Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 31 страниц)

Пределы жизни микроорганизмов

Жизнь и размножение микробов зависят от многих внешних факторов. К основным относится прежде всего температура окружающей среды. Самая низкая из известных нам температур, при которой прекращается тепловое движение молекул и атомов, – это —273 °C (так называемый абсолютный нуль). Теоретически эта температура является пределом жизни и для микробов, хотя у многих из них жизненные процессы прекращаются уже при температуре ниже 0 °C, которая, однако, их не убивает. Некоторые болезнетворные микроорганизмы сохраняли жизнеспособность в течение нескольких дней при —190 °C. Не вызывала их гибели и температура —250 °C, при которой газообразный водород переходит в жидкое состояние. Выдерживали бактерии в течение нескольких часов и охлаждение до —270 °C!

Где же находится верхний температурный предел жизни микробов? Обычно бактерии погибают при длительном нагревании до точки кипения воды. Впрочем, нам известны и случаи более высокой устойчивости. Это касается прежде всего спор бацилл. В обиходе бациллами часто называют вообще все микроорганизмы. На языке же специалистов этот термин относится только к бактериям, способным в определенных условиях образовывать в своих клетках споры. Их споры обычно значительно более устойчивы к неблагоприятным, в частности температурным, факторам внешней среды, чем организм самих бацилл.

Бактерии, не способные к образованию спор, выдерживают кратковременное нагревание до 100 °C, тогда как споры бацилл выносят и значительно более суровое испытание. Так, споры Bacillus stearothermophilus выживают при пятиминутном действии пара, нагретого до 121 °C. Споры возбудителя сибирской язвы (В. anthracis) способны выдерживать полминуты температуру 400 °C, которая и является до сих пор наивысшим пределом жизни микроорганизмов. Следовательно, амплитуда температур, при которой возможна жизнь микробов, равна 670° (от —270 до + 400 °C). Чаще всего эти границы значительно уже: за нижнюю можно принять 0 °C, за верхнюю 90 °C. В этих пределах в основном и проходит жизнь микроорганизмов, причем скорость их роста и другие проявления жизни находятся в тесной зависимости от температуры.

Все микроорганизмы по их отношению к температуре делят на три основные группы: психрофильные (холодолюбивые), мезофильные (предпочитающие средние температуры) и термофильные (теплолюбивые). Термофильные микроорганизмы живут в горячих источниках и выдерживают «ванну» с температурой 70–80 °C. Иные существуют в преющем сене. Впервые термофильная бактерия была обнаружена в конце 80-х годов прошлого столетия французским ученым Микелем из города Сен. Культура этой бактерии росла при 73 °C. Вышеупомянутый Bacillus stearothermophilus – опасная угроза для пищевой промышленности, так как к высоким температурам устойчивы не только его споры, но и вегетативные клетки, которые могут расти при 80 и даже 85 °C. К мезофильным микроорганизмам относятся почти все патогенные и большая часть сапрофитных микробов. К ним же принадлежит и большинство микроорганизмов, имеющих промышленное значение. Из группы психрофильных микробов можно назвать микроскопические водоросли, которые живут на снегу и окрашивают его в кроваво-красный цвет.

Свет убивает бактерии

Из рассказа о фотосинтезе мы уже знаем, что жизнь зеленых растений зависит от Солнца, дающего им энергию. Но большая часть бактерий иначе реагирует на солнечный свет. Прямые лучи солнца для них губительны.

Очень показательный пример вредного влияния света на патогенные микробы привел немецкий врач и философ Людвиг Бюхнер. На питательную среду в чашке Петри он посеял культуру Salmonella typhi, возбудителя брюшного тифа. На крышку чашки он приклеил надпись крупными черными буквами «ТИФ» и выставил затем чашку на солнечный свет. По прошествии часа он поместил ее в темный термостат, где продержал 24 ч. На следующий день культура была уже хорошо видна невооруженным глазом, но росла она только на тех местах, которые были прикрыты от солнечного света черными буквами, и на поверхности среды возникла такая же надпись.

Еще из курса физики мы помним, что белый дневной свет при прохождении через стеклянную призму разлагается на составные части – от фиолетового до красного. Наиболее губительной для бактерий оказалась ультрафиолетовая часть спектра. На этом основывается и применение ультрафиолетовых лучей для уничтожения бактерий.

Но существуют бактерии, которые для своей нормальной жизнедеятельности требуют света, например пурпурные серобактерии, обладающие способностью к фотосинтезу. Нужен свет и водорослям, а из простейших – зеленым жгутиковым. Лучше развиваются при свете и некоторые грибы.

