நுண்ணங்கி வளர்ச்சி — வளர்ச்சி வளைவு மற்றும் காரணிகள்
ஏன் இது முக்கியம்? E. coli 20 நிமிடத்தில் இரட்டிப்பாகும் — 24 மணி நேரத்தில் கோட்பாட்டளவில் 4.7 × 10²¹ கலங்கள். ஆண்டிபயோடிக் சரியான நேரத்தில் கொடுக்காவிட்டால் exponential phase-ல் வளரும் நோய்க்காரணியை கட்டுப்படுத்துவது கடினம்.
வளர்ச்சி வளைவு (growth curve) தொழிற்சாலை நொதிப்பிலும், மருத்துவ நோய்க்கான நேரக் கணிப்பிலும் நேரடியாக பயன்படுகிறது.
- நுண்ணங்கிகள் (microorganisms) ஏன் உயர் வளர்ச்சிவீதம் (high growth rate) கொண்டவை என்பதையும் தலைமுறைக் காலம் (generation time) என்றால் என்னவென்பதையும் விளக்குதல்.
- இருமடிப் பிளவின் (binary fission) மூலம் குடித்தொகை (population) எவ்வாறு அடுக்குப்படிப் பெருகுகிறது என்பதை விபரித்தல்.
- நுண்ணங்கிக் குடித்தொகை வளர்ச்சி வளைவின் (growth curve) நான்கு அவத்தைகளையும் வளர்ச்சியைப் பாதிக்கும் காரணிகளையும் வேறுபடுத்துதல்.
1. நுண்ணங்கிகளின் உயர் வளர்ச்சிவீதம் (High Growth Rate)
E. coli electron micrograph
Wikipedia → · CC
நுண்ணங்கிகள் (microorganisms) உயர்வான வளர்ச்சி மற்றும் இனப்பெருக்கவீதம் (rate of growth and reproduction) கொண்டவை. அவற்றின் சிறிய உடற்பருமன் காரணமாக மேற்பரப்பு / கனவளவு விகிதம் (surface area / volume ratio) மிக உயர்வாகக் காணப்படுகிறது. இதனால் வெளிச்சூழலிலிருந்து பொருட்கள் கலத்தினுள் செல்லும் வீதமும் கழிவுப் பொருட்கள் வெளியேறும் வீதமும் அதிகரிக்கிறது; விளைவாக வளர்சிதைமாற்ற வீதம் (metabolic rate) உயர்வாக இருக்கிறது.
இதன் காரணமாக நுண்ணங்கிகளின் சராசரி தலைமுறைக் காலம் (average generation time) — அதாவது குடித்தொகை இரட்டிப்பாவதற்குத் தேவைப்படும் நேரம் — ஒப்பீட்டளவில் மிகக் குறைவாக இருக்கிறது.
2. இருமடிப் பிளவு (Binary Fission)
Stages of binary fission
Wikipedia → · CC
பெரும்பாலான பற்றீரியாக்கள் (bacteria) இருமடிப் பிளவு (binary fission) எனும் அலிங்க இனப்பெருக்க (asexual reproduction) முறையால் இனப்பெருகுகின்றன; சில சந்தர்ப்பங்களில் துண்டாதல் (fragmentation) அல்லது மொட்டுவிடல் (budding) மூலமும் இனப்பெருகுகின்றன. ஒரு கலம் இரண்டாகப் பிளவுபடும்போது குடித்தொகை இரட்டிப்பாகிறது; எனவே சீரான நிபந்தனைகளில் குடித்தொகை அடுக்குப்படியாக (exponentially) — அதாவது 1 → 2 → 4 → 8 → 16 … என்ற வடிவில் — பெருகுகிறது.
