Текст книги "Популярно о микробиологии"

Автор книги: Михаил Бухар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц) [доступный отрывок для чтения: 4 страниц]

Глава 13
В здоровом теле…
два фунта микробов

Всем известно, что организму, в том числе и человеческому, для нормальной работы, вернее для процессов метаболизма, требуются сотни бактерий и микроорганизмов.

Клиффорд Саймак

Как уже отмечалось в главе о распространении микроорганизмов, последние присутствуют во всех сферах. Из четырех стихий, известных древним грекам (вода, воздух, земля, огонь), только в одной – огне – микроорганизмы не обнаружены. В остальных трех их полным-полно.

Говоря о вездесущности бактерий, невольно задаешься вопросом: «А как же мы, наше тело, содержит ли оно микроорганизмы и как они в нем сосуществуют?» И тут неискушенного читателя и искушенного писателя поджидают интереснейшие факты.

Микроорганизмы можно обнаружить в ушах, в носу, во рту, на поверхности зубной эмали, в анальном отверстии, на поверхности кожи, под мышками, в паху и между пальцами ног. Количество микробов уже во времена Левенгука поражало даже их первооткрывателя. Он писал после просмотра под микроскопом образцов, взятых с поверхности зубной эмали: «Во всем королевстве Нидерландов нет столько людей, сколько микробов у меня во рту». Более поздние исследования подтвердили эту оценку: только при одном поцелуе передается около 40 000 микробов. Подсчитано, что с кожи человека во время мытья смывается от 20 млн до 1 млрд различных микроорганизмов.

Особенно большое их количество находится в желудочно-кишечном тракте. В толстом кишечнике они составляют 30 % сухой массы его содержимого. Микроорганизмы колонизируют наше тело с момента рождения и уже не покидают его никогда. С первым вздохом и первым глотком материнского молока в человеческую экосистему попадают миллионы бактерий. В процессе длительной совместной эволюции микроорганизмы и люди выработали сложнейшие стратегии, позволяющие им сосуществовать. Следует отметить, что микроорганизмы-симбионты содержат около 60 000 генов, что примерно вдвое больше, чем число генов в геноме человека. Именно этот факт обеспечивает дополнительные метаболические возможности нашему организму, о которых будет сказано ниже.

Общее число микроорганизмов-симбионтов достигает 100 трлн (10 ¹⁴), общее же число клеток, составляющих наше тело, на порядок меньше – 10 трлн (10 ¹³). Общий вес микробов примерно соответствует весу среднего размера железы внутренней секреции человека.

Несомненно, эти миллиарды бактерий оказывают огромное влияние на биохимию и физиологию нашего организма, выполняя зачастую стратегически важные функции обмена веществ. Они, микроорганизмы, помогают переваривать пищу (особенно растительные полисахариды), участвуют в синтезе аминокислот (особенно незаменимых) и являются единственным источником некоторых витаминов (в частности, витамина K и витамина B ₁₂). Они перерабатывают холестерин и жирные кислоты, образуя необходимые для нас стероидные гормоны.

В свою очередь организм человека предоставляет микроорганизмам все необходимые для их роста и развития условия: сбалансированные питательные среды, идеальные условия температуры и влажности. Более того, в последнее время по-новому рассматривается роль аппендикса в организме человека. Есть предположение, что именно в аппендиксе, как в убежище, микроорганизмы могут укрыться от неблагоприятных условий, наступающих при некоторых заболеваниях или при интенсивной антимикробной терапии, а затем вновь колонизируют пищевой тракт, восстанавливая столь необходимую микрофлору. Но мы не только предоставляем микроорганизмам «и стол, и дом», но и активно помогаем их распространению на большие расстояния. Так, чихая, мы разбрасываем вокруг себя около десяти миллионов микробов на расстояние от трех до пяти метров. Это огромный путь по сравнению с размерами микроорганизмов!

