Trong điều kiện tốt nhất của phòng thí nghiệm, vi khuẩn đường ruột Escherichia coli chia đôi khoảng 20 phút một lần; loài nhanh nhất từng đo được, Vibrio natriegens, chỉ cần chưa tới 10 phút, còn vi khuẩn lao mất 15–20 giờ. Khoảng thời gian một tế bào lớn lên rồi tách thành hai gọi là thời gian thế hệ. Nhưng không đàn vi khuẩn nào nhân đôi mãi: chúng đi qua bốn pha, chậm rồi nhanh, rồi chững, rồi chết dần.
Chia đôi là chia thế nào
Vi khuẩn sinh sản bằng phân đôi (binary fission), không cần bạn tình, không có giai đoạn trứng hay ấu trùng. Một tế bào hình que như E. coli làm ba việc nối tiếp nhau:
- Sao chép nhiễm sắc thể vòng. Toàn bộ bộ gen khoảng 4,6 triệu cặp bazơ được chép từ một điểm khởi đầu, chạy theo hai chiều quanh vòng cho tới khi gặp nhau ở phía đối diện.
- Dài ra gấp đôi. Thành tế bào và màng được bổ sung, hai bản sao bộ gen bị kéo dạt về hai đầu.
- Thắt eo ở giữa. Một vòng protein tên FtsZ tụ lại đúng giữa tế bào, co dần như sợi dây rút miệng túi, rồi vách ngăn mới mọc vào và hai tế bào con tách rời.
Có một chi tiết làm nhiều người ngạc nhiên: chép xong bộ gen của E. coli mất khoảng 40 phút, lâu hơn cả thời gian thế hệ 20 phút. Vi khuẩn giải quyết bằng cách bắt đầu vòng chép mới trước khi vòng cũ xong, nên một tế bào đang lớn nhanh có thể mang sẵn những bản gen đang chép dở cho cả "cháu" của nó.
Thời gian thế hệ của một số vi khuẩn quen tên
Con số dưới đây là thời gian nhân đôi trong điều kiện thuận lợi nhất (môi trường giàu dinh dưỡng, nhiệt độ tối ưu). Ngoài đời thực, trong đất, trong nước hay trong ruột người, hầu hết vi khuẩn chậm hơn nhiều.
| Vi khuẩn | Sống ở đâu | Thời gian thế hệ tối ưu (khoảng) |
|---|---|---|
| Vibrio natriegens | Đầm lầy nước lợ | dưới 10 phút |
| Clostridium perfringens | Đất, thịt nấu để nguội | khoảng 10 phút |
| Escherichia coli | Ruột người và động vật | khoảng 20 phút |
| Staphylococcus aureus | Da, mũi người | khoảng 30 phút |
| Lactobacillus (vi khuẩn sữa chua) | Sữa lên men | khoảng 1 giờ hoặc hơn |
| Mycobacterium tuberculosis | Phổi người bệnh | 15–20 giờ |
Vì sao vi khuẩn lao chậm như vậy? Thành tế bào của nó dày và giàu chất béo, tổng hợp tốn công, và nó sống trong môi trường nghèo dinh dưỡng bên trong tế bào miễn dịch. Chính vì chậm mà nuôi cấy chẩn đoán lao truyền thống phải chờ nhiều tuần, còn điều trị kéo dài tới vài tháng.
Phép tính: một tế bào trong 24 giờ
Công thức gọn nhất của sinh sôi kiểu chia đôi là:
N = N₀ × 2^(t/g), trong đó N₀ là số tế bào ban đầu, t là thời gian, g là thời gian thế hệ.
Giả sử một tế bào E. coli được nuôi lý tưởng, không bao giờ thiếu thức ăn, cứ 20 phút chia đôi một lần. Một giờ có 3 thế hệ, một ngày có 72 thế hệ:
| Sau | Số lần chia | Số tế bào (làm tròn) |
|---|---|---|
| 1 giờ | 3 | 8 |
| 4 giờ | 12 | 4.096 |
| 8 giờ | 24 | khoảng 16,8 triệu |
| 12 giờ | 36 | khoảng 68,7 tỉ |
| 24 giờ | 72 | khoảng 4,7 × 10²¹ |
Một tế bào E. coli nặng cỡ một picogam (10⁻¹² gam). Nhân lên, 4,7 × 10²¹ tế bào nặng khoảng 4.700 tấn, ngang hàng trăm xe container chất đầy. Nếu tiếp tục thêm 20 giờ nữa, tức khoảng 44 giờ kể từ một tế bào duy nhất, khối vi khuẩn sẽ vượt khối lượng Trái Đất (khoảng 6 × 10²⁴ kg).
