Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 31 страниц)

Хаос и наведение в нем порядка

Известный современный английский физик Джон Бернал назвал XVIII век веком путешествий, коллекционирования и классификации.

Шведский ученый Карл Линней, много путешествовавший по свету и собравший гигантские коллекции, создал систему классификации минералов и животных. Но наибольшего успеха он достиг в классификации растений. Лишь «зверушкам» Левенгука он не уделил большого внимания, хотя и выделил для них в своей системе особую клеточку, объединив их всех под названием «хаос инфузорий» и отметив, что эти мельчайшие живые существа не нуждаются в дальнейшей классификации, поскольку не имеют особого значения.

Хаос в отношении места микробов в живой природе царил еще и во времена Пастера, хотя тогда уже многое было известно об их деятельности. Но в гниющем мясе, бродивших жидкостях и других объектах, в которых ученым приходилось наблюдать этот таинственный мир мельчайших существ, находилось такое фантастическое разнообразие «зверушек», что возникло даже особое понятие «плеоморфизм», означавшее безграничную изменчивость микробов.

В противовес «плеоморфистам» вокруг Коха сгруппировались ученые, твердо отстаивавшие иную точку зрения и способствовавшие своими открытиями интенсивному развитию микробиологии.

На основании работ с чистыми культурами Кох пришел к заключению, что микробы неизменны, что шарообразные бактерии всегда дадут потомство такой же шаровидной формы и принимать иной облик и превращаться в иные виды микробов они не способны. Это направление в микробиологии получило название «мономорфизма». Если немецкий плеоморфист Ханс Галлир утверждал, что более мелкие микробы, бактерии и дрожжи являются лишь низшей ступенью развития более сложных грибов и могут превращаться в них под влиянием факторов внешней среды, то мономорфисты с не меньшим упорством доказывали, что внешняя форма микробов неизменна и каждый вид имеет особое место и назначение в природе.

Дальнейшее развитие микробиологии показало справедливость взглядов мономорфистов, но кое-что из положений плеоморфистов об изменчивости микробов мы принимаем и в настоящее время. Однако победа мономорфистов была в то время важной, поскольку дала толчок к попыткам создать из «микробиотического хаоса» систему, связанную с системой всех живых организмов.

Всю живую природу натуралисты разделили на два крупных царства – растительное и животное. В каждом царстве различают несколько типов, подразделяющихся на отряды; в отрядах – несколько классов, в каждом классе содержатся порядки; последние делятся на семейства, состоящие из родов, а роды в свою очередь – на виды. Каждый вид имеет свое название, которое состоит из двух слов. Такую «бинарную номенклатуру» ввел еще Линней. Первое слово, пишущееся с заглавной буквы, представляет название рода данного организма, а второе является его видовым эпитетом (в границах рода), подобно тому как у людей фамилия означает принадлежность к той или иной семье, а имя отличает их друг от друга в кругу семьи. Бацилла туберкулеза, например, носит научное название Mycobacterium tuberculosis, дрожжи – Saccharomyces cerevisiae, бацилла столбняка – Clostridium tetani; дрозд называется Turdus musicus, сахарная свекла – Beta vulgaris.

Одни микробы напоминают своими свойствами и особенно характером питания зеленые растения, другие – животных. Таким образом, мир микроорганизмов объединяет очень разнообразных представителей. Мы относим к ним вирусы, риккетсии, бактерии, микроскопические грибы, сине-зеленые и другие микроскопические водоросли и простейшие. Часто приходится встречаться с тенденцией объединять все микроорганизмы в одно особое царство под названием Protista в отличие от царств растений (Plantae) и животных (Animalia).

Бактерии под микроскопом

Бактерии – типичные представители мира микроорганизмов. Посмотрим, что может нам рассказать о них микроскоп. С его помощью мы обнаруживаем среди бактерий шаровидные, цилиндрические, нитевидные и различным образом закрученные клетки.

