Физиология изучает жизненные функции организма (питание, способы получения энергии, размножение и др.) и взаимодействие его с внешней средой.
Основной отличительной особенностью живых организмов от неживой природы является рост и размножение. Рост — это физиологический процесс, в ходе которого увеличиваются размеры и масса клетки. Достигнув определенной величины, она перестает расти и при наличии благоприятных условий начинает размножаться. Основным способом размножения является деление. Клетка перед делением удлиняется, затем делится нуклеоид.
Этот процесс называется репликацией ДНК, т. е. происходит удвоение числа молекул ДНК в клетке. После завершения репликации ДНК начинается деление клетки. Чаще всего клетка делится на две равные части (изоморфное деление), но в старых культурах или при неблагоприятных условиях роста встречается и неравномерное (гетероморфное) деление.
Скорость размножения микроорганизмов необычайно велика. В благоприятных условиях клетка делится каждые 20 — 30 мин. Число микроорганизмов растет в геометрической прогрессии: 20, 21, 22, 23, ..., 2n .Подсчитано, что через 24 часа потомство одной клетки увеличивается до 472 х 1019 клеток, масса которых составляет 4720 т. Такой темп размножения возможен в искусственно подобранных оптимальных условиях, исключающих гибель микроорганизмов. В природе этому препятствуют различные неблагоприятные факторы внешней среды — температура, действие света, недостаток влаги, питательных веществ, продукты собственного обмена и др.
Каждый вид клетки имеет свою среднюю скорость размножения. Время между двумя делениями клетки называют временем генерации. На искусственных питательных средах микроорганизмы развиваются в виде популяции — совокупности одного вида клеток, занимающей определенное пространство. При культивировании популяция проходит пять фаз роста и размножения, в течение которых изменяются размеры клеток, скорость размножения, морфологические и физиологические свойства.
Первая стадия — лаг-фаза (задержка роста). В этой стадии микроорганизмы не размножаются, а приспосабливаются к новым условиям среды. Приспособление выражается в синтезе адаптивных ферментов, нуклеиновых кислот, белков. Характеризуется этот период интенсивным обменом веществ, увеличением в 2 — 3 раза размеров клеток. Длительность лаг-фазы зависит от питательной среды: чем полноценнее среда, тем короче лаг-фаза.
Вторая стадия — экспоненциальная фаза (фаза логарифмического роста). Число клеток в этой фазе увеличивается в геометрической прогрессии: скорость размножения постоянная, продолжительность генерации минимальная. Продолжительность скорости размножения в этой фазе различна у разных микроорганизмов. Так, для Е. coli она может быть 20 — 30 мин, для Azotobacter — 70 — 80 мин.
Третья стадия — фаза замедленного роста, когда в результате расхода питательных веществ и накопления продуктов жизнедеятельности размножение замедляется.
Четвертая стадия — стационарная фаза (фаза зрелости). В этой фазе число новых клеток соответствует примерно числу клеток, переходящих в стадию покоя. На протяжении всей фазы численность популяции не изменяется. У разных видов она наступает через различные промежутки времени: у Е. coli — через 24 ч, у Azotobacter — через 72 ч.
Пятая стадия — фаза старости (фаза затухания роста). В этой фазе гибель микроорганизмов превышает скорость их размножения. Отмечаются морфологические изменения клеток. Отмирание микроорганизмов в культуре наступает под влиянием различных причин: истощения питательной среды, накопления в среде вредных продуктов обмена веществ, изменения физико-химических свойств воды в неблагоприятную сторону. Некоторая часть клеток гибнет в результате автолиза, т. е под действием собственных ферментов. Основную роль здесь играют протеолитические ферменты, которые вызывают разрушение белковых веществ в клетке, что приводит ее к гибели.