Будова і розмноження бактерій

Бактерії належать до прокаріотів — організмів, які не мають оформленого ядра, відокремленого ядерною оболонкою, і мембранних органел (ендоплазматичної сітки, апарату Гольджі, лізосом, мітохондрій, пластид). Розміри бактерій становлять переважно 0,5–5 мкм, тому їх можна побачити у світловий мікроскоп. Уперше бактерії побачив Антоні ван Левенгук 1676 року за допомогою власноруч виготовленого мікроскопа.

Поверхневий апарат

Ззовні бактеріальну клітину обмежує плазматична мембрана. Над нею розташована клітинна стінка з муреїну (пептидоглікану) — полімеру, що надає клітині форми й захищає її від механічних пошкоджень. У багатьох бактерій зовні від стінки є слизова капсула, яка захищає клітину від висихання та від фагоцитів організму-хазяїна. Джгутики — довгі білкові нитки, що забезпечують рух бактерій. Пілі (ворсинки) — коротші поверхневі структури, які слугують для прикріплення до поверхонь і для кон’югації (статеві пілі).

Цитоплазма

У цитоплазмі бактерій містяться рибосоми 70S — вони дрібніші за рибосоми 80S еукаріотів і відповідають за синтез білка. Також у цитоплазмі є включення: гранули глікогену, поліфосфатів (волютину) та краплі жиру. У бактерій немає ендоплазматичної сітки, апарату Гольджі, лізосом, мітохондрій і пластид. Дихальні ферменти розміщені на плазматичній мембрані, а в ціанобактерій фотосинтез відбувається на тилакоїдах у цитоплазмі.

У шкільних підручниках іноді згадують мезосоми — вгини плазматичної мембрани, яким раніше приписували роль у диханні й поділі клітини. Сучасні дослідження вважають мезосоми артефактом приготування препаратів для електронного мікроскопа, тому на НМТ їх не перевіряють.

Спадковий апарат

Нуклеоїд — це ділянка цитоплазми, яка містить хромосомну ДНК і не відокремлена від решти цитоплазми оболонкою. У типовій шкільній моделі бактеріальна хромосома одна й кільцева, хоча в природі трапляються винятки. Крім нуклеоїда, у цитоплазмі можуть бути плазміди — невеликі кільцеві молекули ДНК, які несуть додаткові гени (зокрема гени стійкості до антибіотиків) і подвоюються незалежно від нуклеоїда.

Порівняння прокаріотичної й еукаріотичної клітин

Детальніше порівняння клітин прокаріотів і еукаріотів розглядає курс «Будова клітини та обмін речовин».

За формою клітин бактерій поділяють на кілька основних груп. Форма є важливою систематичною ознакою, хоча за несприятливих умов вона може змінюватися. Її підтримують клітинна стінка й цитоскелет.

Коки — кулясті бактерії

Коки мають форму кулі. Залежно від того, як клітини розташовані після поділу, розрізняють:

• диплококи — клітини розташовані парами (наприклад, менінгокок);

• стрептококи — клітини утворюють ланцюжки; серед них є збудники ангіни й скарлатини (Streptococcus pyogenes);

• стафілококи — клітини скупчуються гроноподібно, наче виноград; найвідоміший представник — золотистий стафілокок (Staphylococcus aureus);

• сарцини — клітини діляться у трьох площинах і утворюють пакети по 8 клітин.

Бацили — паличкоподібні бактерії

Бацили мають форму видовжених паличок. Приклади: кишкова паличка (Escherichia coli), сінна паличка (Bacillus subtilis), туберкульозна паличка (Mycobacterium tuberculosis).

Вібріони й спірили

Вібріони — бактерії, трохи зігнуті у формі коми. Класичний приклад — холерний вібріон (Vibrio cholerae). Спірили — довгі спірально закручені клітини з кількома завитками.

Як розпізнати на рисунку

Тип скупчення коків (пари, ланцюжок, грона) дає змогу відрізнити диплококи, стрептококи й стафілококи. Важливо пам’ятати: просте скупчення коків не означає тканинної організації — бактерії не утворюють справжніх тканин. Окремі бактерії, зокрема нитчасті ціанобактерії, мають спеціалізовані клітини, але це виняток.

Бактерії розмножуються нестатевим шляхом. Найпоширеніший спосіб — поділ клітини навпіл. Крім того, у деяких бактерій трапляється брунькування. Окремо варто розглянути кон'югацію — обмін спадковою інформацією, який не є розмноженням, бо кількість клітин не збільшується.

