактерий кишечной палочки
Freepik
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Фактическое значение теплоотдачи оказалось примерно того же порядка, что и теоретическое: бактерия «обогревала» окружающую среду всего в шесть раз сильнее, чем ей велит термодинамика. Для биологической системы это довольно высокая эффективность.

Ингланд использовал метод статистический механики (расчет вероятности различных вариантов взаимного расположения атомов и молекул), чтобы смоделировать 20-минутный процесс размножения E. coli, в ходе которого бактерия потребляет много пищи, преобразует её в энергию, перестраивает и упорядочивает свои молекулы (в том числе белки и ДНК), а в конечном итоге делится на две клетки.

Чтобы исследовать термодинамику этого процесса, Ингланд решил смоделировать обратную ситуацию, когда две клетки сливаются в одну. Это событие настолько маловероятно, что в природе, скорее всего, так никогда и не случится. Численно эту вероятность можно оценить, рассчитав вероятности обращения вспять всех химических реакций, необходимых для деления бактериальной клетки.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Наиболее распространенная из таких реакций — образование пептидных связей. Вероятность того, что эта реакция самопроизвольно пойдет в обратном направлении, настолько мала, что в некоторой абстрактной «вечной» клетке это событие будет происходить лишь раз в 600 лет. А спонтанного разрыва всех 1,6 млрд пептидных связей, присутствующих в бактериальной клетке, пришлось бы ждать намного дольше.

Рассчитав энергию, необходимую для разрушения этих связей, и время, за которое этот процесс мог бы пройти самопроизвольно, Ингланд оценил теоретические параметры и обратного процесса — деления клетки с образованием полного набора пептидных связей.

Оказалось, что расчетная величина составляет чуть больше одной шестой от того количества теплоты, которое бактерия выделяет в окружающее пространство в единицу времени. Теоретически бактерии могли бы размножаться и быстрее, но Ингланд считает, что они вряд ли будут эволюционировать, увеличивая эффективность воспроизводства, — у бактерий есть множество других «внутриклеточных задач». А вот для специалистов в области синтетической биологии расчеты Ингланда могут оказаться весьма интересными: они демонстрируют возможность создания микроорганизмов, которые делятся быстрее своих немодифицированных собратьев.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ингланд считает, что его работа также косвенно указывает на причины, по которым именно ДНК, а не РНК эволюционировала в качестве носителя генетической информации: связи в ДНК более прочные и менее подвержены спонтанному разрушению. С другой стороны, «термодинамический барьер» для организмов, полагающихся на РНК, ниже. Они могут размножаться быстрее, эволюционируя и используя все имеющиеся ресурсы.