Текст книги "Популярно о микробиологии"
Автор книги: Михаил Бухар
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц) [доступный отрывок для чтения: 4 страниц]
Глава 10
Микробы-криминалисты
– Да скажите же нам, наконец, что это за муха? – воскликнул Дик Сэнд.
– Эта муха, – ответил энтомолог, – эта милая мушка, которую я держу в руке, называется цеце. Этой мухой до сих пор по праву гордился только один континент. Ни один ученый не находил еще цеце в Америке.
Жюль Верн
С тех пор как кузен Бенедикт, ученый-энтомолог, помог Дику Сэнду определить, в какую часть света их заманил негодяй Негоро, казалось бы, отпала необходимость в определении таким методом своего местоположения.
Тем не менее бывают случаи, когда требуется в криминалистических или каких-либо других целях определить, из какой местности получены те или иные образцы почв, семян, плодов и т. п. И здесь на помощь приходят не насекомые, а микробы. Ведь микроорганизмы есть всюду. Невозможно найти предмет, если, конечно, это не специально подготовленный для операции стерильный хирургический инструмент, на котором не было бы микроорганизмов.
Покрывая все окружающие предметы, они как бы маркируют их. Заинтересованному исследователю остается лишь расшифровать эту маркировку и уже по ней без особого труда определить происхождение исследуемых объектов, учитывая, что в определенных географических зонах обитают определенные микроорганизмы.
Когда рассказывают об использовании науки в разоблачении различных преступлений, то очень часто приводят пример, как американский физик Роберт Вуд «вывел на чистую воду» хозяйку пансионата, которая кормила своих постояльцев завтраками, приготовленными из остатков вчерашней еды. Подсыпав немного хлористого лития к остаткам обеденной трапезы, Роберт Вуд на следующее утро обнаружил красную спектральную линию лития в сожженных перед щелью спектроскопа образцах завтрака. Порок был наказан, а история обогатилась еще одним примером торжества науки.
Между тем в ее истории есть и менее известные примеры, иллюстрирующие аналитические возможности микробиологии. Мы уже говорили, что она многим обязана Пастеру. Именно он впервые использовал микроорганизмы в качестве тест-объектов. Изучая болезни вина, Пастер научился, не пробуя его, определять вкусовые качества напитка. Для этого он помещал под микроскоп капельку вина и тут же давал абсолютно точный ответ, горчит оно или, наоборот, отдает уксусом, изумляя не только неискушенных в научных экспериментах крестьян-виноделов, но и ученых, своих современников. На наш взгляд, этот пример должен пользоваться не меньшей популярностью, чем история с Робертом Вудом.
Микроорганизмы могут оказывать порой неоценимую помощь в таком старом методе идентификации людей (и преступников!), как дактилоскопия. Она основана на сравнении отпечатков пальцев с оригиналом, хранящимся в базе данных. Однако в некоторых случаях они видны не столь отчетливо, как хотелось бы криминалистам. Несмотря на отсутствие видимых отпечатков, на поверхности предметов почти всегда остаются невидимые для человеческого глаза химические вещества. Они выделяются с потом и повторяют контуры отпечатков пальцев. Если эту загрязненную поверхность засеять микроорганизмами, то, разрастаясь только на этих выделениях, они сделают невидимые следы видимыми. Таким образом, микроорганизмы как бы проявляют негативы отпечатков пальцев и делают их доступными для следствия.
А вот еще один из многочисленных примеров, когда микроорганизмы выступают в роли Шерлока Холмса.
В связи с участившимися попытками фальсификации апельсинового сока и замены его более дешевыми продуктами фирмы, ответственные за качество поступающих в продажу напитков, изыскивают различные способы разоблачения мошенников. Так, разработан способ контроля, основанный на определении содержания аминокислот в испытуемых образцах. Однако для еще большей надежности рекомендуется проводить и микробиологический анализ, поскольку установлено, что в натуральном апельсиновом соке содержится неповторимая комбинация микроорганизмов.
