Меня посетили благородные дамы, которым очень хотелось посмотреть на маленьких змеек в капле уксуса. Однако некоторым из них эти змейки показались настолько отталкивающими, что они поклялись никогда больше не брать уксуса в рот. Но что бы сказали эти дамы, узнав, что в налете только одного их зуба таких существ больше, чем людей в целом королевстве?
Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду…
Все пространство на земном шаре, населенное живыми организмами, мы называем биосферой. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры, воды рек, озер, морей, океанов и нижнюю часть атмосферы. В воде она достигает глубины 10 000 м. В почву дальше всех организмов проникают растения азиатских пустынь, их корни доходят почти до тридцатиметровой глубины[9]. Высшие растения встречаются в горах на высоте нескольких тысяч метров. Мощность всего пояса биосферы достигает, по-видимому, 12 000 м, что составляет, однако, меньше 0,2 % радиуса Земли. Выдающийся советский ученый В. И. Вернадский подсчитал, что общий вес живого вещества, то есть всех живых организмов нашей планеты, должен быть не менее 200 биллионов тонн, что приблизительно соответствует 0,0033 % всей массы земного шара (5974 триллиона тонн). Как же распределены в биосфере микроорганизмы?
Они встречаются в морских пучинах и на заснеженных вершинах гор, в тропических и полярных областях, в верхних и нижних слоях почвы, в воздухе[10], на растениях и на животных. Человек сталкивается с ними уже в день своего рождения, и они сопровождают его до могилы, где кончают свою миссию, превращая мертвое тело в «прах», в минеральные вещества Земли. Такую же роль играют микробы и в жизни других высших животных и растений.
Если взглянуть вокруг себя глазами микробиолога, ю очень скоро можно убедиться в вездесущности микроорганизмов. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал о них так: «Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду. Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела — все это буквально «кишит» микробами…»
Мы находим их в различных водоемах — стоячих и проточных, мелких и глубоких, горячих и ледяных, соленых и пресных, чистых и загрязненных, в озерах, болотах, морях и океанах. Прибрежные и придонные илы водоемов также богаты микроорганизмами.
В морской воде у островов Шпицбергена бактерии были найдены на глубине 2700 м. Океанографические исследования Тихого океана у берегов Филиппинских островов обнаружили бактерии на глубине 10 462 м, в одной из самых глубоких впадин Мирового океана.
Во время работы океанографической экспедиции Додо в 1964 году микробиолог К. Зобелл обнаружил на различных глубинах и в донных отложениях Тихого океана большое количество микроорганизмов (фото 33). При культивировании этих организмов были созданы условия, господствующие на глубине свыше 10 000 м — температура 2,5 °C и давление 1000 атм. Оказалось, что при таком высоком давлении размножение бактерий происходило в десятки и тысячи раз интенсивнее, чем при атмосферном давлении.
Сравнивая реакцию различных бактерий на высокое давление, Зобелл установил, что наземные бактерии под давлением 600 атм не растут или гибнут, тогда как морские, взятые с глубины 6000 м, чувствуют себя в этих условиях нормально. Тот же исследователь сообщил, что термофильные бактерии, прекращающие свой рост при нормальном атмосферном давлении уже при температуре несколько выше 85 °C, при давлении 1000 атм способны расти и размножаться даже при 104 °C. Это считается наивысшей известной до сих пор температурой, при которой возможен рост бактерий.
Известно, что свечение моря, часто наблюдаемое ночью, вызывают микроорганизмы. Эти светящиеся существа принадлежат в основном к жгутиковым организмам; среди них есть род, названный Noctiluca, что означает «ночной светлячок». В своей книге «Дневник изысканий по естественной истории и геологии» Ч. Дарвин так писал о свечении моря: «…море светилось вспышками. Явление было очень сходно с тем, чего можно было бы ожидать, если бы большая рыба быстро двигалась сквозь светящуюся жидкость»[11].
Одноклеточные зеленые водоросли в фитопланктоне океанов составляют 80 % всех органических веществ, образовавшихся на нашей планете путем фотосинтеза. Есть в морских водах и микроорганизмы, которые минерализуют органические вещества отмирающих существ и таким путем возвращают их в круговорот природы. Зеленые водоросли вырабатывают желтые пигменты, очень напоминающие по цвету окраску воды в некоторых прудах, в связи с чем предполагают, что желтые вещества[12], встречающиеся в природных водоемах, могут быть продуктами жизнедеятельности водорослей.
Живут микроорганизмы и в горячих источниках. Микроскопические водоросли были обнаружены в воде, вытекающей из купален курорта Пьештяни (Западная Словакия), температура которой достигает 90 °C. В горячих источниках Балканского полуострова живут бактерии, выдерживающие температуру 83 °C. При изучении фотосинтетической активности водорослей из горячих источников Йеллоустонского национального парка (США) было установлено, что процесс фотосинтеза происходил при 75 °C. Некоторые бактерии были обнаружены в источнике, вода которого имела температуру 91,5 °C — всего лишь на 2° ниже точки кипения, регистрируемой в условиях данного района. В канале, по которому вода вытекает из источника, температура доходит до 88 °C, но и здесь бактерий такое множество, что они окрашивают стенки канала в розовый цвет. Американские микробиологи Т. Брок и Дж. Дарланд сообщили о результатах исследований бактерий в 300 горячих источниках, находящихся в США, Новой Зеландии и Исландии. Они установили, что в умеренно кислых водах бактерии живут при температурах свыше 90 °C, а в щелочных выдерживают даже 100 °C!
Из водоемов с высоким содержанием солей (Мертвое море, Большое Соленое озеро) выделили бактерии, продуцирующие желтые и красные пигменты (с некоторыми из них связывают окраску рыб, живущих в соленой воде). Жизнь в воде с высокой концентрацией солей для большинства организмов невозможна. Однако в Большом Соленом озере обнаружили 30 видов организмов, в основном бактерий, а также несколько видов сине-зеленых и зеленых водорослей, простейших, два вида членистоногих и два вида пресмыкающихся. Еще более суровые условия в Мертвом море. Но и тут найдено восемь видов бактерий и два вида сине-зеленых водорослей.
Рекорд поставили микроорганизмы, обнаруженные в небольшом антарктическом озере Дон-Жуан, воды которого отличаются высокой концентрацией солей и низкой температурой. Члены американской экспедиции, проводившие исследования, с удивлением констатировали, что вода в нем не замерзает даже при температуре —24 °C, что объясняется высоким содержанием солей — в 13 раз большим, чем в морской воде. Но и из этого озера были выделены бактерии и дрожжи, приспособившиеся к столь неблагоприятным условиям среды.
Патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут расти даже в дистиллированной воде. В журнале Science в 1971 году было опубликовано сообщение четырех микробиологов, которые подвергли анализу 50 проб дистиллированной воды. В 20 из них были обнаружены эти бактерии. Вода была взята из запасов, предназначенных для аэрозольной терапии в двух детских больницах. Бактерии интенсивно размножались, и за 24 ч при температуре 25 °C количество их увеличилось в 250 раз!
Исследования условий жизни в Антарктиде, проводимые экспедициями многих государств, принесли новые сведения о жизни микроорганизмов.
Более 50 лет назад недалеко от Южного полюса на поверхности снега и льда вместе с замороженными водорослями были найдены и бактерии. Из образцов почвы, льда и различных органических остатков в Антарктиде удалось выделить многие виды психрофильных (холодостойких) микроорганизмов. На 1 г почвы получали от ста до нескольких тысяч клеток, даже на ледниках в 1 г льда обнаруживали до ста бактерий. В 1 г помета различных антарктических животных насчитывали от 3000 до 60 000 000 психрофильных бактерий.
Микробиологов Сиднейского университета, специализировавшихся на изучении водорослей, заинтересовали коричневые полосы в толщах морского льда. Оказалось, что их создают мельчайшие диатомовые водоросли. Неподалеку от одной из антарктических станций диатомовые были найдены на нижней поверхности льда, толщина которого достигала полутора метров. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы удовлетворялись тем слабым светом, который пробивался сквозь столь мощный слой. Позднее они были обнаружены в нижних слоях почти трехметрового льда. Эти слои менее плотны, чем наружные, и кристаллы льда чередуются здесь с капельками воды. В них-то и приютились диатомовые водоросли. Их количество учитывалось прямым подсчетом клеток, а также измерением содержания хлорофилла в биомассе организмов. В начале января 1963 года, то есть в середине антарктического лета, ученые установили присутствие 250 мг хлорофилла в 1 м3 льда. Таким образом, общая продукция хлорофилла в антарктических льдах достигает 300–600 тысяч тонн в год.
Некоторые водоросли живут на поверхности снега, покрывающего горные вершины. Они окрашивают его в красный цвет. Среди них часто встречается вид Chlamydomonas nivalis, клетки которого содержат красные каротиноиды — пигмент, входящий в состав клеток моркови. В упомянутом выше труде Дарвина мы находим описание окрашенного водорослями снега на вершинах и гребнях Кордильер: «На нескольких покрытых снегом участках я нашел Protococcus nivalis — красный снег, так хорошо известный по описаниям арктических мореплавателей. Я обратил на него внимание, глядя на оставляемые мулами следы бледно-красного цвета, как будто копыта их были слегка окровавлены»[13].
Воздух мы обычно считаем стихией птиц. Правда, существуют и другие животные, которые проводят в этой среде какое-то время. Например, летучие рыбы поднимаются над водой и пролетают по воздуху значительное расстояние, не имея даже крыльев. Однако воздух не является их жизненной средой.
Зато в воздушной среде чрезвычайно распространены бактерии, водоросли, дрожжи и споры многих грибов. Больше всего микроорганизмов мы найдем над городами, значительно меньше их над вершинами высоких гор, ледниками и морями. Туда микробы попадают с восходящими потоками воздуха или с частицами пыли и часто преодолевают при этом огромные расстояния.
Над Москвой на высоте 1000 м в одном литре воздуха обнаружили пять бактерий. По маршруту самолета, летящего из Монреаля в Лондон, на высоте 2400–2700 м над Атлантическим океаном в пробах воздуха микробиологический анализ выявил дрожжи и споры некоторых микроскопических грибов.
Бактерии удалось обнаружить даже на высоте 12 000 м, хотя там они встречаются чрезвычайно редко. В воздухе, загрязненном вредными газами, сравнительно мало живых бактерий. Так, в 1 см3 воздуха лондонских улиц содержится 300 000–500 000 частичек пыли, однако на 38 200 000 таких пылинок приходится всего один живой микроорганизм.
С удалением от поверхности земли количество микробов в атмосфере закономерно уменьшается. У вершины башни английского парламента обнаружили лишь одну треть того количества микробов, которое содержится в приземном слое воздуха. Разные количества микробов содержат воздух закрытых помещений и воздух улиц. В 1 м3 воздуха, взятого с парижских улиц, было найдено 3480 бактерий, из лаборатории — 7420, а из старых домов — до 79 000 бактерий.
