Текст книги "Невидимые друзья и враги"
Автор книги: Михаил Метальников
Соавторы: Екатерина Андреева
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 13 страниц)
Глава 15
ДОМАШНИЕ МИКРОБЫ
омоть хорошо испеченного хлеба, – сказал однажды известный русский ученый К. А. Тимирязев, – составляет одно из величайших изобретений человеческого ума».
Начало возделывания хлебных растений теряется в глубокой древности. Еще в те времена, когда человек жил в пещерах и его единственным орудием был отточенный камень, когда мужчины охотились за дикими животными, женщины уже собирали съедобные коренья, листья и плоды. Они делали запасы на случай неудачной охоты. Зерна, просыпанные около жилища, давали всходы. Так, вероятно, около жилища первобытного человека впервые появились нужные ему растения. Человек сначала с удивлением наблюдал, как вырастали растения, а затем сам стал сеять семена.
Свыше десяти тысяч лет тому назад наши предки начали употреблять в пищу пшеницу. Свежие зерна еще мягки, их можно есть, но сухие слишком тверды, их трудно даже разгрызть. Их разбивали камнем; мешая с водой, делали кашу и ели ее сначала сырой, потом вареной. Затем зерна начали растирать между камнями – получалась мука. Из муки с водой делали болтушку, варили ее. А высохшие куски, лепешки, сохраняли впрок. Постепенно первобытный человек стал специально подсушивать куски теста на огне. Так продолжалось до тех пор, пока случайно в тесто не попали дрожжевые клетки.
Первый человек, который увидел, что тесто стало подниматься и пениться, наверное, не только удивился, но даже испугался. Однако, когда тесто бросили в горячие угли, оно испеклось в виде пышной мягкой лепешки, которая была гораздо вкусней и приятней прежних пресных корок. Для того времени это, несомненно, было чрезвычайным открытием.
Теперь все домашние хозяйки знают, что если тесто ставить на дрожжах, то есть прибавить к нему кусочек палочки спрессованных дрожжей, купленных в любом гастрономическом магазине, то оно в горшке как бы оживает, вся его поверхность пенится, оно медленно поднимается, шапкой выпячиваясь наружу. Кругом распространяется слабый кисловатый винный запах. Все это – результат жизнедеятельности дрожжей. Быстро размножаясь и выбрасывая почку за почкой, они своими ферментами разлагают углеводы теста на углекислоту и спирт. Образующаяся углекислота как бы распирает тесто. Пузырьки ее, поднимаясь на поверхность и лопаясь, разрыхляют его.
Не подозревая о существовании дрожжей, люди пользовались ими еще в глубокой древности и в других случаях. Когда европейские исследователи проникли в одну из египетских пирамид, они обнаружили на стенах фрески (рисунки), где изображалось, как собирали виноград и как его давили ногами для получения вина.
Еще в те времена люди свыклись с тем, что сок винограда бродит, что какие-то пузырьки поднимаются на его поверхность, образуя пену, и после этого у сока появляется запах вина.
Это разные типы дрожжей.
Никто, конечно, не подозревал о существовании каких-то невидимых существ – дрожжей, – которые превращали сахар виноградного сока в спирт. Вернее, разлагали виноградный сок на спирт и на углекислоту, пузырьками поднимающуюся на поверхность жидкости, в которой начиналось бурное движение частичек. Иначе говоря, жидкость начинала бродить.
Посмотрите внимательно на гроздь зрелого винограда. Поверхность ее ягод покрыта, словно инеем, матовым налетом. Это и есть дрожжи. Когда ягоды раздавливают, они попадают в виноградный сок, питаются им, размножаются и выделяют фермент.
Этот-то фермент и производит брожение. А как же и откуда дрожжи попадают на виноградины?
Удалось проследить, что в виноградных лозах копошатся маленькие мушки, так называемые дрозофилы, самки которых откладывают под кожуру виноградин свои яички. Во время откладывания яичек эти мушки заносят в виноградины живые дрожжи, живущие в их тельцах.
Виноделы, как и пекари, сумели приручить отдельные виды дрожжей, сделали из них как бы домашних животных.
Они вырастили дрожжи, сбраживающие только определенные вина и придающие им особый вкус и аромат.
В лабораториях пивоваренных и винокуренных заводов ведется постоянное наблюдение за качеством дрожжей, применяющихся в производстве.