3. வளர்ச்சி வளைவின் நான்கு அவத்தைகள் (Phases of the Growth Curve)
Bacterial growth curve — four phases
Wikipedia → · CC
ஒரு மூடிய வளர்ப்பு ஊடகத்தில் (closed/batch culture) நுண்ணங்கிக் குடித்தொகையை நேரத்திற்கு எதிராக வரைபடப்படுத்தினால் கிடைக்கும் வளைவே வளர்ச்சி வளைவு (growth curve). இது நான்கு அவத்தைகளைக் (phases) கொண்டது:
- தாமத அவத்தை (Lag phase): கலங்கள் புதிய சூழலுக்கு இசைவாக்கம் (adaptation) அடைகின்றன; நொதியங்களையும் (enzymes) கட்டமைப்புக் கூறுகளையும் தொகுக்கின்றன. இங்கு கலப்பிரிவு (cell division) குறைவு; குடித்தொகை கிட்டத்தட்ட மாறாமல் இருக்கும்.
- அடுக்கு / மடக்கை அவத்தை (Log / Exponential phase): கலங்கள் சீரான அதிகூடிய வீதத்தில் இருமடிப் பிளவால் இரட்டிப்படைகின்றன; குடித்தொகை அடுக்குப்படியாகப் பெருகுகிறது. தலைமுறைக் காலம் (generation time) இவ்வவத்தையில் கணக்கிடப்படுகிறது.
- நிலையான அவத்தை (Stationary phase): ஊட்டச்சத்துக்கள் (nutrients) குறைதல், கழிவுப் பொருட்கள் (toxic waste) சேர்தல், ஒட்சிசன் (oxygen) குறைதல் காரணமாக வளர்ச்சி வீதம் = இறப்பு வீதம் ஆகிறது; வாழும் கலங்களின் எண்ணிக்கை கிட்டத்தட்ட மாறாமல் இருக்கும்.
- அழிவு / சாவு அவத்தை (Death / Decline phase): ஊட்டச்சத்து தீர்ந்து கழிவுகள் நச்சாக மிகுவதால் இறப்பு வீதம் > வளர்ச்சி வீதம் ஆகிறது; வாழும் கலங்களின் எண்ணிக்கை அடுக்குப்படியாகக் குறைகிறது.
| அவத்தை (Phase) | வளர்ச்சி வீதம் vs இறப்பு வீதம் | முக்கிய நிகழ்வு |
|---|---|---|
| தாமத (Lag) | பிரிவு குறைவு | இசைவாக்கம், நொதியத் தொகுப்பு |
| அடுக்கு (Log) | வளர்ச்சி > இறப்பு (அதிகூடியது) | சீரான இரட்டிப்பு |
| நிலையான (Stationary) | வளர்ச்சி = இறப்பு | ஊட்டச்சத்து குறைவு + கழிவு சேர்வு |
| அழிவு (Death) | இறப்பு > வளர்ச்சி | நச்சுச் சேர்வு, கலம் சாதல் |
4. வளர்ச்சியைப் பாதிக்கும் காரணிகள் (Factors Affecting Growth)
Aerobic vs anaerobic microorganisms
Wikipedia → · CC
நுண்ணங்கி வளர்ச்சியைப் பல சூழற் காரணிகள் (environmental factors) பாதிக்கின்றன:
- வெப்பநிலை (Temperature): தாழ் வெப்பநிலையில் வளர்ச்சி மெதுவாகவும், சூழல் வெப்பநிலையில் (ambient) வளர்ச்சி அதிகமாகவும் இருக்கும். 4 °C குளிரூட்டியில் கூட குளிர் விரும்பும் (psychrophilic) பற்றீரியா வளர்ச்சியடையும்.
- pH: பெரும்பாலான நுண்ணங்கிகள் நடுநிலை pH 7.0 (6.6–7.5) அளவில் சிறந்து வளர்கின்றன; பற்றீரியா பொதுவாக pH 5–7 இல் வளரும்; ப+ஞ்சணங்களும் (molds) ஈஸ்ட்டும் (yeast) pH 2–10 எனும் பரந்த வீச்சில் வளரக்கூடியவை.