Вообще, следует заметить, что им свойственна способность к симбиозу. Они сосуществуют с насекомыми, растениями, грибами, мхами и даже, как мы видели, с человеком. Когда мы говорим о микроорганизмах-симбионтах, то умышленно исключаем патогенные микроорганизмы, заражение которыми вызывает серьезнейшие заболевания. Из этого не следует, что такие микробы в небольших количествах не присутствуют в теле любого из нас. Так, во рту у здорового человека можно найти стафилококки, стрептококки и другие патогенные бактерии. Однако его иммунная система справляется с ними, и он не заболевает. Более того, наличие этих патогенных микроорганизмов как бы служит для тренировки иммунной системы, поддерживая ее в рабочем состоянии. Отсутствие такого рода «тренировок», вызванное чрезмерным стремлением к чистоте, в развитых странах увеличило число заболеваний астмой, аллергией и ревматическим артритом. Только в США различными формами аллергии страдают около 50 млн человек.

Заканчивая это краткое описание симбиотических аспектов сосуществования человека и микроорганизмов, следует отметить, что дальнейшее изучение микробиологической составляющей суперорганизма, как можно назвать человеческий организм, может открыть новые пути регуляции его метаболизма и выявить много новых подходов в лечении и предотвращении заболеваний. В подтверждение важности изучения симбиоза следует привести слова И. Мечникова: «Многочисленные разнообразные ассоциации микроорганизмов, населяющие пищеварительный тракт человека, в значительной степени определяют духовное и физическое здоровье человека».

Глава 14
Шахматы и микробиология

– Шахматы! – говорил Остап. – Знаете ли вы, что такое шахматы? Они двигают вперед не только культуру, но и экономику!

И. Ильф, Е. Петров

Шахматы, как известно, изобрели в Индии, и многие, вероятно, слышали легенду о том, какую награду попросил изобретатель у индийского царя. Сначала его просьба показалась властителю более чем скромной. И действительно, в награду за изобретение столь увлекательной игры он попросил не золото, не драгоценные камни, а всего лишь пшеничные зерна. Но когда подсчитали их количество, которое нужно было отдать изобретателю (а он попросил, чтобы на первую клетку шахматной доски положили два зернышка, а на каждую следующую – в два раза больше, чем лежит на предыдущей, и т. д.), получилась фантастическая цифра – 2 ⁶⁴, или 18 446 744 073 709 551 616 зерен, что составляет примерно 600 млрд тонн. О том, как завершился разговор изобретателя с царем, легенда умалчивает. Можно только гадать, казнил ли он незадачливого изобретателя, узнав о поистине астрономической величине награды, либо только прогнал его, оставив без вознаграждения: владыки не любят расписываться в собственной несостоятельности. И в самом деле, было отчего разгневаться: 600 млрд тонн!!! Ведь даже в наше время, если бы благодарное человечество решило удовлетворить просьбу изобретателя шахмат, то оно должно было бы отдать ему более 300 годовых урожаев нашей планеты.

Но при чем тут микробы? А вот причем. Способность микроорганизмов к размножению феноменальна. Каждые 20 минут их количество удваивается, т. е. за 20 часов оно увеличивается в 2 ⁶⁰раза. Получается то же фантастическое число, что и количество зерен, которое запросил изобретатель шахмат. Так что, будь индийский царь немного знаком с основами микробиологии, он бы мог вполне корректно отблагодарить изобретателя шахмат, не бросив и тени на свою репутацию владыки. Нужно было лишь дать ему несколько микробов и пропись среды, на которой они могут развиваться, и эти микроорганизмы обеспечили бы изобретателя затребованной наградой в довольно короткий срок. Правда, пришлось бы создать условия для беспрепятственного роста микроорганизмов, но не царское дело – вникать в такие детали: это задача для микробиолога.