Воздушным путем могут расселяться и некоторые вредные микробы, вызывающие болезни растений. В Северной Америке распространена стеблевая ржавчина пшеницы, вызываемая грибом Puccinia graminis triticina. На 1 акре (около 0,4 га) посевов пшеницы, умеренно пораженных этим грибом, созревает в период жатвы до 10 биллионов спор. При сборе урожая сильно пораженной пшеницы над полями поднимаются красные облака «споровой пыли», причем почва, люди и машины — все покрывается красным налетом бесчисленного множества рассеянных спор. Подобное явление наблюдали в США в 1925 году. В начале июня распространение ржавчины ограничивалось районом, где выращивалась пшеница, — до 40° с. ш. В первую неделю июля поднялся сильный южный ветер, который перенес споры гриба на север на расстояние до 800 км и покрыл ими поля на площади свыше 500000 км2. Подобный «дождь» из грибных спор выпал в 1929 году в Канаде в результате воздушного переноса спор ржавчины из долины реки Миссисипи на расстояние 900 км в течение только одной недели. Не исключена возможность такого «перелета» грибных спор и через океаны, с одного материка на другой.
Почва населена самыми разнообразными обитателями. Зеленые растения своими корнями черпают из почвы минеральные соли. Трудолюбивый крот роет в ней многочисленные туннели, в почве находят приют множество различных червей и насекомых. Широко представлен здесь и мир микроорганизмов. Бактерии, грибы, водоросли и простейшие — постоянные обитатели почвы, причем обработанная почва значительно богаче микроорганизмами, чем необработанная. В 1 г пахотной почвы находят от 1 до 20 миллиардов микробов. По предварительным сведениям, 1 га почвы населяют 4 ц бактерий, 2–3 ц грибов, водорослей и простейших, но есть данные, свидетельствующие о том, что обрабатываемый слой почвы на площади 1 га содержит 2–5 т микроорганизмов.
Различаются по количеству населяющих их микробов и слои почвы. Больше всего микробов в поверхностном слое. На глубине 1–2 см микробов в 10–20 раз больше, чем на глубине 25 см. Наиболее богаты микроорганизмами поверхностные слои достаточно увлажненных почв. В сухие почвы микробы проникают глубже — в Средней Азии, например, их обнаруживают на глубине 10 м и более.
В песках Каракумов в поверхностном слое бактерии почти полностью отсутствуют; на глубине 25–50 см в 1 г почвы было найдено 1700 особей, а на глубине 90 см — до 26 000 бактерий. На богатых аллювиальных почвах Урала на глубине 1,5 м нашли 18 000 000, а на глубине 17,5 м — 3 000 000 бактерий в 1 г почвы.
Населенность почвы микроорганизмами зависит от ряда факторов. В одной почве число их невелико, в другой достигает огромных цифр. Больше всего микробов содержится в почвах умеренных зон, но немало их бывает в тропических и полярных областях. В промерзающих почвах Сибири бактерии переносят неблагоприятный период низких температур, переходя в состояние анабиоза, а с оттепелью возобновляют свою активную жизнедеятельность. На Шпицбергене бактерий находят в почве, во льдах и на снегу.
Почвенные микроорганизмы имеют огромное значение. Большинство их питается отмершими остатками растений и животных, которые они постепенно перерабатывают вплоть до минеральных соединений. Таким образом, они постоянно восполняют запасы питательных веществ, необходимых для жизни растений. В этих процессах особую роль играют бактерии, способные усваивать азот из воздуха и связывать его в химические соединения, обогащая тем самым почву элементом, столь необходимым для питания всех живых организмов. Но некоторые почвенные микроорганизмы наносят вред растениям, а встречаются и такие, которые вызывают заболевания животных и человека.
Многие микробы из тех, что живут в почве или на ее поверхности, распространены, казалось бы, в самых неблагоприятных условиях. Так называемые нитрифицирующие бактерии живут на голых скалах, где отсутствуют высшие растения. Минеральные вещества они получают непосредственно из камня, на поверхности которого обитают, или с пылью, приносимой ветром. Важный для жизни азот они получают в форме аммиака и его соединений, образующихся в атмосфере при электрических разрядах и попадающих на скалу с росой или каплями дождя.
«День рождения» нашей планеты отделен от нас несколькими миллиардами лет. Вначале Земля была лишена жизни, и лишь много позднее ее стали заселять живые существа, а затем появился и человек. И этот любознательный человек, перелистывая древние «архивы» Земли, пытается узнать ее прошлое. Возникают такие области знаний, как геология и палеонтология. Первая из них имеет целью воссоздать историю изменения лика Земли от ее зарождения до наших дней, вторая разыскивает в этой истории следы жизни. И находит их в окаменел остях, костных остатках и других свидетельствах жизни в прошлом. Что же в истории нашей планеты можно узнать о микроорганизмах? И вообще можно ли найти следы их жизнедеятельности? Есть ли надежда встретиться в толще Земли с вездесущими клетками микробов?
Профессор Г. Й. Домбровский из Фрейбургского университета отвечает на эти вопросы положительно. Более того, он представляет нам как результат своих исследований живые бактерии, существующие уже сотни миллионов лет. Впервые эти бактерии были найдены им в соляных копях, возраст которых исчислялся 180–200 миллионами лет. Позже ученый перенес свои поиски в соляные копи Нового Света. И там он обнаружил бактерий в возрасте 260–360 миллионов лет (Канада) и 450 миллионов лет (США). Наиболее древними залежами соли считаются залежи в Иркутской области, их возраст 500–600 миллионов лет. Как утверждает Домбровский, точный микробиологический анализ образцов из всех этих месторождений позволяет считать, что найденные живые бактерии действительно относятся ко времени формирования залежей соли. Бактерии были как бы «законсервированы» солью и после перенесения в благоприятную среду ожили. Если исключить возможность их заноса из других источников, мы действительно имеем дело с живыми свидетелями глубокой древности нашей планеты. Домбровский уже давно культивирует потомство этих древних бактерий, сотни миллионов лет ожидавших в укромных убежищах своего «воскресителя».
Но микробиологи на этом не останавливаются. Несколько лет назад группа ученых Гарвардского университета исследовала отложения в южной части озера Онтарио, возраст которых исчисляется двумя миллиардами лет. Здесь сохранились самые древние доказательства жизни на Земле. В этих отложениях с помощью электронного микроскопа обнаружили вполне сохранившиеся мертвые клетки бактерий[14].
Среди микробов известны виды, способные использовать некоторые составные части сырой нефти. Поскольку для огромного большинства микроорганизмов эти соединения не могут быть источником питания, «специалисты по нефти» могли бы выступить в качестве индикаторов при поисках новых месторождений этого ценного сырья.
Во многих районах нашей планеты из органических отложений возникли залежи нефти. В настоящее время считают, что при образовании этих залежей немаловажную роль играли микроорганизмы. В месторождениях нефти на глубине около 2000 м в 1 г отложений живут 10—100 миллионов бактерий. Эти бактерии относятся к группе автотрофных организмов: они получают энергию для своих жизненных процессов из химических реакций, происходящих между неорганическими соединениями. Из залежей нефти через горные породы просачиваются различные газы (метан, этан, бутан и др.). В местах, где газы проходят че|)ёз верхние слои почвы, могут жить микробы, усваивающие газы и получающие благодаря этому энергию для жизненных процессов. Присутствие таких микробов в почве могло бы стать первым сигналом о возможном нахождении здесь залежей нефти. Еще точнее другой метод: в породе выкапывается неглубокая шахта, в нее помещают культуру микробов, которые очень чутко реагируют на присутствие выходящих из земли газов — даже в тех случаях, когда контроль при помощи химических методов не дает положительных результатов.
Мы уже говорили, что микроорганизмы сопровождают человека от колыбели до могилы. Пока зародыш находится в теле матери, он надежно защищен от микроорганизмов. Но уже при рождении первые живые существа, с которыми он приходит в контакт (за исключением матери), — это клетки микробов, сразу же воздействующие на организм новорожденного. Первым самостоятельным актом младенца обычно бывает крик и связанное с ним начало дыхания. С первым же вдохом в дыхательные пути ребенка вместе с воздухом попадают микробы. С первой же каплей материнского молока они проникают и в его пищеварительные органы, где, освоившись в первую неделю, остаются на всю жизнь. С первой же секунды появления на свет приходит в соприкосновение с микробами и поверхность тела младенца.
Трудно представить себе, чтобы микроорганизмы при таком тесном и постоянном контакте с человеком не оказывали на него никакого влияния; так же трудно исключить и обратное влияние человеческого организма на жизнь проникших в него микробов. Теперь мы уже хорошо знаем, что многие болезни возникают от того, что в наше тело внедряются болезнетворные микробы. Известно нам также и то, что без некоторых микроорганизмов мы просто не можем обойтись; это прежде всего микробы, населяющие наш пищеварительный тракт и к тому же снабжающие организм очень важным витамином К, без которого нарушается образование протромбина, необходимого для свертывания крови.
В непосредственный контакт с нашим организмом микробы приходят через дыхание. В сутки через дыхательные пути человека проходит около 15 000 л воздуха. Мы уже знаем, как много микробов в воздухе. Какова же судьба микробов, проникших через дыхательные пути в наше тело? Подсчитано, что житель Лондона, например, вдыхает в сутки около 300 000 бактерий. При этом любопытно, что в легких здоровых людей микробы практически отсутствуют и выдыхаемые ими газы их почти не содержат. Большая часть микробов и частиц пыли задерживается в носоглотке и на гландах, где организм их обычно обезвреживает. Напротив, при таких заболеваниях дыхательных органов, как туберкулез или дифтерия, больной выдыхает и откашливает множество микробов и заражает ими окружающих.
Еще один путь проникновения микробов в наш организм — с пищей. Мы знаем, что в продуктах питания находятся различные микроорганизмы, среди которых нередки и возбудители инфекционных болезней. Уже в ротовой полости постоянно присутствуют микробы. В желудке, где среда для них слишком кислая, они обычно не встречаются, а те, что проникают сюда с пищей, гибнут. Но при низкой кислотности желудочного сока можно найти микробы и в желудке. Больше всего их в толстой кишке. Там всегда присутствует Streptococcus faecalis. Число клеток этой бактерии в кишечнике одного человека превышает количество всех млекопитающих на земном шаре.
Другой постоянный обитатель кишечника — кишечная палочка Escherichia coli. Свое название она получила по имени открывшего ее крупного немецкого педиатра Теодора Эшериха, нашедшего эту бактерию в человеческом кале. Он назвал ее сначала Bacterium coli commune (бактерия кишечная обыкновенная), желая подчеркнуть ее обычное и постоянное присутствие в кишечном тракте людей. Ее численность — 75 % общего числа всех кишечных микроорганизмов. С калом бактерия попадает в почву или воду. Присутствие ее указывает на загрязнение воды фекалиями и непригодность для питья.
Кишечные микроорганизмы участвуют и в химических превращениях принятой человеком пищи. В частности, в толстой кишке они имеют очень благоприятные условия для роста и размножения. Из тела человека они уходят вместе с калом. Незваными и неприятными гостями кишечника являются возбудители некоторых кишечных заболеваний, таких, как брюшной тиф, паратиф или дизентерия.
Немало микробов на коже человека, в волосяном покрове, особенно на открытых частях тела. Это обычно бактерии, дрожжи или микроскопические грибы. И среди них нередки возбудители гнойного воспаления кожи (пиодермии). В борьбе с такими микробами очень действенным средством нужно считать прежде всего личную гигиену. Тщательное мытье в ванне удаляет с поверхности тела до миллиарда микробов.