Создание же синтетической среды, на которой может расти такая же микрофлора, требует преодоления таких трудностей, что проще и дешевле не обманывать покупателя и продавать ему настоящий апельсиновый сок, а не суррогат! Таким образом, микроорганизмы выступают еще в одной роли – роли инспекторов, и уж они-то неподкупны и не подвержены другим человеческим слабостям!
Краткий экскурс, который мы предприняли, казалось бы, в совершенно различные области человеческой деятельности, показывает, что микроорганизмы принимают то или иное участие практически во всех процессах. Значительно труднее найти примеры, в которых не просматривалось бы участие поистине вездесущих микроорганизмов.
Кто же эти таинственные и невидимые невооруженным глазом существа, без которых было бы трудно или даже невозможно жить? Описанию этих таинственных невидимок и посвящены следующие главы этой книги.
Часть II
По ту сторону покровного стекла
Глава 11
От Левенгука до электронного микроскопа
Коль много микроскоп
Нам тайностей открыл…
М. В. Ломоносов
К концу XVII в. в биологии сложилась довольно гармоничная картина природы, согласно которой весь живой мир делился на два царства: растений и животных. Основные их представители были давно открыты и описаны, и казалось, что ничего существенно нового уже не может быть открыто.
Но в 70-х гг. XVII в. в Лондонское королевское общество стали поступать письма от некоего Антони ван Левенгука, суконщика из голландского города Делфт, в которых были описаны удивительные существа, обнаруженные им с помощью самодельного микроскопа.
Он отнюдь не был похож на современный и состоял всего лишь из одной линзы, дающей увеличение до 300 раз. В ее фокусе закреплялся один объект, который казался Левенгуку интересным. Таким образом, объект наблюдения и микроскоп составляли уникальное единство, и для каждого нового объекта Левенгук создавал новый прибор. Подтверждением этому служит название его книги «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов». (Обратите внимание на множественное число в конце названия книги.) Несмотря на то что Левенгук изготовил огромное количество микроскопов (451!), ни с одним из них он ни за что не хотел расставаться и на все попытки купить у него микроскоп отвечал решительным отказом. Исключение было сделано только для Петра I, которому Левенгук подарил микроскоп, когда царь посещал его лабораторию. По-видимому, российский монарх был первым из русских и первым из всех монархов, которому открылся мир микробов.
Рассматривая через линзу микроскопа различные объекты, Левенгук увидел множество мельчайших живых существ, как он их назвал, «зверюшек», доселе никому не известных и ни разу не описанных. Он находил их везде, даже в капле воды из канавы. Эти «зверюшки» теперь известны как простейшие. В 1683 г. Левенгук обнаружил живые организмы еще меньше них. По-видимому, ему удалось впервые в истории человечества наблюдать бактерии.
Свои наблюдения Левенгук описал в 112 письмах, адресованных Лондонскому королевскому обществу. Оригинальность и тщательность описаний привлекли к ним внимание, и они были изданы отдельной книжкой под названием «Тайны природы».
Эти письма и по сей день хранятся в архивах Лондонского королевского общества, и один дотошный английский журналист обнаружил, что к трем из них до сих пор прикреплены пакетики с препаратами, собственноручно изготовленными Левенгуком. Они были исследованы современными методами, и оказалось, что препараты выполнены с большим искусством, хотя приборов для изготовления срезов (микротомов) у Левенгука не было, и пользовался он обыкновенной опасной бритвой.
Можно с уверенностью утверждать, что фундаментальные наблюдения Левенгука заложили основы микробиологии и послужили началом ее описательного, или морфологического периода. Итак, если Пастера называют отцом микробиологии, то Левенгука по праву можно считать ее дедушкой.
По сути, он открыл третье царство – царство микробов. Но едва ли он сам или его современники были в состоянии оценить значение этого открытия. Со времен Левенгука прошло три столетия. Но даже сейчас, после десятилетий бурного развития микробиологии, нельзя сказать, что все виды микроорганизмов уже открыты и остается лишь тщательно изучить уже известные формы. Совсем наоборот. По мере появления новых методов наблюдения и новых специализированных сред для выращивания микроорганизмов удается выделить формы, поражающие воображение даже видавших виды микробиологов.
