Популярно о микробиологии Бухар Михаил

Несведущие люди, как правило, знают лишь о негативной стороне деятельности микроорганизмов. В самом деле, микробы вызывают болезни растений, животных и самого человека. Более того, в некоторых случаях они могут оказаться вредителями и в промышленности.

Людям более сведущим известно, что «простую» простоквашу и благоухающий рокфор, кефир и ряженку, масло и сметану, так сильно отличающиеся друг от друга по вкусовым и физико-химическим свойствам, получают из молока с помощью микроорганизмов.

Но даже и эти люди могут не знать, что молоко — далеко не единственный продукт, на который способны воздействовать микробы, и тем более не подозревать о великом многообразии химических превращений, которые могут осуществлять микроорганизмы с различными продуктами и веществами.

Трудно даже перечислить все виды таких превращений, вызываемых микробами, но мы попытаемся рассказать читателю о некоторых из них, чтобы из приведенных примеров стало понятно значение микроорганизмов.

Глава 1

Как украли железную дорогу

А отчего, по-твоему, происходят крушения поездов? Отвинти две-три гайки, вот тебе и крушение!

А. П. Чехов

У Максима Горького есть притча о двух ворах: один украл доллар — его посадили в тюрьму; другой украл железную дорогу — его избрали в сенат. Некоторых представителей царства микробов можно «заслуженно» выбирать в сенат — они ежегодно крадут не одну железную дорогу. Правда, для осуществления своих планов сенаторы используют коррупцию, а микроорганизмы — коррозию. Из-за нее только в нашей стране пропадает около трети выплавляемого черного металла. При этом более половины, а по некоторым данным более трех четвертей коррозионных потерь может быть отнесено за счет микроорганизмов.

Как может украсть железную дорогу будущий сенатор, мы читали, но как это делают микроорганизмы? Ведь нужно не только украсть, но и спрятать похищенное. Известный датский физик Нильс Бор во время вторжения немцев в Данию не захотел отдавать свою золотую медаль лауреата Нобелевской премии и спрятал ее. Причем очень надежно, растворив в склянке с царской водкой. Микробы способны не только украсть целиком железную дорогу, но и скрыть ее от посторонних глаз так же искусно, как Нильс Бор. И действительно, они превращают сотни тонн металла в окислы или соли, почти повторяя, по сути, то, что сделал Бор. Конечно, украденную таким образом железную дорогу можно найти, но, увы, использовать ее по прямому назначению уже нельзя. Железные дороги, нефтепроводы, мосты превращаются в кучи ржавчины. Однако не является ли расточительством платить этим пожирателям металла такую дань? И не пора ли отказаться от нее? Эти вопросы возникли сравнительно недавно, когда рост промышленного производства и истощение месторождений полезных ископаемых поставили перед человечеством проблему максимального сокращения потерь металла в процессе долговременной эксплуатации.

Открытие новых месторождений нефти и газа, удаленных от промышленных центров, привело к росту протяженности нефте- и газопроводов, что в свою очередь усилило внимание к процессам биокоррозии. Почему это произошло? Дело в том, что нефть и газ представляют собой отличную среду для обитания микроорганизмов, и вполне естественно, что на богатых питательных средах коррозирующее действие микроорганизмов проявляется значительно сильнее. Механизм коррозирующего действия микроорганизмов заключается в следующем. В результате их жизнедеятельности образуются органические и неорганические кислоты, щелочи, аммиак, сульфиды и другие продукты, усиливающие «агрессивные» свойства среды. Кроме того, метаболический цикл, или совокупность реакции жизнедеятельности того или иного микроорганизма может включать в себя коррозионную реакцию, и таким образом коррозия, так же, как и дыхание, сопутствует функционированию микроорганизмов. Собственно говоря, некоторые из них и осуществляют процесс дыхания за счет реакции корродирования, извлекая при этом энергию для своей жизнедеятельности.

Но самый сильный коррозионный эффект микроорганизмы оказывают тогда, когда и сама реакция, и ее продукты способствуют коррозии. Так, подкисление среды тионовыми бактериями способствовало быстрой коррозии железных болтов, скреплявших тюбинги Киевского метрополитена. Всего за несколько месяцев коррозия составила почти 40 %. При этом тионовые бактерии окисляют закисное железо FeSO₄ до окисного Fe₂(SO₄)₃. Окисное железо, являясь окислителем, окисляет чистое железо до закисного, которое в свою очередь вновь вступает во взаимодействие с металлическим железом. Получается замкнутый цикл, который не может быть разорван до тех пор, пока в среде будет находиться металлическое железо.

Остановиться этот процесс может только тогда, когда все железо окислится или когда условия изменятся так, что жизнедеятельность тионовых бактерий прекратится и разорвется наконец этот порочный цикл.

Даже в простых водопроводных трубах, где нет благоприятных питательных сред, все равно обнаруживается коррозионный эффект железобактерий.

Если в первом примере коррозионный процесс осуществляется за счет изменения химического состава среды продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, то во втором случае они сами способствуют возникновению электрохимической коррозии.

Железобактерии поселяются на неровностях внутренней поверхности труб, образуя скопления (колонии), окруженные оболочками и нитевидными волокнами из гидрата окиси железа. Поверхность труб под этими колониями в меньшей степени омывается водой и растворенным в ней кислородом, чем в свободных зонах. Это приводит к образованию разности потенциалов между участками поверхности, покрытыми колониями и свободными от них; в местах с более положительными значениями потенциала железо теряет электроны, образуя трехвалентный ион, который в присутствии воды превращается в ржавчину — Fe(OH)₃. Таким образом, микроорганизмы вызывают не только биокоррозию, но и, как в данном примере, могут способствовать возникновению процесса электрохимической коррозии.

Глава 2

Потомки луддитов

Со времен луддитов (особенно после принятия английским парламентом в 1811 г. специального закона, предписывающего карать их смертной казнью) никому не приходит в голову бороться с машинами. И все же иногда нам приходится сталкиваться с такими смельчаками. Вот пример: посланные в тропики трактора через некоторое время вышли из строя — разрушились детали из закаленной стали, которые обычно оставались целыми даже тогда, когда трактора сдавали на переплавку! Естественно — рекламации, комиссии, выговоры… Начали искать злоумышленников. Не нашли. Стали разыскивать более тщательно. И виновников обнаружили. Ими оказались микроорганизмы, которые аккуратнейшим образом «съели» на трущихся деталях всю смазку, включая и запрессованную в подшипники. Без нее, как известно, быстро выходят из строя подшипники самого лучшего качества, а без них не сможет работать ни один из механизмов, которыми мы пользуемся. Ну чем микробы не луддиты? Эти современные разрушители машин даже умнее людей, так как не тратят энергию на то, чтобы сломать их целиком, а только чуть-чуть увеличивают коэффициент трения между трущимися деталями, после чего механизм уже сам себя «доламывает». Идеальным вариантом борьбы с микробами-луддитами было бы введение для них смертельной казни, как в свое время для английских рабочих, чей протест против внедрения машин выражался в разрушении станков и оборудования. Однако с тех далеких времен человечество накопило некоторый (зачастую печальный) опыт применения радикальных средств борьбы с теми или иными вредителями. Помимо хрестоматийного примера с завезенными в Австралию кроликами появились новые случаи неудачного вмешательства человека в жизнь природы. В той же Австралии завезенные для борьбы с насекомыми-вредителями американские жабы-аги стали бедствием, по сравнению с которым кроличье нашествие можно считать мелкой неприятностью. В живой природе все так взаимосвязано, что неизвестно, не обернется ли победа над микробами-луддитами поражением в других сферах человеческой деятельности. Вот почему вопрос состоит не в том, чтобы уничтожить микроорганизмы, а в том, чтобы максимально снизить их вредоносный эффект в определенной сфере человеческой деятельности.