Что же происходит с микробами после смерти человека? Погибают и они, предварительно сыграв роль гробовщика. Мертвое тело человека, еще недавно питавшее их, начинает кишеть множеством микроорганизмов, постепенно разлагающих его вплоть до минеральных соединений, или, как говорят специалисты, до полной минерализации.
В теплые летние месяцы мякоть хлеба иногда превращается в липкую желто-коричневую массу с неприятным запахом. Хлеб, пронизанный беловатыми волокнами, плохо режется. Его нельзя есть. Виновником этого бывает Bacillus mesentericus, который сохраняется внутри хлеба при его выпечке, поскольку температура там не превышает 100 °C. При длительном хранении в теплом помещении крахмал и белки, содержащиеся в хлебе, начинают разлагаться микроорганизмами. Из воздуха на уже выпеченный хлеб могут попадать споры грибов, вызывающие его плесневение. В прошлом большой вред хлебу наносили бактерии Serratia marcescens, которые вызывали в нем появление кроваво-красных колоний. О них мы уже упоминали.
В молоко микробы попадают при доении. Их количество часто зависит от различных факторов — здоровья коровы, санитарных условий ее содержания, а также от способов обработки молока. Чем меньше в нем микробов, тем дольше сохраняются его свойства как продукта питания. Загрязненное молоко может содержать бактерии, дрожжи и микроскопические грибы.
Молоко предоставляет микробам очень благоприятные жизненные условия. Они легко размножаются и изменяют его состав. Все мы по собственному опыту знаем, как быстро скисает свежее молоко. Виновники этого — молочнокислые бактерии, сбраживающие сахар в молочную кислоту. Если провести микробиологические и химические исследования такого молока, то мы увидим, что вслед за молочнокислыми бактериями в нем начнут размножаться и другие микробы. Появятся микроскопические грибы, использующие в своем обмене веществ молочную кислоту, что в свою очередь создаст условия для жизнедеятельности гнилостных бактерий.
Такие молочные продукты, как масло, сыр, брынза, также подвержены действию микроорганизмов. Масло приобретает неприятный запах, плесневеет или желтеет в результате деятельности нежелательной микрофлоры.
Различные сыры изготовляют из молока при обязательном участии определенных микроорганизмов. Но бывают случаи, когда в сыр при его производстве проникают микробы, вызывающие нежелательные процессы; например, в плавленых сырах развивается такое количество газов, что последние не только вспучивают массу сыра, но и разрывают упаковку. Таким образом, при обработке молочных продуктов одни микробы помогают нам, другие — злостно вредят.
Нападению микроорганизмов подвергается и мясо. Большей частью они попадают в мясо при его обработке и, очень быстро размножаясь, вызывают различные нарушения его пищевых качеств.
Особенно часто на сыром мясе развиваются кишечные бактерии. За короткий срок они вызывают процессы гниения и брожения, представляющие по существу, как мы уже знаем, разложение питательных веществ. Бывает, что мясо начинает светиться — это значит, что в нем поселились фосфоресцирующие бактерии. При повы пенной влажности воздуха на мясе появляются различные микроскопические грибы, образуя цветные пятна. В мясе больных животных могут находиться и болезнетворны? микробы, очень опасны? для человека.
В последнее время необычайно широко используются самые различные пищевые консервы. Мясные продукты, сгущенное молоко, овощи, фрукты, а также готовые «блюда» в консервах все чаще появляются на нашем столе. В принципе консервирование должно препятствовать размножению и разлагающей деятельности микробов. Но бывает, что и в консервах встречаются живые микроорганизмы, которые, попав в благоприятные условия, тут же начинают размножаться и могут стать возбудителями инфекционных заболеваний. Чаще всего это анаэробные бактерии, прекрасно существующие в бескислородной среде.
Картофель, овощи и фрукты приносят на себе обитателей мира микробов часто уже прямо с поля и из садов.
«Истина в вине» — гласит старое латинское изречение. Но в нашем путешествии по следам микробов нам важно знать другое. Находятся ли в вине микробы? Читатель, безусловно, ответит положительно и будет прав. Мы найдем их в вине, пиве и даже в безалкогольных напитках. Они попадают туда либо в процессе производства (брожение вина и пива вызывают дрожжи), либо во время дальнейших процедур. Если при изготовлении напитка будет использована загрязненная вода или не будут соблюдены строгие требования гигиены, напиток может стать носителем болезнетворных микробов. Бактерии тифа или дизентерии, например, сохраняются в пиве несколько суток.
Растительные корма уже в природных условиях, «на корню», не свободны от различных микроорганизмов. Попадают они на растения и при хранении кормов, особенно неправильном. Мы уже знаем, что недосушенное сено при хранении становится очагом деятельности термофильных микробов. Микробы разлагают целлюлозу, выделяя при этом тепло. Зерно хлебных злаков при недостаточном высушивании также может разогреваться под влиянием термофильных микробов. В результате «самовозгорания» зерно обугливается.
Попадающие на кормовые злаки микроскопические грибы разлагают питательные вещества, обесценивая качество кормов, а также выделяют ядовитые соединения, которые могут стать причиной отравления скота. Известная спорынья, паразитирующая на ржи, вызывает эрготизм[15]. Этому заболеванию подвержены и животные, и человек, оно может привести к смерти. Вызывает отравление скота и другой гриб, живущий на злаках (из рода Paspalum) в субтропических и тропических странах.
Головня и различные ржавчины — паразиты хлебных злаков, кукурузы и кормовых трав — также бывают причиной опасных заболеваний. В Югославии накануне второй мировой войны было много случаев отравления детей, которые питались продуктами из кукурузных зерен, пораженных головней.
Ядовитые продукты жизнедеятельности грибов, опасные для животных и человека, называются микотоксинами. Из них наиболее известны а флатоксины, продуцируемые грибами из рода Aspergillus, в особенности видом A. flavus (отсюда и название этой группы токсинов). Они ядовиты для многих животных; установлено также, что они могут вызывать и рак. Афлатоксины были обнаружены на пищевых продуктах и кормах. В 1960 году в Великобритании погибло большое число морских свинок, питавшихся мукой из арахиса, который был заражен грибом A. flavus. В 1968 году в западной части Явы умерло 60 человек, съевших слегка заплесневелые продукты из арахиса, а в Британской Гвиане немало местных жителей погибло в результате потребления продуктов, в которых потом было установлено присутствие афлатоксинов.
Древесина, в которой содержится достаточное количество влаги, становится объектом бурной деятельности микробов. В сырых квартирах, на судах и в шахтах на древесине растут в первую очередь различные виды микроскопических грибов, а нередко и бактерий, разлагающих целлюлозу или иные составные части древесины. Древесина гниет, окрашиваясь в необычные для нее цвета или обращаясь в порошок.
Волокна различного текстильного сырья также нередко становятся объектом разлагающей деятельности микробов. Гриб Ashbya gossypii разрушает волокна хлопка еще в семенных коробочках. Разлагается микроорганизмами и овечья шерсть. Эти микробы, как правило, распространены в навозе или на загнивающих растительных остатках и представлены бактериями, актиномицетами и микроскопическими грибами.
В тропиках различные микроскопические грибы часто находят на лаке, которым покрыты машины. Слой лака разъедается, и металл подвергается коррозии. Электрические моторы, экспортируемые в тропические области, должны быть защищены особыми лаками, содержащими фунгицидные вещества[16]. Вредному влиянию микробов подвержены различные ткани и изоляционные материалы.
Микробы часто бывают причиной недолговечности водопроводных труб. Железобактерии окисляют железо, что приводит к закупорке труб. Серобактерии, в результате жизнедеятельности которых образуется серная кислота, также способствуют коррозии железа и других металлов, растворяющихся в этой кислоте. Обе группы бактерий встречаются в сырой нефти и повреждают трубы нефтяных вышек и насосов. По мнению некоторых специалистов, микробы являются неотъемлемой частью среды, поэтому играют важную роль в процессах коррозии бурильных установок.
Они участвуют также в процессах разложения каучука, нефти и многих других природных материалов, а также бумаги, текстиля и пластмасс. Итак, микробы открывают свое новое лицо — лицо опасных вредителей.
Наша эпоха получила много наименований, связанных с успехами естественных наук. Говорят об «атомном веке», «эре антибиотиков», «эпохе кибернетики». В последнее время начинают говорить и о «космическом веке». Без преувеличения можно сказать, что мы находимся на пороге волнующей страницы человеческой истории. За очень короткий срок мы стали свидетелями запуска сотен искусственных спутников. Первые посланцы Земли взлетели к Луне, Венере и Марсу, подобно планетам Солнечной системы бороздят космос пилотируемые корабли, увеличивается семья космонавтов. Появились проекты полетов к другим планетам нашей Солнечной системы, о межпланетных путешествиях написано много увлекательных романов.
Космический век принес с собой и новые проблемы в области биологических наук. Рассмотрим некоторые вопросы, возникшие в связи с этим в микробиологии. Микроорганизмы — эти мельчайшие представители живого — призваны сыграть важную роль в освоении человеком Вселенной.
Читатели, наверное, еще помнят, что в экспериментальных космических полетах участвовали и живые организмы. Самыми маленькими «пассажирами» были культуры микроорганизмов. Они позволили изучить влияние космических лучей на мелкие живые существа. Полученные сведения были использованы для решения сложных вопросов, связанных с полетом человека в космическом пространстве, в частности вопросов защиты от пагубного влияния космических излучений.
На борту первых космических кораблей были и микроскопические зеленые растения — одноклеточные водоросли. Мы знаем, что зеленые водоросли осуществляют фотосинтез, при котором из воды и углекислоты под влиянием солнечного света образуются основные, энергетически наиболее важные соединения — сахара. Преобразование световой энергии в химическую, связанную в молекулах сахаров, обеспечивает хлорофилл, находящийся в клетках водорослей. Упрощенное представление о получении глюкозы в процессе фотосинтеза дает следующая формула:
6Н2O + 6CO2 + Энергия → С6Н12O6 + 6O2, или
Вода + Углекислый газ + Энергия → Глюкоза + Кислород.
Образование сахаров при помощи фотосинтеза — основной процесс, за которым следует синтез остальных жизненно важных соединений из неорганических веществ. Зеленые водоросли при помощи своих ферментов получают из сахаров необходимое количество энергии и образуют белки, нуклеиновые кислоты, витамины и новые молекулы ферментов. Фотосинтезирующие зеленые водоросли — типичные автотрофные организмы, способные из минерального «сырья» получать и накапливать в своих клетках все наиболее важные для жизни вещества.
При длительных космических полетах зеленые водоросли могут быть использованы в качестве важной составной части меню космонавтов. «Наземные» опыты с культурой одноклеточных водорослей и с приготовлением из них питательных продуктов дали очень обнадеживающие результаты.
Кроме того, зеленые водоросли принимают участие в восстановлении состава воздуха в кабинах космических кораблей. Известно, что в процессе фотосинтеза освобождается кислород, используемый в другом важном жизненном процессе— дыхании. С химической точки зрения дыхание — это процесс, как бы обратный фотосинтезу: используются сахара и кислород, а освобождаются энергия, углекислый газ и вода:
С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + Энергия, или
Глюкоза + Кислород → Углекислый газ + Вода + Энергия.
Таким образом, космонавты поставляют водорослям углекислоту для фотосинтеза и получают от них взамен кислород для дыхания. Уже сконструированы различные модели аппаратов для культивирования водорослей в космических кораблях. Подобный обмен жизненно необходимых газов (кислорода и углекислого газа) между растениями и животными происходит на нашей планете со времен ее глубокой древности.