Учитывая огромную скорость размножения микробов и их относительную неприхотливость к питательным веществам, остается только удивляться, как до сих пор они не вытеснили всех других представителей флоры и фауны. Что же все-таки сдерживает их развитие? Прежде всего, нельзя забывать, что количество питательных веществ ограниченно. Кроме того, рост микроорганизмов тормозится продуктами обмена веществ, вызывающими самоотравление. В природной среде трудно обойти эти факторы. Но в условиях эксперимента можно обеспечить постоянный приток свежих питательных веществ и отток продуктов метаболизма, и тогда микроорганизмы смогут размножаться достаточно долго, оставаясь на стадии экспоненциального роста. Кстати, о стадиях развития микроорганизмов.

Помните загадку Сфинкса, которую тот задал Эдипу: «Скажи мне, кто ходит утром на четырех ногах, днем – на двух, а вечером – на трех?»

Ответ на эту загадку Сфинкса олицетворяет не только развитие человека, но и всего живого. В равной степени она относится и к развитию микроорганизмов. Однако в отличие от человека они в своем развитии проходят несколько большее число фаз. Так, различают лаг-фазу – период приспособления к среде; экспоненциальную фазу с высокой степенью увеличения числа клеток, когда их количество возрастает в геометрической прогрессии; фазу замедленного роста, во время которой скорость роста микроорганизмов уменьшается и их количество уже не возрастает, а остается на одном уровне; и, наконец, пятая стадия – фаза отмирания, когда количество клеток уменьшается.

Все эти фазы плавно переходят одна в другую, и четко установить границу между ними бывает достаточно трудно. Можно только утверждать, что в той или иной фазе развития находится достаточно большой процент клеточной популяции.

Каждая из фаз имеет определенную продолжительность, не одинаковую у различных культур, при этом любая из них, находясь в конкретной фазе развития, обладает неповторимыми особенностями, тщательное изучение которых представляет огромный интерес для микробиологов. Конечно, наибольшее внимание привлекает фаза, в которой происходит интенсивное увеличение числа клеток.

Однако как поддержать клеточную популяцию в этом нужном состоянии постоянной молодости? И здесь на помощь микробиологам приходит уже упомянутый метод непрерывного культивирования. На чем он основан, или в чем секрет вечной молодости микроорганизмов?

Метод заключается в том, что в ростовую среду постоянно вводятся свежие питательные вещества и выводится соответствующее количество микробных клеток и продуктов метаболизма. При хорошей согласованности этих двух потоков система находится в состоянии динамического равновесия, и непрерывное выращивание микроорганизмов может продолжаться достаточно долго, хотя не бесконечно, так как в конце концов начинают действовать и другие факторы, например вырождение культуры и т. п.

И тем не менее благодаря этому методу можно получать микробный белок, близкий по составу к белку пшеницы. Этот путь ведет не только к удовлетворению запросов легендарного изобретателя шахмат, но и к решению продовольственной проблемы для человечества в целом.

Глава 15
Всеядные

Робин Бобин Барабек

Скушал сорок человек,

И корову, и быка,

И кривого мясника,

И телегу, и дугу,

И метлу, и кочергу.

Скушал башню,

Скушал дом

И кузницу с кузнецом…

К. Чуковский

Обычно под всеядностью подразумевают способность организма употреблять в пищу все окружающие его съедобные (и несъедобные!) вещества. В этом смысле каждый микроорганизм в отдельности отнюдь не является всеядным. Напротив, большинство микроорганизмов очень «привередливы» и употребляют в пищу довольно ограниченный набор питательных веществ, причем меню каждого микроба, как правило, сильно отличается от меню всех прочих микроорганизмов. В конце концов, как принято говорить, о вкусах не спорят. И именно на этом свойстве микроорганизмов – разнице во «вкусах» – основан наиболее употребляемый метод их идентификации. Перефразируя известную поговорку «Скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты», микробиологи с полным основанием могут заявить, обращаясь к неизвестному микробу: «Скажи мне, что ты ешь, и я скажу, кто ты!»