На конском навозе вырастает микроскопический гриб Pilobolus, которому свет необходим для образования спор. В природных условиях этот гриб ежедневно создает группу спорангиеносцев со спорангиями. Спорангиеносцы формируются с полудня и вплоть до вечера.

Дальнейшее развитие и образование спорангиев происходит в ночное время. К утру спорангии уже бывают сформированы. Черный спорангий, в котором образуются споры, похож на маленькую черную шапочку, сидящую на слегка вздутом спорангиеносце и обращенную к солнцу. К полудню в находящемся под спорангием пузырьке возникает высокое давление, и он лопается прямо под спорангием, выбрасывая его в направлении источника света на расстояние до двух с половиной метров. Спорангий обычно приклеивается к траве и вместе с ней попадает в желудочный тракт травоядных животных. Там спорангий открывается, и высыпавшиеся из него споры вместе с навозом выходят наружу.

Предел выносливости микроорганизмов

Итак, мы уже узнали, что микробы выносят значительные колебания температуры, гораздо большие, чем человек. Посмотрим же, как реагируют они на другие неблагоприятные условия.

Давление воздуха на уровне моря и на 45° географической широты равно 1 атм. С увеличением высоты это давление снижается. Человек, для которого нижней границей давления принято считать 0,4 атм, очень чувствителен к понижению давления и уже на высоте 3000 м часто заболевает «горной болезнью».

Каковы же в этом отношении свойства микроорганизмов? Установлено, что некоторые виды микроскопических грибов растут и продуцируют споры при давлении всего 5 мм ртутного столба, что соответствует приблизительно 0,006 атм![7]7
  Советские ученые установили, что некоторые микроорганизмы не теряют своей жизнеспособности после семидесятидвухчасового пребывания в вакууме 10^-8—10^-10 мм. рт. ст. (А. А. Имшенецкий, С. В. Лысенко, в сб. «Жизнь вне Земли и методы ее обнаружения», М., изд-во «Наука», 1970). – Прим. ред.


[Закрыть]

Нетренированный человек может выдержать повышение давления до 4 атм, водолазы – до 8. Более высокое давление уже опасно для жизни человека. Микроорганизмы, извлеченные со дна океанов, с глубины 10 000 м, где давление достигает 1000 атм, наблюдали при более низких давлениях. Оказалось, что эти условия для них неблагоприятны, их жизненные процессы значительно замедлялись. Ио давление 1000 атм еще не представляет опасности для их жизни. Клетки дрожжей выживали при давлении 8000 атм, а споры одной бациллы выдержали в течение 45 мин давление 20 000 атм.

Проделаем опыт: заполним стеклянную трубку раствором медного купороса и закроем ее на нижнем конце полупроницаемой пергаментной бумагой. Перенесем трубку в сосуд с чистой дистиллированной водой и отметим уровень раствора медного купороса. Через пергаментную бумагу хорошо проходят молекулы воды, но молекулы медного купороса пройти не могут. И действительно, очень скоро мы заметим, что уровень раствора в трубке начинает повышаться, а раствор разбавляться водой, проникшей в трубку из сосуда.

Но уровень раствора повысится лишь до известного предела. Если бы мы добавили в трубку еще кристаллик купороса, уровень снова стал бы повышаться, но тоже только до определенной высоты. Вода из сосуда, как видим, может проникнуть в трубку лишь до известной границы, высота которой зависит от количества растворенного в воде вещества, или его концентрации. Просачивание воды через полупроницаемую перегородку в раствор медного купороса – частный случай явления, называемого осмосом. Для проникновения воды необходимо определенное давление, которое называется осмотическим, а измеряется обычно числом атмосфер, как и давление воздуха или воды.

Направление движения воды может измениться, если мы в сосуд положим такое количество медного купороса, чтобы его концентрация превышала концентрацию раствора в трубке. Тогда уровень жидкости в трубке начнет падать, так как молекулы воды будут двигаться через полупроницаемую пленку в направлении раствора с большей концентрацией медного купороса. В тот момент, когда концентрации растворов по обе стороны пленки выровняются, движение воды прекратится.

Цитоплазматическая мембрана, окружающая внутреннее содержимое микробной клетки, также полупроницаема. Это означает, что она свободно пропускает молекулы воды, но чрезвычайно медленно – все прочие вещества. Содержащиеся в клетке минеральные соли и сахара также растворены в воде. Что же произойдет, если клетку поместить в дистиллированную воду? Возникнет положение, подобно тому, которое было в опыте с трубкой, наполненной раствором купороса и опущенной в сосуд с дистиллированной водой. По одну сторону полупроницаемой цитоплазматической мембраны находится чистая вода, по другую – раствор веществ определенной концентрации. Неизбежно возникнет тенденция выравнивания концентраций, и молекулы воды станут проникать внутрь клетки, расширяя ее объем и увеличивая внутриклеточное давление. Наконец цитоплазматическая мембрана, не выдержав нарастающего давления, разрывается и все содержимое клетки выливается в окружающую жидкость.