Микробы-повара
Есть микробы, которые иначе как микробами-поварами назвать нельзя, потому что они готовят пищу людям.
С древнейших времен люди пользовались молочнокислыми продуктами. Еще древнегреческий историк Геродот, живший в V веке до нашей эры, рассказывает, что скифы умели готовить кумыс, то есть кислое кобылье молоко.
Для многих кочевых народов молочные продукты составляют основу питания.
Кефир на Кавказе, мацони в Армении, катык у калмыков, кислое молоко на Дону, арык у бурятов, кумыс у татар и киргизов, ягурт у болгар – все это плоды работы молочнокислых бактерий.
Они разлагают молочный сахар и образуют из него молочную кислоту. Под воздействием молочной кислоты молоко скисает и свертывается. При этом образуются сгусток и хлопья белкового вещества – казеина.
В горах Кавказа в хорошо завязанных бурдюках из козлиной кожи из поколения в поколение готовили кефир, пользуясь так называемыми кефирными зернами для закваски. Эти зерна немного похожи на крошечные головки цветной капусты и состоят из молочнокислых палочек и особых кефирных дрожжей, которые образуют в кефире спирт и углекислый газ. Вот почему хороший кефир отличается всегда острым вкусом и слегка пощипывает язык.
Мацони и другие виды южных простокваш готовят из кипяченого молока. Заквашивают их смесью определенных молочнокислых бактерий и некоторых видов дрожжей. Закваску вливают в очень теплое молоко, и оно быстро закисает.
Особым вкусом отличается кумыс, который готовят из кобыльего молока. Его заквашивают катыком.
Существуют специальные молочные лаборатории, где готовят закваски из смеси культур молочнокислых бактерий. Эти смеси дают более вкусные продукты, чем каждая культура в отдельности.
Но кислое молоко – это лишь первичный результат работы молочнокислых бактерий. Если простоквашу отжать, отделить от сыворотки, получится творог. Чтобы сохранить его, уберечь от нападения плесневых грибков, творог стали присаливать и спрессовывать. Так был получен самый примитивный и, наверное, самый древний сыр – брынза.
Для изготовления сыра в молоко вводят порошок, готовящийся из желудков телят. Порошок этот содержит сычужный фермент, который вместе с молочнокислыми бактериями, содержащимися в молоке, превращают его в сырную массу.
Было замечено, что сырную массу полезно подогревать один или два раза. Так изготовляли сыры, хотя не понимали, почему подогревание приносит пользу.
Лишь четверть века тому назад это разъяснили микробиологи. Оказалось, что в период обработки и согревания сырной массы в ней сменяют друг друга различные поколения микробов, и это меняет качество сыра.
Многие любят хорошо заквашенную капусту и соленые огурцы. Но не всякий, наверное, знает, что и квашеная капуста и соленые огурцы – пищевые продукты, изготовленные микробами.
Для того чтобы в капусте или огурцах выделился сок, в них добавляют немного соли. В соке развиваются молочнокислые бактерии, которые разлагают сахар, образуя молочную кислоту, углекислоту, немного винного спирта, а также уксусной кислоты. Все это вместе создает приятный вкус и аромат в засоленных огурцах и капусте. В начале квашения развиваются и другие бактерии, в том числе и гнилостные, но в дальнейшем в окружающих их кислотах они погибают.
Случается, что и заквашенные овощи портятся, в рассоле вырастает плесень, разлагающая молочную кислоту. Это значит, что гнилостные бактерии взяли верх.
Бактерии, сбраживающие молочный сахар в молочную кислоту, имеют широчайшее применение не только в молочнокислой, масляной и сыроваренной промышленности. Их специально прибавляют в приготовленный силос для скота, в моченые яблоки, иногда – в посоленные овощи, чтобы предохранить их от гниения. Они участвуют и в приготовлении многих сортов конфет и безалкогольных напитков.
Благодаря уксуснокислым бактериям вино и пиво скисают в уксус. А вы знаете, что уксус – прекрасная приправа к пище и служит для приготовления консервов и маринадов. Уксуснокислые бактерии окисляют спирт до уксусной кислоты. Теперь получают уксус с помощью культур уксуснокислых бактерий из молодого вина, пива, водных экстрактов черных сухарей, яблок, ягод, обогащенных спиртом. Уксусная кислота является ядом для большинства бактерий, особенно для гнилостных.