Правда, здесь следует оговориться. Привередливость иных микроорганизмов исчезает вместе с исчезновением их излюбленного блюда. И тогда они хотя и не становятся всеядными, но, во всяком случае, пытаются приспособиться и к другой пище, которую раньше не использовали в своем рационе. Это умение приспосабливаться к изменяющимся условиям питания определяет живучесть микроорганизмов. И такая их способность создала в последние десятилетия целую проблему. Дело не только в том, что затрудняется идентификация микроорганизмов, но и в том, что некоторые болезнетворные микробы сумели приспособиться к антибиотикам, созданным против них, поэтому врачи вынуждены постоянно разрабатывать новые препараты, к которым данный микроб еще не приспособился, т. е. не адаптировался.

Но вернемся к названию этой главы. Когда говорят о всеядности микроорганизмов, то имеют в виду не каждый из них в отдельности, а все царство микроорганизмов в целом. И в этом смысле микроорганизмы действительно всеядны. Благодаря этому свойству их можно обнаружить на всех окружающих нас веществах и предметах, иными словами, всеядность микроорганизмов объясняет их повсеместную распространенность, о которой мы уже говорили в главе 12.

Хлеб, молоко, мясо, овощи, или, выражаясь языком органической химии, белки, жиры и углеводы – весь этот спектр всеядности животных и человека характерен и для микроорганизмов. При более детальном анализе пищевых возможностей микроорганизмов открывается поистине удивительная картина. Оказывается, многие из них могут использовать в качестве пищевых субстратов вещества, не относящиеся к перечисленным выше трем классам органических соединений, олицетворяющим пищу как таковую. Некоторые микроорганизмы способны потреблять такие инертные в химическом отношении вещества, как парафины, выделенные из нефти. Другие «питаются» даже веществами, обладающими бактерицидными свойствами, в частности фенолами. Вообще, мы не ошибемся, если все вещества, перечисленные в оглавлении толстого учебника органической химии, отнесем к пищевым субстратам микроорганизмов. При этом помимо простых веществ они способны использовать для своих пищевых потребностей и сложные. Разложение биополимеров проводится не одним микробом, а целым комплексом микроорганизмов, работающих как бы «в единой бригаде» и по «единому наряду». Так, сложный полимер хитин одни микроорганизмы расщепляют до мономеров, из большого количества которых он состоит, а другие способствуют дальнейшему разложению образовавшихся мономеров.

В настоящее время в мире насчитывается около 2,5 млн органических и неорганических соединений, и большая часть этих веществ – отнюдь не естественного происхождения. Более того, ежедневно поступают сведения о появлении все новых веществ и материалов, синтезированных в химических лабораториях всего мира. Причем надо сказать, что современные химики синтезируют вещества не только для удовлетворения собственного тщеславия, а выполняя «социальный заказ» тех или иных отраслей промышленности и экономики. Некоторые из этих вновь синтезированных веществ выпускаются миллионами тонн!

И если до сих пор, несмотря на астрономические цифры производства новых веществ, наша планета еще не превратилась в бесполезный склад однажды использованных и навсегда исключенных из круговорота веществ, то основная заслуга в этом всеядных микроорганизмов.

Спектр их всеядности охватывает, как выяснилось, не только органические вещества, но и неорганические. Есть микроорганизмы, способные использовать в качестве пищи аммиак, нитриты, сероводород, железо, водород.

Однако у читателя есть все основания удивиться: как же можно железо, а тем более аммиак или сероводород считать пищей? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно прежде всего задаться другим: что же такое пища вообще, и для чего она нужна любому живому организму? Пища должна снабжать организм строительными материалами для построения тела и энергией для осуществления всевозможных жизненных отправлений, будь то синтез различных веществ и структур, движение или размножение. Большинство микроорганизмов, подобно животным и человеку, получают углерод для построения своих тканей и энергию из готовых органических соединений. Это так называемый гетеротрофный тип питания. Существуют микроорганизмы, которые не нуждаются в органических соединениях. В качестве источника углерода они используют углекислый газ из воздуха и, таким образом, по сравнению с вышеупомянутыми микроорганизмами обладают куда большей независимостью. Такой тип питания называется автотрофным. Что касается источника энергии, то некоторые микроорганизмы используют, как и растения, энергию солнечного света (фототрофы), другие потребляют энергию химических связей, причем как органических веществ (органотрофы), так и неорганических (литотрофы, т. е. питающиеся камнем!) Вот, оказывается, для чего иным микроорганизмам нужны железо, аммиак и тому подобные несъедобные вещества. Таким образом, всеядность микроорганизмов объясняется, кроме всего прочего, и разнообразием типов их питания.