Глава 3

Секреты самурайских мечей

Отделкой золотой блистает мой кинжал;

Клинок надежный, без порока;

Булат его хранит таинственный закал —

Наследье бранного востока.

М. Ю. Лермонтов

Наши предки, даже не подозревая о существовании микроорганизмов, успешно использовали их в различных технологических процессах. Действительно, переработка продуктов питания, пивоварение, виноделие, хлебопечение, дубление кож… Этот список можно продолжать и продолжать.

Использование микроорганизмов в металлургии на первый взгляд кажется невозможным, и тем не менее есть гипотезы о том, что они сыграли немалую роль при производстве самурайских мечей. Самурайские мечи — особый тип холодного оружия, настолько отличающийся по качеству от остальных, что им можно легко перерубить другой меч или стальные доспехи.

Гипотеза использования микроорганизмов в технологическом процессе создания уникального оружия основана на их способности окислять железо. Здесь следует обратить внимание на тот факт, что железные руды, из которых в Японии выплавляли исходное железо, содержат небольшое количество хрома, молибдена и ванадия. Микропримеси этих элементов придают железу уникальные свойства, создавая так называемую легированную сталь. Для ее получения использовали разнообразные приемы. На одном из них, включенных в старинную технологическую схему, мы и остановимся.

После многократной ковки полосу стали закапывали на достаточно долгий срок в болотистую почву или просто в болото. И вот тут-то и вступали в дело микроорганизмы. Дело в том, что болотистые почвы содержат культуры микроорганизмов, способные использовать железо в качестве источника энергии. «Поедая» его, микроорганизмы увеличивают относительную концентрацию или мольную долю других металлов, создавая таким образом новые типы легированной стали. Эта технология напоминает современные методы ее получения. Отличие только в том, что нужные концентрации легирующих металлов в нынешнем варианте достигаются добавлением их к железу, а в старинном варианте такие концентрации получались за счет уменьшения содержания железа, «поедаемого» микроорганизмами, что также приводило к увеличению содержания легирующих элементов. Очевидно, что, варьируя время пребывания меча (или заготовки для него) в болотистой почве, можно создавать различные соотношения между железом и присадками. Многократное повторение этого этапа приводит к тому, что меч словно одевается в своеобразный «чехол» из легированной стали, благодаря чему формируются уникальные свойства самурайских мечей. Прочность на разрыв стали, используемой в Средние века оружейниками Японии, Дамаска и Испании, так и не удалось никому превзойти в течение последующих веков. Кроме того, избирательное «выедание» микроорганизмами атомов железа или их кристаллов приводило к образованию на кромке лезвия резко выраженной неоднородной структуры, так называемой «микропилы», обладающей значительно большей режущей способностью по сравнению с обычными лезвиями.

В заключение главы следует отметить, что описанная технология — не более, чем предположение, а современные металлурги пытаются объяснить уникальные свойства самурайских мечей наличием в структуре металла нанотрубочек, что, впрочем, тоже можно считать очередной рабочей гипотезой для объяснения замечательных свойств этого оружия, созданного много веков назад.

Глава 4

Микробы и…

Бермудский треугольник

Говорил, ломая руки,

Краснобай и баламут

Про бессилие науки

Перед тайною Бермуд.

В. Высоцкий

Две трети земной поверхности занимает вода. Моря и океаны, разделяя страны и народы, в то же время служат наиболее дешевыми транспортными магистралями. Тысячи судов различной грузоподъемности бороздят водную поверхность. Однако, несмотря на развитие средств навигации и возросшую энерговооруженность морского транспорта, судоходство по-прежнему представляет собой отнюдь не безопасное мероприятие. И по сей день корабли гибнут из-за туманов, штормов, тайфунов, ураганов, цунами; гибнут, посылая в эфир SOS — призыв о помощи. По сообщениям с потерпевшего крушение корабля можно восстановить всю картину бедствия и в будущих моделях судов учесть выявленные в экстремальных условиях конструктивные недостатки. Но бывают случаи, когда корабли исчезают, не успев подать никаких сигналов. И тогда рождаются легенды, иногда очень интересные и волнующие, о гигантских морских змеях, заглатывающих целые суда, или китах, ударом исполинского хвоста переворачивающих корабли, или об удивительных свойствах некоторых районов океана, например о так называемом Бермудском треугольнике.

Так называется область Атлантического океана между Пуэрто-Рико, Флоридой и Бермудскими островами, в которой, согласно мнению многих исследователей, происходит масса необъяснимых явлений. За последние 50 лет в Бермудском треугольнике произошло более 1000 загадочных событий. Для их объяснения используются различные теории, а когда их не хватает, появляются легенды. Но, как правило, они весьма далеки от истинной причины катастрофы, которую пытаются найти моряки и кораблестроители.

А истина иногда может быть довольно простой. Но сначала немного теории. С тех пор как человек впервые попытался протащить по земле тяжелый предмет, он поневоле столкнулся с проблемой трения, и в частности с трением сыпучих тел. Когда мы тянем по земле достаточно тяжелый груз, то перемещается не только он сам — движутся и верхние слои почвы относительно друг друга. Коэффициент трения между этими пластами определяется состоянием трущихся поверхностей, их шероховатостью, величиной удельного давления, временем подвижного контакта, физико-механическими и химическими свойствами, но главным образом вязкостью, скоростью движения слоев относительно друг друга и смазкой.

А теперь вообразите себе гигантский сухогруз, груженный рудой. Ее слои благодаря трению крепко «держатся» друг за друга, и она становится почти неподвижным монолитом. Представьте, что коэффициент трения резко уменьшился, и слои «поплыли» относительно друг друга. Добавьте к этому небольшую качку, и вы увидите, как сотни тонн руды начинают перемещаться и с огромной силой ударять в борт судна. В результате оно, расколовшись пополам, тонет. Даже не проломив борт, а только сместившись, огромная масса руды так меняет положение центра тяжести корабля, что он может тут же перевернуться и затонуть, даже не успев послать сигнал SOS^[1].

