Микроағзалардың белгілі сипаттарын көптеген ұрпақ бойында сақтау қабілетін тұқым куалау деп атайды. Тұқым куалау құбылысын зерттеу барысында түрлі факторлардың әсерінен әр келесі ұрпақ алдыңғы ұрпактан оны ерекшелендіретін сипаттарды қабылдай алатыны анықталған. Бұл қасиетті өзгергіштік деп атайды. Осылайша тұқым қуалау мен өзгергіштік өзара тығыз байланыста болады. Микроағзалардың тұқым қуалауын және өзгергіштігін зерттейтін гылымды генетика деп атайды (грек тіліндегі genos — туылу).
Сонау XIX ғасырда Ч.Дарвин тіршілік етіп жүрген барлық микроағзалар аз ғана формалардан өзгергіштік жолымен жаралып, ал тұқым қуалай берілетін пайда болған өзгерістерді эволюциялық үрдістердің негізі болатынын дәлелдеген. Түрлі факторлардың (температура, ультракүлгін және рентген сәулесі және басқалары) әсерінен микроағзалардың өзінің қасиеттерін өзгерту қабілетін тұқым қуалау мен өзгергіштікті зерттеу барысында қолданады.
Генетикалық зерттеулердің алғашқы нысаны ретінде зертханалық жағдайда өсіріндісі жақсы өсетін ішек таяқшасы қолданылады. Сонымен қатар осы бактериялардың морфологиялық, дақылдық және биохимиялық қасиеттерінің жақсы зерттелгені маңызды болды. Келесіде генетикалық зерттеулердің нысаны ретінде басқа да бактериялар, сонымен қатар вирустар қолданыла бастады. Микроағзалардың генетикасын зерттеу олардың генетикалық ақпаратты тасымалдаушысы рөлін ДНҚ атқаратынын көрсетті (кейбіреулерінде РНҚ).
Бактериялардың ДНҚ молекуласы әрқайсысы екіншісіне қатысты серіппемен бұрылған екі жіптен құрылған. Жасуша бөлінгенінде, жіп тәрізді серіппе екі еселенеді. Жіптердің әрқайсысы шаблон немесе матрица қызметін атқарады. Олардың үстінде нуклеин қышқылының жаңа жіптері түзіледі. Бұл жағдайда жасушаның бөлінуі барысында пайда болған әр жіп жаңа түзілген ДНҚ-ның екі жіпті молекуласын құрайды.
ДНҚ құрамына төрт азотты негіздемелер — аденин, гуанин, цитозин және тимин кіреді. Микроағзалардың тізбегінде олардың орналасу тәртібі ДНҚ- да жасырылған тұқым қуалаушы ақпаратын анықтайды. Тұқым қуалаудың функңионалдық бірлігі болып ген табылады, ол ДНҚ жібінің бір бөлігі. Гендерде жасуша қасиеттеріне қатысты барлық ақпарат бар.
Микроағзалардың генетикасында жасушада бар гендердің толық жинағын генотип деп атайды. Гендерді кұрылымдық және реттеуші-гендер деп жіктейді. Құрылымдық гендер жасушада түзілетін ақуыздар туралы ақпаратты тасымалдайды. Реттеуші гендер құрылымдық гендердің қызметін реттейді. Мысалы, жасуша оған нақты жағдайда қажет ақуыздарды бөліп шығарады, бірақ жағдайдың өзгеруіне қарай реттеуші-гендер жасуша қасиеттерін өзгертіп, оларды жаңа жағдайға бейімдейді.
Микроағзалардың сыртқы орта әсерінен туындайтын морфологиялық, дақылдық, биохимиялық және басқа да өзгерістері бір-бірімен тығыз байланысты. Мысалы, морфологиялық қасиеттердің өзгеруі әдетте жасушаның физиологиялық ерекшеліктерінің өзгеруімен қатар жүреді.
Микроағзалардың өзгергіштігін зерттеу барысында өзгергіштіктің ерекше формасы — диссоциация анықталды. Өзгергіштіктің бұл түрі П. де Крюи және Дж. Аркрайтпен сипатталды. Олар бірқатар өсірінділерді тығыз қоректік ортаға еккенде, колониялардың екі түрге бөлінетінін анықтады: жиектері тегіс, домалақ, жылтыр колониялар — 8 -пішінді (ағылшын тіліндегі smooth — жылтыр) және жиектері тегіс емес, пішіні дұрыс болмайтын, мөлдір емес колониялар — К-пішінді (ағылшын тіліндегі rough — бүдір). Сонымен қатар өтпелі пішіндер де болады: М-пішінді (шырышты) және g-пішінді (ергежейлі).
S-пішіндісіне жатысты колониялар белгілі жағдайларда R-пішіндісіне және кері қарай ауыса алады, бірақ R-пішіндісінің S-пішінге ауысуы қиындау өтеді. Диссоциация бірқатар бактерияларда байқалады, атап айтқанда сібір күйдіргісі жэне оба қоздырғыштарында. Ауру туындатқыш бактериялар жиі жағдайда S-пішінді болады. Мына ауру қоздырғыштары: туберкулез, оба, сібір күйдіргісі К-пішінді болады. Бактериялық жасушаларда пайда болған өзгерістер екі топқа бөлінеді: фенотиптік өзгергіштік (тұқым қуаламайтын) және генотиптік өзгергіштік (тұқым қуалайтын).