Глава 16
Хлеб для Робинзона, или
Несколько слов о пользе коллекционирования

Прежде всего, у меня не было закваски; впрочем, этому горю все равно пособить было нечем, и потому о закваске я не заботился.

Д. Дефо

Даниэль Дефо, автор известного романа «Жизнь и удивительные приключения Робинзона Крузо» <sup>[3]3
  Дефо Д.Жизнь и удивительные приключения Робинзона Крузо. – М.: Олма Медиа Групп, 2012.


[Закрыть]</sup> , забросив своего героя на необитаемый остров, всячески помогает ему, периодически снабжая предметами первой необходимости с потерпевших крушение кораблей. Благодаря таким счастливым «случайностям» Робинзон получает одежду, плотницкий инструмент, ружья вместе с солидным запасом пороха и пуль и многое другое. Единственное, чем не смог «обеспечить» своего героя Даниэль Дефо, – это хлебом, несмотря на то что из случайно уцелевших зерен Робинзону удалось получить через несколько лет приличный запас зерна. Однако для его превращения в хлеб нужно было иметь дрожжи, или, как их тогда называли, «закваску».

«Прежде всего, у меня не было закваски; впрочем, этому горю все равно пособить было нечем, и потому о закваске я не заботился…» Внимательному читателю эта цитата скажет о многом. Во-первых, из нее следует, что получение закваски представляет достаточно трудное мероприятие, и чтобы сохранить ее, хлебопекам того времени приходилось ежедневно обновлять или, как принято говорить теперь у микробиологов, «пересевать» ее. Во-вторых, с очевидностью следует, что во времена Дефо вопросы, связанные с хранением и пересылкой культур микроорганизмов, совершенно не были разработаны. В противном случае Даниэлю Дефо, а он считался одним из образованнейших людей своего времени, ничего не стоило бы устроить так, чтобы его герою «случайно» попала пробирка с культурой дрожжей, и таким образом, проблема получения хлеба на необитаемом острове была бы решена.

Выпечка хлеба, которого так не хватало Робинзону, – одно из крупных достижений человечества. Получение этого ценного продукта основано на использовании дрожжей. Вещества, образуемые ими в процессе ферментации, создают присущие хлебу пористость, вкус и аромат, т. е. свойства, которые получить другим путем нельзя. Для выпечки применяют специальные расы дрожжей, выделяя их и поддерживая в активном состоянии.

Однако искусством выделения и поддержания микробных культур наука овладела сравнительно недавно. Поэтому, когда в фильме «Робинзон Крузо», поставленному по одноименному роману, мы видим нашего героя с буханкой пышного круглого хлеба, нам остается только развести руками от удивления. Роман, как известно, был написан в 1719 г., а способ длительного хранения микроорганизмов на твердых питательных средах был разработан Р. Кохом значительно позднее, в конце XIX в. Простим, однако, постановщикам фильма эту ошибку – все-таки они не микробиологи – и посмотрим, каких же успехов добилось человечество со времени Даниэля Дефо в вопросе хранения микробных культур.

