Какие бактерии способны образовывать споры

Бактерии в процессе эволюции приспособились к выживанию в самых неблагоприятных условиях окружающей среды и сохранили наследственную информацию путем образования спор. Споры бактерий образуются внутри клетки. Весь процесс прорастания (спорообразование) длится 18 — 20 часов. В ходе этого процесса в клетке бактерии изменяется целый ряд биохимических процессов. В спорообразном состоянии бактерии могут находиться длительное время — сотни лет. При благоприятных условиях внешней среды споры прорастают. Процесс прорастания длится 4 — 5 часов.

Спорообразование происходит, когда:

• истощается питательный субстрат,
• отмечается недостаток углерода и азота,
• накапливается во внутренней среде клетки ионы калия и марганца,
• изменяется уровень кислотности среды и др.

Рис. 1. На фото спора внутри бактериальной клетки (фото сделано в свете электронного микроскопа — ЭМ).

Какие бактерии способны к спорообразованию

Палочковидные бактерии, образующие споры, называются бациллами. Они относятся к семейству Bacillaceae и представлены родом клостридиум Clostricdium, родом бациллюс (Bacillus) и родом десульфотомакулум (Desulfotomaculum). Все они грамм положительные анаэробные бактерии.

Род клостридиум насчитывает более 93 видов бактерий. Все они образуют споры. Патогенные бактерии рода клостридиум вызывают газовую гангрену, легочную гангрену, являются виновниками осложнений после абортов и родов, тяжелых токсикоинфекций, в том числе ботулизма. Споры бактерий этого вида превышают диаметр вегетативной клетки.

Род бациллюс насчитывает более 217 видов бактерий. Патогенные бактерии рода бациллюс вызывают ряд заболеваний у человека и животных, в том числе пищевые токсикоинфекции и сибирскую язву. Споры бактерий этого вида не превышают диаметр вегетативной клетки.

Рис. 2. На фото бактерии рода клостридиум. Слева — клостридии перфингенс. Являются возбудителями пищевой токсикоинфекции и газовой гангрены. Справа — клостридии ботулинум. Бактерии вызывают тяжелую пищевую токсикоинфекцию — ботулизм.

Рис. 3. На фото возбудитель сибирской язвы. Bacillus anthracis род Bacillus – крупная, неподвижная, с обрубленными концами (слева) и бактерия в спорообразном состоянии (справа).

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).

Характеристика споры бактерий

В клетке, которая находится в спорообразном состоянии, отмечается:

• полная репрессия генома,
• почти полное отсутствие обмена веществ,
• снижение количества воды в цитоплазме на 50% (значительная потеря воды клеткой приводит к ее гибели),
• повышенное количество катионов кальция и магния в цитоплазме,
• появление дипиколиновой кислоты и кортекса, отвечающих за термостабильность,
• повышение количества белка цистеина и гидрофобных аминокислот,
• сохраняет жизнеспособность сотни лет.

к содержанию ↑

Устойчивость спор

В процессе спорообразования спора покрывается оболочками — внешней оболочкой и кортексом. Они защищают спору от неблагоприятных условий внешней среды.

Кортекс содержит диаминопимелиновую кислоту, которая отвечает за термостабильность. Внешняя оболочка предохраняет спору от преждевременного прорастания и негативных факторов внешней среды.

В спорообразном состоянии бактерия устойчива к повышенной температуре окружающей среды и высушиванию. Она способна выжить в растворах, с повышенным содержанием солей, перенести длительное кипячение и промораживание, радиацию и вакуум, ультрафиолетовое облучение. Спора проявляет устойчивость к целому ряду токсических веществ и дезинфицирующих препаратов.

Устойчивость спор патогенных бактерий во внешней среде способствует сохранению инфекции и развитию тяжелых инфекционных заболеваний.

Вид, форма и расположение спор у бактерий

Споры бактерий имеют овальную и шаровидную форму. Они могут располагаться на концах клетки (возбудители столбняка), ближе к центру (возбудители ботулизма и газовой гангрены) или в центральной части клетки (сибиреязвенная бацилла). Реже споры бактерий располагаются латерально.

Рис. 10. На фото терминальные эндоспоры C. difficile и Clostridium tetani.

Рис. 11. На фото центрально расположенные споры бактерий Bacillus cereus.

Рис. 12. На фото концевое расположение споры у бактерии Bacillus subtilis.

