что такое спора и какова ее функция

Размножение бактерий и образование спор

Какие бактерии образуют споры

При наступлении для бактерий неблагоприятных условий они способны образовывать споры. Неблагоприятными условиями могут быть отсутствие питательных веществ в среде, изменение ее кислотности, высокие или низкие температуры, пересыхание среды и другое.

Образование спор бактериями — это в первую очередь способ пережить неблагоприятные условия среды. В отличие от других организмов у бактерий спорообразование почти не используется для размножения.

В те времена, когда жизнь на Земле только появилась, и на ней существовали преимущественно только бактерии, возможно погодные условия могли быстро меняться, становиться весьма суровыми. Чтобы выжить, бактерии эволюционно выработали в себе способность к спорообразованию. На сегодняшний день бактерии могут жить там, где другие организмы выжить не могут.

В спорах бактерий все жизненные процессы почти прекращены, цитоплазмы мало, и она густая. Спора покрыта толстой оболочкой, защищающей ее от разрушающих факторов внешней среды. Однако спора содержит все необходимое (в том числе ДНК бактерии), чтобы в благоприятных условиях прорасти и образовать полноценную бактериальную клетку.

Большинство бактерий образуют споры, которые называют эндоспорами. В основном их образуют палочковидные бактерии. «Эндо» значит «внутри». То есть у большинства бактерий споры образуются внутри клетки. При образовании спор происходит впячивание клеточной мембраны, и внутри бактерии обособляется область — будущая спора. Туда переходит ДНК. Вокруг этой области образуется толстый слой так называемой коры, которая будет защищать спору. С ее внутренней и внешней стороны присутствует мембрана. С внешней стороны от мембраны есть еще несколько оболочек.

У палочковидных бактерий эндоспоры могут образовываться в разных местах клетки. У одних — в середине, у других — ближе к концу, у третьих — у самого края палочки-клетки.

Существуют виды бактерий, которые образуют не эндоспоры, а экзоспоры, цисты и другие формы покоящихся форм. «Экзо» говорит о том, что спора образуется не внутри клетки бактерии, а как бы снаружи от нее. Образование экзоспор происходит путем образования своеобразных почек у клетки. После чего такие почки покрываются толстой оболочкой, превращаются в споры и отделяются.

С помощью спор бактерии не только переживают неблагоприятные условия, но и расселяются, так как споры очень легкие и легко разносятся ветром и водой.

Видео

Спорообразование у бактерий

Подготовительный этап

Перед образованием самой споры в вегетативной бактериальной клетке снижается уровень метаболизма, прекращается репликация ДНК, в спорогенной зоне локализуется один из нуклеотидов, начинает синтезироваться дипиколиновая кислота.

Образование спорогенной зоны

Образование спорогенной зоны начинается с уплотнения участка цитоплазмы, в котором расположен нуклеотид (проспора). Изолирование спорогенной зоны происходит с помощью цитоплазматической мембраны, которая начинает врастать внутрь клетки.

Образование проспоры и споры

Между внутренним и наружным слоем мембраны образуется кортекс. Один из его компонентов — дипиколиновая кислота, которая обуславливает термоустойчивость споры.

Сторона мембраны, обращенная наружу, покрывается оболочкой (экзоспорицей). Она состоит из белков, липидов и других соединений, которые не встречаются у вегетативной клетки. Оболочка толстая и рыхлая. Обладает гидрофобностью.

Созревание споры

В период созревания споры заканчивается формирование всех ее структур. Спора приобретает термоустойчивость. Она принимает определенную форму и занимает особое положение в клетке. После полного созревания споры происходит аутолизис клетки.

Рис. 4. На фото видна образованная спора, по периферии которой находятся остатки цитоплазмы.

Рис. 5. На фото слева видна только что образованная спора (А), по периферии которой находится остатки цитоплазмы. Далее цитоплазма отмирает. На фото справа (В) спора, очищенная в лабораторных условиях.

Рис. 6. На фото вверху стадии спорообразования — от образования спорогенной зоны до полного формирования и лизиса остатков клетки. На фото внизу спора с лентовидными выростами. О — ее внешняя оболочка, К — кортекс, С — внутренняя часть.

Кортекс

Кортекс защищает спору от ферментов, которые в большом количестве продуцируются клеткой на завершающем этапе спорообразования. Их предназначение — полностью разрушить материнскую вегетативную клетку. При отсутствии кортекса споры бактерий лизируются. Кортекс содержит диаминопимелиновую кислоту, которая обеспечивает термостабильность

Внутренняя сторона кортекса прилегает к внутренней стороне цитоплазматической мембраны. В период прорастания споры кортекс трансформируется в клеточную стенку вегетативной клетки.