- ஒட்சிசன் (Oxygen): சூழலில் O₂ இருப்பு / இன்மை வளரும் நுண்ணங்கி வகையைத் தீர்மானிக்கிறது (காற்றுவாழ் / காற்றின்றி வாழ் — aerobic / anaerobic).
- ஈரப்பதன் / சார்பீரப்பதன் (Moisture / Relative humidity): நீர் கிடைப்பு வளர்ச்சிக்கு இன்றியமையாதது; உயர் ஈரப்பதன் வளர்ச்சியை எளிதாக்குகிறது.
- ஊட்டச்சத்து கிடைப்பு (Nutrient availability): சத்து நிறைந்த ஊடகம் வேக வளர்ச்சிக்கு உதவுகிறது.
- ஒளி, அமுக்கம் (Light, pressure): ஒளிச்சேர்க்கை நுண்ணங்கிகளுக்கு ஒளி தேவை; ஆழ்கடல் வகைகள் உயர் அமுக்கத்தைத் தாங்கும்.
Bacterial Growth Curve Simplified
Nerdvana Science
- ஒரு கலம் இறக்க எடுக்கும் நேரம் / Time for a cell to die
- குடித்தொகை இரட்டிப்பாக எடுக்கும் நேரம் / Time for the population to double
- நொதியம் தொகுக்கும் நேரம் / Time to make an enzyme
- ஊட்டச்சத்து தீரும் நேரம் / Time for nutrients to run out
- ஒரு வளைவு முடியும் நேரம் / Time a curve ends
பதில் / Answer
- பெரிய உடற்பருமன் / Large body size
- உயர் மேற்பரப்பு/கனவளவு விகிதம் / High surface area to volume ratio
- தடித்த கலச்சுவர் / Thick cell wall
- அதிக DNA / More DNA
- குறை ஒட்சிசன் / Low oxygen
பதில் / Answer
- இலிங்க இனப்பெருக்கம் / Sexual reproduction
- இருமடிப் பிளவு / Binary fission
- மொட்டுவிடல் மட்டும் / Budding only
- துண்டாதல் மட்டும் / Fragmentation only
- இணைப்பு / Conjugation
பதில் / Answer
- நேர்கோட்டு / Linear
- அடுக்குப்படி (1→2→4→8) / Exponential (1→2→4→8)
- மாறா / Constant
- குறைவு / Declining
- சீரற்ற / Random
பதில் / Answer
- இருமடிப் பிளவு / Binary fission
- இணைப்பு (conjugation) / Conjugation
- மொட்டுவிடல் / Budding
- துண்டாதல் / Fragmentation
- ஒடுக்கற்பிரிவு / Meiosis
பதில் / Answer
- அடுக்கு → தாமத → நிலையான → அழிவு
- தாமத → அடுக்கு → நிலையான → அழிவு
- தாமத → நிலையான → அடுக்கு → அழிவு
- நிலையான → தாமத → அடுக்கு → அழிவு
- அழிவு → தாமத → அடுக்கு → நிலையான
பதில் / Answer
- தாமத அவத்தை / Lag phase
- அடுக்கு அவத்தை / Log phase
- நிலையான அவத்தை / Stationary phase
- அழிவு அவத்தை / Death phase
- -
பதில் / Answer
- தாமத / Lag
- அடுக்கு (log) / Log
- நிலையான / Stationary
- அழிவு / Death
- -
பதில் / Answer
- தாமத / Lag
- அடுக்கு / Log
- நிலையான (stationary) / Stationary
- அழிவு / Death
- -
பதில் / Answer
- ஊட்டச்சத்து குறைவு + கழிவு சேர்வு / Nutrient depletion + waste build-up
- அதிக ஒட்சிசன் / Excess oxygen
- புதிய ஊடகம் / Fresh medium
- வேக இரட்டிப்பு / Rapid doubling
- -
பதில் / Answer
- அழிவு அவத்தை / Death phase
- தாமத / Lag