Dĩ nhiên điều đó không bao giờ xảy ra. Phép tính chỉ cho thấy một điều: sinh sôi bằng chia đôi mạnh tới mức thứ giới hạn vi khuẩn không phải là khả năng sinh sản của chúng, mà là môi trường xung quanh.
Bốn pha của đường cong sinh trưởng
Thả một ít vi khuẩn vào bình môi trường dinh dưỡng, không thêm thức ăn, không bỏ chất thải ra (gọi là nuôi cấy mẻ), rồi đếm theo giờ. Nhà vi sinh vật học người Pháp Jacques Monod đã mô tả rất kỹ đường cong này trong một bài tổng quan nổi tiếng năm 1949. Vẽ số tế bào trên trục logarit, đường cong có bốn đoạn rõ rệt:
Pha tiềm phát (lag)
Ngay sau khi được chuyển sang môi trường mới, vi khuẩn gần như không tăng số lượng. Chúng không ngủ: chúng đang tổng hợp enzyme, sửa chữa hư hại, điều chỉnh để ăn được loại đường có trong bình. Pha này dài hay ngắn tuỳ vi khuẩn đến từ đâu: lấy từ một bình đang lớn mạnh thì gần như không có pha tiềm phát, lấy từ tủ lạnh hay từ môi trường khác hẳn thì có khi mất vài giờ.
Pha luỹ thừa (log)
Mọi tế bào chia đều đặn theo đúng thời gian thế hệ. Đây là đoạn duy nhất mà công thức N = N₀ × 2^(t/g) đúng. Trên trục logarit, nó là một đường thẳng dốc. Các thí nghiệm sinh lý vi khuẩn thường lấy mẫu ở pha này vì tế bào đồng đều nhất.
Pha cân bằng (stationary)
Đường bị cạn, oxy thiếu, axit và chất thải tích lại. Số tế bào mới sinh ra xấp xỉ số tế bào chết đi, tổng số đứng yên. Trong bình nuôi E. coli thông thường, mức này rơi vào khoảng vài tỉ tế bào mỗi mililit, tuỳ môi trường. Nhiều vi khuẩn bật chế độ chống chịu ở pha này; một số loài như Bacillus và Clostridium còn tạo bào tử, một dạng ngủ cực kỳ bền.
Pha suy vong (death)
Khi môi trường quá khắc nghiệt, số tế bào chết vượt số tế bào sinh ra. Sự giảm này thường cũng theo kiểu luỹ thừa: mỗi khoảng thời gian, một tỉ lệ cố định chết đi, giống như phân rã phóng xạ đi ngược chiều với pha log.
Người ta đếm vi khuẩn bằng cách nào
Vi khuẩn quá nhỏ để đếm từng con bằng mắt, nên phòng thí nghiệm dùng vài cách gián tiếp:
- Đo độ đục. Chiếu ánh sáng bước sóng 600 nm qua bình nuôi; càng nhiều tế bào thì càng ít ánh sáng xuyên qua. Chỉ số OD600 là con số quen thuộc nhất trong mọi phòng vi sinh.
- Pha loãng và cấy đĩa. Pha loãng mẫu 10 lần, 100 lần, 1.000 lần…, trải lên đĩa thạch, ủ một đêm rồi đếm khuẩn lạc. Mỗi khuẩn lạc mọc từ một tế bào sống, nên kết quả ghi bằng CFU (đơn vị tạo khuẩn lạc).
- Đếm trực tiếp dưới kính hiển vi trên buồng đếm có kẻ ô, hoặc bằng máy đếm tế bào dòng chảy.
Muốn tính thời gian thế hệ từ hai lần đếm, dùng công thức: g = t ÷ log₂(N/N₀). Ví dụ đếm được 1.000 tế bào lúc 8 giờ sáng và 64.000 tế bào lúc 10 giờ: 64.000 / 1.000 = 64 = 2⁶, tức 6 thế hệ trong 120 phút, mỗi thế hệ 20 phút.