Как же мог так быстро измениться коэффициент трения?^[2] И здесь злоумышленниками могут оказаться микроорганизмы. Поселившись на поверхности руды и размножаясь в огромных количествах, они образуют пленку, значительно снижающую коэффициент трения. В этом случае микроорганизмы играют роль смазочных масел, с той лишь разницей, что снижение коэффициента трения приводит отнюдь не к положительным результатам, как это обычно бывает в технике, а к трагическим последствиям.

Кстати сказать, в пресловутом Бермудском треугольнике, где таинственным образом исчезают корабли, идеальные условия для развития микроорганизмов: высокие температура и влажность воздуха. И как знать, не являются ли в некоторых случаях виновниками таинственного исчезновения судов не космические пришельцы и не удивительные свойства некоторых участков морской поверхности, а всего-навсего вездесущие микроорганизмы?

Глава 5

Микробы и землетрясения

Даже если все микробы разом подпрыгнут, вряд ли это приведет к землетрясению.

В. Шинкаревский

Население Земли в 2012 г. составляет около 7 млрд. К 2050 г. нас будет 12 млрд, из них 9 млрд будут жить в городах.

Исторически сложилось, что большинство городов расположены в устьях рек и на побережьях морей и океанов, где преобладают песчаные почвы или просто даже пески. Возведение многоэтажных зданий, особенно на таких почвах, сопряжено с определенными сложностями, особенно в зонах, где сейсмическая подвижность грунтов доставляет дополнительные трудности или значительно удорожает строительство.

Сопоставляя размеры микроорганизмов с размером строительных объектов, трудно даже представить себе, что такие маленькие по всем параметрам существа могут оказывать какое-то влияние на такое масштабное явление, как градостроительство. Конечно, микроорганизмы не могут остановить землетрясения или препятствовать их возникновению, но они способны снизить разрушающий эффект этого природного явления, в результате которого страдают дамбы, здания и другие сооружения.

Каждый, кто бывал на пляже, наверняка видел «строительство» замков на песке и из песка и знает, насколько непрочны эти сооружения. Их зыбкость и недолговечность объясняется слабым взаимодействием между частицами песка или низким коэффициентом трения.

В предыдущей главе мы уже писали, как микробы могут уменьшить трение между слоями сыпучих веществ и к чему это может привести. В данной главе речь тоже пойдет о трении, но на этот раз будут рассмотрены возможности микроорганизмов, связанные с его увеличением. Действительно, увеличить трение можно, даже если слегка смочить песок водой. Но она испаряется, и замки, рассыпаясь, разрушаются. В строительстве вместо воды используют цемент — вещество, содержащее углекислый кальций.

Культура Bacillus pasteurii (продуктом ее метаболизма является все тот же углекислый кальций), внесенная в грунт, как бы цементирует частицы песка друг с другом, увеличивая возможность песчаной почвы противостоять разрушающим силам сдвига, возникающим при землетрясениях.

Теоретически возможны два варианта использования этого микроорганизма: первый — внедрение культуры Bacillus pasteurii в объем дамбы или фундамента, или, если она в них уже присутствует, — в грунт питательной среды, стимулирующей рост бактерий. Проницаемость песка достаточна велика: в обоих вариантах и бактерии, и питательная среда легко проникают во весь объем грунта, обеспечивая необходимое цементирование. Регулируя количество введенных микроорганизмов и массу питательной среды, можно изменять качество цементирования в зависимости от требований, предъявляемых строительством.

Такие приемы могли бы предотвратить и провалы, и вымывание грунтов, и оползни, придавая даже уже построенным сооружениям большую устойчивость к землетрясениям.

Следует также упомянуть о способности микроорганизмов создавать колонии в виде пленок, которые образуются практически везде, где поверхности соприкасаются с водой и воздухом. Бактериальные пленки состоят из миллиардов клеток, склеивающихся с поверхностью и между собой. Они широко представлены в природе, к тому же достаточно и механически, и химически устойчивы. С негативным эффектом увеличения поверхностного слоя бактерий на наших зубах мы сталкиваемся ежедневно утром и вечером, снимая этот налет зубной щеткой. Образующиеся на зубах бляшки, представляющие собой скопление бактерий, достаточно прочно связаны с их поверхностью, и чтобы избавиться от них, иногда приходится прибегать к помощи стоматолога и целого арсенала средств, включая обработку ультразвуком. Изучение образования и роста микробных популяций в виде пленок выявило некоторые механизмы управления поверхностным ростом. Выяснилось, что микроорганизмы выделяют специальные белки, способствующие взаимодействию миллионов бактерий друг с другом, результатом которого и является пленочный рост. Нельзя ли найти полезное применение механической прочности и химической устойчивости микроорганизмов? Такие попытки уже есть. Поверхностные микробные пленки способны служить непроницаемым барьером, препятствующим распространению загрязнений. Значит, можно, например, с их помощью блокировать утечку нефти из поврежденных подземных хранилищ. Такие пленки эластичны и не разрушаются даже при землетрясениях. Причем при их использовании и затраты ниже, и экологическое воздействие на окружающую среду более щадящее, чем при применении для этих же целей эпоксидных смол, а также акриламидных или силикатных пленок.

Глава 6

Фонтаны, монеты

и… микробы

Обычай — деспот меж людей.

А. С. Пушкин

Считается, что каждый человек, посетивший Рим, обязательно должен побывать на площади Навона, где расположен один из красивейших фонтанов в мире — Треви. Почти все туристы бросают в воду монеты: существует поверье, что тот, кто это сделает, обязательно вернется в Рим еще раз. Желающих повторно попасть в «столицу мира» достаточно: ежегодно из фонтана Треви извлекается монет на сумму около $600 000.

К сожалению, история не сохранила причину происхождения этого поверья, но мы знаем, что во многих странах, в том числе и на Руси, тоже существовал обычай при освящении бросать серебряную монету во вновь отрытый колодец.

Мы знаем также, что никаких знаний о микробах у наших древних предков не было (да и не могло быть). Но в силу своего опыта они предполагали существование «миазмов» — некой субстанции, которая присутствует в затхлой воде и в воздухе заболоченных мест, имеет неприятный запах и вызывает различные заболевания.

Не исключено, что нашим предкам только эмпирическим путем удалось найти связь между серебряной монетой, опущенной в воду, и снижением уровня миазмов, или заболеваемости после питья такой, обработанной серебром, воды. Возможно, подобного рода связи отмечались неоднократно и постепенно вошли в обиход. Если к этому добавить, что монеты в те времена чеканились не из медно-никелевых сплавов, как сегодня, а из золота и серебра — металлов, как теперь известно, обладающих сильным бактерицидным действием (чтобы обезвредить литр воды, достаточно несколько миллиардных долей грамма), то можно предположить, что бросание серебряной монеты — способ обеззараживания воды, эмпирически найденный древними. А сохранившийся до наших дней обычай — всего лишь атавизм.

