Введение, общие понятия, рост и развитие микроорганизмов

Обмен веществ = поглощение питательных веществ + их переработка внутри организма + выделение наружу продуктов обмена.
Положительный итог питания – синтез составных частей организма и увеличение его биомассы – рост.
Синтез отдельных компонентов живого тела протекает неравномерно. Количество одних из них увеличивается быстро, других – медленно, третьи не накапливаются, четвертые разрушаются, вследствие чего химический состав, строение и ферментативный аппарат организма с течением времени меняются и происходят морфологические и физиологические изменения – развитие.
Один из результатов развития – размножение – воспроизведение организмом новых особей при помощи половых клеток или вегетативным способом (деление, почкование, образование бесполых спор и др.)
Размножение может происходить в отсутствие роста – при сегментации или фрагментации мицелия актиномицетов, и наоборот, неблагоприятные условия среды могут остановить размножение клеток, но не их рост, в результате чего клетки разрастаются в гигантские формы. У некоторых низших организмов (актиномицетов, мукоровых грибов) рост без размножения представляет собой нормальное явление.
В вегетативных клетках бактерий, размножающихся при постоянных условиях среды, протекает ряд структурно-биохимических изменений, связанных с циклом их деления. Отделив от себя дочернюю клетку, материнская клетка каждый раз возвращается в прежнее физиологическое состояние, вследствие чего бактерии не продвигаются по пути своего онтогенетического развития.

Спорообразование у бактерий
Типичное онтогенетическое развитие можно наблюдать при превращении вегетативных клеток в покоящиеся споры или половые клетки (рис. 1).
Сначала в вегетативной клетке накапливается большое количество гранулёзы, окрашиваемой йодом в темно-синий цвет.
Затем с одного конца клетки начинает дифференцироваться спорогенное зерно – зачаток будущей споры. Клетка утолщается и принимает веретеновидную форму.
Спора постепенно оформляется, а цитоплазма лизируется и уменьшается в объеме, пока не останется одна только спора.
В основе развития лежит неравномерный рост составных частей клетки, при этом размеры клетки почти не возрастают, а на заключительном этапе спорообразования ее биомасса даже уменьшается. Следовательно, развитие может протекать и в отсутствие видимого роста.
Рис. 1. Ход спорообразования у маслянокислых бактерий
1 – делящиеся вегетативные клетки, 2 – отложение в клетках гранулёзы, 3 – постепенное утолщение клеток, 4 – клостридиальные формы, 5 – появление проспор, 6 – оформление спор, 7 – свободные зрелые споры.

Рост и развитие бактериальной культуры
Процесс развития культур одноклеточных существ сводится к превращению их вегетативных клеток в покоящиеся формы (рис. 2).
При обычном способе культивирования судьба отдельных клеток не совпадает: одни из них быстро заканчивают процесс спорообразования, у других он затягивается, третьи погибают и лизируются раньше, чем успеют превратиться в споры.
В связи с этим за ходом развития культуры можно следить по изменениям соотношения различных форм жизненного цикла.
Рост и развитие отдельных клеток является иным понятием, чем развитие целой клеточной популяции.

Рис. 2. Схема роста и развития бактериальной культуры
1 – споры, 2 – вегетативные клетки, 3 – клетки с отложением гранулёзы, 4 – проспоры, 5 – отмирающие клетки по Иерусалимскому

Лагфаза
Иногда после высева в свежую среду микробные клетки некоторое время не приступают к размножению, что может быть вызвано разными причинами, например, при посеве покоящимися спорами требуется время для их прорастания. Но и вегетативные клетки иногда не сразу начинают размножаться из-за неблагоприятных условий среды (например, из-за трудной усвояемости питательных веществ).
Проходит несколько часов, пока высеянные клетки не приспособятся к имеющимся условиям среды или видоизменят их в нужную сторону. Период начальной задержки роста – «лагфаза». К концу его клетки начинают расти, причем скорость роста постепенно повышается (рис. 3). Рост клеток начинается раньше, чем размножение, в связи с чем к концу лагфазы средняя величина клеток увеличивается.