К самым интересным проблемам космических исследований, безусловно, относится вопрос о существовании жизни во Вселенной. До сих пор нам доподлинно известно всего лишь одно небесное тело, на котором есть жизнь. Это наша планета. После того как человек побывал на Луне, стало ясно, что там едва ли когда-нибудь могла существовать жизнь. Мы знаем, что химический состав нашей Солнечной системы всюду, по существу, один и тот же. Исходя из этого, мы можем предполагать, что и внеземные живые организмы (некоторые ученые называют их экзобиотами) должны обладать биохимическими и физиологическими свойствами, сходными со свойствами земных организмов. Поэтому и считают, что жизнь может существовать прежде всего на таких небесных телах (планетах), где есть основные условия жизни: вода в жидком состоянии, благоприятная температура поверхности планеты, атмосфера, качественно схожая с земной, достаточное количество света как источника энергии для фотосинтеза. Такие условия в нашей Солнечной системе имеются отчасти на Марсе, в связи с чем некоторые ученые полагают, что жизнь, хотя бы ее низшие формы, возможна на этой планете.
На Земле мы найдем микробов в каждом комочке почвы, в движимых воздушных массах; они живут в полярных областях и в тропиках, на высокогорных вершинах и в глубинах океанов. Не исключено, что и на других планетах, где возможна жизнь, есть свой особый состав микроорганизмов, представляющих низшие формы жизни. Поэтому при изучении образцов, доставленных с иных планет, следует применять и микробиологические методы.
Но тут неизбежен один коварный вопрос: будут ли микробы, найденные в инопланетных образцах, действительно внеземными существами? Очень важно избежать заноса на иные планеты земных микробов или загрязнения образцов, взятых с этих планет, «нашими» микроорганизмами, которые мы ошибочно можем принять за внеземные.
Кроме того, здесь кроется и другая немалая опасность. Представим себе какую-нибудь планету, на которой существует жизнь. На нее прибывает посланный с Земли космический корабль, и в нем находятся «безбилетные пассажиры» — земные микробы. Попадая в подходящие условия, они начинают размножаться. Из каждой бактериальной клетки через 20–30 мин возникают две новые. С помощью ветра и водных течений самые обыкновенные бактерии могут завладеть планетой, по величине близкой к размерам нашей Земли, всего за какие-нибудь несколько недель. Это, безусловно, приведет к резким изменениям в жизни планеты. Многие микробы могут оказаться болезнетворными, и нельзя исключать возможность, что они выживут на этой «живой» планете различные эпидемии. Существует опасность и обратного порядка. Инопланетные микроорганизмы, попавшие в качестве нежелательных пассажиров — «зайцев» — в корабль, вернувшийся на Землю, могут стать серьезной угрозой для нашей планеты.
О возможности жизни на Венере среди ученых существуют различные точки зрения. На этой планете есть атмосфера, в составе которой удалось обнаружить углекислый газ, азот и другие газы, а недавно обнаружили и воду. Температура на поверхности Венеры гораздо выше, чем на Земле; по некоторым данным, она превышает 300 °C[17]. Такая температура слишком высока для того, чтобы на ней была возможна жизнь.
Недавно в журнале Science появилась интересная статья о возможностях заселения Венеры. Приведем основные мысли, высказанные в этой статье.
Для освоения Венеры высшими земными организмами ее необходимо соответствующим образом подготовить: снизить температуру поверхности планеты и повысить содержание кислорода в атмосфере. Для этого нужно подыскать организмы, способные существовать не непосредственно на ее поверхности, а на высоте нескольких километров, где находится пояс умеренных температур. Здесь процесс фотосинтеза мог бы протекать по основной схеме, причем источником кислорода служила бы вода. Со временем клетки этих организмов опустились бы в нижние слои атмосферы, где под влиянием высоких температур происходило бы разложение органических соединений, таких, как сахара. Схема этого процесса выглядела бы так:
С6Н12O6 + Тепловая энергия → 6С + 6Н2O, или
Сахара + Тепловая энергия → Углерод + Вода.
При этом содержание углекислого газа в атмосфере понижалось бы, запасы воды обновлялись, а количество кислорода — повышалось. Нам известны организмы, способные выполнить подобное задание. Это фото-синтезирующие одноклеточные сине-зеленые водоросли. Некоторые из них живут на Земле в горячих источниках при температуре 80 °C. Другие виды наземных сине-зеленых водорослей, азотфиксирующие, могли бы выполнить еще одну задачу на Венере: связывать азот из атмосферы и получать с его помощью белки и все остальные жизненно важные азотсодержащие органические вещества.
В упомянутой статье говорится о планах засылки на Венеру кораблей с подобным экипажем. За счет снижения в атмосфере содержания углекислого газа можно было бы устранить и так называемый парниковый эффект, который является причиной высоких температур на поверхности планеты. Со временем этот процесс можно было бы приостановить во избежание чрезмерного понижения температуры, в результате которого прекратились бы разложение органических соединений на поверхности планеты и вышеописанные реакции.
Тяжек был труд твоего землепашца на поле:
Три лишь зерна на зерно получал с урожая.
Ости одни и колючки подчас пожиная,
Пану оброк семикратный он нес, проклиная…
Так на груди твоей издавна предки трудились,
Вечную муку до ран на руках принимая…
Очень долгое время мы ничего о них не знали. Землепашцы испокон веков рыхлили землю, сеяли и собирали урожай. Потом наступила эпоха микробиологических исследований и почвоведения и понемногу стала проясняться судьба различных соединений в почве, их круговорот в природе. И человек постепенно узнавал о неизвестных и невидимых сотрудниках из мира микроорганизмов. Так, мы узнали, что именно они— основные поставщики углекислого газа в атмосферу, откуда его в процессе фотосинтеза усваивают растения, добывая пищу для гетеротрофных организмов, в том числе и для человека. Среди микробов мы открыли фиксаторов и преобразователей азота и его соединений, являющихся необходимыми элементами питания всех организмов. Соединения азота, серы, фосфора и большую часть биогенных элементов растения получают в почве прежде всего благодаря деятельности микроорганизмов.
И теперь, окидывая взором поле с созревающим урожаем той или иной сельскохозяйственной культуры, мы знаем, что его обеспечивают многие миллионы микробных клеток, находящихся в почве, где они неустанно, невидимо для нас выполняют свою жизненную задачу. Здесь мы найдем представителей всех групп микроорганизмов, и почвенная микробиология может дать нам в цифрах наглядное представление об их составе в 1 г почвы:
Простейшие 600 000 — 1 500 000
Водоросли 100 000
Микроскопические грибы 8 000 — 1 000 000
Актиномицеты 100 000 — 36 000 000
Бактерии 300 000 — 90 000 000
Рассмотрим роль почвенных микроорганизмов в сельском хозяйстве и их значение для поддержания жизни на нашей планете.
Мы уже знаем, что в процессе фотосинтеза растения поглощают из атмосферы углекислый газ и из него и воды при обязательном участии световой энергии вырабатывают сахара. Дальнейшая судьба полученных сахаров может быть различной. В клубнях картофеля и зернах хлебных злаков из сахаров образуется крахмал. В семенах некоторых растений накапливаются масла. В конопле и хлопчатнике образуются волокна, используемые в текстильной промышленности. Образующиеся в хлоропластах сахара служат, кроме того, вместе с другими веществами материалом для построения различных органов растения.
Биогенный элемент углерод, входящий в состав углекислого газа и сахаров, находится в природе в постоянном круговороте. Если бы его запасы в атмосфере не пополнялись, их хватило бы для жизни растений всего лет на сорок. Процесс фотосинтеза прекратился бы, и как следствие этого наступил бы конец жизни на Земле. Однако мы знаем, что запасы углекислого газа в воздухе постоянно восполняются. Он поступает в атмосферу из вулканических газов, минеральных вод, освобождается при выветривании горных пород и сгорании древесины, угля, торфа, горючих газов и нефтяных продуктов. Живые организмы возвращают его в атмосферу при дыхании. Микробы также честно выполняют свою роль поставщика этого драгоценного продукта — участвуют в разложении остатков животных и растений, минерализуя органические соединения. Можно считать, что бактерии и грибы при дыхании выделяют в атмосферу больше углекислого газа, чем все люди и животные, вместе взятые.
Растения относятся к автотрофным организмам, для питания которых достаточно лишь усвоения углекислого газа, в отличие от гетеротрофов, принимающих углеродную пищу только в форме готовых органических соединений. Мы уже знаем, что автотрофными являются и многие микроорганизмы. Кроме зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей, нам известны специализированные автотрофные бактерии, использующие для получения и усвоения углекислого газа химическую энергию, которая освобождается в результате реакций, происходящих в неорганических соединениях. Из таких автотрофных почвенных бактерий наиболее известны нитрифицирующие бактерии, которые играют чрезвычайно важную роль в круговороте другого биогенного элемента — азота.
Азот — важный биогенный элемент, присутствующий в каждой живой клетке. В азоте нуждаются все живые организмы, но добывают они его по-разному. Животные получают азот из растительной пищи. Зеленые растения черпают его из почвы в форме минеральных соединений. Газообразный азот, находящийся в атмосфере, для зеленых растений недоступен. Своими надземными органами они буквально купаются в атмосферном азоте, но использовать его не могут. В результате электрических разрядов в атмосфере возникает небольшое количество соединений азота, в частности аммиак; они проникают в почву с дождем и могут служить растениям источником азота. Но на 1 га почва получает таким путем лишь около 3 кг азота в год, тогда как с урожаем мы получаем его с этой же площади раз в 20 больше.
В 1 га почвы содержится около 8000 кг азота, большая часть которого связана с живущими в ней организмами. Если бы растениям был доступен весь находящийся в почве азот, то, например, сахарная свекла исчерпала бы его за 40 лет. И хотя запасы азота в почве невелики, они постоянно пополняются, причем главная роль в этом процессе принадлежит почвенным микроорганизмам.
Мертвые животные и растения очень скоро становятся жертвой микробов, которые используют в процессе своей жизнедеятельности эти богатые запасы органических соединений. Одни микробы выделяют ферменты, осуществляющие разложение белков на их составные части — аминокислоты (но процесс разложения на этом не останавливается). Другие микробы под действием ферментов освобождают из аминокислот углекислый газ, большая часть которого возвращается в атмосферу, и аммиак, остающийся в почве. Микробы освобождают аммиак и из выделений различных животных. Процесс, при котором в результате жизнедеятельности микробов из белков и других органических соединений выделяется аммиак, называется аммонификацией. Пахотная почва, в которой находятся растительные остатки, навоз, отмершие мелкие животные и микробы, всегда содержат аммиачные соединения.
Хвойные древесные породы своими корнями поглощают аммиачные соединения из почвы и используют их для образования аминокислот и белков. Так азот, связанный в аммиаке, снова возвращается в живую природу.
В более трудном положении находятся растения, неспособные усваивать аммиак. Они могут использовать только азот, содержащийся в нитритах или нитратах. Но и этим растениям на помощь приходят микробы.
Сергей Николаевич Виноградский, выдающийся русский микробиолог, долгое время работавший в Пастеровском институте в Париже, внес огромный вклад в развитие микробиологии. Центральной темой его исследований было изучение автотрофных бактерий. Вслед за работами, посвященными серобактериям и железобактериям, ученый занялся изучением химических превращений аммиака в почве.