Колониялардың S- және R-пішіндерінің сипаттамасы
Фенотиптік өзгергіштік (модификация)
Микроағзалардың модификациясын жасушаның тіршілік еткен ортасының қолайсыз жағдайына берген жауабы ретінде қарастыруға болады. Бұл сыртқы тітіркендіргіштерге бейімделу реакциясы. Модификация кезінде генотип өзгермейді, жасушада пайда болған өзгерістер тұқым қуаламайды. Оптималды жағдайлар туындаған кезінде, пайда болған өзгерістер жойылады. Модификация микроағзалардың түрлі қасиеттеріне қатысты болуы мүмкін — морфологиялық, дақьшдық, биохимиялық және т.б.
Морфологиялық модификация бактериялардың пішіні мен көлемінің өзгеруімен сипатталады. Мысалы, пенициллинді қоректік ортаға қосқанда бірқатар бактериялардың жасушаларының ұзындығы өседі.
Ортада кальций тұздарының жеткіліксіздігі сібір күйдірігісінің таяқшаларында споратүзгіштік артуын туындатады. Кальций тұздары концентрациясы көбейіп кетсе, спора түзгіштігі жойылады және т.б. Бактерияларды ұзақ уақыт бір ортада өсірсе, тіршілік өнімдерінің жинакталуы салдарынан полиморфизм пайда болады.
Дақылдық модификация кезінде қоректік ортаның құрамының өзгеруіне байланысты бактериялардың дақылдық қасиеттері өзгереді. Мысалы, оттегі жетіспеушілігінде стафилококк пигмент түзу қасиетін жогалтады. Ғажайып таяқша бөлме температурасында ашық-қызыл бояу береді, бірақ 37°С температурада пигментті түзу қабілеті жойылады.
Биохимиялық (ферментті) модификация. Әр бактериялардың түріне белгілі ферменттердің жиынтығы тән. Бұл ферменттер белгілі қоректік субстраттарда түзіледі де, оларға генотиппен шарт беріледі. Осы ферменттердің көмегімен тағамдық заттар ағзаға жақсы сіңеді.
Бактериялардың тіршілігі барысында ферменттердің синтезі үшін жауапты гендердің барлығы қызмет етпейді. Бактерияның геномында үнемі қорда мүмкіндіктер, яғни бейімделу ферменттерінің түзілуіне жауапты гендер болады. Мысалы, құрамында көміртегі — лактоза жоқ ортада өсіп жатқан ішек таяқшасы лактаза ферментін түзбейді, бірақ оны лактоза ортасына қайта ексе, онда ол бұл ферментті түзе бастайды. Бейімделу ферменттері тіршіліктің белгілі жағдайларына бейімделуге мүмкіндік береді.
Осылайша, модификация — микроағзалардың сыртқы орта жағдайларына бейімделу амалы, ол микроағзаларға өзгерген жағдайларда өсуіне және көбеюіне мүмкіндік береді. Қабылдаған қасиеттер тұқым қуалай берілмейді, сол себептен олар эволюция барысында рөл атқармайды, көбіне микробтар популяцияларының өміршендігіне ықпалын тигізеді.
Генотиптік (тұқым қуалай берілген) өзгергіштік
Генотиптік өзгергіштік мутация және генетикалық рекомбинация салдарынан туындауы мүмкін. Мутация (латын тіліндегі mutation — өзгерту) бұл тұқым қуалай берілетін гендердің құрылымдық өзгерістері. Ірі мутациялар (геномдық қайта құрулар) геномның салыстырмалы түрде ірі аймақтарының түсуімен немесе өзгеруімен сипатталады — ондай мутациялар, әдетте, қайтарымсыз болады.
Микроағзалардың генетикасында ұсақ (нүктелік) мутациялар ДНҚ-ның жеке негіздерінің түсуімен немесе қосылуымен байланысты. Бұл жағдайда сипаттардың тек шағын саны гана өзгереді. Бактериялардың олай өзгергендері бастапқы күйіне толыгымен қайта орала алады. Белгілері өзгерген бактериялар мутанттар деп аталады. Мутанттарды туындататын факторларды мутагендер деп атайды.
Бактериалдық мутациялар спонтандық және индуктивті болып бөлінеді. Спонтандық (өздігінен болатын) мутация бақылауға жатпайтын факторлар әсерінен, ягни тәжірибе жүргізушілердің ықпалынсыз туындайды. Идуктивті (багытталған) мутация микроағзаларды арнайы мутагендермен (химиялық заттармен, сәулелендірумен, температурамен және басқаларымен) өвдеу нәтижесінде пайда болады.
Бактериялдық мутациялар нәтижесінде келесі құбьшыстар байқалуы мүмкін:
а) морфологиялық қасиеттердің өзгеруі;
б) дақылдық қасиеттердің өзгеруі;
в) микроағзаларда дэрілік препараттарға төзімділіктің пайда болуы;
г) аминқышқылдарын синтездеу қабілетінің жойьшуы;
д) ауру туындатқыш қасиеттерініц әлсіреуі және т.б.
Егер басқа жасушалармен салыстырғанда мутантты жасушалардың саны көп болса, мутантты жасушалардан құралған популяция түзіледі, жаңадан пайда болған озгерістер тұқым қуалайды. Ал егер басқа жасушаларға қарағанда мутантты жасушалардың саны аз болса, олар өледі.