Оболочка споры (экзоспориум)

Сторона цитоплазматической мембраны, обращенная наружу, при спорообразовании покрывается оболочкой (экзоспорицей). Она состоит из белков, липидов и других соединений, которые не встречаются у вегетативной клетки. Оболочка толстая и рыхлая. Составляет около 50% объема самой споры. Обладает гидрофобностью. Наружная стенка споры устойчива к воздействию ферментов. Она предохраняет спору от преждевременного прорастания.

Рис. 7. На фото спора с выростами. Ее сердцевина — покоящаяся вегетативная клетка.

Выросты на спорах

На некоторых спорах в процессе спорообразования образуются выросты. Они многообразны и специфичны. Этот признак для каждой бактерии наследственно закрепленен и постоянен. Выросты на спорах состоят в основном из белка. Аминокислоты белка сходны с таковыми у кератина и коллагена. Функция выростов на спорах окончательно еще не выяснена.

Рис. 8. Виды выростов на спорах: жгутики, трубки, ершиковидные палочки, широкие ленты, шипы, булавки, в виде оленьих рогов.

Рис. 9. На фото споры бактерий рода клостридиум. Выросты в виде трубок (1 и 5), выросты в виде жгутиков (2), лентовидные выросты(3), перистые выросты (4), споры, на поверхности которых имеются шипы (6).

Виды спор бактерий

Прокариоты принадлежат к типу простейших, образующих виды покоящихся форм. Такое название формы приобрели из-за заниженной энергии и обмена веществ, в стадии развития микробов. К некоторым из них относятся: миксоспоры, цисты и акиенты.

Все покоящиеся формы отличаются предельно низким уровнем метаболических процессов.

Цисты – имеют овальную форму средних размеров, покрытую толстым слоем слизи. Они устойчивы к термодинамике и засушливости.

Их функция заключается в защите популяций от негативного воздействия и в сохранении ДНК. Цисты прорастают под влиянием благоприятных внешних условий.

Миксоспоры – формируются путем преобразования целой клетки, как правило, имеют овальную утолщенную форму с плотной цитоплазмой.

Акиенты – относятся к нитчатым цианобактериям. Образуются при низких температурах, засухе и повышенном содержании глутамина.

Внешнее строение

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой — клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи — капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула — не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Прорастание спор бактерий

Действие происходит в три этапа.

Активация – в этот момент спора готова прорастать, хоть она еще обладает термоустойчивостью и способностью к светопреломлению. Сам процесс зависит от повышения температуры, чем выше, тем быстрее происходит активация.

Инициация – необратимый процесс, длящийся в течение нескольких минут. Спора, уже не устойчива к нагреванию и теряет способность к светорассеиванию.

Вырастание – это процесс интенсивного роста, во время которого происходит синтез РНК с белком. Прорастая, спора проходит через лизис оболочки. Разрыв в произвольном месте предполагает выход вегетативной клетки, которая снабжена жгутиковым аппаратом у подвижных клеток.

Смысл в том, что вегетативная клетка может размножаться. Спора нет. Сам процесс занимает от 2 до 4 часов. После предварительной специальной обработки, количество проросших спор прибавляется. У продолговатых форм отмечается специфический тип прорастания.

Самый распространенный из них — полярный и экваториальный. Косое прорастание встречается крайне редко. Чтобы успешно различать виды спороносных бактерий, нужно обратить внимание на культуральные особенности в питательной среде.

Распространение в природе

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико — сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора — один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, — ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода — природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая — 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками — прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Источник

Споры бактерий

Что такое споры бактерий

Во времена зарождения жизни на Земле, первыми ее обитателями были бактерии.

Чтобы пережить неблагоприятные погодные условия, засуху, отсутствие полезных веществ в окружающей среде, их защитной реакцией стала способность к спорообразованию.

В наше время, бактерии могут прижиться там, где больше не сможет выжить ни один организм.

Значение слова спора, в переводе с греческого означает «семя», «посев». Это, своего рода, «служащие» для расселения, хранители генетической информации бактериальной клетки.

Образования имеют овальную или округлую форму, зарождаются в сердцевине бактерий на определенном этапе их существования, как правило, в негативной среде обитания.

При наличии многослойной защитной оболочки, споры имеют особую устойчивость к физическим и химическим реакциям, а также тенденцию сохраняться на десятки и даже сотни лет.

Особенности спор бактерий

В процессе спорообразования на спорах вырастают «колпачки» конусовидной или серповидной формы. Их строение похоже на «ячейки», что помогает им сохранить плавучесть в воде.

В состоянии спор, бактерии переносят колоссальные химические и термические нагрузки. Некоторые из них могут выдержать многочасовое кипячение.

Бактерии, в виде спор, гораздо эффективнее распространяются, так как клетка в обезвоженном состоянии имеет наименьшую массу.