Щавелевую и лимонную кислоты, необходимые для пищевой промышленности, тоже производят бактерии.
Микробы-ассенизаторы
С развитием городов возникла неразрешимая на первых порах проблема: куда девать нечистоты и отбросы? Ведь на одного человека в год приходится до тонны нечистот!
Сейчас даже как-то не верится, что было время, и не так давно – еще в XVIII веке, когда горожане выливали и выкидывали нечистоты прямо на дворы и улицы, где они горами лежали, издавая зловоние.
Когда отбросы стали вывозить за город, то и тогда города задыхались, стоило только ветру подуть в их сторону.
В наше время на окраинах многих городов, примерно в километре, за земляным, обсаженным деревьями валом, видны нередко аккуратно разбитые на квадраты участки земли. Одни из них заросли сочной зеленой травой, на других – правильными рядами растет капуста, на третьих разрослись кусты картофеля; есть участки вспаханные, однако не засеянные. Это организованный человеком как бы филиал химического производства почвы, выделенный для переработки нечистот и отбросов. Здесь маленькие химики неутомимо трудятся над привычной им работой, без устали разлагая и перерабатывая животные и растительные остатки в пищу для растений.
Есть еще одна, совсем неожиданная область, в которой люди используют микробов.
Все без исключения живые существа непрерывно «самонагреваются», в том числе и микробы. Особенно ярко это проявляется там, где есть благоприятные условия для их массового размножения. В стогах влажного сена, например, или в штабелях недостаточно просушенного торфа нередко возникают даже пожары от самовозгорания. Виновники этих происшествий – микробы, которые, усиленно размножаясь, перегрели окружающее их сено или торф. Известны и более трагические случаи. Однажды большой океанский пароход шел из Египта в Англию. Его трюмы были наполнены тюками хлопка. В пути из-за размножения микробов хлопок стал нагреваться, и на судне начался пожар.
Но самонагревание микробов не всегда приносит вред. С незапамятных времен им пользуются в оранжереях и на огородах. Ранней весной парники и гряды в оранжереях и теплицах устилают навозом. От размножающихся микробов навоз разогревается и утепляет лежащую сверху почву.
Интересно, что самонагреванием пользуются не только люди, но и птицы. Австралийские горные куры, например, кладут яйца в кучу гниющих листьев и веточек. Птицы перекладывают заботу о новом поколении на микробов. Благодаря самонагреванию кучи яйца находятся как бы в инкубаторе. Птице остается только следить за тем, чтобы «инкубатор» работал исправно. Если температура в куче станет слишком высокой, она разворошит ее; наоборот, если температура начинает падать, птица сгребает листья и увеличивает кучу.
Глава 16
ПРИРУЧЕНИЕ МИКРОБОВ
настоящее время известны сотни разных видов бактерий, но, по всей вероятности, их имеется еще гораздо больше. Среди них, наряду с болезнетворными бактериями, носителями инфекционных болезней, существуют совсем безвредные и полезные для человека бактерии, творящие свои добрые дела с давних времен и притом без всякого принуждения.
Только сравнительно недавно человек пришел к сознательному использованию бактерий. И прав был великий Пастер, когда предвидел, что человек научится использовать бактерий во многих областях: в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и санитарном деле.
Дрожжевые микробы были первыми, кого человек приручил. С тех пор человечество превратило в своих помощников множество других микроорганизмов.
Огромную работу проделывают микробы, живущие в почве и усваивающие азот из атмосферы. Естественно, что у агрономов родилась мысль вырастить эти бактерии и использовать их как искусственное удобрение. Были построены заводы бактериальных удобрений. Там крупный розовый клубенек бобового растения, тщательно отмытый от земли, раздавливают и его содержимое высевают на специально подобранную для клубеньковых бактерий питательную среду. Затем размножившиеся, испытанные на доброкачественность бактерии помещают в бутылку, наполненную простерилизованной почвой. В день посева содержимое бутылки тщательно размешивают в одном литре воды и, не дав жидкости отстояться, смачивают ею семена.
На тех же заводах готовят и другие препараты для удобрения почвы.
Ученые умеют теперь не просто выращивать микробы в искусственных условиях, но и воспитывать в них нужные свойства. Для этого выращивают микробы в постепенно меняющихся условиях: в среде, где они живут, постепенно повышается содержимое солей, ядов, антибиотиков. Иногда постепенно повышается или понижается температура. В результате получаются культуры, устойчивые к солям, ядам, температурам.