Поділ навпіл

Поділ бактеріальної клітини починається з реплікації (подвоєння) хромосомної ДНК. Копії ДНК розходяться до протилежних полюсів клітини, після чого в центральній частині утворюється перегородка, яка ділить клітину на дві дочірні. Бактерії мають хромосоми, але не мають ядерного мітозу й мітотичного веретена — це принципова відмінність від поділу еукаріотичних клітин.

За сприятливих умов кишкова паличка (Escherichia coli) ділиться приблизно кожні 20 хвилин. Це означає, що за 10 годин з однієї клітини теоретично може утворитися понад мільярд нащадків ($2^{30}$). У природі такий ріст обмежують нестача поживних речовин, накопичення продуктів обміну й конкуренція з іншими мікроорганізмами.

Брунькування

У деяких бактерій на материнській клітині утворюється виріст (брунька), який поступово збільшується, отримує копію ДНК і згодом відокремлюється. Брунькування трапляється рідше, ніж поділ навпіл, і характерне для окремих груп, зокрема для гіфомікробіумів (Hyphomicrobium).

Кон'югація — обмін генами

Кон'югація — це процес, під час якого бактерія-донор передає частину свого генетичного матеріалу бактерії-реципієнту через статеву пілю. Донор передає копію плазміди або фрагмент хромосомної ДНК. Кількість клітин при цьому не збільшується, тому кон'югація — не розмноження, а статевий процес (рекомбінація генів). Саме через кон'югацію між бактеріями швидко поширюються гени стійкості до антибіотиків.

Гени між бактеріями можуть переносити також бактеріофаги (про це йдеться в уроці про віруси). Форми нестатевого розмноження різних організмів докладно порівнює курс «Молекулярна біологія, поділ клітини і розмноження».

Бактерії, як і багато інших організмів, можуть переживати несприятливі умови в стані спокою. Для цього вони утворюють спори або цисти. Важливо розуміти: ці структури не слугують для розмноження, а лише для виживання.

Ендоспора

Ендоспора утворюється всередині бактеріальної клітини. З однієї клітини формується лише одна спора, тому кількість бактерій не зростає — це не розмноження. Спора має щільну багатошарову оболонку, дуже мало води, а обмін речовин у ній майже повністю зупинений. За сприятливих умов спора проростає в одну активну клітину.

Спори бактерій надзвичайно стійкі: вони витримують кип'ятіння, висушування, мороз і дію дезінфекційних засобів. Вони зберігають життєздатність десятки років. Спори утворюють, зокрема, сінна паличка (Bacillus subtilis), збудники сибірки (Bacillus anthracis), правця (Clostridium tetani) й ботулізму (Clostridium botulinum). Знищує спори лише стерилізація, наприклад в автоклаві парою під тиском за валідованих температури й тривалості циклу (часто близько 121 °C).

Інцистування — утворення цисти

Інцистування — це процес утворення цисти. Клітина втрачає джгутики, округлюється й укривається щільною оболонкою, обмін речовин сповільнюється. Так переживають несприятливі умови деякі бактерії (наприклад, азотобактер) і певні одноклітинні еукаріоти. Утворення цист не властиве всім видам бактерій.

Порівняння зі спорами грибів і рослин

Важливо не плутати спори бактерій зі спорами грибів і рослин. У грибів і рослин спори — це спосіб розмноження: одна материнська структура дає багато спор, які проростають у нові організми. Натомість спора бактерії — це спосіб пережити несприятливі умови, а не спосіб розмноження.

Розгляньмо типові завдання, які трапляються на НМТ з теми «Будова і розмноження бактерій».

Приклад 1. Розпізнавання форм бактерій за рисунком

На рисунку зображено кулясті бактерії, розташовані ланцюжком. Яка це форма бактерій?

Крок 1. Визначаємо форму окремої клітини: куляста — це кок.

Крок 2. Дивимося на характер скупчення: клітини вишикувані в ланцюжок.

Крок 3. Поєднуємо ознаки: кулясті клітини в ланцюжку — це стрептококи.

Відповідь: стрептококи.

Чому інші варіанти неправильні: стафілококи утворюють гроноподібні скупчення, диплококи — пари, а бацили мають форму паличок, а не кульок.

Приклад 2. Логічні пари: структура — функція

Установіть відповідність між структурою бактеріальної клітини (1–4) та її функцією (А–Д).

1 — капсула; 2 — плазміда; 3 — рибосома; 4 — джгутик.