Разумеется, антибактериальные свойства серебра находят применение и в наше время. Его преимущество перед другими антибиотиками заключается в том, что оно не действует на клетки человека. Серебро добавляют к изделиям из пластмассы и получают контейнеры, в которых пищевые продукты не портятся неделями. Фильтры для систем кондиционирования воздуха и очистки воды, бактерицидная краска для стен и потолков операционных, перевязочные и текстильные материалы, а также просто одежда, поверхности клавиатур и телефонов — вот далеко не полный перечень областей, где используются свойства серебра, открытые много веков тому назад.

Глава 7

Расхитители музейных ценностей

Какое нам, в сущности, дело,

Что все превращается в прах.

А. Ахматова

В этой главе речь пойдет не о хитроумных уловках музейных воров, не об отмычках и других «инструментах», с помощью которых они вскрывают сейфы или проникают в бронированные хранилища, где находятся сокровища мировой культуры. Останется в стороне и вопрос о баснословных ценах, по которым продаются украденные шедевры. И тем не менее речь пойдет о расхитителях музейных ценностей, которыми оказываются… все те же микробы. Редко кто задумывается, почему в каждом музее имеется гардероб, само существование которого поневоле уменьшает число посетителей, и для чего в каждом зале висят на стене термометр и психрометр для измерения, соответственно, температуры и влажности воздуха. Все это делается для того, чтобы ограничить проникновение в залы музеев и в запасники невидимых расхитителей музейных ценностей — микробов и создать для них крайне неблагоприятные условия.

Недавно в одном из тибетских монастырей было обнаружено удивительное собрание рукописей, возраст которых превышает сотни лет. Выполненные на пергаменте, представляющем собой отличный объект для атаки микроорганизмов, рукописи тем не менее хорошо сохранились. Каким же образом?

Посетивший монастырь журналист был удивлен предосторожностями, которые соблюдались при посещении хранилища рукописей. Вход в него состоял из нескольких тамбуров, в каждом из которых надо было прочесть молитву, чтобы очиститься от греховных мыслей и заодно сменить бренную верхнюю одежду. Все это напоминает применение мер предосторожности перед хирургической операцией, когда необходима максимальная стерильность. Именно уменьшение количества микроорганизмов (о полном избавлении от них в этих условиях не может быть и речи) позволило сохранить рукописи для потомков.

Картины великих мастеров прошлого, написанные красками, составленными на основе растительных и животных жиров, тоже подвергаются атаке и разрушаются. Ведь составные части лаков и красок служат благоприятной питательной средой для развития микроорганизмов. Пострадавшими могут оказаться не только картины. Микробной атаке подвергаются, к сожалению, все музейные ценности, а также изделия из дерева, текстиля, металла и памятники архитектуры. Все они нуждаются в защите от микроорганизмов. На сырых стенах зданий известный русский микробиолог Б. Л. Исаченко обнаружил тионовые бактерии и высказал предположение (впоследствии подтвердившееся) об их возможной роли в гибели архитектурных сооружений. С деятельностью бактерий английские микробиологи связывают разрушение стен шедевра английской архитектуры — Вестминстерского аббатства. Плесень уничтожает фрески и витражи знаменитого Кентерберийского собора, созданные в XII–XV вв.

Крупнейшее в мире собрание чертежей, рисунков и рукописей Леонардо да Винчи в Милане поражено грибком. Шедеврам доисторической живописи — росписям пещеры Ласко в южной Франции, датируемым XV тысячелетием до новой эры, угрожает грибок Fusarium solani.

От обычных воров есть защита: сейфы и сигнализационные системы различной степени надежности. Абсолютной защиты от микроорганизмов нет. Самым надежным средством было бы их устранение, но чаще всего такая задача практически невыполнима. И это объясняется не только вездесущностью микробов, но и тем, что не все предметы искусства могут быть подвергнуты жесткой бактерицидной обработке. Поэтому единственное, что в этом случае остается на вооружении в борьбе с этими расхитителями музейных ценностей, — максимальная изоляция предметов искусства, включая их покрытие непроницаемым для микроорганизмов барьером. И чем она надежнее, тем больше шансов на сохранение шедевров мирового искусства для будущих поколений. Вот почему одеваются в стекло и пластик уникальные скульптуры Летнего сада в Санкт-Петербурге и мраморные львы Воронцовского дворца в Алупке. Вот почему серьезно стоит вопрос о сокращении числа посетителей музеев, чтобы сохранить для потомков шедевры ушедших веков.

Глава 8

Геология рядом с нами

На дне лесных озер, на болотах и речных плесах порой можно заметить рыхлый осадок цвета ржавчины. Если осторожно извлечь этот осадок, не нарушив его структуры, то даже при небольшом увеличении, под лупой можно различить тончайшие нитевидные образования различных оттенков, от желтого до темно-коричневого, причудливым образом переплетенные в комки, напоминающие вату. На первый взгляд может показаться, что ржавчина образовалась из случайно попавшего сюда куска железа. Однако это не так. Рассматривая комочки при большем увеличении, мы заметим множество палочковидных клеток, из которых состоят нити. Клетки покрыты слоем гидрата окиси железа, который и придает им цвет ржавчины. Откуда же взялось в воде такое его количество?

Железо — один из самых распространенных элементов в природе. Оно встречается в виде окисных и закисных соединений, причем закисные значительно лучше растворяются в воде, чем окисные. Таким образом, наличие в воде растворимых соединений легко объяснить. Они попадают в нее, вымываясь из различных железосодержащих минералов. Но откуда в воде берутся нерастворимые окисные формы железа, непонятно. Тем более что переход закисных форм в окисные происходит очень медленно и в экспериментальных условиях в растворе двухвалентного железа осадок трехвалентного железа если и образуется, то в очень небольших количествах. Следовательно, в природной среде что-то ускоряет процесс окисления железа и его переход в нерастворимые соединения. Этим ускорителем оказались микроорганизмы.

Рассматривая под микроскопом уже упомянутые нами нити железистой ваты, можно разглядеть внутри них живые клетки, которые в процессе роста покрываются слоем окислов железа. Одеваясь в такую железную броню, микроорганизмы сами себе прекращают доступ кислорода и в погоне за лучшими условиями жизни как бы вылезают из брони, оставляя наблюдателю рыхлые осадки окислов железа. Со временем эти осадки накапливаются на дне водоемов и, уплотняясь под тяжестью собственного веса и давления воды, образуют месторождение бурого железняка. Еще в XVIII в. шведский ученый Э. Сведенборг отмечал удивительный факт регенерации месторождений железной руды на уже выработанных участках через 24 года. Действительно, для образования промышленного месторождения нужно очень много лет. Однако в микроколичествах образование «месторождения» может наблюдать каждый, у кого есть немного терпения и наблюдательности. Вот вам и геологические процессы на дому.