Если постепенно уменьшать в питательной среде содержание определенного вещества, можно заставить микроорганизмы делать это вещество самостоятельно. Так, например, бактерии легко «отучиваются» от готовых витаминов и начинают сами их вырабатывать. Такие новые свойства передаются по наследству и следующим поколениям бактерий.
Таким образом можно создавать самые различные по своим свойствам расы «одомашненных» микробов.
Микробы на производстве
Применение микробов в сельском хозяйстве и в промышленности основано на деятельности их ферментов. Это особые белковые вещества, которые содержатся в клетках микроорганизмов и обладают способностью ускорять реакции. Благодаря ферментам сравнительно небольшая масса микробов способна разлагать и сбраживать огромное количество сырья.
Чтобы выращивать микробы, надо создавать специальные условия, а это не всегда легко. Поэтому возникла мысль употреблять в промышленности не культуры бактерий, а отдельные ферменты, выделенные из бактерий и из мицелия грибков. Оказалось, что это гораздо выгоднее.
Некоторые ферменты имеются и в клетках у животных, и у растений, и у микробов. И всюду обладают одинаковым действием. Но известны и другие ферменты, которые встречаются только в мире микроорганизмов и, как правило, не вырабатываются клетками животных и растений. Например, корова усваивает клетчатку, содержащуюся в ее корме, только потому, что в ее желудке и кишечнике живут микробы, которые выделяют необходимый для этого фермент. Сама корова этого фермента не выделяет и без невидимых помощников погибла бы от голода.
Микроорганизмы отличаются необычайным богатством и разнообразием ферментов. Например, обыкновенная черная плесень, появляющаяся иногда на хлебе, образует около тридцати различных и уже хорошо изученных ферментов. Бесспорно, что количество, разнообразие и активность ферментов у микробов исключительны. В этом отношении высшие растения и животные не могут сравниться с ними.
Особенностью микроорганизмов является то, что они необычайно быстро и тонко реагируют на изменения внешней среды и, приспосабливаясь к различным условиям, перестраивают свои ферменты.
Использование микробных ферментов очень выгодно в производстве. Во-первых, скорость размножения микроорганизмов настолько высока, что в течение сравнительно короткого срока можно накопить огромные объемы культур определенного вида микробов. Не преувеличивая, можно сказать, что в заводских условиях за год может быть собрано от 100 до 1000 урожаев бактерий или плесневых грибов.
Во-вторых, размножать микробы с нужными ферментами можно на отходах производства или на средах, приготовленных из дешевого сырья.
В наше время ферменты микробов применяются очень широко. Например, фермент, называемый протеазой (фермент грибков и бактерий), употребляют в кожевенной промышленности для удаления волос и щетины с кожевенного сырья. Он ослабляет связь между луковицей волоса и кожей, и после его действия шерсть легко снимается машиной. Этот же фермент употребляется для мягчения кожи. Он заменил собой ранее употреблявшийся и дорого стоящий сок поджелудочной железы, который брали у животных.
Есть ферменты, разлагающие белковые соединения. Их применяют в текстильной промышленности для удаления с поверхности шелковых тканей казеина или желатина и в кинопромышленности для удаления с пленки желатиновой эмульсии.
Еще более широкое применение имеют ферменты амилазы. Они быстро разлагают крахмал, и их широко применяют для удаления крахмала с хлопчатобумажных тканей и тканей из искусственного шелка.
Ферменты гриба аспергилла повышают вкусовые и питательные качества хлеба. Отходы нефтеочистительных заводов, например, содержат феноловые соединения, которые придают воде запах и вкус карболовой кислоты и убивают рыбу. Поэтому нефтяные предприятия сейчас начали обрабатывать свои отходы бактериями, пожирающими фенол, и воды стекают в озера или реки совершенно очищенными.
По-видимому, с помощью бактерий можно будет разрешить и более трудную проблему: очищать воду от ядовитых цианистых отходов, которые получаются после ряда процессов металлообработки и уничтожают не только рыбу, но и полезных бактерий в канализационной системе.
Недавно в США (штат Пенсильвания) ученые стали терпеливо подкармливать культуру бактерий, «работающих» по очистке канализационных труб, небольшими количествами цианистого калия. Постепенно увеличивая дозировку, они сумели приучить бактерии к необычной диете. Такие «натренированные» бактерии могут полностью ликвидировать проблему очистки цианистых отходов.