- அடுக்கு / Log
- நிலையான / Stationary
- -
பதில் / Answer
- திறந்த நீரோடை ஊடகம் / Open flowing medium
- மூடிய (தொகுதி) வளர்ப்பு / Closed (batch) culture
- மண்ணில் வளர்ப்பு / Soil culture
- உயிருள்ள போசகன் / Living host
- -
பதில் / Answer
- pH 2.0
- pH 4.0
- pH 7.0 (6.6–7.5)
- pH 10.0
- pH 12.0
பதில் / Answer
- pH 2–10
- pH 5–7
- pH 0–2
- pH 11–14
- pH 9–12
பதில் / Answer
- பற்றீரியா மட்டும் / Only bacteria
- வைரஸ் / Viruses
- ப+ஞ்சணம் + ஈஸ்ட் / Molds and yeasts
- ப்ரியான்கள் / Prions
- -
பதில் / Answer
- வெப்பம் விரும்பும் / Thermophilic
- குளிர் விரும்பும் (psychrophilic) / Psychrophilic
- உப்பு விரும்பும் / Halophilic
- அமில விரும்பும் / Acidophilic
- -
பதில் / Answer
- pH மதிப்பு / The pH value
- வளரும் நுண்ணங்கி வகை (காற்றுவாழ்/காற்றின்றி) / Type of microbe that grows (aerobic/anaerobic)
- கலத்தின் நிறம் / Colour of the cell
- தலைமுறைக் கால அலகு / Unit of generation time
- -
பதில் / Answer
- வளர்ச்சியைத் தடுக்கும் / Stops growth
- வளர்ச்சியை எளிதாக்கும் / Facilitates growth
- விளைவு இல்லை / No effect
- கலத்தைக் கொல்லும் / Kills cells
- -
பதில் / Answer
- ≈ 20 நிமிடம் / ≈ 20 minutes
- ≈ 20 மணி / ≈ 20 hours
- ≈ 20 நாள் / ≈ 20 days
- ≈ 20 செக்கன் / ≈ 20 seconds
- ≈ 20 வாரம் / ≈ 20 weeks
பதில் / Answer
- வேகமாக இரட்டிக்கின்றன / Divide rapidly
- இசைவாக்கம் + நொதியம்/கூறு தொகுக்கின்றன / Adapt and synthesise enzymes/components
- இறக்கின்றன / Die
- அகவித்தி உருவாக்கம் மட்டும் / Only form spores
- -
பதில் / Answer
- சுழியம் / Zero
- சீரான அதிகூடிய வீதம் / Steady, maximum rate
- குறைந்துகொண்டே / Continuously falling
- இறப்பு > வளர்ச்சி / Death > growth
- -
பதில் / Answer
- பெரிய கனவளவு / Large volume
- சிறிய அளவு + உயர் மேற்பரப்பு/கனவளவு விகிதம் / Small size + high SA/V ratio
- தடித்த சவ்வு / Thick membrane
- அதிக நிறமூர்த்தம் / Many chromosomes
- -
பதில் / Answer
- துண்டாதல், மொட்டுவிடல் / Fragmentation, budding
- ஒடுக்கற்பிரிவு / Meiosis
- விதை உருவாக்கம் / Seed formation
- ஒளிச்சேர்க்கை / Photosynthesis
- -
பதில் / Answer
- வேகமாக ஏறும் / Rises rapidly
- கிட்டத்தட்ட மாறாமல் / Almost constant
- சுழியமாகும் / Becomes zero
- இரட்டிக்கும் / Doubles
- -
பதில் / Answer
- வெப்பநிலை / Temperature
- pH
- ஒட்சிசன் அளவு / Oxygen level
- கலத்தின் நிறமூர்த்த எண் / Cell's chromosome number
- ஊட்டச்சத்து கிடைப்பு / Nutrient availability
பதில் / Answer
- மிக வேகம் / Very fast
- மெதுவு / Slow
- மாறாது / Unchanged