Глава 9

Пятью хлебами

Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли, помимо обычной культуры, то есть на особых фабриках и заводах.

Д. И. Менделеев

Проблема питания — одна из самых острых, которые стояли и стоят перед человечеством. Среднесуточное потребление белка — главнейшего компонента пищи — в различных странах колеблется от 50 до 100 г на душу населения. Всего на земном шаре живут около 7 млрд человек. Простое арифметическое действие — умножение — дает астрономическую цифру ежедневной потребности в белке. Уже сейчас 400 млн людей голодает, дефицит белка в мире составляет миллионы тонн и продолжает расти.

Синтез белка растениями находится в зависимости от погодных условий и качества посевных площадей. Можно, конечно, их увеличить и добиться повышения урожайности для повышения сборов растительного белка. Однако в настоящее время лучшие почвы в основном уже освоены, и расширение пахотных земель если еще и возможно, то лишь за счет освоения менее плодородных почв, где урожаи будут значительно ниже. Все это говорит о том, что даже само по себе увеличение посевных площадей в настоящее время не приведет к решению проблемы питания. Необходимо использовать новые подходы.

С детства мы знаем легенды, герои которых удивительным образом справляются с этой задачей. Все, наверное, помнят сказку братьев Гримм о волшебном горшочке. Девочке из бедной семье его подарила старушка, которую она повстречала в лесу. Стоило только сказать: «Раз, два, три, горшочек, вари», как он начинал варить вкусную сладкую кашу. Или не менее удивительный вариант, описанный в Евангелии: «…Он взял пять хлебов и две рыбы, воззрев на небо, благословил и преломил хлебы, и дал ученикам Своим, чтобы они роздали им…. И ели все и насытились… Было же евших хлебы около пяти тысяч мужей». Не правда ли, чудо? Но ведь мы привыкли к тому, что в наше время сбываются самые невероятные мечты наших предков. Оказалось, что и евангельское «чудо» с пятью хлебами не так уж невозможно. Для этого нужно использовать синтетические способности микроорганизмов — биологических объектов с наиболее интенсивным уровнем обменных процессов.

Действительно, 5 кг дрожжевых клеток, размножаясь, дают в течение суток биомассу, равную среднему весу двух коров. Ею уже можно накормить несколько тысяч человек, особенно если учесть, что примерно половину веса дрожжевых клеток составляет белок. Вот вам и пять хлебов, которыми Христос накормил пять тысяч мужей. Элементарные расчеты показывают, что такое «чудо» вполне возможно. Нужно только найти микроорганизм, способный вести интенсивный синтез белка, снабдить его исходным сырьем, создать необходимые условия для роста — и проблема будет решена.

Промышленное производство белка с помощью микроорганизмов не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий и позволяет получать продукцию стандартного качества. Однако здесь есть свои трудности: это проблема и сырья, и высокого содержания в получаемом продукте наряду с белками нежелательных нуклеиновых кислот. Однако и эти проблемы успешно решаются или уже решены. Показано, что прием в пищу 20–30 г дрожжей, что соответствует приему 2 г нуклеиновых кислот, не оказывает вредного воздействия на человеческий организм. Кроме того, содержание нуклеиновых кислот в биомассе дрожжей может быть значительно снижено за счет специальной обработки. Что касается сырья, то и эта проблема частично решена, так как выращивание дрожжей может проводиться на питательных средах, содержащих этиловый или метиловый спирты, а также газ и другое углеводородное сырье.

Человечество узнало об этиловом спирте тысячи лет тому назад. Фрукты или фруктовые соки, содержащие углеводы, превращались попавшими из воздуха микроорганизмами в этиловый спирт. Такой процесс называется брожением, и он был известен еще нашим далеким предкам, которым, очевидно, понравились перебродивший сок и его последующее действие. С тех пор производство спирта возросло до миллионов тонн, но, конечно, не весь он идет на производство веселящих напитков. Спирт — важное сырье для химической промышленности, и ее потребности до недавнего времени определяли масштабы его производства. В последние годы к уже известным потребителям спирта прибавился еще один — микроорганизмы. При этом имеет место следующая взаимосвязь, изображенная на схеме:

Одни микроорганизмы превращают углеводы растительного происхождения, образующиеся в результате фотосинтеза, в спирт, а другие используют его для получения белка. Исходное сырье — углеводы — может быть получено почти в неограниченных количествах в районах, в которых производство растительного сырья не представляет проблем, например в тропиках. Процессы, представленные на этой схеме, позволяют использовать даровую солнечную энергию для биосинтеза белка. Наверное, следует более подробно остановиться на проблеме микробного белка и причинах, вызвавших к нему значительный интерес. Дело в том, что хотя растительные корма и содержат достаточное количество белка, его качество не может удовлетворить пищевые потребности человека из-за отсутствия в нем некоторых «незаменимых» аминокислот. Так, белки пшеницы бедны лизином, белки гороха — метионином, а белки кукурузы — триптофаном. Нехватка этих аминокислот в пище может быть восполнена добавлением белков микробного происхождения, что даст возможность обеспечить полноценным питанием человека и животных.

Не следует думать, что использование микробного белка превратит человека в поедателя дрожжей. Существует множество пищевых производств, нуждающихся в белковых добавках: это и хлебопечение, и животноводство, и рыбоводство.

И все же, несмотря на впечатляющие успехи микробиологического синтеза, основным поставщиком пищи является сельское хозяйство, объем продукции которого достиг 5 млрд тонн. В связи с ростом народонаселения к 2025 г. этот показатель должен быть увеличен на 50 %.

Предыдущее значительное повышение урожайности зерновых и риса — так называемая «зеленая революция» — было достигнуто за счет распространения высокоурожайных короткостебельных сортов пшеницы и риса. Признак короткостебельности контролируется генетически и легко передается при гибридизации, что в значительной степени облегчает селекцию новых высокоурожайных сортов. «Зеленая революция» сняла висящий над многими странами дамоклов меч голода и помогла накормить азиатские страны, численность населения которых за последние 40 лет увеличилась вдвое (с 1,6 до 3,5 млрд человек).

Норман Борлоуг — отец «зеленой революции» — понимал ее не только как использование новых высокоурожайных сортов, но и как начало новой эры развития сельского хозяйства, основанной на широком внедрении новейших достижений науки в практику сельского хозяйства.

