какую роль выполняют споры у бактерий
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.
Спорообразующие бактерии: названия с примерами, патогенные или нет
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.
Что такое споры у бактерий?
Споры бывают разные. Так, у растений и грибов они выполняют функцию размножения, а у бактерий – нет. Споры у бактерий защищают их от воздействия неблагоприятных условий, но не все бактерии наделены такими свойствами.
Что такое спора?
Это микроорганизм, в десятки раз меньше клетки самой бактерии, которой он образован. Уничтожить ее может только специальный антибиотик или открытый огонь.
Жизнеспособности спор можно позавидовать. Эти микроскопические организмы способны сохраняться длительное время, до тысячи лет. Но, попав в благоприятные условия, они преобразуются, быстро растут и размножаются.
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.
Бациллы
Спорообразующие аэробные виды бактерии бациллы – род, который насчитывает около 200 видов бактерий. Все они грамположительные и имеют форму палочек.
В отличие от неспорообразующих, спорообразующие бактерии имеют более крупные размеры. Некоторые из них даже можно увидеть невооруженным глазом.
Среди спорообразующих бактерий бацилл есть патогенные для человека виды. Так, сибирскую язву вызывает бацилла антрацис (возбудитель сибирской язвы). В человеческий организм болезнетворный возбудитель попадает через повреждения на коже. Зараженные ткани подвергаются токсическому воздействию продуктов жизнедеятельности антрацис и отмирают.
Ввиду возможности образования спор при попадании в неблагоприятные условия, возбудителя сибирской язвы невозможно истребить, оказывая на него тепловое, световое или химическое воздействие. Данное обстоятельство усложняет профилактику сибирской язвы, поскольку предупредительные меры ограничиваются только вакцинацией.
Примеры распространения бацилл в почве:
Клостридии и десульфотомакулум
Спорообразующие бактерии клостридии являются грамположительными анаэробами, которые не могут выжить в кислородной среде. Иначе они называются облигатными.
Клостридии имеют вид загнутой палочки и довольно крупные размеры. Они живут в основном в организмах живых существ, могут быть подвижными (со жгутиками) или неподвижными (без жгутиков).
Клостридии, которые обладают патогенными свойствами и могут погубить другие живые организмы, чаще всего имеют надстройку-капсулу. То есть сама клетка не соприкасается с внешней средой, а находится в капсуле.
Цитоплазма этого вида анаэробов по своему составу не отличается от цитоплазмы спорообразующих аэробных бактерий, разница только в метаболических процессах.
Некоторые виды Клостридий вырабатывают токсичные яды, в том числе и ботулотоксин – один из самых сильных органических ядов. Патогенные виды клостридий – это возбудители столбняка, гангрены, ботулизма и т.д.
Род бактерий десульфотомакулум, в отличие от других грамположительных прокариотов, является грамотрицательным. Это облигатный подвижный анаэроб имеет палочковидную форму (изогнутую и прямую). Споры десульфотмакулумов имеют овоидную (яйцевидную) форму и могут располагаться как на полюсах клетки, так и в её центре.
Когда происходит спорообразование?
Спорообразование происходит, когда:
Спорообразование у бактерий
Этот процесс у бактерий происходит тогда, когда не хватает питания, воздуха, высушена среда обитания, в больших количествах содержатся в ней вредоносные продукты обмена, происходят резкие колебания температуры. Если коротко: спорообразование – это механизм, обеспечивающий выживаемость бактерий в неблагоприятных условиях. Сущность образования спор состоит в том, что снижается активность микробов и уменьшается интенсивность процессов обмена.
Спорообразование – это сложный процесс. Цитоплазма начинает терять влагу, она сгущается и собирается в теле бактерии. Там она покрывается плотной оболочкой в несколько слоев, непроницаемой для различных растворов, и принимает вид нового образования округлой, яйцевидной или овальной формы, которое называют спорой. В плотной оболочке зрелой споры синтез ДНК снижается до минимума. Материнская клетка бактерии разрушается, спора теряет материнский чехол.
Доля оболочки в общем весе споры составляет пятьдесят процентов. Спорообразование – это длительный процесс, для завершения которого необходимо около двадцати часов. Внешний вид клетки может оставаться прежним или изменяться. Это зависит от того, какой размер имеет спора и где она расположена. Если в центре – то клетка становится похожей на лимон, бочонок или веретено.
Спорообразование – это изменение формы клетки, как завершающий этап сложного процесса. Так, например, образование споры столбнячной палочки происходит в конце клетки, в результате чего она приобретает совершенно новую форму и становится похожа на барабанную палочку.
Споровые бактерии более устойчивы к замораживанию, высушиванию, длительному или кратковременному кипячению, воздействию химических веществ. Существуют вегетативные формы образования бактерий и спорообразование. Примеры последних: возбудители таких заболеваний, как сибирская язва, ботулизм, столбняк и некоторые виды сапрофитных обитателей почвы, которых можно обнаружить в навозе.