Самые простые бактерии имеют вид правильных шариков и называются кокками. Если они соединены друг с другом по два, то их называют диплококками, по четыре – тетракокками; когда же они группируются по восемь и напоминают перевязанный веревкой крест-накрест пакетик, то носят название сарцин. В некоторых случаях кокки группируются в комочки, напоминающие гроздья винограда или длинные цепочки, и мы называем их соответственно стафилококками либо стрептококками. К коккам относятся возбудители различных инфекционных болезней (фото 4 и 5).

Очень многие бактерии имеют форму палочек, например живущая в нашем организме кишечная палочка (Escherichia coli). Такую же форму имеют и другие кишечные бактерии, скажем, возбудитель тифа (Salmonella typhi) или дизентерии (Shigella dysenteriae).

Электронный микроскоп позволил нам увидеть и органы движения некоторых бактерий – тоненькие жгутики (один или целая группа), с помощью которых бактерии активно передвигаются в жидкой среде. Жгутики можно увидеть и в световом микроскопе, если применять специальный метод окрашивания. Предварительно их обрабатывают (протравливают) особым препаратом, частицы которого оседают на жгутике и делают его более толстым, а следовательно, и хорошо видимым после окраски в световом микроскопе. Кто-то сравнил протравливание и окраску бактериальных жгутиков с процедурой вымачивания объекта в меде и последующим обваливанием его в пухе (фото 7).

Некоторые из бактерий-палочек в особых условиях образуют в своих клетках шаровидные или овальные тельца, называемые спорами. Эти спороносные бактерии выделяются в группу бацилл. Их споры способны переносить такие неблагоприятные жизненные условия, как длительное высушивание или высокие температуры. При нормальной температуре споры сохраняют жизнеспособность на протяжении нескольких лет; есть данные, что споры бациллы столбняка могут существовать в почве больше 30 лет.

Некоторые бактериальные клетки имеют изогнутую форму и напоминают рожок (или запятую); мы называем их вибрионами. Такую форму имеет возбудитель холеры Vibrio cholerae. Другие бактерии отличаются нитевидными, спирально закрученными клетками, это – спириллы.

К бактериям относят и своеобразную группу спирохет, которые напоминают своей формой простейших. К этой группе принадлежат возбудители некоторых инфекционных болезней, например сифилиса или желтой лихорадки. Железобактерии имеют длинные, нитевидные клетки, серобактерии отличаются большой величиной и бывают заметны и без увеличительных приборов.

У актиномицетов, живущих в почве, клетки нитевидные и разветвленные. Многие из них известны своей способностью выделять в окружающее их пространство антибиотические вещества (например, стрептомицин), используемые человеком в борьбе с болезнетворными микробами.

Опасные спутники

Схожи с бактериями очень опасные микробы, называемые риккетсиями. Эти мелкие, овальной формы микроорганизмы достигают в длину 300 нм. В отличие от бактерий они размножаются не на жидких питательных средах, а только в организме животных или в культурах ткани. Это опасные спутники людей и животных. Они вызывают серьезные инфекционные заболевания, такие, например, как сыпной тиф, уносивший в прошлом десятки тысяч жизней. Американский микробиолог Говард Тэйлор Риккетс и чешский паразитолог Станислав Провацек, которым мы обязаны открытием и изучением этих микробов, сами пали их жертвой в результате заражения. В их честь возбудитель сыпного тифа был назван риккетсией Провацека (Rickettsia prowazeki).

Желанные и нежеланные гости

Боровики, рыжики, мухоморы, шампиньоны и другие хорошо знакомые нам грибы имеют родственников, изучением которых также занимаются микробиологи. По форме, распространению в природе и роли в жизни человека это очень пестрая «родня».

Наиболее простые по строению представители этой группы микроорганизмов – одноклеточные дрожжи. Мы уже вспоминали о них как о давнишних помощниках человека, без которых он не имел бы ни хлеба, ни вина, ни пива, ни других спиртных напитков. Они обитают на растениях, в частности на плодах, вызывают брожение их сока при домашнем приготовлении вина. Мы знаем и о «культурных» дрожжах, специально выращиваемых в дрожжевой промышленности (фиг. II). Хорошо нам известные пекарские дрожжи – не что иное, как спрессованные живые клетки дрожжевых грибов (фото 10).