В 1890 году ему удалось выделить из почвы культуру микробов, очень чувствительных к минимальным количествам органических соединений и потому не растущих на обычных питательных средах с желатиной или агаром. Когда же он применил неорганическое студенистое соединение силикагель и, поместив его в чашки Петри, добавил несколько капель минеральных соединений (среди которых был и аммиак), а сверху присыпал комочками почвы, то вскоре увидел, что около них выросли колонии бактерий. Это были автотрофные нитрифицирующие бактерии, обладающие способностью превращать почвенный аммиак сначала в нитриты, а затем в нитраты. В обеих фазах этого окислительного процесса освобождается энергия, используемая нитрифицирующими бактериями при ассимиляции углекислого газа в процессе хемосинтеза.
Нитрифицирующие бактерии чрезвычайно полезны для сельского хозяйства. В течение лета на 1 га хорошо обработанной почвы они преобразуют до 200 кг аммиачного азота в нитраты, делая таким образом этот азот доступным для растений.
Среди культурных растений есть такие растения, которые не нуждаются в азотном удобрении. Это бобовые. К ним относятся клевер, люцерна, горох, фасоль, соя и др. Уже в Древнем Риме было известно, что бобовые улучшают свойства почвы и что урожай на полях, где предшествующей культурой были бобовые, всегда богаче.
В прошлом веке было установлено, что бобовые растения содержат в 2–3 раза больше азота, чем любые другие культурные растения. Содержание белка в них даже выше, чем в мясе. Каково же происхождение азота в этих растениях? Если мы осторожно выдернем из почвы растения клевера или гороха, то обнаружим на их корешках вздутия — клубеньки. В этих клубеньках живут так называемые клубеньковые бактерии. Они-то и являются причиной высокого содержания белка, поскольку усваивают азот непосредственно из воздуха. Единственной доступной для них фермой азота является молекулярный азот, запасы которого в атмосфере неисчерпаемы. В процессе превращения молекулярного азота в аминокислоты часть этих соединений остается в клубеньках, откуда они распространяются затем по всему растению. Так бобовое растение, неспособное самостоятельно синтезировать органические соединения из газообразного азота, получает их недорогой ценой от клубеньковых бактерий. Взамен оно отдает им воду, минеральные соли и запас энергии в форме сахаров, образующихся при фотосинтезе. Эти вещества в свою очередь служат необходимым питанием для клубеньковых бактерий, нуждающихся в готовых углеродных соединениях. Таким образом, пребывание клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений очень выгодно для обоих партнеров — бактерий и высших растений. Такое взаимовыгодное сожительство двух различных организмов мы называем симбиозом.
В 1893 году С. Н. Виноградский сообщил ученому миру интересные данные о другом виде бактерий, выделенном им из почвы и названном в честь Пастера Clostridium pasteurianum. Он выращивал эти бактерии на питательной среде, лишенной азота, и они нормально росли и размножались. Через некоторое время Виноградский обнаружил, что питательная среда обогатилась соединениями азота, отсутствовавшими в ней ранее. Он установил, что С. pasteurianum способны усваивать азот из воздуха и «вырабатывать» из него белки. Этот микроорганизм относится к анаэробным бактериям, которые обитают в бескислородной среде.
Спустя восемь лет после открытия этих бактерий голландский микробиолог Мартин Бейеринк обнаружил в почве еще один вид, способный фиксировать атмосферный азот, и назвал его Azotobarter chroococcum. Это был тот самый Бейеринк, который одновременно с Ивановским открыл существование вирусов, о чем будет рассказано в 10-й главе. Любопытная деталь: будучи убежденным холостяком, Бейеринк свои лекции в университете всегда начинал обращением «Господа и дамы!» Когда один из его ассистентов женился, он прервал с ним всякие отношения, заявив: «Ученый не имеет права жениться!»
Связывание (фиксация) атмосферногр азота бактериями — процесс огромной важности. Молекулярный азот, недоступный никаким другим организмам, преобразуется в соединения, которые могут использоваться как легкоусвояемая пища. Очень любопытен химический механизм этого явления.
При химическом производстве азотных соединений из атмосферного азота применяются методы резких температурных скачков и сложная химическая аппаратура. Химики улавливают азот из воздуха при помощи мощной электрической дуги, сквозь которую прогоняют струю воздуха при температуре 3000 °C. Затем образующийся газ пропускают через воду, и азотные соединения, связываясь с водой, превращаются в азотную кислоту. По другой методике воздух охлаждают до —194 °C; азот отделяют от остальных составных частей воздуха, смешивают с водородом в отношении 1:3, подогревают до 550 °C, и тогда под высоким давлением в присутствии катализатора образуется аммиак. В результате взаимодействия аммиака с кислородом в присутствии платинового катализатора образуется азотная кислота[18].
Насколько же проще делают все это мельчайшие клетки бактерий, усваивающие атмосферный азот! Им достаточно одних остатков растений, служащих источником углерода и энергии. Они живут во мраке, во влажной, теплой почве и, невидимые, неслышные, усваивают азот из богатейшей природной кладовой. При помощи своих ферментов они преобразуют его в значительно более сложные соединения, чем может даже представить человек. И в результате всех этих превращений в клетках бактерий создаются белки, без которых невозможна жизнь на нашей планете.
Связывание атмосферного азота имеет и огромное хозяйственное значение. Согласно некоторым подсчетам, бактерии поставляют в почву до 9 830 000 т азота в год. В пересчете этого количества азота на такое промышленное азотное удобрение, как натриевая селитра, мы получили бы астрономическую цифру. Если бы бактерии не обогащали почву азотом, нам пришлось бы тратить на удобрение до 150 000 000 т натриевой селитры в год. Только на транспортировку такого количества потребовалось бы 300 000 поездов по 50 вагонов.
Естественно, что эта способность азотфиксирующих бактерий уже давно привлекала к ним внимание микробиологов. Они использовали эти организмы в виде так называемых бактериальных культур, которые заделываются в почву. Почва обогащается азотом, и ее плодородие значительно повышается.
В Японии и Индии при выращивании риса в последние годы стали применять новое микробное удобрение. Это удобрение содержит культуры сине-зеленых водорослей, очень быстро размножающихся на заливаемых водой рисовых полях. К тому же они не только связывают атмосферный азот, в них происходит еще и процесс фотосинтеза, что поддерживает деятельность других микроорганизмов и влияет на повышение урожаев риса.
Таким образом, знания ученых о способах питания микроорганизмов с успехом используются для повышения урожайности культурных растений, то есть теоретические исследования микробиологов и в сельском хозяйстве приносят богатые практические результаты.
Круговорот веществ в природе, в котором деятельное участие принимают микроорганизмы.
Мы убедились уже в том, что микробы играют очень важную роль в превращениях углерода в почве. Clostridium pasteurianum, Azotobacter, клубеньковые бактерии и сине-зеленые водоросли связывают атмосферный азот и способствуют образованию органических соединений. В процессах гниения бактерии осуществляют аммонификацию, освобождая аммиак из отмерших растений, животных, микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в важнейшие питательные вещества растений — нитриты и нитраты.
Однако помимо этой полезной деятельности почвенных бактерий нам известна и другая сторона их активности, с хозяйственной точки зрения нежелательная. Дело в том, что некоторые микробы вызывают денитрификацию, при которой из нитратов образуется молекулярный азот, выделяющийся в атмосферу. Процесс денитрификации происходит обычно в плохо обработанных и слабо аэрируемых почвах.
Все превращения азота под влиянием микробов, растений и животных дают нам картину его грандиозного и бесконечного круговорота в природе.
И остальные биогенные элементы постоянно переходят от неживой материи к живому веществу, а от него — под влиянием деятельности микробов — снова возвращаются к мертвой природе. Некоторые из них необходимы микроорганизмам лишь в очень малых количествах. Это так называемые микроэлементы. Железо или медь — важные компоненты некоторых ферментов. Кобальт принимает обязательное участие в образовании молекул витамина В12, открытого уже в послевоенные годы. Его с успехом применяют в лечении острой анемии. В12 образуется в клетках многих микробов, и в настоящее время основным путем получения витамина в промышленности является микробиологический синтез.
Профессор П. Немец так характеризует круговорот веществ в природе и участие в этом процессе живых организмов, в частности микробов:
«Компоненты атмосферы — углерод, азот и кислород — усваиваются живой природой, становясь составной частью живых организмов, точнее живой материи. Со временем эти организмы выделяют их обратно в атмосферу. В процессе дыхания или под влиянием разлагающей деятельности микроорганизмов элементы минерализуются и возвращаются в неживую природу. То же происходит и с остальными минеральными элементами, участвующими в биологическом круговороте. Живое вещество в этом непрестанном цикле использует неживую материю атмосферы и земной коры, а движение цикла обеспечивается солнечной энергией.»
Три тысячи лет назад один древний мудрец выразил ту же мысль гораздо лаконичнее: «…И возвратится прах в землю, чем он и был.»
В различных органах растений образуются вещества, регулирующие и до известной степени ускоряющие их рост. К таким веществам относится, например, f3-индолилуксусная кислота (гетероауксин).
Интересно, что гетероауксин вырабатывают и выделяют в окружающую среду также некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы. В почве он может стать важным фактором в развитии растений. Образуется гетероауксин и в результате деятельности кишечных бактерий. Человек в сутки выделяет с мочой до 2 мг гетероауксина. Меньшая его часть (около 0,1–1 мг) поступает вместе с растительной пищей человека, но большую часть продуцируют кишечные бактерии.
Есть еще одно интересное вещество, связанное с деятельностью микроорганизмов и сильно влияющее на рост растений. Это гиббереллин. История гиббереллина началась на Дальнем Востоке. В Японии уже больше 150 лет известна болезнь риса баканаэ (шалая болезнь). Это заболевание молодых проростков риса, которые вытягиваются в высоту, становясь в полтора раза длиннее нормальных, здоровых растений. Оно вызывается грибом Gibberella fujikuroi, паразитирующим на рисе.
В 1926 году японский исследователь Е. Куросава, изучивший эту болезнь, доказал, что заболевание проростков риса можно вызвать искусственно и в отсутствие гриба. Он выращивал гриб в лаборатории в жидкой питательной среде, затем фильтровал ее и полученным фильтратом (лишенным гриба) опрыскивал молодые растеньица. Проростки начинали расти, значительно опережая необработанные растения и проявляя все признаки уже известного заболевания. Это означало, что гриб выделял в жидкую среду какие-то вещества, которые проникали в организм опрыснутых растений и вызывали заболевание. Спустя десять лет группе японских исследователей удалось получить это вещество в чистом виде из фильтрата гриба. Они назвали его гиббереллином. Долгое время изучением гиббереллинов занимались лишь японские ученые, в последние десятилетия их стали исследовать и в других странах. В настоящее время известны четыре вещества типа гиббереллина[19], причем наиболее интересной оказалась гиббереллиновая кислота (чаще ее называют просто гиббереллином).