И действительно, если во времена «зеленой революции» селекция проводилась по одному признаку — короткостебельности, то сейчас генетическая инженерия растений может отбирать и вводить в них отдельные гены, ответственные за устойчивость к недостатку или избытку влаги, насекомым-вредителям, гербицидам, а также к жаре или холоду. Можно создавать растения, способные снабжать себя азотными удобрениями, как это делают азотофиксирующие микроорганизмы, или содержащие питательные вещества в заданных пропорциях.

Таким образом, успехи микробиологии и генетической инженерии растений могут сыграть роль тех «пяти хлебов», которыми можно досыта накормить все человечество.

Глава 10

Микробы-криминалисты

— Да скажите же нам, наконец, что это за муха? — воскликнул Дик Сэнд.

— Эта муха, — ответил энтомолог, — эта милая мушка, которую я держу в руке, называется цеце. Этой мухой до сих пор по праву гордился только один континент. Ни один ученый не находил еще цеце в Америке.

Жюль Верн

С тех пор как кузен Бенедикт, ученый-энтомолог, помог Дику Сэнду определить, в какую часть света их заманил негодяй Негоро, казалось бы, отпала необходимость в определении таким методом своего местоположения.

Тем не менее бывают случаи, когда требуется в криминалистических или каких-либо других целях определить, из какой местности получены те или иные образцы почв, семян, плодов и т. п. И здесь на помощь приходят не насекомые, а микробы. Ведь микроорганизмы есть всюду. Невозможно найти предмет, если, конечно, это не специально подготовленный для операции стерильный хирургический инструмент, на котором не было бы микроорганизмов.

Покрывая все окружающие предметы, они как бы маркируют их. Заинтересованному исследователю остается лишь расшифровать эту маркировку и уже по ней без особого труда определить происхождение исследуемых объектов, учитывая, что в определенных географических зонах обитают определенные микроорганизмы.

Когда рассказывают об использовании науки в разоблачении различных преступлений, то очень часто приводят пример, как американский физик Роберт Вуд «вывел на чистую воду» хозяйку пансионата, которая кормила своих постояльцев завтраками, приготовленными из остатков вчерашней еды. Подсыпав немного хлористого лития к остаткам обеденной трапезы, Роберт Вуд на следующее утро обнаружил красную спектральную линию лития в сожженных перед щелью спектроскопа образцах завтрака. Порок был наказан, а история обогатилась еще одним примером торжества науки.

Между тем в ее истории есть и менее известные примеры, иллюстрирующие аналитические возможности микробиологии. Мы уже говорили, что она многим обязана Пастеру. Именно он впервые использовал микроорганизмы в качестве тест-объектов. Изучая болезни вина, Пастер научился, не пробуя его, определять вкусовые качества напитка. Для этого он помещал под микроскоп капельку вина и тут же давал абсолютно точный ответ, горчит оно или, наоборот, отдает уксусом, изумляя не только неискушенных в научных экспериментах крестьян-виноделов, но и ученых, своих современников. На наш взгляд, этот пример должен пользоваться не меньшей популярностью, чем история с Робертом Вудом.

Микроорганизмы могут оказывать порой неоценимую помощь в таком старом методе идентификации людей (и преступников!), как дактилоскопия. Она основана на сравнении отпечатков пальцев с оригиналом, хранящимся в базе данных. Однако в некоторых случаях они видны не столь отчетливо, как хотелось бы криминалистам. Несмотря на отсутствие видимых отпечатков, на поверхности предметов почти всегда остаются невидимые для человеческого глаза химические вещества. Они выделяются с потом и повторяют контуры отпечатков пальцев. Если эту загрязненную поверхность засеять микроорганизмами, то, разрастаясь только на этих выделениях, они сделают невидимые следы видимыми. Таким образом, микроорганизмы как бы проявляют негативы отпечатков пальцев и делают их доступными для следствия.

А вот еще один из многочисленных примеров, когда микроорганизмы выступают в роли Шерлока Холмса.

В связи с участившимися попытками фальсификации апельсинового сока и замены его более дешевыми продуктами фирмы, ответственные за качество поступающих в продажу напитков, изыскивают различные способы разоблачения мошенников. Так, разработан способ контроля, основанный на определении содержания аминокислот в испытуемых образцах. Однако для еще большей надежности рекомендуется проводить и микробиологический анализ, поскольку установлено, что в натуральном апельсиновом соке содержится неповторимая комбинация микроорганизмов.

Создание же синтетической среды, на которой может расти такая же микрофлора, требует преодоления таких трудностей, что проще и дешевле не обманывать покупателя и продавать ему настоящий апельсиновый сок, а не суррогат! Таким образом, микроорганизмы выступают еще в одной роли — роли инспекторов, и уж они-то неподкупны и не подвержены другим человеческим слабостям!

Краткий экскурс, который мы предприняли, казалось бы, в совершенно различные области человеческой деятельности, показывает, что микроорганизмы принимают то или иное участие практически во всех процессах. Значительно труднее найти примеры, в которых не просматривалось бы участие поистине вездесущих микроорганизмов.

Кто же эти таинственные и невидимые невооруженным глазом существа, без которых было бы трудно или даже невозможно жить? Описанию этих таинственных невидимок и посвящены следующие главы этой книги.

Глава 11

От Левенгука до электронного микроскопа

Коль много микроскоп

Нам тайностей открыл…

М. В. Ломоносов

К концу XVII в. в биологии сложилась довольно гармоничная картина природы, согласно которой весь живой мир делился на два царства: растений и животных. Основные их представители были давно открыты и описаны, и казалось, что ничего существенно нового уже не может быть открыто.

Но в 70-х гг. XVII в. в Лондонское королевское общество стали поступать письма от некоего Антони ван Левенгука, суконщика из голландского города Делфт, в которых были описаны удивительные существа, обнаруженные им с помощью самодельного микроскопа.

Он отнюдь не был похож на современный и состоял всего лишь из одной линзы, дающей увеличение до 300 раз. В ее фокусе закреплялся один объект, который казался Левенгуку интересным. Таким образом, объект наблюдения и микроскоп составляли уникальное единство, и для каждого нового объекта Левенгук создавал новый прибор. Подтверждением этому служит название его книги «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов». (Обратите внимание на множественное число в конце названия книги.) Несмотря на то что Левенгук изготовил огромное количество микроскопов (451!), ни с одним из них он ни за что не хотел расставаться и на все попытки купить у него микроскоп отвечал решительным отказом. Исключение было сделано только для Петра I, которому Левенгук подарил микроскоп, когда царь посещал его лабораторию. По-видимому, российский монарх был первым из русских и первым из всех монархов, которому открылся мир микробов.

Рассматривая через линзу микроскопа различные объекты, Левенгук увидел множество мельчайших живых существ, как он их назвал, «зверюшек», доселе никому не известных и ни разу не описанных. Он находил их везде, даже в капле воды из канавы. Эти «зверюшки» теперь известны как простейшие. В 1683 г. Левенгук обнаружил живые организмы еще меньше них. По-видимому, ему удалось впервые в истории человечества наблюдать бактерии.