Рис. 3. Схема роста микробной культуры
N – численность клеток (lgN – в логарифмическом выражении)
V – общая скорость роста культуры
μ – удельная скорость роста культуры
I – лагфаза
II – экспоненциальная (логарифмическая) фаза
III – фаза замедления роста
IV – максимальная стационарная фаза
V – фаза отмирания

Экспоненциальная фаза
После лагфазы наступает период, когда культура растет с постоянной удельной скоростью. Через определенные сроки происходит удвоение численности клеток и их суммарного веса.
Промежуток времени, в течение которого биомасса возрастает вдвое, – продолжительность генерации. Скорость роста и размножения у отдельных клеток в культуре не совпадает, поэтому продолжительность генерации представляет собой средневзвешенную величину.
В этот период численность клеток и их суммарная биомасса возрастают в геометрической прогрессии согласно экспоненциальному закону.
Данный период роста культуры – «логарифмическая (экспоненциальная) фаза».
Рост культуры можно охарактеризовать любым из следующих уравнений:
m1 = m0eμ(t1-t0)
N1 = N0e0,693V(t1-t0)
N1 = N02V(t1-t0)
где m0, N0, t0 – начальные значения биомассы, числа клеток и времени, m1, N1, t1 – их конечные значения, e – основание натурального логарифма, V – общая скорость роста культуры, μ – удельная скорость роста культуры.

Стационарная фаза и фаза отмирания
Экспоненциальная фаза постепенно переходит в фазу замедления роста. Удельная скорость роста μ (как и скорость клеточного размножения V) в этот период понемногу падает, пока нарастание биомассы культуры вовсе не прекратится – наступает стационарная фаза роста культуры.
В течение стационарной фазы численность живых клеток держится на постоянном уровне, что связано или с превращением вегетативных клеток в неразмножающиеся формы (например, в проспоры), или с тем, что между их отмиранием и размножением устанавливается подвижное равновесие. Когда численность живых особей перестала повышаться, общее число клеток может возрастать за счет накопления погибших, но не успевших еще лизироваться клеток.
После стационарной фазы количество живых клеток все более падает. Уменьшается и вес биомассы культуры из-за начавшегося автолиза. Наступает фаза отмирания культуры.

Изменения клеток в процессе роста
Процесс роста культуры сопровождается изменением морфологии клеток, их химического состава и физиологической активности (рис. 4). Во время лагфазы клетки обычно увеличиваются в размерах, и содержание РНК в них повышается. При цитологических окрасках они обнаруживают базофилию, которая сохраняется и в течение логарифмической фазы.
В период замедления роста культуры содержание РНК в клетках начинает уменьшаться, и базофилия сменяется все более резко выраженной оксифилией.
Одновременно со скоростью роста изменяется и физиологическая активность микробов. Быстро растущие клетки быстрее потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена, чем клетки, рост которых начал замедляться.
В процессе роста культуры происходят также изменения ферментативного аппарата клеток, поэтому некоторые биохимические свойства клеток оказываются приуроченными к определенному периоду роста.

Рис. 4. Кривые роста культуры и изменения свойств бактериальных клеток
Начальные значения всех свойств приняты за единицу
m – нарастание суммарной биомассы культуры (в логарифмическом масштабе)
N – увеличение численности клеток (в логарифмическом масштабе)
m/N – средний вес одной клетки
РНК – процентное содержание РНК
ДНК – процентное содержание ДНК

Периоды развития культуры
Учитывая изменения свойств клеток, можно говорить о физиологическом возрасте культуры и периодах ее развития (Иерусалимский, 1949). Онтогенетическое развитие организмов принято разделять на четыре основных периода:
- эмбриональный;
- молодость;
- зрелость;
- старость.
Те же самые названия можно условно применять и к микробным культурам. Так, эмбриональный период соответствует лагфазе, когда клетки приспосабливаются к имеющимся условиям среды. Молодость культуры совпадает во времени с фазой экспоненциального роста, клетки обладают высокой физиологической активностью, быстро делятся, протоплазма их базофильна, и содержание РНК в ней высокое.
Стационарную фазу нельзя назвать периодом зрелости культуры, поскольку показателем физиологической зрелости культуры служит начавшийся процесс спорообразования или же структурно-биохимическая перестройка вегетативных клеток, связанная с их переходом в покоящееся состояние.

Когда причиной остановки роста культуры является переход клеток в состояние физиологического покоя, стационарная фаза и период зрелости совпадают во времени. Однако рост и размножение вегетативных клеток могут прекратиться из-за создавшихся неблагоприятных условий среды, и в таких случаях клетки перестают размножаться раньше, чем успеют превратиться в физиологически зрелые формы, а период зрелости культур сдвигается на более позднее время или может и вовсе не наступить, если вегетативные клетки начнут дряхлеть и отмирать, так и не превратившись в покоящиеся формы. Период молодости культуры в этом случае сразу сменится периодом старости.
Таким образом, между фазами роста культуры и морфофизиологической изменчивостью клеток не существует постоянной связи, именно поэтому целесообразно пользоваться особым понятием «периоды развития» для характеристики изменений, претерпеваемых микробными клетками в процессе роста культуры.
Периоды развития культуры