Przy zapewnieniu odpowiednich warunków (pożywienie, odpowiednia temperatura, itp.) mikroby mogą rosnąć bardzo szybko. W zależności od sytuacji, może to być dobra rzecz dla ludzi (drożdże rosnące w brzeczce do produkcji piwa) lub zła rzecz (bakterie rosnące w twoim gardle powodujące anginę). Ważne jest, aby mieć wiedzę na temat ich wzrostu, więc możemy przewidzieć lub kontrolować ich wzrost w szczególnych warunkach.

While wzrost dla organizmów muticelluar jest zwykle mierzona w kategoriach wzrostu wielkości pojedynczego organizmu, wzrost mikroorganizmów jest mierzona przez wzrost populacji, albo przez pomiar wzrostu liczby komórek lub wzrost ogólnej masy.

Dział bakterii

Bakterie i archaea rozmnażają się wyłącznie bezpłciowo, podczas gdy mikroby eukartyotyczne mogą angażować się w rozmnażanie płciowe lub bezpłciowe. Bakterie i archaea najczęściej angażują się w proces znany jako rozszczepienie binarne, gdzie pojedyncza komórka dzieli się na dwie równej wielkości komórki. Inne, mniej powszechne procesy mogą obejmować rozszczepienie wielokrotne, pączkowanie i wytwarzanie przetrwalników.

Proces rozpoczyna się od wydłużenia komórki, co wymaga starannego powiększenia błony komórkowej i ściany komórkowej, oprócz zwiększenia objętości komórki. Komórka zaczyna replikować swoje DNA, w przygotowaniu do posiadania dwóch kopii swojego chromosomu, po jednej dla każdej nowo powstałej komórki. Białko FtsZ jest niezbędne do utworzenia przegrody, która początkowo objawia się jako pierścień w środku wydłużonej komórki. Gdy nukleoidy zostaną rozdzielone na każdy koniec wydłużonej komórki, formowanie przegrody zostaje zakończone, dzieląc wydłużoną komórkę na dwie jednakowej wielkości komórki potomne. Cały ten proces lub cykl komórkowy może trwać zaledwie 20 minut dla aktywnej kultury bakterii E. coli.

Krzywa wzrostu

Ponieważ bakterie są łatwe do hodowania w laboratorium, ich wzrost był szeroko badany. Ustalono, że w systemie zamkniętym lub hodowli okresowej (bez dodawania pożywienia, bez usuwania odpadów) bakterie będą rosły w przewidywalny sposób, co skutkuje krzywą wzrostu składającą się z czterech wyraźnych faz wzrostu: fazy opóźnienia, fazy wykładniczej lub logarytmicznej, fazy stacjonarnej i fazy śmierci lub spadku. Dodatkowo z tej krzywej wzrostu można uzyskać czas generacji danego organizmu – ilość czasu potrzebną do podwojenia się populacji.

Szczegóły związane z każdą krzywą wzrostu (liczba komórek, długość każdej fazy, szybkość wzrostu lub śmierci, ogólny czas trwania) będą się różnić w zależności od organizmu, a nawet od warunków panujących w tym samym organizmie. Ale wzór czterech wyraźnych faz wzrostu zazwyczaj pozostanie.

Faza lag

Faza lag jest okresem adaptacji, w którym bakterie dostosowują się do nowych warunków. Długość fazy lag może się znacznie różnić, w zależności od tego jak bardzo warunki różnią się od tych, w których żyły bakterie, jak również od stanu samych komórek bakteryjnych. Aktywnie rosnące komórki przeniesione z jednego rodzaju podłoża na ten sam rodzaj podłoża, o tych samych warunkach środowiskowych, będą miały najkrótszy okres opóźnienia. Uszkodzone komórki będą miały długi okres opóźnienia, ponieważ muszą się naprawić, zanim będą mogły zaangażować się w reprodukcję.

Typowo komórki w okresie opóźnienia syntetyzują RNA, enzymy i niezbędne metabolity, których może brakować w nowym środowisku (takie jak czynniki wzrostu lub makrocząsteczki), jak również dostosowują się do zmian środowiskowych, takich jak zmiany temperatury, pH lub dostępności tlenu. Mogą również podejmować wszelkie niezbędne naprawy zranionych komórek.

Faza wykładnicza lub faza log

Gdy komórki zgromadzą wszystko, czego potrzebują do wzrostu, przechodzą do podziału komórek. Wykładnicza lub logiczna faza wzrostu jest oznaczona przez przewidywalne podwojenia populacji, gdzie 1 komórka staje się 2 komórkami, staje się 4, staje się 8 itd. Warunki, które są optymalne dla komórek spowodują bardzo szybki wzrost (i bardziej strome nachylenie krzywej wzrostu), podczas gdy mniej niż idealne warunki spowodują wolniejszy wzrost. Komórki w fazie wykładniczej wzrostu są najzdrowsze i najbardziej jednorodne, co wyjaśnia, dlaczego większość eksperymentów wykorzystuje komórki z tej fazy.

