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.
Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в весьма неблагоприятных условиях внешней среды. Они способны переживать крайне высокие и низкие температуры, сохранять жизнеспособность на протяжении очень многих лет. Так известны бактерии, споры которых могут прорастать через 1000 лет. У других бактерий споры выдерживают кипячение. Бывает, что споры способны пережить температуру меньше -200 градусов Цельсия.
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.
Зеленым цветом обозначена оболочка споры, пространство внутри - цитоплазма
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.
Розовым цветом обозначены бактерии, серо-зеленым - их споры. Видно, что споры меньше бактерий
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. рода клостридиум вызывают , 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.
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.
СПОРЫ (греч. spora сеяние, посев) - микроскопические зачатки, образуемые нек-рыми растениями и бактериями при бесполом размножении.
Споры растений
С. образуют растения различных систематических групп - водоросли, грибы, многие виды высших растении.
Библиография: Вилли К. А. и Детье В. Д ж. Биология (Биологические процессы и законы), пер. с англ., с. 267, 660, М., 1974; Жизнь растений, под ред. А. А. Федорова, т. 1 - 4, М., 1974 - 1978; Корн М. Я. и Солов ь-е в H. Н. Об использовании фазовоконтрастной микроскопии для наблюдения спор в окрашенных мазках, Лаборат. дело, № 6, с. 51, 1961; Краткий определитель бактерий Берги, под ред. Дж. Хоулта, пер. с англ., с. 286, М., 1980; Работ-н о в а И. Л. Общая микробиология, с. 65, М., 1966; Руководство по микробиологической диагностике инфекционных болезней, под ред. К. И. Матвеева, с. 27, М., 1973; Стейниер Р., Э д е л ь б e р г Э. и Ингрэм Д ж. Мир микробов, пер. с англ., т. 3, с. 184, М., 1979; The bacterial spore, ed. by G. W. Gould a. A. Hurst, L.-N. Y., 1969.
Т. В. Вещикова; М. Я. Корн (бакт.); М. Я. Корн и М. Ф. Култаев (цветн. рис.).
Спорообразование
спорогенез, процесс образования спор (См. Споры). У растительных организмов - прокариотов (См. Прокариоты), клетки которых не имеют типичных ядер, споры могут возникать: из целой клетки, накопившей питательные вещества и утолщившей оболочку (экзоспоры многих сине-зеленых водорослей); при делении Протопласт а на большое число спор (эндоспоры некоторых сине-зеленых водорослей, рис. 1,
1); в результате уплотнения и сжатия протопласта внутри оболочки клетки и образования поверх него новой многослойной оболочки (у бактерий); при распаде особых участков мицелия на членики (у актиномицетов, рис. 1
, 2). У растений - эукариотов (См. Эукариоты), обладающих типичными ядрами, имеющих 3 основных типа спор (оо-, мито- и мейоспоры) и занимающих разное место в циклах развития, могут быть соответственно и 3 варианта С.: ооспорогенез, митоспорогенез и мейоспорогенез. Обычно под С. понимают образование мейоспор (мейоспорогенез). Ооспорогенез связан с процессом оплодотворения и, следовательно, со сменой ядерных фаз в циклах развития; заканчивается образованием ооспор (у многих зелёных водорослей и оомицетов), ауксоспор (у диатомей), зигоспор (у зигомицетов), представляющих собой одноядерные или многоядерные зиготы. Митоспорогенез приводит к возникновению митоспор, формирующихся по нескольку или в обльшом числе в результате митотических делений (см. Митоз) гаплоидных [например, зооспоры ряда водорослей (рис. 1
, 3) и грибов], реже диплоидных (например, карпоспоры большинства флоридей) клеток или без делений - моноспоры эдогониума (рис.
1
, 4), бангиевых, немалионовых; к смене ядерных фаз не приводит. Протекает в одноклеточных митоспорангиях (например, в зооспорангиях улотрикса, моноспорангиях эдогониума, цистокарпиях флоридей), а одноклеточные водоросли как бы сами становятся спорангиями (рис. 1
, 5). Митоспорогенез может наблюдаться при распадении мицелия, состоящего из клеток, содержащих дикарионы, например у головнёвых и ржавчинных грибов. Мейоспорогенез связан со сменой диплофазы (См. Диплофаза) в циклах развития как низших, так и высших растений гаплофазой (См. Гаплофаза). У низших растений мейоспоры возникают в результате Мейоз а или вскоре после него из митотически разделившихся гаплоидных клеток, образовавшихся при мейозе. У водорослей и грибов с гаплоидным циклом развития С. происходит при прорастании зиготы (ооспоры), диплоидное ядро которой, делясь мейотически, образует 4 гаплоидных ядра; при этом возникают 4 мейоспоры (например, зооспоры хламидомонад, рис. 1
, 6, апланоспоры улотрикса), либо 3 из четырёх гаплоидных ядер отмирают и образуется лишь 1 мейоспора (например, у спирогиры, рис. 1
, 7), либо за мейозом следует 1-3 митотических деления и формируются 8-32 споры (например, у бангиевых). У водорослей, имеющих изоморфный и гетероморфный циклы развития, мейоспорогенез протекает в одноклеточных мейоспорангиях и характеризуется образованием либо 4 мейоспор (например, тетраспоры бурых водорослей и большинства флоридей, рис. 1