Споры могут иметь разную форму: одни — шаровидную, другие — овальную. Часто диаметр превышает плотность клетки, вследствие чего она деформируется, происходит «вздутие». Эти особенности используют при лабораторных бактериологических исследованиях.

Бактерии, образующие споры

Всего два вида бактерий, патогенных для человека, способны образовывать споры (спорангии) – это клостридии и бациллы.

Клостридии – относятся к грамположительному и анаэробному роду, образующих эндоспоры. Они насчитывают более 90 типов бактерий, каждая их которых — спорообразующая.

Это возбудители легочной и газовой гангрены. По их вине происходят осложнения после родов и абортов. Они являются частью флоры, желудочно-кишечного тракта, женских половых путей, реже обитают на коже и в полости рта.

Клостридии круглой формы, являются возбудителями столбняка. Овальная спора той же бактерии, является причиной развития ботулизма.

Бациллы – относятся к свободным, аэробным, палочковидным клеткам, формирующим эндоспоры. Количество бактерий этого рода, сводится к более 200 видам.

Размножение происходит путем поперечного деления клеток. Является возбудителем некоторых болезней у животных и человека, а именно сибирской язвы.

Функции спор бактерий. Зачем бактериям споры

За счет спор, бактерии могут выполнять дыхательную и питательную функции. Их расселение во внешней среде происходит путем распространения в новые места.

Главная задача – уберечь генетический материал от неблагоприятных условий. В отличие от грибных и растительных спор, бактериальные не предназначены для размножения.

Споры для бактерий – важная часть их существования, благодаря которым сохраняется их жизненная и родовая функция.

Этапы спорообразования у бактерий

Спорообразование – это сверхзащитное свойство бактерий. С его помощью, они выживают в неблагоприятной обстановке. Этот процесс довольно длительный, на протяжении суток от 18 до 20 часов. Состоит из 4 основных этапов.

Подготовительный этап – к моменту спорообразования целостность ДНК снижается, клетки перестают делиться. Накапливается обильное количество резервного питательного материала, собирающегося в гранулы.

Клетки становятся больше в размерах, похожими на лимон или барабанную палочку. Иногда они сохраняются в обычной палочковидной форме.

К противоположным сторонам клетки, отходит вновь образовавшийся нуклеоид. Вокруг него формируется спорогенный участок. Это часть цитоплазмы, лишенная свободной влаги.

Возникновение проспоры (предспоры). В одной из точек клетки происходит процесс, в котором участвуют мезосомы. За счет спаивания мембран образуется септа. Она дает начало оболочке споры. Именно в этот момент совершается необратимый этап споруляции.

Образование кортекса – происходит благодаря возникновению пленки между внешней и внутренней мембраной проспоры, состоящей из молекул пептидогликана. Кортекс играет предохранительную функцию сердцевины от разрушающих ферментов.

Стадия созревания. Со стороны наружной мембраны образуется внешняя толстая оболочка споры, которая состоит из липидов, дипиколиновой кислоты и кальциевой соли.

Спора покрывается экзоспориумом и на завершающей стадии процесса, после активизации литических ферментов, происходит полное отмирание материнской вегетативной клетки.

В результате чего взрослая спора, покрытая твердой слабопроницаемой, многослойной оболочкой, оказывается во внешней среде.

Характеристика спор бактерий

Жизнедеятельность в спорах бактерий почти не действует, о чем говорит наличие густой цитоплазмы в малом количестве. Процент влаги в ней снижен на 50%. Зато в большом составе магний и катионы кальция.

Достаточно много белка цистеина и аминокислот. Обмен веществ, практически не происходит. Устойчивая жизнеспособность. Толстый слой оболочки, которым покрыта спора, защищает её от негативного воздействия внешней среды.

Споры содержат ДНК бактерий. Попадая в благоприятные для себя условия, они прорастают и образуют полнофункциональную клетку.

Устойчивость спор бактерий

Споры могут сохраняться в окружающей среде сотнями лет. У них стойкая резистентность к нагреванию, высыханию, радиации и к различным химическим веществам. Могут удерживать кипячение на протяжении нескольких часов.

Они погибают от открытого огня или автоклавирования при 121 – 125 градусов по Цельсию на протяжении 15-30 минут. Крайне устойчивые к перепадам температур, высоким концентрациям кислот, дезинфицирующим веществам.

Губительным фактором для бактериальных спор, впрочем, как и для всех микробов, является ультрафиолет. Под его излучением микроорганизмы быстро погибают, поэтому его принято считать лучшим средством для дезинфекции.

Способность спор патогенных бактерий к устойчивости в окружающей среде, становится причиной развития тяжелых инфекционных заболеваний.

Виды спор бактерий

Прокариоты принадлежат к типу простейших, образующих виды покоящихся форм. Такое название формы приобрели из-за заниженной энергии и обмена веществ, в стадии развития микробов. К некоторым из них относятся: миксоспоры, цисты и акиенты.