Самые большие трудности для исследователей гиббереллина заключались в том, что его можно было получать лишь в лабораторных условиях и в очень малых количествах. После второй мировой войны положение изменилось. К этсму времени уже началось промышленное производство антибиотиков (пенициллина, стрептомицина и др.). Опыт заводского выращивания организмов, продуцирующих антибиотики, можно было использовать и для получения культур гриба G. fujikuroi, а следовательно, приступить к промышленному производству гиббереллина. Но для чего потребовалось производить гиббереллин, вызывающий болезнь риса? Вопрос логичен и вполне естествен. На него мы сможем ответить, лишь разъяснив действие гиббереллина на организм растений.
Большие дозы гиббереллина действительно вызывают заболевание риса. Иначе обстоит дело с малыми дозами — на многие растения они оказывают вполне положительное действие. Мы уже говорили о том, что болезнь баканаэ вызывает быстрое вытягивание ростков риса. В связи с этим возникла мысль о возможности использования гиббереллина в качестве стимулятора роста культурных растений. Многочисленные опыты показали, что надежда эта вполне оправданна, и началось промышленное производство гиббереллина.
Изучая действие гиббереллина на растения, используют в основном два метода: либо в очень слабом водном растворе этого вещества замачивают клубни, корешки, семена растений, либо опрыскивают этим раствором только что взошедшие растения или их листья, почки, плоды. Концентрация гиббереллина в растворе очень низкая: одна часть вещества на миллион, а то и миллиард частей воды. Действует гиббереллин на различные растения по-разному. Если семена гороха перед высевом намочить в растворе гиббереллина, они раньше прорастут и молодые проростки развиваются быстрее.
Опыты в тепличных условиях показали благоприятное действие гиббереллина на сельдерей. У подопытных растений вес был на 50 % выше, чем у контрольных экземпляров. В полевых условиях всего 3 г гиббереллина на площади 16 га повысили урожай сельдерея на 12 %, причем значительно улучшилось и качество этой культуры.
Один из сортов салата оказался настолько восприимчивым к действию гиббереллина, что стал высоким вьющимся растением.
Гиббереллин ускоряет прорастание риса, ячменя и увлажненных семян зерновых культур. Проводились неоднократные опыты по использованию гиббереллина в пивоварении в целях ускорения производства солода из ячменя.
Известно благоприятное действие гиббереллина на урожай и качество винограда. Средний вес отдельных плодов (ягод) и гроздей значительно повышался. Опрыскивание деревьев апельсина раствором гиббереллина повысило содержание сока в плодах на 9 %, а витамина С — на 13 %.
Обнадеживающие результаты были получены и при выращивании декоративных растений. Одни из них раньше зацветали, у других увеличивались размеры цветков, удлинялся период их цветения и они дольше сохранялись в срезанном состоянии. Опрыскивание листьев пеларгонии вызывало раннее появление бутонов и образование более крупных соцветий по сравнению с контрольными растениями.
Предварительные опыты с различными овощными растениями (картофель, морковь, фасоль, капу ста, томаты) показали возможность использования гиббереллина и в овощеводстве. Кукуруза, обработанная гиббереллином, достигает большей высоты. Рассматриваются возможности увеличения с помощью гиббереллина урожаев клевера, люцерны и других кормовых растений. По мнению специалистов, гиббереллин найдет применение прежде всего в овощеводстве, декоративном садоводстве и виноградарстве.
Держи, Атлант,
Чудовищную ношу —
Наш шар земной,
Огромный и безликий…
Он — кровь и глыба,
Облаков хаос,
Скалы обломок,
Великан гранитный,
Стихия и бесформенная сила,
Где все перемешалось и кипит,
И атомов в нем мечутся билльоны,
Ни устали не зная, ни сомнений…
В предыдущей главе мы узнали о взаимоотношениях растений с микробами, выгодных для обеих сторон и называемых симбиозом. Рассмотрим подробнее некоторые стороны этого союза.
Бобовые растения могут образовывать сахара в процессе фотосинтеза, но неспособны усваивать атмосферный азот. Клубеньковые бактерии, напротив, хорошо справляются с этой задачей, но не могут осуществлять синтез сахаров, потому что не имеют хлорофилла. Но когда эти два организма объединяются и производят обмен вырабатываемых продуктов, их жизнь обеспечена.
На корнях ольхи также встречаются клубеньки, в которых живут микробы, усваивающие азот из воздуха. Это тоже пример симбиоза, как и у бобовых растений.
Чрезвычайно интересные растения — лишайники. В полярной тундре это почти единственная пища растительноядных животных. Они интересны тем, что представляют сочетания грибов и водорослей: среди клеток грибов живут более мелкие клетки зеленых или сине-зеленых водорослей.
В теле лишайников того или иного вида обычно находится какой-то один постоянный вид водоросли. Правда, у некоторых лишайников, произрастающих в альпийском поясе, имеются два вида водорослей, относящихся к совершенно различным группам (один вид к зеленым, другой — к сине-зеленым водорослям), и здесь мы встречаемся уже с тройным симбиозом: гриб + зеленая водоросль + сине-зеленая водоросль. При этом сине-зеленая водоросль играет особую роль, так как она обеспечивает углеродное питание остальным членам системы за счет фотосинтеза и усваивает азот из атмосферы.
Лихенологам (лихенология — наука о лишайниках) удалось выделить из лишайников обоих партнеров — и гриб и водоросль — и выращивать их отдельно в чистых культурах. Из таких чистых культур они осуществили обратный «синтез» этих организмов в лишайники, что схематически изображено на рисунке.
Схема, показывающая выделение из лишайников чистых культур гриба и водоросли и последующее их соединение.
С помощью радиоактивного углерода. 14С было доказано, что углеводной пищей лишайников обеспечивают водоросли. Последние связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза, из углекислоты и воды вырабатывают сахара и переправляют их грибным клеткам. В одном из опытов было установлено, что уже по прошествии 45 мин после поступления радиоактивного углерода в грибных клетках оказалось 60 % углерода, прошедшего через процесс фотосинтеза.
Шведский исследователь К. Мосбах из Лундского университета так описывает скорость синтеза лишайниками сравнительно сложной гирофоровой кислоты. Уже через минуту после поступления радиоактивной углекислоты в ее составе обнаружен углерод 14С. Это можно объяснить тем, что радиоактивный углерод сначала был поглощен клетками водорослей и затем в ходе реакций фотосинтеза был включен в состав молекул сахаров. Молекулы сахаров были переданы в грибные клетки лишайника и там под влиянием ферментов сначала разложились на более простые соединения с двухатомным углеродом, а затем при содействии других ферментов из них образовалась гирофоровая кислота, содержащая в своей молекуле 24 атома углерода. Весь путь атомов радиоактивного углерода можно упрощенно представить в виде следующей схемы:
Сложные процессы фотосинтеза, разложения и повторного синтеза биохимик провел бы по многим этапам и использовал бы для осуществления отдельных химических реакций по меньшей мере 10 ферментов. Но в клетках микроорганизмов все эти операции совершаются меньше чем за минуту; через минуту первые продукты — молекулы гирофоровой кислоты — уже готовы. Сколь примитивен и несовершенен автоматизированный конвейер на наших фабриках в сравнении с «производством» этого вещества в природе! При этом нельзя забывать, что в то же время и в тех же клетках в безупречной гармонии идут сотни других химических реакций!
Водоросли в лишайниках способны осуществлять процесс фотосинтеза при внешней температуре —5 °C, а в некоторых случаях даже при температуре —24 °C.
Как показали опыты лихенологов, водоросль снабжает своего грибного «партнера» также витаминами, а сине-зеленые водоросли — еще и азотной пищей. Гриб со своей стороны поставляет водорослям водные растворы минеральных солей и обеспечивает защиту от неблагоприятных воздействий внешней среды.
Тем не менее создается впечатление, что водоросли являются своего рода пленниками и подневольной рабочей силой у грибов. При отделении партнеров друг от друга грибы нуждаются в «искусственном» питании, тогда как зеленые и сине-зеленые водоросли — вполне самостоятельные организмы и сами синтезируют все необходимые органические соединения.
Немало в природе и других примеров сожительства микробов с иными организмами. На корнях деревьев в почве живут гифы грибов, проникающие в ткани корней. Грибы — постоянные спутники этих деревьев. Оказывается, их жизнь на корнях имеет большое значение для древесных пород. Растения выделяют в почву через корни углеводы, используемые грибами. Гифы проникают и внутрь корней, но растение регулирует их активность в корневой системе, причем верхушечные клетки гиф иногда растворяются веществами, содержащимися в выделениях корней. Растения в свою очередь используют вещества, находящиеся в гифах, и, таким образом, грибы в известной мере способствуют их питанию. Такое сожительство грибов с растениями называется микоризой. Эта связь хорошо известна грибникам, собирающим плодовые тела микоризных грибов — белых, маслят, лисичек. Плодовые тела вырастают из грибницы (сплетения гиф, находящиеся в почве в тесном контакте с корнями деревьев). Поэтому белый гриб мы чаще всего находим под дубами, подберезовик — под березами, а подосиновик— под осинами.
У каждого животного есть свой определенный «нормальный» состав микроорганизмов. Интересны взаимоотношения микробов и жвачных животных. В растительной пище жвачных содержится большой процент целлюлозы. И хотя пищеварительный аппарат этих животных не выделяет фермент целлюлазу, расщепляющий целлюлозу вплоть до молекул глюкозы, целлюлоза усваивается организмом полностью.
Желудок жвачных состоит из нескольких отделов, в которых пища подолгу задерживается и перемешивается. Здесь и происходит разложение целлюлозы.
Этот процесс обеспечивают бактерии и простейшие, которые находятся там в огромном количестве. Растительная пища еще в ротовой полости животного перемешивается со слюной, хотя и не имеющей в своем составе ферментов, но содержащей много солей. Соли служат пищей микробам, разлагающим целлюлозу в первом отделе желудка — рубце. Условия для жизнедеятельности микробов здесь благоприятны. Рубец жвачного[20] служит своего рода «термостатом», в котором микробы получают все необходимые питательные вещества. В 1 мл здесь может быть до 10 000 000 000 микробов. Целлюлоза и другие полисахариды в результате жизнедеятельности микробов разлагаются на более простые соединения — органические кислоты и газы. Органические кислоты через стенки рубца проникают в кровь, а газы выходят наружу. Микробы, количество которых, естественно, сильно возрастает, с обработанной пищей попадают в следующие отделы желудка, где под действием ферментов микробные клетки разлагаются до аминокислот и освобождают витамины, играющие вместе с аминокислотами важную роль в питании животных.
Не меньшее значение для животных имеют и кишечные бактерии[21], образующие, как показали исследования, витамины, необходимые организму животного. Бактерии, живущие в толстой кишке человека, поставляют организму витамины В1 и К, способствующие процессу свертывания крови. Однако витамины, получаемые организмом человека от бактерий, не покрывают всех его потребностей, поэтому человек должен принимать их и с пищей.
В теле насекомых, как правило, находятся бактерии, дрожжевые и другие микроскопические грибы. Они живут в клетках особого органа, получившего название мицетом. Там они синтезируют витамины, а возможно, и другие жизненно важные вещества, которыми снабжают своего хозяина.
Жуки при откладывании яиц выделяют вместе с экскрементами огромное количество дрожжей, и яйца приходят в контакт с симбиотическими микробами. Личинка при выходе из яйца поедает часть его внешней оболочки, и дрожжевые грибы попадают в ее кишечник, где начинают размножаться.
Живущая на банане мушка Drosophila, откладывая яйца, обволакивает их бактериями. В яичниках вшей также находятся бактерии, причем на каждое яйцо приходится до 200 бактерий.