Другие исследования показали, что применение бактерий возможно и в борьбе с неприятными запахами, исходящими из дымовых труб заводов и электростанций. Дело в том, что при сгорании угля содержащаяся в нем сера образует двуокись, которая обладает неприятным резким запахом и загрязняет воздух. Найдены бактерии, которые могут «пожирать» серу в угле. Несложная обработка этими бактериями угля перед сгоранием позволит избавиться от большей части серы в каких-нибудь три дня.
Во многих отраслях промышленности бактерии по праву считаются ценными тружениками. Наряду с такими микроорганизмами, как грибы, дрожжи и плесени, они играют также важную роль в химии ферментов и помогают получить ценные продукты, необходимые в изготовлении красок, пластмасс, косметических средств, составов для снятия накипи и ржавчины в радиаторах и даже для приготовления конфет.
В настоящее время с помощью бактериальных ферментов производятся антибиотики, гормоны и витамины. Ученые предполагают, что бактериям, как и другим микроорганизмам, вырабатывающим ферменты, уготована в будущем решающая роль в производстве новых лечебных средств, которые по качеству превзойдут своих предшественников, полученных лабораторным путем.
Некоторые ученые занимаются проблемой производства целлюлозы (и, следовательно, бумаги) с помощью микроорганизмов. Другие – проблемой использования бактерий для переработки нефти и получения из нее различных веществ. Уже есть возможность с помощью определенных видов бактерий получать из природного газа органические кислоты и спирт.
Для нефтеобрабатывающей промышленности бактерии представляют особый интерес. Там, где обычный способ добычи нефти неосуществим, на помощь, возможно, смогут прийти бактерии. В Америке уже запатентован способ введения микроорганизмов в известняки в районах, где есть нефть. При этом выделяемые бактериями кислоты будут разъедать известняки, открывая и расширяя таким образом каналы, по которым потечет нефть. Более того, не исключена возможность, что образуемый микроорганизмами углекислый газ поднимет давление в каналах, а это, в свою очередь, усилит поток нефти.
Ученые пытаются также вывести новый вид бактерий, с помощью которых станет возможной добыча нефти из сланцевых залежей. Некоторые бактерии, по крайней мере в лабораторных условиях, разъедают сланец и не трогают нефти.
В 1963 году в печати промелькнуло сообщение о новом источнике энергии – «биологических батареях», в которых электрический ток вырабатывается микроорганизмами. Такие «электростанции» были сделаны одновременно несколькими учеными, работавшими независимо друг от друга. Соответствующие бактерии помещались в сосуд с морской водой, с сахаром, картофелем или просто сточной водой, где они вызывают химическую реакцию, в результате которой возникает электрический ток.
Преимущества таких электроэлементов очевидны: батареи легки и долговременны, потому что туда надо лишь подбавлять пищу бактериям, а они уж не подведут, будут без конца размножаться и вырабатывать электрический ток.
То, что некоторые виды бактерий выделяют электрический ток, впервые заметил вашингтонский ученый Фредерик Сислер. Он поместил бактерии в три пробирки с морской водой и питательной средой. Затем вставил туда электроды, после чего началось незначительное, но все же измеримое выделение электрической энергии. Получив всего лишь один грамм сахара, бактерии целых два месяца, а то и больше, выделяют электрический ток напряжением в два вольта. Этой энергии достаточно для миниатюрного радиоприемника и лампочки.
Доктор Роберт Сарбахтер пошел еще дальше: он покрыл слоем бактерий и самые электроды, повысив таким образом интенсивность тока в несколько раз. В процессе выделения энергии микробы питаются находящимися в воде отходами. Не исключена возможность, что бумажная фабрика сможет получать часть нужной ей энергии, используя собственные отходы, а это, в свою очередь, будет способствовать разрешению проблемы очистки вод при производстве бумаги.
В настоящее время усилия ученых направлены на создание более мощных батарей на микробах. Быть может, недалек тот день, когда огромные электроды установят в богатых «электробактериями» водах Черного моря и используют энергию для электрификации приморских районов.
«Биологическая батарея» – лишь один пример неограниченных возможностей использования бактерий, которые, хотя большей частью и слывут врагами человечества, однако при умелом подходе могут превратиться в надежных друзей.