Иное положение будет, если клетка микроба попадет в раствор поваренной соли или сахара, имеющий более высокое осмотическое давление, чем цитоплазма клеток. В данном случае выравнивание концентраций будет происходить за счет передвижения молекул воды в обратном направлении– из клетки в окружающий ее раствор. Под микроскопом можно увидеть, как клетка начинает сморщиваться, ее внутреннее содержимое отделяется от стенок и концентрируется в центре.

Из всего вышесказанного ясно, что микробы «чувствуют себя хорошо» лишь в растворах, имеющих приблизительно такое же осмотическое давление, что и в их клетках.

Микроорганизмы обычно способны выдерживать давление 5 и даже 10 атм. Осмотическое давление среды зависит от концентрации растворенных в ней веществ.

Таким образом, богатая солями морская вода имеет значительно более высокое осмотическое давление, чем пресная речная вода. Но микробы живут и в морях. Концентрация солей в морской воде около 3,5 %, что соответствует осмотическому давлению в несколько десятков атмосфер. Живут микроорганизмы и в Мертвом море, вода которого содержит 25 % солей, и в Большом Соленом озере с 27,6 % солей. В соляных копях на поверхности влажной соли живут одноклеточные водоросли.

Другой фактор, сильно влияющий на жизнь микроорганизмов, – так называемая «реакция» (рН) среды. Это свойство зависит от химического состава содержащихся в ней веществ. Кислоты определяют кислый характер среды, основания– щелочной. Наиболее удобной мерой реакции является шкала величин рН – от нуля до 14. При величине рН, равной 7, среду характеризуют как нейтральную, если она ниже 7, ее считают кислой, а если выше – щелочной.

Для большинства бактерий наиболее благоприятна слабо щелочная или нейтральная реакция среды; дрожжи и микроскопические грибы хорошо выносят кислую среду. Кислотоустойчивые бактерии, к которым можно отнести возбудителя туберкулеза, выдерживают очень кислые среды.

В наш атомный век не может не возникнуть еще один вопрос: как влияет на микробы радиоактивность или рентгеновское излучение? Мы знаем, что для животных и растений такие излучения при длительном их воздействии опасны. Микробы также оказались чувствительными к этим влияниям[8]8
  Наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 2537 А» Однако, если организм покрыт защитной пленкой (например, пленкой хрома толщиной 800 А), то после воздействия дозы, равной 7,8х10⁷ эрг/см², споры микробов остаются жизнеспособными (Р. И. Федорова, в сб. «Жизнь вне Земли и методы ее обнаружения», М., изд-во «Наука», 1970). – Прим. ред.


[Закрыть]. При облучении большая часть клеток погибает, а у оставшихся в живых обычно несколько изменяются свойства, причем эти изменения переносятся и на их потомство. Такие внезапные изменения наследственных свойств называются мутациями.

Часть вторая. Микробы вокруг нас

Меня посетили благородные дамы, которым очень хотелось посмотреть на маленьких змеек в капле уксуса. Однако некоторым из них эти змейки показались настолько отталкивающими, что они поклялись никогда больше не брать уксуса в рот. Но что бы сказали эти дамы, узнав, что в налете только одного их зуба таких существ больше, чем людей в целом королевстве?

А. ван Левенгук

7. Где живут микроорганизмы?

Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду…

В. Л. Омелянский

Биосфера и микроорганизмы

Все пространство на земном шаре, населенное живыми организмами, мы называем биосферой. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры, воды рек, озер, морей, океанов и нижнюю часть атмосферы. В воде она достигает глубины 10 000 м. В почву дальше всех организмов проникают растения азиатских пустынь, их корни доходят почти до тридцатиметровой глубины[9]9
  В 1951 году академик Б. Л. Исаченко сообщил об обнаруженных им пурпурных бактериях в нефтеносных слоях Земли на глубине 1700 м (Исаченко Б. Л., Избран. труды, т. 2, М., Изд-во АН СССР, 1951). – Прим. ред.