Dzięki przewidywalności wzrostu w tej fazie, faza ta może być wykorzystana do matematycznego obliczenia czasu potrzebnego na podwojenie liczebności populacji bakterii, znanego jako czas generacji (g). Informacja ta jest wykorzystywana przez mikrobiologów w badaniach podstawowych, jak również w przemyśle. W celu określenia czasu generacji, logarytm naturalny liczby komórek może być wykreślony względem czasu (gdzie jednostki mogą być różne, w zależności od szybkości wzrostu danej populacji), przy użyciu wykresu półlogarytmicznego w celu wygenerowania linii o przewidywalnym nachyleniu.
Nachylenie linii jest równe 0,301/g. Alternatywnie można oprzeć się na stałej zależności między początkową liczbą komórek na początku fazy wykładniczej a liczbą komórek po pewnym okresie czasu, którą można wyrazić następująco:

mathrm{N = N_{0}2^{n}}

gdzie N jest końcowym stężeniem komórek, N0 jest początkowym stężeniem komórek, a n jest liczbą pokoleń, które wystąpiły między określonym okresem czasu. Czas generacji (g) może być reprezentowany przez t/n, gdzie t jest określonym okresem czasu w minutach, godzinach, dniach lub miesiącach. Tak więc, jeżeli znane jest stężenie komórek na początku fazy wykładniczej wzrostu oraz stężenie komórek po pewnym okresie czasu wzrostu wykładniczego, można obliczyć liczbę pokoleń. Następnie, wykorzystując czas, w którym wzrost był dozwolony (t), można obliczyć g.

Faza stacjonarna

Wszystko, co dobre, musi się skończyć (w przeciwnym razie bakterie zrównałyby się z masą Ziemi w ciągu 7 dni!). W pewnym momencie populacji bakterii kończy się niezbędny składnik odżywczy/chemiczny lub jej wzrost jest hamowany przez jej własne produkty odpadowe (jest to zamknięty pojemnik, pamiętasz?) lub brak fizycznej przestrzeni, powodując wejście komórek w fazę stacjonarną. W tym momencie liczba nowych komórek produkowanych jest równa liczbie komórek umierających lub wzrost całkowicie ustał, co powoduje spłaszczenie wzrostu na krzywej wzrostu.

Fizjologicznie komórki stają się zupełnie inne na tym etapie, jak próbują dostosować się do ich nowych warunków głodu. Kilka nowych komórek, które są produkowane są mniejsze w rozmiarze, z bacilli staje się prawie kulisty w kształcie. Ich błona plazmatyczna staje się mniej płynna i przepuszczalna, z większą ilością hydrofobowych cząsteczek na powierzchni, które sprzyjają adhezji i agregacji komórek. Nukleoid ulega kondensacji, a DNA wiąże się z białkami wiążącymi DNA z wygłodzonych komórek (DPS), aby chronić DNA przed uszkodzeniem. Zmiany te mają na celu umożliwienie komórce przetrwanie przez dłuższy czas w niekorzystnych warunkach, w oczekiwaniu na bardziej optymalne warunki (np. wlew substancji odżywczych). Te same strategie są wykorzystywane przez komórki w środowiskach oligotroficznych lub o niskiej zawartości składników odżywczych. Postawiono hipotezę, że komórki w świecie naturalnym (tj. poza laboratorium) zazwyczaj istnieją przez długie okresy czasu w środowiskach oligotroficznych, z jedynie sporadycznymi infuzjami składników odżywczych, które przywracają je do wzrostu wykładniczego na bardzo krótkie okresy czasu.

Podczas fazy stacjonarnej komórki są również podatne na wytwarzanie metabolitów wtórnych lub metabolitów wytwarzanych po aktywnym wzroście, takich jak antybiotyki. Komórki, które są zdolne do wytworzenia endospory, aktywują niezbędne geny podczas tego etapu, w celu zainicjowania procesu sporulacji.

Faza śmierci lub spadku

W ostatniej fazie krzywej wzrostu, fazie śmierci lub spadku, liczba zdolnych do życia komórek zmniejsza się w przewidywalny (lub wykładniczy) sposób. Stromość zbocza odpowiada temu, jak szybko komórki tracą żywotność. Uważa się, że warunki hodowli pogorszyły się do punktu, w którym komórki są nieodwracalnie uszkodzone, ponieważ komórki zebrane z tej fazy nie wykazują wzrostu po przeniesieniu na świeżą pożywkę. Ważne jest, aby zauważyć, że jeśli mętność hodowli jest mierzona jako sposób na określenie gęstości komórek, pomiary mogą nie zmniejszyć się w tej fazie, ponieważ komórki mogą być nadal nienaruszone.

Zasugerowano, że komórki uważane za martwe mogą się odrodzić w specyficznych warunkach, stanie opisanym jako żywotne, ale nie nadające się do hodowli (VBNC). Ten stan może mieć znaczenie dla patogenów, gdzie wchodzą one w stan bardzo niskiego metabolizmu i braku podziałów komórkowych, tylko po to, by wznowić wzrost w późniejszym czasie, gdy warunki się poprawią.

Wykazano również, że 100% śmierć komórkowa jest mało prawdopodobna, dla jakiejkolwiek populacji komórek, ponieważ komórki mutują, by przystosować się do warunków środowiskowych, jakkolwiek surowych. Często obserwuje się efekt ogona, gdzie mała populacja komórek nie może zostać zabita. Ponadto, komórki te mogą odnieść korzyść ze śmierci swoich współtowarzyszy, którzy dostarczają substancji odżywczych do środowiska, ponieważ ulegają rozpadowi i uwalniają swoją zawartość komórkową.

.