Тут и клетки треугольной и звездчатой формы, и ползающие многоклеточные бактерии… А сообщения об открытии все новых и новых форм и видов продолжают поступать.
Теперь настало время остановиться на существе современных методов обнаружения микробов.
Устройство человеческого глаза не позволяет различать предметы, величина которых меньше одной десятой миллиметра. Микроорганизмы значительно мельче, и как бы мы ни напрягали свое зрение, нам никогда не увидеть их невооруженным глазом. Тем не менее все же существуют визуальные методы наблюдения микроорганизмов, правда, не отдельно взятых, а их скоплений. Интенсивно размножаясь и достигая больших концентраций в единице объема, микроорганизмы становятся видимыми и невооруженным глазом. Так, прозрачный бульон становится мутным, когда количество развившихся в нем клеток достигает одного-двух миллиардов в одном кубическом сантиметре. На измерении мутности основан один из методов количественной оценки микроорганизмов – нефелометрический.
Известен другой метод, применяющийся для количественного определения микроорганизмов и тоже основанный на визуальном определении не единичных клеток, а их скоплений, так называемых колоний, – метод предельных разведений. Небольшой объем исследуемой жидкости или суспензии равномерно распределяется по поверхности плотной агаризованной питательной среды. В тех местах поверхности, куда попали клетки микроорганизмов, через некоторое время образуются крупные или мелкие колонии. Обычно используют несколько различных концентраций (разведений) исследуемой жидкости, что позволяет получить достоверные данные о содержании микроорганизмов в исследуемом образце.
Возможно, конечно, и прямое микроскопирование. Однако смотровое поле микроскопа настолько мало, что для получения достоверных данных необходимо просмотреть большое число полей, что требует больших затрат квалифицированного труда. Этот процесс можно автоматизировать, используя электронно-лучевую трубку. Если электронный луч направить на смотровое поле, то, двигаясь по нему, он будет отражаться от клеток. Можно учесть число отражений и даже создать прибор, состоящий из электронно-лучевой трубки и счетчика. Однако у этой системы есть существенный недостаток: электронный луч, отражаясь одинаково от мертвой и от живой клетки, дает явно завышенную численность живых микроорганизмов. Более того, при наличии показаний в исследуемом образце в действительности может вообще не быть жизнеспособных клеток.
Наилучшие результаты, конечно, можно получить, используя совокупность методов, а также тщательно анализируя и сравнивая результаты, полученные различными способами.
Вот почему необходима разработка инструментальных методов микробиологического анализа, не только приспособленных к микроскопическим размерам исследуемых объектов, но и позволяющих отличать живые микроорганизмы от мертвых. В создании таких методов имеются значительные успехи.
Для обнаружения микроорганизмов, помимо обычных микробиологических способов, используются физические и химические. Г. Соли запатентовал в США оригинальный способ, основанный на способности живых микроорганизмов синтезировать фермент каталазу. Исследуемую жидкость вводят в раствор, содержащий перекись водорода и вещество, хемолюминесценция которого активируется перекисью водорода. Уменьшение интенсивности хемолюминесценции в растворе по сравнению с контролем показывает на присутствие в пробе живых клеток, каталаза которых разлагает перекись водорода и тем самым уменьшает интенсивность хемолюминесценции.
Другой физический метод обнаружения живых бактерий и дифференциации их от погибших микроорганизмов и инертных тел микроскопического размера разработан Дж. Воудом и М. Бенсоном. Проводящую электрическую жидкость пропускают через маленькое отверстие в диэлектрике. При этом живые бактерии вызывают мгновенные резкие изменения (скачки) сопротивления. Подсчет возникающих скачков с помощью электронно-счетного устройства и корреляция полученных данных со скоростью тока жидкости позволяют с большой точностью определить концентрацию живых бактерий в известном объеме жидкости. Современные приборы для обнаружения микроорганизмов способны найти одну клетку в 1 мл исследуемой жидкости. И это, наверное, не предел. Если с помощью микроскопа Левенгука, состоящего из одной линзы и дающего увеличение всего в 300 раз, удалось открыть целый мир бактерий, то какие же огромные возможности предоставляет пытливому исследователю микробиология XXI в., оснащенная целым арсеналом современных средств наблюдения!