- இரட்டிப்பு / Doubles
- -
பதில் / Answer
- ஒளி / Light
- முழு இருள் / Total darkness
- உயர் அமில pH / High acid pH
- O₂ இன்மை மட்டும் / Only absence of O₂
- -
பதில் / Answer
- புதிய ஊட்டச்சத்து / Fresh nutrients
- ஊட்டச்சத்து தீர்வு + நச்சுக் கழிவு மிகுதி / Nutrient exhaustion + toxic waste
- குறை வெப்பநிலை மட்டும் / Only low temperature
- அதிக ஒளி / Excess light
- -
பதில் / Answer
- தாமத / Lag
- அடுக்கு (log) / Log
- நிலையான / Stationary
- அழிவு / Death
- -
பதில் / Answer
- குறுகிய நேரத்தில் மூலப்பொருளை விளைபொருளாக மாற்ற / To convert raw materials into products in a short time
- கலத்தை அழிக்க / To destroy cells
- pH ஐ உயர்த்த / To raise pH
- ஒளியை உருவாக்க / To make light
- -
பதில் / Answer
- தலைமுறைக் காலம் (generation time) என்பதை வரைவிலக்கணப்படுத்தி, நுண்ணங்கிகளின் தலைமுறைக் காலம் ஏன் குறைவாக உள்ளது எனக் கூறுக. / Define generation time and state why it is short in microbes. (3)
- வளர்ச்சி வளைவின் நான்கு அவத்தைகளைப் பெயரிடுக. / Name the four phases of the growth curve. (2)
- நிலையான அவத்தைக்கும் (stationary) அழிவு அவத்தைக்கும் (death) இடையேயான ஒரு வேறுபாட்டைக் கூறுக. / Give one difference between the stationary and death phases. (2)
- வளர்ச்சியைப் பாதிக்கும் மூன்று காரணிகளைக் கூறுக. / State three factors affecting growth. (3)
மாதிரி விடை / Model answer
(ஆ) தாமத (lag), அடுக்கு (log), நிலையான (stationary), அழிவு (death). (2)
(இ) நிலையான — வளர்ச்சி = இறப்பு (எண்ணிக்கை மாறாது); அழிவு — இறப்பு > வளர்ச்சி (எண்ணிக்கை குறைகிறது). (2)
(ஈ) வெப்பநிலை; pH; ஒட்சிசன் / ஈரப்பதன் / ஊட்டச்சத்து கிடைப்பு (ஏதேனும் மூன்று). (3)
ஒரு மூடிய வளர்ப்பில் நுண்ணங்கிக் குடித்தொகையின் வளர்ச்சி வளைவின் நான்கு அவத்தைகளையும் விபரித்து, வளர்ச்சியைப் பாதிக்கும் காரணிகளையும் விளக்குக. / Describe the four phases of the microbial growth curve in a closed culture and explain the factors affecting growth.
விடைக் குறிப்புகள் / Answer outline
• அடுக்கு (log) அவத்தை — சீரான அதிகூடிய வீதத்தில் இருமடிப் பிளவு; அடுக்குப்படி இரட்டிப்பு; தலைமுறைக் காலம் கணக்கீடு.
• நிலையான அவத்தை — ஊட்டச்சத்து குறைவு + கழிவு சேர்வு; வளர்ச்சி = இறப்பு.
• அழிவு அவத்தை — நச்சு மிகுதி; இறப்பு > வளர்ச்சி; எண்ணிக்கை குறைவு.
• காரணிகள் — வெப்பநிலை, pH, ஒட்சிசன், ஈரப்பதன்/சார்பீரப்பதன், ஊட்டச்சத்து, ஒளி, அமுக்கம்.
பதில் / Show answer
- 4 கட்டம்: தாமதம் → மடக்கை (log) → நிலை → சாவு.
- மடக்கைக் கட்டத்தில் வேகமான இரட்டிப்பு.
- காரணிகள்: வெப்பநிலை, pH, O₂, ஊட்டம்.