Карл Фриш, профессор кафедры зоологии Мюнхенского университета, описывает, каким образом обеспечивает свое потомство симбиотическими бактериями клоп Coptosoma, и характеризует этот процесс как «достойный фантазии сочинителя сказок».
Симбиотические бактерии клопа живут в мицетоме, соединяющемся с желудком. При откладывании клопом яиц эти бактерии, приобретая прочную оболочку, выходят в желудок. Клоп аккуратно перекладывает яйца бактериями из своих запасов. Когда личинка выскальзывает из яйца, она хоботком прокалывает оболочку, содержащую бактерии, и втягивает их в себя, «как бы зная, что заряжается эликсиром жизни».
Многие исследователи наблюдали за развитием личинок, лишенных контакта с симбиотическими микроорганизмами. Так, например, удалось стерилизовать яйца жука Sitodrepa и наблюдать за развитием вышедших из них личинок. Они очень отставали в своем развитии от контрольных и погибали, так и не достигнув стадии взрослого насекомого (имаго).
Бразильские муравьи «листорезы» выращивают собственную пищу. а — увеличенная культура гриба, б — «листорез» несет пищу грибам.
Было установлено, что симбиотические бактерии снабжают насекомых витаминами группы В. Удалось доказать, что некоторые симбиотические микробы насекомых способны также усваивать атмосферный азот. Таким образом, мы имеем здесь аналогию симбиотических взаимоотношений клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.
Задолго до того, как во Франции появился метод искусственного культивирования шампиньонов, секретом выращивания грибов овладели бразильские муравьи, называемые листорезами. В своих колониях они выращивают особый гриб, на концах гиф которого находятся маленькие пузырьки, служащие самым любимым лакомством для этих своеобразных «фермеров». Целая армия листорезов отправляется по стволам кустарников и деревьев; они отгрызают листья, приносят их в свои жилища и обрабатывают, приготовляя пищу для культивируемых грибов.
Когда молодая матка покидает родную колонию, чтобы основать новое жилище, она уносит с собой и часть грибной культуры, которую муравьи будут продолжать выращивать в новой колонии. Для «транспортировки» грибного мицелия у них в ротовой полости есть специальное отделение. Листорезы нередко причиняют большой вред растениеводству: для разведения своих грибов они отгрызают листья культурных растений. В штате Сан-Паулу в Бразилии они подчас причиняют значительный ущерб хозяйству.
Термиты выращивают грибы в термитниках и кормят нарастающими молодыми частями грибниц своих самок и личинок. Споры этих грибов они переносят на теле или с экскрементами.
Жуки, сверлящие ходы в древесине, кормятся грибами, которые они выращивают в своих жилищах. Такие «культурные» грибы, разводимые насекомыми, называют амброзиями. Они служат хорошей пищей, содержащей много витаминов, белков и жиров.
Насекомые способствуют распространению микробов, которые не имеют непосредственного значения для их жизни. В цветках растений нередко встречаются дрожжи. Насекомые, собирая нектар, переносят с цветка на цветок клетки этих грибов.
Перенос некоторыми насекомыми микробов — возбудителей заразных болезней представляет опасность для человека, животных и растений. Такие опасные заболевания, как сыпной тиф, чума, малярия или лихорадка Скалистых гор, распространяются насекомыми.
В колосьях ржи мы находим иногда черные зерна спорыньи, развивающиеся из спор гриба Claviceps purpurea. Споры способствуют очень быстрому распространению гриба. На некоторых местах возникают налеты спор, они покрыты «медвяной росой», содержащей растворенный сахар. Некоторые насекомые питаются медвяной росой и при этом переносят споры гриба на здоровые колосья. Споры прорастают, и гриб заполняет ткани всего почерневшего зерна, представляющего собой уже колонию спорыньи.
Шмели переносят с цветка на цветок споры гриба Botrytis anthophila, паразитирующего на цветущем клевере. Пчелы способствуют переносу дрожжей Candida reukaufii, вызывающих брожение сахаров цветочного нектара. Осы в конце лета переносят на дозревающие фрукты споры гриба Sclerotinia fructigena, возбудителя гнили яблок, груш и слив. Некоторые клопы, питающиеся соком растений, распространяют споры гриба Ashbya gossypii, вызывающего опасную болезнь хлопчатника.
Но мы знаем и виды микроскопических грибов, совсем не по-дружески относящихся к насекомым. Эти опасные паразиты представляют для насекомых смертельную опасность. Их жертвой часто бывает и комнатная муха, особенно осенью. Есть вид микроскопического гриба, живущий исключительно на мухах. Проникая в тело насекомого, гифы этого гриба растут в направлении привлекающих их жировых тканей. Гриб быстро разрастается в брюшке мухи, и та вскоре погибает. Микроскопическое изучение срезов из брюшка погибших мух показало, что они были буквально задушены гифами паразита, а в некоторых случаях отмечалось и массовое образование спор.
Гриб Aspergillus flavus вызывает паралич грудных мышц у луговой кобылки (из саранчовых) и часто бывает причиной ее гибели. Последние годы этот гриб привлекает внимание микробиологов и по другим причинам. У домашних животных, поедающих корма, пораженные этим грибом, появляются признаки отравления. Теперь уже установлено, что этот гриб выделяет опасные вещества, известные под названием афлатоксинов. Они чрезвычайно ядовиты и, кроме того, иногда вызывают раковое разрастание тканей у подопытных животных. По-видимому, и насекомые становятся жертвой афлатоксинов.
Хищный образ жизни ведут не только животные и плотоядные растения. В мире микробов также есть свои представители хищников. Каулобактерии, поражая другие виды бактерий, вызывают их гибель. Мы не будем пока говорить о простейших, которые питаются бактериями, а расскажем о «плотоядных» грибах, отличающихся очень любопытным способом пленения своей жертвы.
Самый простой способ «охоты» мы обнаруживаем у водных одноклеточных грибов. Они размножаются мелкими спорами, которые закрепляются на теле водяных червей. Когда спора прорастает, гифы гриба проникают в тело червя и там образуют спорангии, в которых зарождается новая генерация спор. Червь, пораженный паразитом, скоро погибает, а все его тело заполняется гифами гриба.
Одноклеточные грибы применяют и другой способ «охоты». Стоит червю приблизиться к гифам, как из них начинают выделяться липкие вещества. Червь прилипает к гифе, и из нее очень быстро начинают вырастать «побеги», которые проникают в тело червя, обреченного на верную гибель. Его тело становится пищей хищного гриба. Сходные хищные грибы живут и в почве. Они являются очень важными представителями почвенной микрофлоры и серьезными врагами червей.
К наиболее распространенным хищным грибам относится вид, известный среди специалистов под названием Arthrobotrys oligospora. Для ловли своей жертвы он создает тонкую сеть из скрещивающихся под прямым углом ответвлений грибницы. Поверхность клеток, из которых состоит сеть, покрыта липким веществом. К ней пристает коснувшийся сетки червь, после чего из ближайших клеток начинает выделяться обволакивающее жертву липкое вещество. Метод надежный, червю лишь в очень редких случаях удается выбраться из ловушки.
«Гарота» хищных микроскопических грибов, используемая ими для ловли червей.
И хотя он еще шевелится и трясет злополучную сеть — все напрасно. Движения червя слабеют, и часа через два он погибает. Непосредственная причина его гибели неизвестна, вполне возможно, что гриб выделяет какие-то ядовитые вещества, убивающие жертву. Очень скоро после смерти червя гифы гриба проникают в его тело и через 24 ч от него остается одна оболочка.
Кроме описанных липких сетей, некоторые хищные плесневые грибы имеют и другие виды механических ловушек. Так, гриб Dactylaria Candida образует кольчатые ловушки. Из гифы мицелия вырастает ножка, заканчивающаяся тремя рожкообразно искривленными клетками, которые постепенно соединяются, образуя кольцо. Внутренний диаметр кольца таков, что червь, попавший в кольцо и пытающийся продвинуться вперед, как бы заклинивается в этой своеобразной воронке и выбраться из нее уже не в состоянии. Эпилог этой драмы краток: в тело жертвы внедряются гифы гриба и поглощают все, что можно поглотить.
Известны также ловушки, активно участвующие в ловле жертвы. Такую ловушку представляет выросшее из гифы колечко, которое напоминает скрученный крысиный хвост или петлю лассо ковбоев. Стоит червю попасть в колечко, как клетки кольца резко стягиваются и червь погибает. Эта система напоминает обруч гароты, некогда употреблявшийся в Испании для казни: обруч при помощи винтов стягивался вокруг шеи и душил осужденного.
Как же действует такая «гарота» у хищных грибов? Кольцо состоит обычно из трех продолговатых клеток и ножкой прикрепляется к гифе мицелия. Все три клетки на внутренней стороне чувствительны к прикосновению. Когда червь случайно попадает в это кольцо, начинает действовать сжимающий механизм. Объем клеток увеличивается втрое, они расширяются изнутри, и отверстие кольца сильно сужается. Вырваться из этих «объятий» жертва уже не может, она резко дергается и затихает. Все это происходит очень быстро — уже через несколько секунд после того, как червь вошел в кольцо. Гифы прорастают из клеток кольца в тело червя и «поедают» его содержимое.
Какой же импульс заставляет эти грибы вести подобный хищнический образ жизни? Почвенные микробиологи выделили и вырастили чистые культуры «хищников». Оказалось, что при искусственном выращивании грибы не образуют ловушек. Но как только в питательный раствор помещали червей, тотчас появлялись пресловутые ловушки. Они появлялись также при добавлении в раствор фильтрата жидкости, в которой до того были черви. Такое же действие оказывало введение в раствор лошадиной сыворотки или экстрактов из различных органов животных. Ловушки не образовывались, если в раствор добавляли экстракты из растений. Логично сделать предположение, что хищные грибы образуют свои ловушки под влиянием каких-то соединений животного происхождения. Поиск этих соединений привел к выделению из организма червей активного вещества неамина, стимулирующего возникновение ловушек и сетей. Хищные плесневые грибы — постоянные обитатели обрабатываемой почвы. Изучение их «охотничьих» наклонностей привело к мысли использовать грибы в биологической борьбе против червей, наносящих серьезный ущерб полевым культурам.
Первые опыты были проведены перед второй мировой войной на Гавайских островах в целях борьбы с круглыми червями (нематодами), которые повреждали корни растений ананаса и вызывали образование на них утолщений. Искусственное введение в почву хищных грибов не дало положительных результатов, но внесение в почву остатков некоторых растений несколько повысило активность этих грибов.
Дальнейшие опыты проводили уже во время войны во Франции. Было доказано, что хищные грибы не вредят ни культурным растениям, ни домашним животным. В послевоенные годы ученые Советского Союза, Англии и США занимались вопросами использования хищных грибов в борьбе с нематодами. В частности, были достигнуты определенные успехи в борьбе с вредителями картофеля, овса и других культур.
В настоящее время трудно судить, какие практические результаты могут дать эти опыты в будущем. Но, по-видимому, грибы с «охотничьими» наклонностями представляют интерес не только как курьезный случай в сфере взаимоотношений организмов в природе.