Колпачки на спорах

На спорах рода клостридиум и бациллюс в процессе спорообразования образуются колпачки. Они имеют конусовидную или серповидную форму и ячеистое строение. Ячейки напоминают мешочки, которые заполнены газообразным веществом. Они имеют форму палочек или овалов. Ячейки помогают споре сохранять в воде плавучесть. Даже при центрифугировании споры с колпачками невозможно осадить. Колпачки на спорах образуются у почвенных бактерий гидроморфных почв, которые сформировались в условиях застоя поверхностных вод или при наличии грунтовых вод.

Рис. 13. На фото колпачки на спорах — конусовидные (слева) и серповидные (справа).

Рис. 14. На фото строение колпачка споры бактерии. Видны отдельные газовые ячейки (вакуоли, мешочки) овальной формы.

Параспоровые тельца

Такие бактерии, как B.anthracis (возбудитель сибирской язвы) и B.cereus (возбудитель токсикоинфекций) во время образования образуют параспоровые тельца. У B.anthracis эти образования округлой формы, расположенные на поверхности спор или изолированно. У Bacillus thuringiensis параспоровые тельца в виде белковых кристаллов бипирамидальной формы. Кристаллы токсичны для гусениц, насекомых и личинок нематод, мошек и москитов. Ген эндотоксина используется в биозащите растений.

Рис. 15. На фото параспоровые бипирамидальные кристаллы почвенной бактерии Bacillus thuringiensis morrisoni.

Прорастание спор

Попадая в благоприятные условия, спора начинает прорастать в вегетативную клетку. Процесс прорастания длится 4 — 5 часов.

Процесс активации

Способствуют прорастанию прогревание, глюкоза, аминокислоты, ионы некоторых веществ и механические повреждения стенки споры.

Процесс инициации

Процесс инициации начинается с дерепрессии генома. Активируются процессы дыхания и ферментные системы. Из клетки удаляется дипиколиновая кислота, ионы кальция, разрушается кортекс. В споре увеличивается количество воды. Все эти изменения приводят к утрате спорой таких свойств, как термостабильность, устойчивости к радиации и химическим веществам. Отличительной особенностью данного процесса является уменьшение спорой величины преломления света.

Процесс собственно прорастания

Из споры начинает прорастать ростковая трубка, разрушающая ее оболочку. Формируется оболочка клетки. Регулируются процессы прорастания целым рядом специальных веществ — герминантами. После окончания прорастания споры клетка начинает делиться.

Рис. 16. На фото клетка бактерии, которая после прорастания споры начинает делиться.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

Спорообразование служит цели сохранения вида бактерий. Споры бактерий необычайно устойчивы во внешней среде, что явилось поводом к развертыванию во многих странах мира интенсивных исследований учеными этого процесса.

Споры бактерий — тельца круглой или овальной формы, которые образуются внутри некоторых бактерий в определенные стадии их существования или при ухудшении условий окружающей среды [1] . Споры бактерий устойчивы к различным физическим и химическим воздействиям и сохраняются в течение многих лет, не утрачивая свойства прорастать в вегетативную форму, что имеет значение в эпидемиологии ряда заболеваний [2] . Известен случай, когда удалось оживить бактериальные споры возрастом около 30 миллионов лет [3] .

Следует отметить, что споры у бактерий, в отличие от спор растений и грибов, не служат для размножения [4] .

Содержание

Описание [ править | править код ]

Бактерии и другие прокариоты обладают способностью к спорообразованию, которая заключается в том, что при наступлении условий, неблагоприятных для жизни, клетка частично теряет воду, уменьшается в объёме и меняет форму, под внешней мембраной образуется плотная оболочка [1] [4] . В виде споры бактерия может выдерживать огромные механические, температурные и химические нагрузки. Например, некоторые споры выдерживают трёхчасовое кипячение или температуру жидкого азота [4] [5] . Также в виде споры более эффективно проходит расселение, потому что частично обезвоженная клетка имеет меньшую массу. Однако споры неустойчивы к ультрафиолету, как и вообще бактерии, и быстро погибают под таким излучением. Поэтому ультрафиолет часто используется для абсолютной дезинфекции [6] .

Споры бактерий окрашивают по методу Пешкова или по методу Марцелли.

История открытия [ править | править код ]

Впервые явление описано микробиологами Фердинандом Коном и Робертом Кохом. Кон открыл споры у сенной палочки, а Кох у сибирской язвы. Их научные статьи были опубликованы в одном номере журнала [2] .

Бактерии родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacil- lus, Sporosarcina и некоторых других (всего описано более 15 родов спорообразующих бактерий) способны образовывать споры, или эндоспоры, — внутриклеточные тельца сферической или эллиптической формы (рис. 19). Споры преломляют свет и четко видны в световом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако у отдельных видов Clostridium и других родов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами.