[Закрыть]. Высшие растения встречаются в горах на высоте нескольких тысяч метров. Мощность всего пояса биосферы достигает, по-видимому, 12 000 м, что составляет, однако, меньше 0,2 % радиуса Земли. Выдающийся советский ученый В. И. Вернадский подсчитал, что общий вес живого вещества, то есть всех живых организмов нашей планеты, должен быть не менее 200 биллионов тонн, что приблизительно соответствует 0,0033 % всей массы земного шара (5974 триллиона тонн). Как же распределены в биосфере микроорганизмы?

Они встречаются в морских пучинах и на заснеженных вершинах гор, в тропических и полярных областях, в верхних и нижних слоях почвы, в воздухе[10]10
  В 1975 году появилось сообщение об обнаружении с помощью геофизических ракет некоторых микроорганизмов на высоте 61 000 – 77 000 м (Имшенецкий А. А., Лысенко С. В., Казаков Г. А., О микроорганизмах стратосферы, ДАН СССР, 224, № 1, М., 1975). – Прим. ред.


[Закрыть], на растениях и на животных. Человек сталкивается с ними уже в день своего рождения, и они сопровождают его до могилы, где кончают свою миссию, превращая мертвое тело в «прах», в минеральные вещества Земли. Такую же роль играют микробы и в жизни других высших животных и растений.

Если взглянуть вокруг себя глазами микробиолога, ю очень скоро можно убедиться в вездесущности микроорганизмов. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал о них так: «Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду. Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела – все это буквально «кишит» микробами…»

Микроорганизмы в воде

Мы находим их в различных водоемах – стоячих и проточных, мелких и глубоких, горячих и ледяных, соленых и пресных, чистых и загрязненных, в озерах, болотах, морях и океанах. Прибрежные и придонные илы водоемов также богаты микроорганизмами.

В морской воде у островов Шпицбергена бактерии были найдены на глубине 2700 м. Океанографические исследования Тихого океана у берегов Филиппинских островов обнаружили бактерии на глубине 10 462 м, в одной из самых глубоких впадин Мирового океана.

Во время работы океанографической экспедиции Додо в 1964 году микробиолог К. Зобелл обнаружил на различных глубинах и в донных отложениях Тихого океана большое количество микроорганизмов (фото 33). При культивировании этих организмов были созданы условия, господствующие на глубине свыше 10 000 м – температура 2,5 °C и давление 1000 атм. Оказалось, что при таком высоком давлении размножение бактерий происходило в десятки и тысячи раз интенсивнее, чем при атмосферном давлении.

Сравнивая реакцию различных бактерий на высокое давление, Зобелл установил, что наземные бактерии под давлением 600 атм не растут или гибнут, тогда как морские, взятые с глубины 6000 м, чувствуют себя в этих условиях нормально. Тот же исследователь сообщил, что термофильные бактерии, прекращающие свой рост при нормальном атмосферном давлении уже при температуре несколько выше 85 °C, при давлении 1000 атм способны расти и размножаться даже при 104 °C. Это считается наивысшей известной до сих пор температурой, при которой возможен рост бактерий.

Известно, что свечение моря, часто наблюдаемое ночью, вызывают микроорганизмы. Эти светящиеся существа принадлежат в основном к жгутиковым организмам; среди них есть род, названный Noctiluca, что означает «ночной светлячок». В своей книге «Дневник изысканий по естественной истории и геологии» Ч. Дарвин так писал о свечении моря: «…море светилось вспышками. Явление было очень сходно с тем, чего можно было бы ожидать, если бы большая рыба быстро двигалась сквозь светящуюся жидкость»[11]11
  Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 201. – Прим. ред.


[Закрыть].

Одноклеточные зеленые водоросли в фитопланктоне океанов составляют 80 % всех органических веществ, образовавшихся на нашей планете путем фотосинтеза. Есть в морских водах и микроорганизмы, которые минерализуют органические вещества отмирающих существ и таким путем возвращают их в круговорот природы. Зеленые водоросли вырабатывают желтые пигменты, очень напоминающие по цвету окраску воды в некоторых прудах, в связи с чем предполагают, что желтые вещества[12]12
  Растворимые в воде гумусовые вещества (фульвокислоты) сложной химической природы; встречаются в почве и природных водоемах. – Прим. ред.


[Закрыть], встречающиеся в природных водоемах, могут быть продуктами жизнедеятельности водорослей.