Свои наблюдения Левенгук описал в 112 письмах, адресованных Лондонскому королевскому обществу. Оригинальность и тщательность описаний привлекли к ним внимание, и они были изданы отдельной книжкой под названием «Тайны природы».

Эти письма и по сей день хранятся в архивах Лондонского королевского общества, и один дотошный английский журналист обнаружил, что к трем из них до сих пор прикреплены пакетики с препаратами, собственноручно изготовленными Левенгуком. Они были исследованы современными методами, и оказалось, что препараты выполнены с большим искусством, хотя приборов для изготовления срезов (микротомов) у Левенгука не было, и пользовался он обыкновенной опасной бритвой.

Можно с уверенностью утверждать, что фундаментальные наблюдения Левенгука заложили основы микробиологии и послужили началом ее описательного, или морфологического периода. Итак, если Пастера называют отцом микробиологии, то Левенгука по праву можно считать ее дедушкой.

По сути, он открыл третье царство — царство микробов. Но едва ли он сам или его современники были в состоянии оценить значение этого открытия. Со времен Левенгука прошло три столетия. Но даже сейчас, после десятилетий бурного развития микробиологии, нельзя сказать, что все виды микроорганизмов уже открыты и остается лишь тщательно изучить уже известные формы. Совсем наоборот. По мере появления новых методов наблюдения и новых специализированных сред для выращивания микроорганизмов удается выделить формы, поражающие воображение даже видавших виды микробиологов.

Тут и клетки треугольной и звездчатой формы, и ползающие многоклеточные бактерии… А сообщения об открытии все новых и новых форм и видов продолжают поступать.

Теперь настало время остановиться на существе современных методов обнаружения микробов.

Устройство человеческого глаза не позволяет различать предметы, величина которых меньше одной десятой миллиметра. Микроорганизмы значительно мельче, и как бы мы ни напрягали свое зрение, нам никогда не увидеть их невооруженным глазом. Тем не менее все же существуют визуальные методы наблюдения микроорганизмов, правда, не отдельно взятых, а их скоплений. Интенсивно размножаясь и достигая больших концентраций в единице объема, микроорганизмы становятся видимыми и невооруженным глазом. Так, прозрачный бульон становится мутным, когда количество развившихся в нем клеток достигает одного-двух миллиардов в одном кубическом сантиметре. На измерении мутности основан один из методов количественной оценки микроорганизмов — нефелометрический.

Известен другой метод, применяющийся для количественного определения микроорганизмов и тоже основанный на визуальном определении не единичных клеток, а их скоплений, так называемых колоний, — метод предельных разведений. Небольшой объем исследуемой жидкости или суспензии равномерно распределяется по поверхности плотной агаризованной питательной среды. В тех местах поверхности, куда попали клетки микроорганизмов, через некоторое время образуются крупные или мелкие колонии. Обычно используют несколько различных концентраций (разведений) исследуемой жидкости, что позволяет получить достоверные данные о содержании микроорганизмов в исследуемом образце.

Возможно, конечно, и прямое микроскопирование. Однако смотровое поле микроскопа настолько мало, что для получения достоверных данных необходимо просмотреть большое число полей, что требует больших затрат квалифицированного труда. Этот процесс можно автоматизировать, используя электронно-лучевую трубку. Если электронный луч направить на смотровое поле, то, двигаясь по нему, он будет отражаться от клеток. Можно учесть число отражений и даже создать прибор, состоящий из электронно-лучевой трубки и счетчика. Однако у этой системы есть существенный недостаток: электронный луч, отражаясь одинаково от мертвой и от живой клетки, дает явно завышенную численность живых микроорганизмов. Более того, при наличии показаний в исследуемом образце в действительности может вообще не быть жизнеспособных клеток.

Наилучшие результаты, конечно, можно получить, используя совокупность методов, а также тщательно анализируя и сравнивая результаты, полученные различными способами.

Вот почему необходима разработка инструментальных методов микробиологического анализа, не только приспособленных к микроскопическим размерам исследуемых объектов, но и позволяющих отличать живые микроорганизмы от мертвых. В создании таких методов имеются значительные успехи.

Для обнаружения микроорганизмов, помимо обычных микробиологических способов, используются физические и химические. Г. Соли запатентовал в США оригинальный способ, основанный на способности живых микроорганизмов синтезировать фермент каталазу. Исследуемую жидкость вводят в раствор, содержащий перекись водорода и вещество, хемолюминесценция которого активируется перекисью водорода. Уменьшение интенсивности хемолюминесценции в растворе по сравнению с контролем показывает на присутствие в пробе живых клеток, каталаза которых разлагает перекись водорода и тем самым уменьшает интенсивность хемолюминесценции.

Другой физический метод обнаружения живых бактерий и дифференциации их от погибших микроорганизмов и инертных тел микроскопического размера разработан Дж. Воудом и М. Бенсоном. Проводящую электрическую жидкость пропускают через маленькое отверстие в диэлектрике. При этом живые бактерии вызывают мгновенные резкие изменения (скачки) сопротивления. Подсчет возникающих скачков с помощью электронно-счетного устройства и корреляция полученных данных со скоростью тока жидкости позволяют с большой точностью определить концентрацию живых бактерий в известном объеме жидкости. Современные приборы для обнаружения микроорганизмов способны найти одну клетку в 1 мл исследуемой жидкости. И это, наверное, не предел. Если с помощью микроскопа Левенгука, состоящего из одной линзы и дающего увеличение всего в 300 раз, удалось открыть целый мир бактерий, то какие же огромные возможности предоставляет пытливому исследователю микробиология XXI в., оснащенная целым арсеналом современных средств наблюдения!

Глава 12

Распространенность микроорганизмов

Нас — тьмы, и тьмы, и тьмы.

А. Блок

Микроорганизмы — всюду. В воздухе, в воде, в почве — и везде их великое множество. Достаточно сказать, что только в одном кубическом сантиметре ризосферы (это часть почвы, непосредственно прилегающая к корневой системе растения) их число достигает нескольких миллионов. Но это, скажете вы, в почве, которая является уникальным аккумулятором таких жизненно важных факторов, как тепло, вода и воздух. А в других сферах? Прежде всего следует отметить, что нет такой сферы, в которой бы не были обнаружены микроорганизмы. Даже в останках палеонтологических животных (мамонта, пещерного медведя) и неандертальцев найдены ДНК микроорганизмов, которые размножались на их трупах.