Возьмем кусочек пекарских дрожжей и разведем его в небольшом количестве воды. Одну каплю этой суспензии поместим на предметное стекло, покроем ее другим стеклышком и рассмотрим под микроскопом. Мы увидим, что в воде плавают овальные тельца. Это и есть клетки дрожжевых грибов. Еще Пастер доказал, что именно они вызывают спиртовое брожение. Позднее мы узнаем, какова их роль при получении спирта и почему мы используем их для приготовления дрожжевого теста. Тут микроскоп нам не поможет. Но измерить с его помощью величину клеток мы можем. Она равна приблизительно 5 мкм. На отрезке длиной в сантиметр поместилось бы в один ряд до 2000 клеток. В кубике с сантиметровой гранью их будет находиться 2000 х 2000 х 2000. Читатель, благосклонно относящийся к математике, может высчитать, сколько таких клеток содержится в 500 г пекарских дрожжей.

Примером другого типа микроскопических грибов может служить «плесень» из рокфора, придающая этому сыру характерную зеленоватую окраску, запах и вкус. Поглядим, что представляет под микроскопом пятнышко зеленого вещества из этого сыра. Мы увидим сплетение нитевидных волокон с перегородками, расположенными перпендикулярно волокну и всегда на равном расстоянии друг от друга. Эти перегородки разделяют отдельные клетки, из которых состоит волокно, известное у специалистов под названием гифы. Гифы взаимно переплетаются и образуют местами подобие кисточек. На концах этой кисти часто можно увидеть небольшую цепочку шарообразных телец, постепенно отделяющихся от веточек. Эти тельца обеспечивают размножение гриба и являются конидиями. Грибы с упомянутыми формами метелочек и кисточек относятся микробиологами к роду Penicillium (penicillus – по-латыни кисточка). Полное видовое название нашего «пенициллиума» из рокфора – Penicillium roqueforti (фото 11).

К микроскопическим грибам относят также незваных гостей наших кладовых. Незаметно, часто непонятным для нас путем, они проникают в банки с овощной икрой и вареньем или поражают разложенные на полке лимоны, обволакивая их зеленоватым налетом.

Интересно рассмотреть под микроскопом плесень на лимоне. Наш глаз увидит множество переплетенных гиф, однако мы напрасно будем искать метелочки или кисточки, как в предыдущем случае. Здесь мы найдем образования другого типа, на которых также рядами расположены мельчайшие вздутия. Иногда волокно на конце расширяется и из этого образования выходят веточки, на конце которых видны цепочки из круглых телец – конидий. Все вместе это несколько напоминает цветы подсолнечника. Микробиологи относят этот вид гриба к роду Aspergillus. Род Aspergillus и род Penicillium родственны и принадлежат к одному семейству Aspergillaceae. Если одна из конидий попадет в подходящую среду, например в открытую банку с вареньем, она прорастет. Из одной клетки-споры возникнет вскоре целое переплетение гиф, а на них – типичные кисточки или шарики, несущие следующее поколение спор (фото 12).

Кроме описанных типов, нам известно и множество других грибов, которые также было бы небезынтересно понаблюдать под микроскопом и рассмотреть особенности их строения. Но мы пока что расстанемся с этой группой микробов, чтобы встретиться с ее представителями уже при других обстоятельствах.

О водорослях и простейших

В мире микроорганизмов мы можем наблюдать ряд признаков, характерных и для высших организмов. Мы уже знаем, что некоторые грибы по размерам относятся к микроорганизмам, а другие видны невооруженным глазом (например, шляпочные лесные грибы). Тем не менее все грибы составляют особую и единую биологическую группу. То же относится и к водорослям (фиг. III). Некоторые из них являются одноклеточными организмами, видимыми только под микроскопом, другие же образуют очень крупные формы. Но связывает их всех воедино одинаковый по своей сущности процесс питания, напоминающий питание зеленых растений.