А — захист від висихання й фагоцитів хазяїна; Б — додаткові гени, зокрема стійкості до антибіотиків; В — синтез білка; Г — рух; Д — синтез АТФ на кристах.

Крок 1. Капсула (1) захищає клітину від висихання та від фагоцитів — це А.

Крок 2. Плазміда (2) — невелика кільцева ДНК з додатковими генами, зокрема стійкості до антибіотиків — це Б.

Крок 3. Рибосома (3) — органела для синтезу білка — це В.

Крок 4. Джгутик (4) забезпечує рух бактерії — це Г.

Варіант Д (синтез АТФ на кристах) — зайвий, бо кристи характерні для мітохондрій еукаріотів, а бактерії мітохондрій не мають.

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В, 4 — Г.

Приклад 3. Два твердження

Оцініть правильність двох тверджень.

I. Бактеріальна клітина утворює одну ендоспору, тому спороутворення не збільшує кількості бактерій.

II. Під час кон'югації кількість бактеріальних клітин подвоюється.

Крок 1. Твердження I: з однієї бактеріальної клітини утворюється лише одна ендоспора, тому кількість клітин не зростає — це правильне твердження.

Крок 2. Твердження II: кон'югація — це обмін генетичним матеріалом, під час якого кількість клітин не змінюється, тому твердження II хибне.

Відповідь: правильне лише I.

Приклад 4. Якої структури НЕ має кишкова паличка?

Якої з перелічених структур НЕ має типова клітина кишкової палички?

Крок 1. Кишкова паличка — бактерія, тобто прокаріот. Прокаріоти не мають мембранних органел.

Крок 2. Мітохондрія — мембранна органела, якої немає в бактерій. Рибосоми, плазматична мембрана й клітинна стінка — наявні.

Відповідь: мітохондрію.

• Приписують бактеріям мітохондрії, ЕПС, апарат Гольджі чи мітоз. Насправді бактерії — прокаріоти, у них немає мембранних органел і мітозу.

• Вважають спору способом розмноження бактерій. Помилка: з однієї клітини утворюється лише одна спора, тому кількість клітин не зростає — це спосіб пережити несприятливі умови.

• Вважають кон'югацію розмноженням. Насправді під час кон'югації кількість клітин не збільшується — це обмін генами (статевий процес).

• Плутають стрептококи (ланцюжок) і стафілококи (грона), вібріони (кома) і спірили (спіраль). Запам'ятай: стрепто- = ланцюжок, стафіло- = грона.

• Називають нуклеоїд ядром. Нуклеоїд не відокремлений від цитоплазми ядерною оболонкою, тому це не ядро.

• Вважають, що клітинна стінка бактерій, як у рослин, складається з целюлози. Насправді вона складається з муреїну (пептидоглікану).

Тема 3.3 програми НМТ з біології вимагає знати будову клітини прокаріотів, нуклеоїд, інцистування, розмноження (поділ, брунькування) й обмін спадковою інформацією (кон'югація), візуально розпізнавати форми бактерій і порівнювати клітини про- й еукаріотів.

У демоваріанті НМТ-2026 завдання з основною темою 3.3 немає. Тема може трапитися в завданнях з вибором однієї відповіді (1–24, 0 або 1 бал) чи на встановлення відповідності — логічні пари (25–28, 1–4 → А–Д, одна буква зайва, до 4 балів), а як частина комплексного завдання — і у формі «три групи» (29–30). Офіційного розподілу тем за формами немає.

У демо 2026 рисунок, схема чи фото є в 15 завданнях з 30, а в логічних парах № 26 і 27 пари будують за зображеннями, тож форми бактерій і частини клітини вчи за рисунками.

Стратегія для запитань «що НЕ властиво бактеріям»: шукай серед варіантів ядро, мембранні органели й мітоз.

• Бактерії — прокаріоти: немає ядра й мембранних органел, кільцева ДНК розміщена в нуклеоїді.

• Рибосоми 70S, муреїнова стінка, часто капсула, джгутики й пілі; плазміди несуть додаткові гени.

• Форми: коки (диплококи, стрептококи, стафілококи), бацили, вібріони, спірили.

• Розмноження — поділ навпіл, у деяких — брунькування, без мітозу. Кишкова паличка ділиться приблизно кожні 20 хвилин за оптимальних умов (не для всіх бактерій).

• Кон'югація — обмін генами без збільшення кількості клітин.

• Спора й циста — переживання несприятливих умов, а не розмноження.