Каждый, кто видел зеленый налет на поверхности заплесневелого продукта, может считать, что он знаком с проблемой выращивания микроорганизмов на твердых средах. Однако такой метод несовершенен, поскольку многие микробы требуют для своего роста сложных по составу сред. Кроме того, быстро подсыхая, натуральные среды не дают возможности поддерживать культуру достаточно долгое время. Впервые твердые питательные среды с использованием желатины были предложены Р. Кохом. Жидкие питательные среды при добавлении желатины легко превращались в твердые, на поверхности которых хорошо развивались микроорганизмы. Желатина, однако, легко расщеплялась ферментами микроорганизмов и разжижалась. Таким образом, основное преимущество исчезало, и среда вновь становилась жидкой. Впоследствии желатина была заменена агаром – полисахаридом, выделяемым из водорослей. Агар значительно реже разжижается микроорганизмами и представляет незаменимую находку для микробиологии. Несмотря на огромные успехи химии, найти лучшее вещество для создания твердых или, как принято говорить, агаризованных сред, пока никому не удалось. Естественно, что микроорганизмы существенно различаются по своим потребностям в питательных веществах, поэтому, несмотря на общую агаровую основу, среды по составу значительно разнятся между собой.

Пробирки с застывшей в наклонном состоянии агаризованной средой представляют собой самый распространенный вариант хранения культур микроорганизмов. Однако такие выращенные на скошенном агаре культуры тоже необходимо периодически пересевать на свежие среды. Когда микробиологи научились выделять из природных смесей микроорганизмы только одного вида, со всей остротой встала проблема их сохранения. Пока число полученных чистых культур микроорганизмов не превышало нескольких десятков на каждого исследователя, самостоятельно занимавшегося их выделением, поддержание культур в жизнеспособном состоянии не представляло большой сложности. Однако, как только количество выделенных культур значительно возросло, сохранение их в жизнеспособном состоянии превратилось в серьезную проблему. Однажды выделенные и описанные культуры в отсутствие должного ухода гибли, заражаясь сопутствующей микрофлорой, что сводило на нет затраченные в свое время усилия по их выделению.

Первый центр по сбору и поддержанию микробных культур был создан в Голландии в 1907 г. На смену мелким лабораторным коллекциям пришли крупные, ставившие перед собой задачи по сбору, поддержанию в жизнеспособном состоянии и изучению большого числа различных микробных культур.

Методы хранения, применявшиеся до недавнего времени, основаны на периодическом обновлении популяции клеток путем пересева культур на свежие среды. Если их состав хорошо подобран, то культура сохраняет не только жизнеспособность, но и свои специфические свойства, будь то способность к сверхсинтезу каких-либо ценных веществ, умение расти на определенных субстратах или другие физиолого-биохимические свойства.

И все же, несмотря на тщательно подобранный состав среды, после многократных пересевов культуры микроорганизмов утрачивали некоторые специфические свойства, которые представляли основной интерес для исследователей или практиков.

В связи с этим возникла необходимость поиска новых методов сохранения культур. Их суть должна была состоять в максимальном замедлении процессов метаболизма при одновременном сохранении жизнеспособности культуры. Это было достигнуто либо ее хранением при пониженных температурах, включая и сверхнизкие (жидкий азот -186 °C), либо лиофилизацией (сушкой из замороженного состояния). Оба метода приводят к максимальному замедлению процессов метаболизма, а методика обратного перевода законсервированных культур в жизнеспособное состояние позволяет даже после длительного хранения получить культуры с тем же набором исходных физиолого-биохимических свойств.

В настоящее время в коллекциях культур во всем мире насчитывается свыше 70 000 различных микроорганизмов, и это количество постоянно увеличивается. 70 000 культур представляют собой уникальный набор возможных вариантов для получения не только культур-сверхпродуцентов для микробиологической промышленности, но и дают возможность получения методами генетической инженерии совершенно новых организмов с невиданными в природе свойствами. По образному выражению одного из ученых, «…в коллекции культур (имеется в виду американская коллекция микроорганизмов – одна из крупнейших в мире) заключается больше богатств, чем в кладовых всех банков Соединенных Штатов».

Результаты, добытые скрупулезным трудом микробиологов, не пропадают даром, а до поры хранятся в банке и ждут своего часа, чтобы начать платить человечеству большие проценты.