, 8), либо 16-128 мейоспор (например, зооспоры ламинариевых, рис. 1
, 9) вследствие 2-5 митотических делений, следующих за мейозом. В спорангиях сумчатых грибов (сумках, или асках) возникшие в результате мейоза 4 гаплоидных ядра делятся митотически и формируются 8 эндогенных мейоспор (аскоспор). В базидиях (спороносных органах) базидиальных грибов после мейоза возникают по 4 гаплоидных ядра, которые перемещаются в специальные выросты на поверхности базидий; в дальнейшем эти выросты с гаплоидными ядрами, т. и. базидиоспоры, отделяются от базидий (рис. 1
, 10). Высшие растения образуют только мейоспоры, мейоспорогенез протекает в многоклеточных спорангиях. Обычно в результате митотических делений диплоидных клеток археспория (См. Археспорий) возникают т. н. спороциты (мейотически делящиеся клетки), формирующие по 4 споры (тетрады спор). Равноспоровые папоротникообразные продуцируют морфологически и физиологически одинаковые споры (рис. 2
, 1), из которых развиваются обоеполые заростки. У разноспоровых папоротникообразных и семенных растений осуществляются микро- и мегаспорогенез, мейоспорогенез, т. е. возникают споры двух типов. Микроспорогенез происходит в микроспорангиях и завершается образованием большого числа микроспор (рис. 2
, 2), прорастающих затем в мужские заростки; мегаспорогенез - в мегаспорангиях, где в меньшем числе - часто даже 4 или 1 - созревают мегаспоры (рис. 2
, 3), прорастающие в женские заростки. Развивающиеся спороциты и споры (у большинства высших растений) питаются веществами, получаемыми из клеток тапетума (слоя, выстилающего изнутри полость спорангия). У многих растений клетки этого слоя, расплываясь, образуют периплазмодий (протоплазматическую массу с дегенерирующими ядрами), в котором оказываются спороциты, а затем и споры. У некоторых растений в формировании периплазмодия участвует и часть спороцитов. В мегаспорангиях (семезачатках) некоторых покрытосеменных в результате мейоза образуются клетки с 2 или 4 гаплоидными ядрами, соответствующие 2 (рис. 2
, 4) или 4 (рис. 2
, 5) мегаспорам; из этих клеток развиваются женские гаметофиты - т. н. биспорические и тетраспорические зародышевые мешки. О С. у простейших см. в ст. Споры . Лит.:
Мейер К. И., Размножение растений, М., 1937; Курсанов Л.И., Комарницкий Н. А., Курс низших растений, М., 1945; Магешвари П., Эмбриология покрытосеменных, пер. с англ., М., 1954; Тахтаджян А. Л., Высшие растения, т. 1, М. - Л., 1956; Поддубная-Арнольди В,А., Общая эмбриология покрытосеменных растений, М., 1964: Smith G. М., Cryptogamic botany, 2 ed., v. 1-2, N. Y. - L., 1955; Lehrbuch der Botanik für Hochschulen, 29 Aufl., Jena, 1967. А. Н. Сладков.
Рис. 1. Спорообразование у низших растений. 1 - образование и выход эндоспор у сине-зеленой водоросли Dermocarpa; 2 - распадение мицелия на членики у актиномицета Nocardia; 3 - улотрикс (Ulothrix): выход спор (а) и спора (б); 4 - эдогониум (Oedogonium): выход зооспоры; 5 - хламидомонада (Chlamydomonas): четыре споры внутри оболочки произведшей их клетки; 6 - хламидомонада (Chlamydomonas): зигота (а) и её прорастание четырьмя спорами (б); 7 - спирогира (Spirogyra): зигота (а) и её прорастание - образование четырёх гаплоидных ядер (б), отмирание трёх ядер (в), одноядерный проросток (г); 8 - каллитамнион (Callithamnion): тетраспорангий (а) и выход тетраспор (б); 9 - ламинариевая водоросль Chorda filum: спорангий с диплоидным ядром (а), четырьмя (б) и шестнадцатью (в) гаплоидными ядрами, с почти созревшими спорами (г); 10 - базидия с дикарионом (а), диплоидным ядром (б) и четырьмя гаплоидными ядрами (в) у базидиальных грибов; г - переход гаплоидного ядра в базидиоспору. Рис. 2. Спорообразование у высших растений. 1 - развитие спорангия у равноспорового лептоспорангиатного папоротника; 2 - развитие микроспорангия у селагинеллы (Selaginella); 3 - развитие микроспорангия у азолии (Azolla); 4 - мегаспороцит (а) до мейоза и возникшие из него клетки после первого (б) и второго (в) делений мейоза у лука (Allium cepa); 5 - мегаспороцит (а) до мейоза и образовавшиеся после первого и второго делений мейоза двуядерная (б) и четырехъядерные (в, г) клетки у рябчика (Fritillaria persica). АС - археспорий, ТП - тапетум, ПП - периплазмодий, СЦ - спороциты, ЯС - ядра спор, СП - споры (изоспоры), МС - мегаспора, ТМ - тетрады микроспор.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Синонимы :Смотреть что такое "Спорообразование" в других словарях:
Спорообразование … Орфографический словарь-справочник
В природе существуют бактерии, обладающие уникальным свойством образовывать споры. Как происходит этот процесс, читатель узнает, прочитав статью.
Споры
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.
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 они прорастают и начинают быстро размножаться, из-за чего и портится продукт.
