Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 31 страниц)

Симбиоз насекомых и микробов

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.

Маленькие «фермеры»

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.

Услуги насекомых

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.

Хищные микроскопические грибы

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.

Дружба микроорганизмов

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.

Сражающиеся микробы

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.