Особую группу микроорганизмов составляют сине-зеленые водоросли. Одни – и довольно существенные – признаки сближают их с бактериями; другими признаками, в частности способом питания, они напоминают зеленые водоросли (фото 13).

Некоторые из этих зеленых водорослей – типичные представители одноклеточных микроорганизмов. Они населяют проточные и стоячие воды, а многие из них будут, по-видимому, иметь для человека большое значение в качестве источника дополнительной пищи и кормов. Кроме одноклеточных зеленых водорослей, нам известны также виды, живущие колониями, у которых «индивидуальные» интересы отдельных клеток подчиняются интересам целой колонии. Характерные представители таких колониальных водорослей входят в род вольвокс (Volvox). Несколько ранее мы уже знакомились с их описанием, данным Левенгуком в 1700 году в его письме в Лондонское королевское общество.

Не менее интересны диатомовые водоросли, имеющие прочные панцири из кремнезема самых разнообразных геометрических форм. Створки их панцирей сохраняются и после отмирания живых тканей. В течение многих тысячелетий в различных местах нашей планеты откладывались мощные слои этих мельчайших панцирей как вечные памятники давно минувших эпох (фото 14 и 15).

Если водоросли своим образом жизни напоминают представителей растительного мира, то простейшие стоят ближе к животным. Их клетки чрезвычайно разнообразны по форме и величине. Некоторые из них ведут самостоятельный образ жизни, другие бывают опасными паразитами и возбудителями инфекционных болезней (фото 16).

4. Заглянем внутрь микробной клетки

Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!

А. ван Левенгук

Проникновение в субмикрокосмос

Исследованиями субмикрокосмоса занимаются цитология (наука о клетке), цитохимия, биохимия, биофизика, молекулярная биология, генетика, микроскопия и другие научные дисциплины. Они изыскивают различные методы, стараясь «заглянуть» внутрь клетки, изучить ее строение и связанные с ним жизненные процессы.

Цитологи уже располагают тонкими методами, помогающими им видеть «невидимое». Впервые позволил «заглянуть» в клетку правнук микроскопии Левенгука – световой микроскоп, а вслед за ним и его более молодые родственники – фазово-контрастный, стереоскопический, ультрафиолетовый, люминесцентный и поляризационный микроскопы. Позднее к ним присоединился и праправнук микроскопии – электронный микроскоп.

С их помощью наблюдают обработанные различным способом живые и мертвые клетки. Уже в конце XIX века микробиологи научились приготовлять препараты из живых микробов и наблюдать их внешнюю структуру, а в некоторых случаях и движение. Позже при изготовлении препаратов они стали умерщвлять микробы, а их клетки окрашивать специальными красителями. Потом научились наблюдать за живыми клетками в темном поле, а в 30-х годах получили великолепный прибор – фазово-контрастный микроскоп, который позволил проникнуть во многие тайны внутренней структуры живой клетки.

Через двести лет после первых наблюдений Левенгука известный немецкий физик-оптик XIX века Эрнст Аббе установил, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена длиной световых волн. Наименьшие объекты, видимые в оптическом микроскопе (с применением ультрафиолетовых лучей и так называемых иммерсионных объективов), должны иметь размеры не менее сотой части нанометра, или нескольких десятитысячных долей миллиметра. Это значит, что самые мелкие бактерии находятся где-то около предела видимости наиболее совершенного оптического микроскопа. Казалось, что эти пределы так и не удастся превзойти.

Но шли годы, и появился фазово-контрастный микроскоп. Его изобрел в 1935 году голландский физик Цернике, получивший за свое открытие спустя двадцать лет Нобелевскую премию. Фазово-контрастный микроскоп, будучи также оптическим микроскопом, не преодолел нижней границы наблюдаемых размеров, но зато получил большое преимущество перед своим предшественником – с его помощью можно было наблюдать живые клетки микроорганизмов, что далеко не всегда удается в обычных оптических микроскопах. Чтобы хорошо рассмотреть препарат в световом микроскопе, бактерии умерщвляют, а затем окрашивают; при этом всегда существует опасность изменения структуры клеток.