Góc nhìn hôm nay: vì sao nồi cơm để qua đêm đáng lo
Hiểu thời gian thế hệ giúp giải thích các lời khuyên an toàn thực phẩm vốn nghe như cấm đoán vô cớ. Tổ chức Y tế Thế giới và cơ quan an toàn thực phẩm nhiều nước khuyên không để thức ăn đã nấu ở nhiệt độ phòng quá 2 giờ, vì phần lớn vi khuẩn gây bệnh sinh sôi mạnh trong khoảng từ 5 °C tới 60 °C.
Làm phép tính với số giả định: một nồi cơm vô tình nhiễm 100 tế bào vi khuẩn. Nếu chúng chia đôi 30 phút một lần sau khi qua pha tiềm phát, thì để từ trưa tới tối, 6 giờ, là 12 thế hệ: 100 × 4.096 ≈ 410.000 tế bào. Để qua đêm 12 giờ là 24 thế hệ: hơn 1,6 tỉ. Đây chỉ là phép tính minh hoạ, vi khuẩn thật còn chịu ảnh hưởng của độ ẩm, độ chua, nhiệt độ thay đổi trong đêm, nhưng nó cho thấy vì sao vài giờ có thể là chuyện lớn.
Với cơm, mối lo thường được nhắc là Bacillus cereus: bào tử của nó chịu được nhiệt khi nấu, rồi nảy mầm và sinh độc tố khi cơm nguội dần ở nhiệt độ phòng. Hâm nóng lại giết được tế bào nhưng không phá được một loại độc tố chịu nhiệt của nó. Vì vậy cách an toàn là làm nguội nhanh, chia hộp nhỏ, cất tủ lạnh sớm, thay vì để cả nồi trên bếp tới sáng.
Tủ lạnh không giết vi khuẩn. Ở 4 °C, thời gian thế hệ của nhiều loài kéo dài từ vài chục phút thành nhiều giờ hoặc ngừng hẳn, tức là tủ lạnh chỉ ấn nút tạm dừng. Một số ít loài như Listeria vẫn lớn chậm ở nhiệt độ tủ lạnh, nên đồ để lâu ngày vẫn cần bỏ.
Muốn đọc thêm, sách giáo khoa Sinh học 10 có chương về sinh trưởng của vi sinh vật, trình bày đúng bốn pha này. Ai thích tự tay làm có thể quan sát một phiên bản chậm hơn ở nhà: pha một thìa sữa chua cái vào hộp sữa ấm, ghi giờ, xem bao lâu thì sữa đông; làm lại với sữa lạnh sẽ thấy nhiệt độ kéo dài thời gian thế hệ ra sao.
Câu hỏi thường gặp
Vi khuẩn sinh sản như thế nào?
Phần lớn vi khuẩn sinh sản bằng phân đôi: tế bào sao chép nhiễm sắc thể, dài ra gấp đôi rồi thắt eo ở giữa để tách thành hai tế bào con giống hệt nhau. Không cần giao phối, không có giai đoạn trứng hay ấu trùng.
Vi khuẩn E. coli nhân đôi mất bao lâu?
Trong môi trường dinh dưỡng giàu và nhiệt độ khoảng 37 °C, E. coli chia đôi khoảng 20 phút một lần. Trong ruột người hay ngoài tự nhiên, nơi thức ăn hạn chế, nó chậm hơn nhiều, thường tính bằng giờ.
Bốn pha sinh trưởng của vi khuẩn là gì?
Trong nuôi cấy không bổ sung thức ăn, vi khuẩn đi qua pha tiềm phát (thích nghi, chưa tăng số lượng), pha luỹ thừa (chia đều đặn), pha cân bằng (sinh ra bằng chết đi) và pha suy vong (chết nhiều hơn sinh). Chỉ trong pha luỹ thừa, số lượng mới tăng gấp đôi sau mỗi thời gian thế hệ.
Thời gian thế hệ tính thế nào?
Lấy khoảng thời gian giữa hai lần đếm chia cho số lần nhân đôi, tức g = t ÷ log₂(N/N₀). Ví dụ số tế bào tăng 64 lần trong 2 giờ thì đã qua 6 lần nhân đôi, mỗi lần 20 phút.
Vì sao không nên để thức ăn ngoài quá 2 giờ?
Ở khoảng 5–60 °C, nhiều vi khuẩn gây bệnh có thể nhân đôi chỉ sau 20–30 phút, nên vài giờ đủ để số lượng tăng hàng nghìn lần. Một số loài còn sinh độc tố chịu nhiệt mà hâm nóng lại không phá được.