Рис. 19. Ультратонкнй срез клетки Clostridim butyricum со спорой. Электронная микрофотография (но: В. T. Емцев, В. И. Дула и Ш. И. Шелли)

Выделена бактерия Anaerobacter polyendosporus, клетки которой содержат от двух до пяти эндоспор.

При формировании спор увеличения числа организмов не происходит, поэтому спорообразование нельзя считать способом размножения бактерий. Обычно споры появляются, когда бактерии испытывают недостаток питательных веществ или в среде их обитания в большом количестве накапливаются продукты обмена веществ. Споры представляют собой стадию покоя и приспособлены для выживания в неблагоприятных условиях среды.

Процесс спорообразования. Его можно подразделить на шесть-семь последовательных стадий. Первая стадия характеризуется репликацией ДНК с образованием двух и более нуклеоидов, которые локализуются в виде осевого тяжа вдоль бактериальной клетки.

На второй стадии происходит отделение одной бактериальной хромосомы от осевого тяжа ДНК и перемещение ее к полюсу клетки. Впоследствии меньшая часть цитоплазмы с заключенной в нее хромосомой отделяется от остальной цитоплазмы цитоплазматической мембраной, которая врастает так же, как при клеточном делении. В итоге возникают две, разделенные мембраной, неравные (большая, «материнская», и малая) клетки. Клеточная стенка бактерии в этом делении участия нс принимает. В промежутке между второй и третьей стадией происходит «обрастание» малой клетки с хромосомой цитоплазматической мембраной большой клетки. В результате образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами.

Третья стадия характеризуется отделением проспоры от мембраны большой клетки. Проспора окружена со всех сторон цитоплазмой и как бы свободно в ней плавает, она может оставаться у полюса бактериальной клетки либо, как у некоторых видов, переходить к центру. Во время прохождения третьей стадии в проспору поступают из материнской клетки ряд аминокислот, дипиколиновая кислота (ДПК) и ионы Са 2+ . Затем внутри проспоры образуется комплекс Са с ди пи кол и новой кислотой.

На четвертой стадии между двумя мембранами проспоры образуется толстый слой коры, или кортекса, состоящего из прочно соединенных молекул пептидогликана. Обычно синтез кортекса продолжается до самого созревания споры. Во время этой стадии наблюдается усиление способности проспоры к светопреломлению, что, по-вилимому, связано с се обогащением комплексом ДПК-Са.

Пятая стадия характеризуется формированием к периферии от наружной мембраны проспоры споровых покровов, состоящих из нескольких слоев, главным образом белков с высоким содержанием цистеина и гидрофобных аминокислот. У некоторых бактерий (роды Bacillus, Clostridium) поверх покровов споры формируется еще одна структура — экзоспориум, часто состоящий из многих слоев

(10—15) и имеющий подчас разнообразную «лепную» форму. Споры многих видов рода Clostridium обладают различными придатками и выростами в виде трубчатых, лентовидных, булавовидных, древовидных и других образований. Назначение этих выростов остается неясным. На данной стадии продолжается накопление в споре ДПК и кальция.

Во время шестой стадии заканчивается формирование всех структур споры, и она приобретает термоустойчивость. Диаметр споры приблизительно равен или несколько превышает диаметр клетки, в которой спора образовалась. У одних бактерий спора формируется на конце клетки, последняя при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки; у других образуется в центре клетки, и последняя либо не меняет формы (род Bacillus), либо расширяется в центре, принимая вид веретена (род Clostridium).

В ряде случаев выделяют седьмую стадию, во время которой происходит лизис (разрушение) материнской клетки, спора высвобождается и выходит в окружающую среду. В сердцевине зрелой споры содержатся белки и нуклеиновые кислоты, а также ДПК и другие низкомолекулярные соединения. Спора содержит хромосому, обычные рибосомы и различные ферменты. Считают, что белки сердцевины споры образуют комплексы с ДНК, что приводит к изменению структуры последней и обеспечивает термо- и радиоустойчивость споры. Большое значение в обеспечении термоустойчивости спор придается комплексу ДПК-Са.

Свойства спор. Споры сохраняют жизнеспособность в условиях, когда вегетативные клетки, т. е. не образовавшие спор, погибают. Большинство спор хорошо переносят высушивание, многие споры нельзя убить даже кипячением в течение нескольких часов. Для их уничтожения требуется температура пара 120 °С при его давлении 1 атм (1,01 • 10 5 Па), поддерживаемые в течение 20 мин. В сухом состоянии споры погибают лишь при сильном нагревании (150—160 °С) в течение нескольких часов. Споры отдельных видов бактерий отличаются особой тсрмоустойчивостью.