Прорастание
Когда оболочка споры попадает в благоприятную для нее среду, она начинает набухать. Этот процесс происходит до тех пор, пока оболочка полностью ни разрушится. В то время, когда ткань оболочки разрывается, через этот крупный порыв молодая клетка и попадает во внешнюю среду.
Таким способом спора прорастает в аэробных бактериях. Анаэробные бактерии при спорообразовании не теряют внешнюю клеточную оболочку. С внешней средой спора не соприкасается, ее контакт происходит с клеточной оболочкой. Когда возникают благоприятные условия, питательные вещества внутрь клетки попадают через чехол. Спора начинает прорастать.
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.
Характеристика спор
Вид и форма спор
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.
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.
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.
Бактерии и продукты
Спорообразование у бактерий нежелательно при переработке и хранении отдельных продуктов. Если этот процесс происходит, бороться с микроорганизмами будет трудно. Для уничтожения спор в консервах, например, продукт нужно стерилизовать, что намного снизит его качество. Чтобы надолго сохранить молоко, его стерилизуют, а это приводит к потере первоначальных свойств и витамина А. К сведению: температура нагревания при стерилизации – 120 градусов.
При пастеризации, чтобы максимально сохранить питательные вещества, молоко нагревают всего до 80-90 градусов. Это сказывается на сроке хранения: молоко быстро портится, так как при пастеризации споры не умирают, а наоборот, при комнатной температуре они прорастают и начинают быстро размножаться, из-за чего и портится продукт.
Применение
Человек научился широко применять в промышленности деятельность бактерий, которые умеют образовывать споры. Так, при помощи анаэробных спорообразующих бактерий производится ацетон, антибиотики, витамины и гормоны. Аэробные спорообразующие в составе инсектицидов борются в сельском хозяйстве с вредными насекомыми.
Какую роль выполняют споры у бактерий
Споры – форма покоящихся грамположительных бактерий. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.). При этом внутри одной бактерии образуется одна спора. Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения. Спорообразующие палочковидные аэробные бактерии, у которых размер споры не превышает диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие палочковидные анаэробные бактерии, у которых размер споры превышает размер бактериальной клетки, называются клостридиями.
Схема образования споры (по Г.Шлегелю). А и Б – образование септы. В и Г – окружение протопласта споры мембраной материнской клетки. Д – формирование кортекса и оболочек споры. Е – схема строения зрелой споры: 1 – цитоплазма с нуклеоидом; 2 – ЦМ споры; 3 – клеточная стенка споры; 4 – кортекс; 5 – внутренняя оболочка споры; 6 – наружная оболочка споры; 7 – экзоспориум.
Процесс спорообразования (споруляция) проходит ряд стадий. Вначале на одном из полюсов бактериальной клетки происходит конденсация нуклеоида и отделение его за счет образования септы. Затем ЦПМ начинает обрастать образовавшийся протопласт споры и возникает складка, состоящая из двух слоев ЦПМ, позднее они сливаются, в результате образовавшаяся предспора оказывается окруженной двойной оболочкой. Между обращенными друг к другу мембранами образуется зародышевая стенка, кортекс, а также расположенные снаружи от мембран наружная и внутренняя оболочки.
Протопласт споры содержит ЦПМ, цитоплазму, хромосому, все компоненты белоксинтезирующей системы и анаэробной энергообразующей системы. Стенка споры непосредственно окружает внутреннюю мембрану и представлена пептидогликаном, из которого формируется клеточная стенка прорастающей клетки. Кортекс – самый толстый слой оболочки споры, чувствительный к лизоциму. Оболочка споры построена из кератиноподобного белка. Плохая проницаемость ее определяет высокую устойчивость споры к действию различных химических веществ. Экзоспорий – липопротеиновая оболочка, содержащая немного углеводов. В состав споры входит дипиколиновая кислота, обусловливающая термоустойчивость споры. Затем вегетативная часть клетки отмирает, и спора сохраняется во внешней среде в течение длительных сроков.
Clostridium tetani. Электронная микроскопия. Стадии образования споры. Н – нуклеоид; СО – споровая оболочка; СПР – спорангий. Х80000.«Авакян А.А., Кац Л.Н., Павлова И.Б. Атлас анатомии бактерий, патогенных для человека и животных. М «Медицина».-1972.-183 с.»
Способность ряда патогенных бактерий образовывать длительно сохраняющиеся во внешней среде споры, обладающие высокой термоустойчивостью, обусловлена низким содержанием воды, повышенной концентрацией кальция, структурой и химическим составом ее оболочки.
В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активацию, инициацию, прорастание. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Прорастание споры происходит в течение 4-5 ч, в то время как образование споры продолжается 18-20 ч.
Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) является видовым свойством бактерии, что позволяет отличать их друг от друга. Форма спор может быть овальной, шаровидной, расположение в клетке – терминальное, т.е. на конце палочки (возбудитель столбняка), субтерминальное – ближе к концу палочки (возбудитель ботулизма) и центральное (сибиреязвенная бацилла).
Споры можно выявить при обычном окрашивании бактериальной клетки в виде не окрашенной области внутри бактериальной клетки и по методу Ожешко.