Значительно важнее наблюдать их в живом, естественном состоянии. Для непосвященного читателя достаточно будет сказать, что фазово-контрастный микроскоп обладает специальным приспособлением, которое может изменять длину пути световых волн, исходящих от наблюдаемого объекта, благодаря чему возникает «фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны». В результате усиливается рельеф, что позволяет увидеть некоторые малые элементы структуры клеток.

Родствен фазово-контрастному микроскопу и интерференционный микроскоп. Такой тип микроскопа, сконструированный физиком Номарским, позволяет детально рассматривать поверхность микробных клеток.

Приблизительно в это же время появился и электронный микроскоп, без которого теперь нельзя даже представить работу цитологов и микробиологов. Первый электронный микроскоп сконструировали и представили научной общественности сотрудники Высшей технической школы в Берлине Макс Кнолль и Эрнст Руска. Роль световых лучей, благодаря которым в других микроскопах получается увеличенное изображение наблюдаемых объектов, в электронном микроскопе играют пучки электронов. Их движением управляют электромагниты, выполняющие функцию оптических линз. Современный электронный микроскоп дает нам возможность получать увеличение объекта в несколько сот тысяч раз.

Но при таком наблюдении клетки бактерий иногда оказываются чрезмерно большими и лучи электронов не могут проходить сквозь них. Поэтому для исследования внутреннего строения клеток в помощь электронному микроскопу призывается особый микрохирургический аппарат – ультрамикротом. Он позволяет получать сверхтонкие срезы клеток и таким образом подготавливать их к наблюдению в электронном микроскопе.

Вообще, надо сказать, работники электронной микроскопии в этом деле настоящие мастера. Клерки, предназначенные для наблюдения, они сначала заливают особым веществом аралдитом, которое быстро затвердевает, а потом разрезают их ультрамикротомом. Таким способом можно разрезать белое кровяное тельце (диаметром около 15 мкм) на 750 тончайших срезов, каждый из которых не толще 0,02 мкм!

Однако у электронного микроскопа есть и один крупный недостаток – в нем можно наблюдать лишь мертвые клетки. Это связано с тем, что молекулы воздуха представляют для электронов непреодолимое препятствие, поэтому все наблюдения должны проводиться в безвоздушном пространстве (вакууме), а это приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток.

Профессора Дюпуи, Перрье и Дюрриё из Института электронной микроскопии в Тулузе (Франция) решили устранить и это препятствие. Поток электронов в обычном электронном микроскопе разгоняется при помощи напряжения порядка 100 000 В. Дюпуи и его коллеги используют напряжение 1 500 000 В, в результате чего скорость электронов достигает 291 000 км в 1 с, то есть почти приближается к скорости света. Для решения этой задачи ученым пришлось преодолеть целый ряд технических трудностей. Необходимо было обеспечить защиту обслуживающего персонала от вредного воздействия рентгеновских лучей, возникающих при попадании электронов на металлические части аппарата, надо было создать электромагнитные линзы, весящие до 700 кг, из которых 100 кг приходится на 29 000 витков медной спирали. Но поскольку при таком высоком напряжении большую опасность представляет еще и влажность, все сооружение необходимо было поместить в металлическую сферу диаметром 24 м. Ускоренные в своем движении электроны проникают не только сквозь тончайший слой воздуха, но и через живые клетки бактерий. Хотя продолжительное действие электронов и наносит им повреждения, а позднее и убивает, тем не менее при наблюдении под микроскопом клетки какое-то время остаются живыми и неизмененными (фото 18).

Описанные методы, как, впрочем, и многие другие, позволяют нам проводить исследования в «субмикромире» клетки и открывать его тайны.