Споры способны выдерживать также воздействие низких температур, радиации, давления, агрессивных химических соединений, ферментов, антибиотиков, высушивания. Достаточно высокая устойчивость спор к ферментам, ядам, органическим растворителям объясняется барьерной ролью белковых покровов споры.

Споры бактерий могут длительное время существовать в покоящемся состоянии. Английский микробиолог П. Снис нашел жизнеспособные споры бактерий в комочках почвы, приставших к корням растений гербария, хранившегося около 320 лет. В слое осадков на дне озера в штате Миннесота найдены споры, возраст которых оценивают в 7500 лет. По некоторым данным, найдены споры и более «солидного» возраста. Так, немецкий микробиолог Г. Домбровскип обнаружил жизнеспособные споры в образцах соли из девонских, пермских и силурийских месторождений, расположенных в Германии и Северной Америке, имеющих возраст более 300 млн лет. А в опытах, проведенных в Лейденском университете (Нидерланды), было показано, что споры некоторых бактерий могли бы выжить в условиях космоса в течение 45 млн лет.

Прорастание спор. При попадании в благоприятные условия спора начинает прорастать. Процесс ее прорастания подразделяют на три стадии: активацию, инициацию и так называемое вырастание. Во время активации проявляется готовность споры к прорастанию, хотя при этом сохраняется ее устойчивость к температуре, способность к светопреломлению и т. д. Большое влияние на активацию оказывает температура — чем выше температура, тем быстрее происходит активация.

Вторая стадия — инициация — необратима и происходит в течение нескольких минут. При этом уменьшается устойчивость споры к прогреванию, снижается ее светорассеяние. Прохождение спорой данной стадии зависит от температуры, влажности, реакции среды и других факторов.

Третья стадия — вырастание — это процесс интенсивного роста. Во время нее идет активный синтез белка и РНК; репликация ДНК начинается через 1—2 ч после начала прорастания споры. Во время прорастания споры происходит лизис ее оболочек или их разрыв и выход проростка (ростовой трубки) из оболочек. В дальнейшем наблюдается удлинение освободившегося бактериального организма и, наконец, деление уже удлиненной клетки.

Некоторые бактерии одновременно со спорами образуют па– распоральные тела. Такие тела, например, формируются в клетках Bacillus thuringiensis. Они представляют собой белковые кристаллы, токсичные для насекомых. Организмы, образующие параспораль- ные тела, используют для борьбы с вредными насекомыми.

Другие покоящиеся формы. Существуют бактерии, у которых образуются другие, относительно устойчивые к неблагоприятным условиям среды (температуры, кислотности, аэрации и т. д.) покоящиеся клетки. К ним относятся прежде всего так называемые цисты, которые характерны для азотобактера, спирохет, миксобак- терий, риккетсий, метилотрофных бактерий и бактерий рода Bdello- vibrio. В процессе образования цисты бактериальная клетка целиком превращается в покоящуюся клетку, при этом изменяется ее форма, утолщается клеточная стенка.

Зрелые цисты представляют собой округлые светопреломляющие образования, имеющие сердцевину — цитоплазму с нуклеои- дом и гранулами поли-(5-гидроксимасляной кислоты. Цитоплазма окружена цитоплазматической мембраной и двумя оболочками: интиной — толстой внутренней оболочкой и экзиной — многослойной внешней оболочкой. В цистах содержится почти в два раза больше липидов, чем в вегетативных клетках. Цисты более устойчивы, чем вегетативные клетки, к механическим воздействиям, высушиванию, лизоциму. Устойчивость цист к высоким температурам не намного выше, чем вегетативных клеток.

К покоящимся формам бактерий относятся также экзоспоры, которые образуются у некоторых почкующихся фотосинтезирующих и метанолокисляюших бактерий. Экзоспоры обладают значительно большей устойчивостью, чем вегетативные клетки, к высушиванию, ультрафиолетовому облучению, высокой температуре (выдерживают кипячение в течение нескольких минут). Известны и другие группы покоящихся клеток бактерий, например специализированные клетки у внутриклеточных паразитов и симбионтов.

1. Чем отличаются прокариоты от эукариот? 2. Перечислите основные формы бактерий и лайте им характеристику. 3. Что представляют собой поверхностные и внутренние структуры бактерий и каковы их функции? 4. Каковы особенности неположительных и гра «отрицательных бактерий? 5. Назовите виды бактерий, не имеющих клеточной стенки. 6. В чем отличие нуклеотида прокариот от ядра эукариот? 7. Охарактеризуйте основные стадии процесса спорообразования. 8. Какие функции выполняют эндоспоры бактерий и какие споры грибов? 9. Чем объясняется термоустойчивость бактерий?