Глава 12
Распространенность микроорганизмов
Нас – тьмы, и тьмы, и тьмы.
А. Блок
Микроорганизмы – всюду. В воздухе, в воде, в почве – и везде их великое множество. Достаточно сказать, что только в одном кубическом сантиметре ризосферы (это часть почвы, непосредственно прилегающая к корневой системе растения) их число достигает нескольких миллионов. Но это, скажете вы, в почве, которая является уникальным аккумулятором таких жизненно важных факторов, как тепло, вода и воздух. А в других сферах? Прежде всего следует отметить, что нет такой сферы, в которой бы не были обнаружены микроорганизмы. Даже в останках палеонтологических животных (мамонта, пещерного медведя) и неандертальцев найдены ДНК микроорганизмов, которые размножались на их трупах.
В воде океанов бактерий не меньше, чем на суше: их количество в одном кубическом сантиметре достигает миллиона, а число видов доходит до 1500! Проведенное в 2006 г. в рамках проекта «Перепись морской жизни» исследование генетического материала в образцах воды из океана показало: в гидросфере Земли обитает значительно больше видов микроорганизмов, чем считалось раньше. Предполагаемое число различных видов бактерий, живущих в океане, оценивалось в 5 млн. Теперь оно оценивается в 10 млн. Они распространены во всех слоях океана, от поверхности до самого дна. Свободно плавающие виды бактерий располагаются в приповерхностной зоне. Больше всего микроорганизмов у дна, где они выполняют роль «санитаров».
С помощью специально сконструированной буровой установки жизнеспособные бактерии были обнаружены в материковых льдах Антарктиды на глубине 427 метров. В Гренландии в пробах льда, извлеченных с трехкилометровой глубины, были найдены сверх-микроскопические бактерии, возраст которых заведомо превышает сто тысячелетий.
В пробах воздуха, взятых с помощью ракет вертикального взлета, на высоте в 74 километра были обнаружены четыре вида грибков и два вида бактерий.
Многие микроорганизмы хорошо переносят большое давление, повышенные концентрации солей, сахаров и даже высокий уровень радиации! Микроорганизмы – чемпионы по способности выдерживать повышенную гравитацию. При величине ускорения в 400 000 g они не теряют способности к размножению.
До недавнего времени считалось, что микроорганизмы могут жить либо на поверхности твердых тел, либо будучи погруженными в жидкость; в газовой среде они могут находиться только во взвешенном состоянии, паря там, как пылинки, которые мы видим в воздухе, но не способны осуществлять все жизненные функции. Однако в результате работ Р. Диммика было показано, что бактерия Serratia marcescensосуществляла полный жизненный цикл, находясь во взвешенном состоянии в газовой среде.
Все описанные сферы обитания микробов существуют миллионы лет, и неудивительно, что микроорганизмы смогли приспособиться к жизни в столь разнообразных условиях. Это произошло не только потому, что бактерии – самая древняя форма жизни на Земле, но и потому, что продолжительность существования одного поколения микроорганизмов несравнимо меньше, чем у всех других. Таким образом, в природе прошло обкатку временем и изменяющимися условиями среды значительно большее число поколений микроорганизмов, и, естественно, их эволюционная «шлифовка» была проведена более тщательно. Микроорганизмы не только могут приспосабливаться к условиям внешней среды, но и в некоторых случаях способны их изменять подобно человеку, который влияет на окружающую природу в соответствии со своими желаниями. Например, микроорганизмы подкисляют или нейтрализуют среду, если она не удовлетворяет требуемым для данного вида условиям. Другой пример – некоторые микроорганизмы поддерживают температуру в определенных пределах (это явление получило название аутотермостатирования и было открыто в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН).