Среди разнообразнейших представителей мира микробов развились и «дружеские», симбиотические отношения. Интересны, например, взаимоотношения между некоторыми простейшими и водорослями. В клетках инфузорий часто живут симбиотические зеленые или сине-зеленые водоросли. Как автотрофные организмы они могут снабжать простейших сахарами, а также кислородом, освобождающимся в процессе фотосинтеза. Но, как мы знаем, симбиоз должен быть полезен обоим партнерам. Какую же пользу извлекает водоросль, живущая в клетке простейшего? Оказывается, простейшее в процессе дыхания разлагает сахара, получаемые фотосинтезирующей клеткой водоросли, до их конечных продуктов — углекислого газа и воды, используя при этом кислород. Освобожденный углекислый газ и воду поглощает водоросль, которая в процессе фотосинтеза выделяет кислород, необходимый для дыхания простейшего. Миниатюрный «круговорот» углерода, кислорода и водорода, происходящий между хозяином и микроскопической водорослью, можно представить следующей схемой:
Другим примером может служить симбиоз азотобактера с бактериями, разлагающими целлюлозу. В результате разложения образуются сахара и различные органические кислоты, представляющие хорошую углеродную пищу для азотобактера. Азотобактер усваивает азот прямо из воздуха и переводит его в органические азотные вещества, используемые бактериями, которые разлагают целлюлозу. Подобные взаимоотношения существуют и между азотобактером и зелеными водорослями. Первый является «поставщиком» азотных соединений, тогда как водоросли поставляют не только углеродные соединения, но одновременно и запасы энергии.
Народы, населяющие Кавказ, издавна приготовляют кефир. Этот диетический напиток получается в результате действия бактерий и дрожжей, вводимых в молоко в виде так называемых кефирных «зерен». Между молочнокислыми бактериями и дрожжевыми грибами существуют симбиотические отношения. Молочнокислые бактерии разлагают молочный сахар (лактозу) на простые сахара (глюкозу и галактозу), доступные дрожжам, и те сбраживают их до спирта. Дрожжи поставляют еще витамины группы В, которые потребляют молочнокислые бактерии. Так образуется кефир, содержащий молочную кислоту — результат деятельности молочнокислых бактерий, и этиловый спирт — результат деятельности дрожжей.
Нередким примером других взаимоотношений может быть так называемый метабиоз, когда один микроорганизм потребляет продукты жизнедеятельности другого. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиачный азот в нитриты, а затем в нитраты. Первую фазу этого процесса осуществляет одна группа нитрифицирующих бактерий, после чего в действие вступает вторая группа, окисляющая нитриты в нитраты, но неспособная самостоятельно окислять аммиак. Бактерии, разлагающие белки до аминокислот, обеспечивают жизнь другим микробам, использующим эти аминокислоты в качестве ценного для них азотного питания.
В почве живут аэробные бактерии, которые могут расти и развиваться только в присутствии кислорода. На анаэробные же бактерии кислород действует как яд. Что охраняет почвенные анаэробные бактерии от губительного воздействия кислорода? Аэробные бактерии, которые потребляют кислород, присутствующий в почве. Анаэробные бактерии в свою очередь разлагают целлюлозу, при этом образуются органические кислоты, являющиеся богатым источником энергии и углерода для аэробных бактерий. Таким образом, деятельность этих двух групп бактерий взаимно дополняет друг друга. Одни из них потребляют кислород и органические кислоты, другие, защищенные от губительного действия кислорода, образуют в результате разложения целлюлозы упомянутые кислоты.
Борьба за жизнь происходит и в мире микробов. Она идет обычно там, где возникает недостаток питательных веществ и организмы вынуждены получать их в условиях острой конкуренции с другими микробами. В этой борьбе за источники питания победителем становится обычно та группа организмов, которая имеет какие-то преимущества перед своими конкурентами. Молочнокислые бактерии, например, становятся преобладающей группой в молоке, потому что, сбраживая молочный сахар и превращая его в молочную кислоту, создают среду, непригодную для жизни гнилостных бактерий.
Мелкие бактерии Bdellovibrio bacteriovorus известны как паразиты. Если ввести их в питательный раствор вместе с другими бактериями, то они очень быстро, всего за несколько секунд, добираются до своих жертв и прочно прикрепляются к их клеткам. Через 3 мин паразиты уже начинают проникать в клетки, а еще через 22 мин оказываются внутри их. У пораженных клеток изменяется форма, а паразиты, уничтожая содержимое своей жертвы, интенсивно размножаются и выбираются в окружающую среду, готовые к новой атаке.
Борьба за существование микробов нашла свое отражение и в явлении антагонизма. По-видимому, самые интенсивные сражения между микробами происходят в почве, микроскопическое население которой всегда очень пестро. В каждом грамме почвы в этих баталиях принимают участие до нескольких сотен миллионов микробов.
Антагонизм микробов в почве наблюдал и описывал еще Л. Пастер. Он знал, что от больных людей или животных болезнетворные микробы попадают в почву самыми различными путями (с экскрементами и пр.). А это означает, что почва может быть важным фактором в распространении заболеваний. И люди и животные постоянно соприкасаются с почвой, пьют воду из естественных источников, употребляют в пищу плоды растений. Не угрожает ли им при этом опасность заражения? Пастер вместе со своими сотрудниками вводил в почву различные болезнетворные микробы и через некоторое время обнаруживал, что все они погибали.
Затем он провел другой опыт. В культуру антракса (возбудителя сибирской язвы), которая интенсивно развивалась в стерилизованной моче, проникли (вследствие небрежности) бактерии из воздуха и быстро размножились там. Пастер с удивлением обнаружил, что в «загрязненной» колбе бациллы антракса исчезли. Единственным объяснением могло быть, что культуру бацилл уничтожили «гости» из воздуха. Это привело его к выводу о возможности использовать антагонизм микробов в лечении болезней, возбудителями которых являются микроорганизмы.
Паразит бактерий Bdellovibrio bacteriovorus. а — паразит атакует бактерию Pseudom onas, превосходящую его по величине; б — разрез через полуразрушенную бактерию-хозяина (справа — клетка паразита).
Ученик Пастера И. И. Мечников, ставший горячим сторонником лечения при помощи микроорганизмов, объяснил подавляющее влияние одних микробов на другие выделением каких-то ядовитых соединений. Это явление стали называть антибиозом, а позднее ученым удалось выделить из антибиотических микробов вещества, предсказанные еще Мечниковым. Теперь мы называем их антибиотиками. Что же представляют собой антибиотики? Микробиолог С. Я. Ваксман, получивший в 1943 году стрептомицин — антибиотик, применяющийся при лечении туберкулеза, — так определяет эти вещества: «Антибиотиками мы называем химические вещества, вырабатываемые некоторыми микроорганизмами и обладающие свойством даже в очень малых дозах прекращать рост и размножение других микробов или же убивать их».
В 1896 году итальянский врач Госсио занимался изучением пеллагры. Возникновение этой болезни приписывали ввозимому из азиатских стран рису, который при неправильном методе хранения покрывался плесенью. Теперь мы уже знаем, что пеллагра — авитаминоз, возникающий в результате недостатка в питании одного из витаминов группы В (никотиновой кислоты). Госсио не смог установить возбудителя пеллагры, но попутно он сделал одно важное открытие.
Из заплесневевших зерен риса ему удалось выделить культуру зеленоватого микроскопического гриба, оказывающего антибиотическое влияние на бактерии. Он вырастил этот гриб в жидкой питательной среде, которую затем подверг фильтрованию. Из фильтрата он получил небольшое количество кристаллического вещества, губительно действовавшего на бактерии. Это был первый полученный в чистом виде антибиотик.
В настоящее время, в век антибиотиков, нам трудно даже представить себе современную медицину без этих веществ. Сбывается мечта Л. Пастера бороться с болезнетворными микробами при помощи других «доброжелательных» микробов.
Известно, что болезнетворные микробы могут быть перенесены с больного организма на здоровый. Однако возможность переноса и заболевания бывает в той или иной степени ограничена. Решающую роль при этом играет ряд факторов.
Прежде всего это количество микробов, попавших с пораженного организма в окружающую среду. Чем больше микробов, тем больше вероятность заражения других существ. Следующий важный фактор — время. Самым опасным источником болезнетворных микробов являются бациллоносители, распространяющие микробы неделю, год, два и дольше. Напомним о бациллоносителях брюшного тифа, которые могут быть угрозой для окружающих в течение ряда лет.
Микробы угрожают не только здоровью и жизни человека. Мы видели, что их жертвами могут стать насекомые и мелкие черви. Не меньшую опасность представляют они и для многих высших животных и растений.
О том, что микробы с давних пор угрожали человеку, животным и растениям, а также о том, что в далеком прошлом победа в неравном бою очень часто была на их стороне, мы подробно расскажем в четвертой части книги. К нашим извечным врагам принадлежит и еще одна группа микроорганизмов — долгое время остававшихся невидимыми и тем более опасных для человека. Это вирусы.
В 1951 году академик Б. Л. Исаченко сообщил об обнаруженных им пурпурных бактериях в нефтеносных слоях Земли на глубине 1700 м (Исаченко Б. Л., Избран. труды, т. 2, М., Изд-во АН СССР, 1951). — Прим. ред.
В 1975 году появилось сообщение об обнаружении с помощью геофизических ракет некоторых микроорганизмов на высоте 61 000 — 77 000 м (Имшенецкий А. А., Лысенко С. В., Казаков Г. А., О микроорганизмах стратосферы, ДАН СССР, 224, № 1, М., 1975). — Прим. ред.
Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 201. — Прим. ред.
Растворимые в воде гумусовые вещества (фульвокислоты) сложной химической природы; встречаются в почве и природных водоемах. — Прим. ред.
Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 356–357. — Прим. ред.
Сообщения о способности микроорганизмов, находящихся в соляных копях, оживать при их перенесении в благоприятные условия были опубликованы и в СССР. Однако специально проведенные микробиологические исследования не подтвердили этих данных (Абызов С. С, Заварзив Г. А., Иванов М. В., Серегин В. И., Широков О. Г., Микробиология, т. XXXV, в. 5, стр. 885, 1966.) — Прим. ред.
Отравление рожками спорыньи, наблюдаемое при употреблении в пищу муки, содержащей примесь спорыньи. Теперь встречается редко. Имеются две формы эрготизма — гангренозная и конвульсивная («злая корча»). В основе заболевания лежат дегенеративные процессы, развивающиеся в задних корешках спинного мозга. — Прим. ред.
Фунгициды — неорганические и органические ядовитые химические вещества, применяемые для борьбы с грибными заболеваниями растений. — Прим. ред.
В соответствии с данными, полученными советскими автоматическими станциями «Венера-9» и «Венера-10», запущенными в 1975 году, температура на солнечной стороне Венеры достигает 465 °C, а давление свыше 90 атм. — Прим. ред.
В настоящее время ведутся исследования по созданию химических катализаторов, подобных азотфиксирующим комплексам микроорганизмов, которые могли бы применяться для получения азотных удобрений из атмосферного азота. — Прим. ред.
На сегодняшний день известно уже около 30 веществ типа гиббереллина. — Прим. ред.
Рубец жвачных можно сравнить с ферментёром, в котором происходит размножение микроорганизмов, являющихся дополнительным (до 30 %) источником белка для животных. — Прим. ред.
В кишечнике человека, так же как и в пищеварительном тракте травоядных животных, разложение целлюлозы происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов, образующих фермент целлюлазу. — Прим. ред.