Все покоящиеся формы отличаются предельно низким уровнем метаболических процессов.

Цисты – имеют овальную форму средних размеров, покрытую толстым слоем слизи. Они устойчивы к термодинамике и засушливости.

Их функция заключается в защите популяций от негативного воздействия и в сохранении ДНК. Цисты прорастают под влиянием благоприятных внешних условий.

Миксоспоры – формируются путем преобразования целой клетки, как правило, имеют овальную утолщенную форму с плотной цитоплазмой.

Акиенты – относятся к нитчатым цианобактериям. Образуются при низких температурах, засухе и повышенном содержании глутамина.

Форма и признаки спор бактерий

К формам прокариот, относятся эндоспоры и экзоспоры. В основном бактерии формируют эндоспоры, которые относятся к палочковидным микроорганизмам.

« Эндо» – означает «внутри». Когда споры созревают, происходит изменение клеточной мембраны, при этом внутри бактерии зарождается будущая спора, куда и попадает ДНК. В этой зоне образуется плотная прослойка коры для ее защиты.

Эндоспоры у палочковидных бактерий образуются в различных местах клетки: в центре, у края и ближе к концу.

Также существует тип бактерий, который формируют экзоспоры. « Экзо» – в переводе значит «вовне». Процесс происходит путем созревания специальных клеточных почек. Как только почки покроются плотной оболочкой, они трансформируются и отсоединяются.

В определенный момент спорообразования, на некоторых спорах образуются наросты. Они разнообразны и специфичны. Это наследственно закрепленный и постоянный признак для каждой бактерии. Наросты состоят из белка. Их функциональная задача по сей день изучается специалистами.

Расположение спор бактерий

Один из таксономических признаков бактерий — это их расположение. Оно может быть центральным, субтерминальным и терминальным. У единичных видов спорообразующих, диаметр спор превышает клеточный поперечник.

Расположение споры ближе к концу клетки, придает бактерии форму веретена. У некоторых, например, у клостридий, споры располагаются терминально, и имеют вид теннисных ракеток.

Прорастание спор бактерий

Действие происходит в три этапа.

Активация – в этот момент спора готова прорастать, хоть она еще обладает термоустойчивостью и способностью к светопреломлению. Сам процесс зависит от повышения температуры, чем выше, тем быстрее происходит активация.

Инициация – необратимый процесс, длящийся в течение нескольких минут. Спора, уже не устойчива к нагреванию и теряет способность к светорассеиванию.

Вырастание – это процесс интенсивного роста, во время которого происходит синтез РНК с белком. Прорастая, спора проходит через лизис оболочки. Разрыв в произвольном месте предполагает выход вегетативной клетки, которая снабжена жгутиковым аппаратом у подвижных клеток.

Смысл в том, что вегетативная клетка может размножаться. Спора нет. Сам процесс занимает от 2 до 4 часов. После предварительной специальной обработки, количество проросших спор прибавляется. У продолговатых форм отмечается специфический тип прорастания.

Самый распространенный из них — полярный и экваториальный. Косое прорастание встречается крайне редко. Чтобы успешно различать виды спороносных бактерий, нужно обратить внимание на культуральные особенности в питательной среде.

Чем отличается свободная бактерия от споры

Размер спор бактерий – варьируется от 0.1 до 5 мкм. Те, что крупнее, обычно видимые под микроскопом, размножаются делением клеток. Виды, которые превышают ширину клетки, называются плектридиальными или клостридиальными, в зависимости от месторасположения споры. В бациллярной клетке, спора диаметр не превышает.

Стадия активации споры

Спора может сохраняться годами до наступления благоприятных условий, которые её активируют, для освобождения вегетативной клетки. Благоприятными условиями, например, могут быть прогревания, повышение влажности, различные химические взаимодействия.

Под воздействием аутолиза, происходит растворение кортекса: поглощение воды и набухание. Спора как будто сдувается. При этом она затрачивает много энергии на дыхание, выделение ферментов, аминокислот и пептидов.

В этот промежуток времени спора перестает быть терморезистентной. Так происходит стадия активации.

Окрашивание спор бактерий

При исследовании, споры различают по светопреломлению. Из-за устойчивости к кислой среде, их процесс окрашивания затруднен. Объясняется это высоким содержанием липидов и плотностью оболочки.

Поэтому к ним применяют усиленные методы окраски: химические вещества, которые меняют структуру защитной пленки. В основном, окрашивание происходит по методу Пешкова и Циля-Нельсона.

Споры в жизни бактерий

Это абсолютно уникальное явление. Споры помогают бактерии выживать и сохраняться в отрицательных условиях внешней среды. Они играют важную роль в идентификации бактерий и образовании лидирующей клетки.

Источник