Благодаря своим поразительным адаптационным способностям микроорганизмы приспосабливаются и к экстремальным условиям существования. Так, они не гибнут даже в условиях глубокого вакуума и при сверхнизких температурах. Микробы способны выдержать пребывание в камере при давлении 10 -9мм ртутного столба с температурой 40–160 °C ниже нуля в течение 500 часов! Более того, их можно обнаружить в охлаждающих контурах атомных реакторов, при невиданных в природе уровнях радиации в 500 и более рентген в час! Так, например, бактерия Deinococcus radioduransсуществует при уровне радиации, в тысячу раз превышающей смертельную дозу для человека.
Бактерии по способности противостоять высоким температурам, давлению и радиоактивному излучению оставляют далеко позади себя остальные формы жизни. В 2003 г. обнаружены микроорганизмы, способные в течение 10 часов выдерживать температуру в 121 °C, при которой все известные до сих пор микроорганизмы погибают.
Гидростатическое давление в самых глубинных точках Мирового океана составляет 1100 атмосфер (глубина Марианской впадины). Но даже на этой глубине при таком огромном давлении обнаружены представители мира микробов. Но и это не предел. Имеются сообщения о способности некоторых бактерий выдерживать давление в 3000 атмосфер в течение нескольких часов без потери жизнеспособности.
Еще более удивительным местом обитания микроорганизмов являются «черные курильщики». Это места на дне океана, где раскаленная лава разогревает морскую воду до 500–800 °C. И в этой, насыщенной соединениями металлов и серы, перегретой воде под большим давлением тоже живут микроорганизмы.
И, наконец, совсем свежие новости об их местообитании. В мае 2008 г. в кернах, полученных при глубоководном бурении горных пород, лежащих под дном Атлантического океана (глубина 1626 метров под морским дном!) были обнаружены представители родов Pyrococcusи Thermococcus. Это рекордная глубина, на которой обнаружены живые микроорганизмы.
Как видно из приведенных примеров, микроорганизмы могут существовать в очень широком диапазоне физических параметров окружающей среды (температура, давление, вакуум, влажность, повышенная радиация). Не менее важным для распространенности микроорганизмов является их способность существовать при различных значениях pH от кислого до щелочного. Так, Tiobacilus concretivoransможет жить и развиваться в среде, содержащей серную кислоту в концентрации, при которой она растворяет металлы.
Но даже тогда, когда физико-химические параметры среды обитания выходят за пределы физиологических возможностей, у микроорганизмов есть дополнительный ресурс по сохранению своей жизнеспособности в этих сверхэкстремальных условиях.
В подобных случаях некоторые бактерии замедляют свой метаболизм или полностью его приостанавливают и в таком покоящемся состоянии в виде спор или цист могут находиться десятки, а то и сотни лет в ожидании благоприятных условий для роста. Есть примеры возвращения к жизни микроорганизмов после 118 и 166 лет. Более того, бактерии, выделенные из стотысячелетнего антарктического льда, помещенные в теплую питательную среду, оживали и демонстрировали способность к росту.
Еще более удивительным является рост микроорганизмов в различных гелях. Заключенные в проницаемую для питательных веществ оболочку из различного рода полимеров, микроорганизмы растут и развиваются настолько интенсивно, что их активность может быть использована для проведения некоторых биохимических превращений веществ.
Этот краткий обзор сфер обитания микроорганизмов был бы неполным, если бы мы не упомянули еще об одной сфере их обитания – внутренней среде других живых организмов. И здесь они могут выступать в двух ролях. С одной стороны, это паразитирующие микроорганизмы, а с другой – микроорганизмы-симбионты, выполняющие полезные функции. Так, огромный объем работы по переработке растительной пищи в желудке жвачных животных проводят микробы, и, пожалуй, корову без большого преувеличения можно было бы назвать ходячим ферментером по переработке целлюлозы.
Множество бактерий вступает в симбиотические отношения с растениями. Некоторые из них, поселяясь на корнях бобовых, помогают им усваивать азот из воздуха. На один грамм сухого веса корней приходится до 10 миллиардов бактерий-азотфиксаторов. Даже во внутренних органах человека обитает огромное количество бактерий. Так, в кишечнике только число видов микроорганизмов достигает 5600! Это в 10 раз больше чем считалось раньше, до ноября 2008 г.! Микроорганизмы воистину вездесущи!