Живут микроорганизмы и в горячих источниках. Микроскопические водоросли были обнаружены в воде, вытекающей из купален курорта Пьештяни (Западная Словакия), температура которой достигает 90 °C. В горячих источниках Балканского полуострова живут бактерии, выдерживающие температуру 83 °C. При изучении фотосинтетической активности водорослей из горячих источников Йеллоустонского национального парка (США) было установлено, что процесс фотосинтеза происходил при 75 °C. Некоторые бактерии были обнаружены в источнике, вода которого имела температуру 91,5 °C – всего лишь на 2° ниже точки кипения, регистрируемой в условиях данного района. В канале, по которому вода вытекает из источника, температура доходит до 88 °C, но и здесь бактерий такое множество, что они окрашивают стенки канала в розовый цвет. Американские микробиологи Т. Брок и Дж. Дарланд сообщили о результатах исследований бактерий в 300 горячих источниках, находящихся в США, Новой Зеландии и Исландии. Они установили, что в умеренно кислых водах бактерии живут при температурах свыше 90 °C, а в щелочных выдерживают даже 100 °C!

Из водоемов с высоким содержанием солей (Мертвое море, Большое Соленое озеро) выделили бактерии, продуцирующие желтые и красные пигменты (с некоторыми из них связывают окраску рыб, живущих в соленой воде). Жизнь в воде с высокой концентрацией солей для большинства организмов невозможна. Однако в Большом Соленом озере обнаружили 30 видов организмов, в основном бактерий, а также несколько видов сине-зеленых и зеленых водорослей, простейших, два вида членистоногих и два вида пресмыкающихся. Еще более суровые условия в Мертвом море. Но и тут найдено восемь видов бактерий и два вида сине-зеленых водорослей.

Рекорд поставили микроорганизмы, обнаруженные в небольшом антарктическом озере Дон-Жуан, воды которого отличаются высокой концентрацией солей и низкой температурой. Члены американской экспедиции, проводившие исследования, с удивлением констатировали, что вода в нем не замерзает даже при температуре —24 °C, что объясняется высоким содержанием солей – в 13 раз большим, чем в морской воде. Но и из этого озера были выделены бактерии и дрожжи, приспособившиеся к столь неблагоприятным условиям среды.

Патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут расти даже в дистиллированной воде. В журнале Science в 1971 году было опубликовано сообщение четырех микробиологов, которые подвергли анализу 50 проб дистиллированной воды. В 20 из них были обнаружены эти бактерии. Вода была взята из запасов, предназначенных для аэрозольной терапии в двух детских больницах. Бактерии интенсивно размножались, и за 24 ч при температуре 25 °C количество их увеличилось в 250 раз!

В стране вечных льдов

Исследования условий жизни в Антарктиде, проводимые экспедициями многих государств, принесли новые сведения о жизни микроорганизмов.

Более 50 лет назад недалеко от Южного полюса на поверхности снега и льда вместе с замороженными водорослями были найдены и бактерии. Из образцов почвы, льда и различных органических остатков в Антарктиде удалось выделить многие виды психрофильных (холодостойких) микроорганизмов. На 1 г почвы получали от ста до нескольких тысяч клеток, даже на ледниках в 1 г льда обнаруживали до ста бактерий. В 1 г помета различных антарктических животных насчитывали от 3000 до 60 000 000 психрофильных бактерий.

Микробиологов Сиднейского университета, специализировавшихся на изучении водорослей, заинтересовали коричневые полосы в толщах морского льда. Оказалось, что их создают мельчайшие диатомовые водоросли. Неподалеку от одной из антарктических станций диатомовые были найдены на нижней поверхности льда, толщина которого достигала полутора метров. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы удовлетворялись тем слабым светом, который пробивался сквозь столь мощный слой. Позднее они были обнаружены в нижних слоях почти трехметрового льда. Эти слои менее плотны, чем наружные, и кристаллы льда чередуются здесь с капельками воды. В них-то и приютились диатомовые водоросли. Их количество учитывалось прямым подсчетом клеток, а также измерением содержания хлорофилла в биомассе организмов. В начале января 1963 года, то есть в середине антарктического лета, ученые установили присутствие 250 мг хлорофилла в 1 м³ льда. Таким образом, общая продукция хлорофилла в антарктических льдах достигает 300–600 тысяч тонн в год.

Некоторые водоросли живут на поверхности снега, покрывающего горные вершины. Они окрашивают его в красный цвет. Среди них часто встречается вид Chlamydomonas nivalis, клетки которого содержат красные каротиноиды – пигмент, входящий в состав клеток моркови. В упомянутом выше труде Дарвина мы находим описание окрашенного водорослями снега на вершинах и гребнях Кордильер: «На нескольких покрытых снегом участках я нашел Protococcus nivalis – красный снег, так хорошо известный по описаниям арктических мореплавателей. Я обратил на него внимание, глядя на оставляемые мулами следы бледно-красного цвета, как будто копыта их были слегка окровавлены»[13]13
  Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 356–357. – Прим. ред.


[Закрыть].