В воде океанов бактерий не меньше, чем на суше: их количество в одном кубическом сантиметре достигает миллиона, а число видов доходит до 1500! Проведенное в 2006 г. в рамках проекта «Перепись морской жизни» исследование генетического материала в образцах воды из океана показало: в гидросфере Земли обитает значительно больше видов микроорганизмов, чем считалось раньше. Предполагаемое число различных видов бактерий, живущих в океане, оценивалось в 5 млн. Теперь оно оценивается в 10 млн. Они распространены во всех слоях океана, от поверхности до самого дна. Свободно плавающие виды бактерий располагаются в приповерхностной зоне. Больше всего микроорганизмов у дна, где они выполняют роль «санитаров».

С помощью специально сконструированной буровой установки жизнеспособные бактерии были обнаружены в материковых льдах Антарктиды на глубине 427 метров. В Гренландии в пробах льда, извлеченных с трехкилометровой глубины, были найдены сверх-микроскопические бактерии, возраст которых заведомо превышает сто тысячелетий.

В пробах воздуха, взятых с помощью ракет вертикального взлета, на высоте в 74 километра были обнаружены четыре вида грибков и два вида бактерий.

Многие микроорганизмы хорошо переносят большое давление, повышенные концентрации солей, сахаров и даже высокий уровень радиации! Микроорганизмы — чемпионы по способности выдерживать повышенную гравитацию. При величине ускорения в 400 000 g они не теряют способности к размножению.

До недавнего времени считалось, что микроорганизмы могут жить либо на поверхности твердых тел, либо будучи погруженными в жидкость; в газовой среде они могут находиться только во взвешенном состоянии, паря там, как пылинки, которые мы видим в воздухе, но не способны осуществлять все жизненные функции. Однако в результате работ Р. Диммика было показано, что бактерия Serratia marcescens осуществляла полный жизненный цикл, находясь во взвешенном состоянии в газовой среде.

Все описанные сферы обитания микробов существуют миллионы лет, и неудивительно, что микроорганизмы смогли приспособиться к жизни в столь разнообразных условиях. Это произошло не только потому, что бактерии — самая древняя форма жизни на Земле, но и потому, что продолжительность существования одного поколения микроорганизмов несравнимо меньше, чем у всех других. Таким образом, в природе прошло обкатку временем и изменяющимися условиями среды значительно большее число поколений микроорганизмов, и, естественно, их эволюционная «шлифовка» была проведена более тщательно. Микроорганизмы не только могут приспосабливаться к условиям внешней среды, но и в некоторых случаях способны их изменять подобно человеку, который влияет на окружающую природу в соответствии со своими желаниями. Например, микроорганизмы подкисляют или нейтрализуют среду, если она не удовлетворяет требуемым для данного вида условиям. Другой пример — некоторые микроорганизмы поддерживают температуру в определенных пределах (это явление получило название аутотермостатирования и было открыто в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН).

Благодаря своим поразительным адаптационным способностям микроорганизмы приспосабливаются и к экстремальным условиям существования. Так, они не гибнут даже в условиях глубокого вакуума и при сверхнизких температурах. Микробы способны выдержать пребывание в камере при давлении 10^-9 мм ртутного столба с температурой 40–160 °C ниже нуля в течение 500 часов! Более того, их можно обнаружить в охлаждающих контурах атомных реакторов, при невиданных в природе уровнях радиации в 500 и более рентген в час! Так, например, бактерия Deinococcus radiodurans существует при уровне радиации, в тысячу раз превышающей смертельную дозу для человека.

Бактерии по способности противостоять высоким температурам, давлению и радиоактивному излучению оставляют далеко позади себя остальные формы жизни. В 2003 г. обнаружены микроорганизмы, способные в течение 10 часов выдерживать температуру в 121 °C, при которой все известные до сих пор микроорганизмы погибают.

Гидростатическое давление в самых глубинных точках Мирового океана составляет 1100 атмосфер (глубина Марианской впадины). Но даже на этой глубине при таком огромном давлении обнаружены представители мира микробов. Но и это не предел. Имеются сообщения о способности некоторых бактерий выдерживать давление в 3000 атмосфер в течение нескольких часов без потери жизнеспособности.

Еще более удивительным местом обитания микроорганизмов являются «черные курильщики». Это места на дне океана, где раскаленная лава разогревает морскую воду до 500–800 °C. И в этой, насыщенной соединениями металлов и серы, перегретой воде под большим давлением тоже живут микроорганизмы.

И, наконец, совсем свежие новости об их местообитании. В мае 2008 г. в кернах, полученных при глубоководном бурении горных пород, лежащих под дном Атлантического океана (глубина 1626 метров под морским дном!) были обнаружены представители родов Pyrococcus и Thermococcus. Это рекордная глубина, на которой обнаружены живые микроорганизмы.

Как видно из приведенных примеров, микроорганизмы могут существовать в очень широком диапазоне физических параметров окружающей среды (температура, давление, вакуум, влажность, повышенная радиация). Не менее важным для распространенности микроорганизмов является их способность существовать при различных значениях pH от кислого до щелочного. Так, Tiobacilus concretivorans может жить и развиваться в среде, содержащей серную кислоту в концентрации, при которой она растворяет металлы.

Но даже тогда, когда физико-химические параметры среды обитания выходят за пределы физиологических возможностей, у микроорганизмов есть дополнительный ресурс по сохранению своей жизнеспособности в этих сверхэкстремальных условиях.

В подобных случаях некоторые бактерии замедляют свой метаболизм или полностью его приостанавливают и в таком покоящемся состоянии в виде спор или цист могут находиться десятки, а то и сотни лет в ожидании благоприятных условий для роста. Есть примеры возвращения к жизни микроорганизмов после 118 и 166 лет. Более того, бактерии, выделенные из стотысячелетнего антарктического льда, помещенные в теплую питательную среду, оживали и демонстрировали способность к росту.

Еще более удивительным является рост микроорганизмов в различных гелях. Заключенные в проницаемую для питательных веществ оболочку из различного рода полимеров, микроорганизмы растут и развиваются настолько интенсивно, что их активность может быть использована для проведения некоторых биохимических превращений веществ.

Этот краткий обзор сфер обитания микроорганизмов был бы неполным, если бы мы не упомянули еще об одной сфере их обитания — внутренней среде других живых организмов. И здесь они могут выступать в двух ролях. С одной стороны, это паразитирующие микроорганизмы, а с другой — микроорганизмы-симбионты, выполняющие полезные функции. Так, огромный объем работы по переработке растительной пищи в желудке жвачных животных проводят микробы, и, пожалуй, корову без большого преувеличения можно было бы назвать ходячим ферментером по переработке целлюлозы.

Множество бактерий вступает в симбиотические отношения с растениями. Некоторые из них, поселяясь на корнях бобовых, помогают им усваивать азот из воздуха. На один грамм сухого веса корней приходится до 10 миллиардов бактерий-азотфиксаторов. Даже во внутренних органах человека обитает огромное количество бактерий. Так, в кишечнике только число видов микроорганизмов достигает 5600! Это в 10 раз больше чем считалось раньше, до ноября 2008 г.! Микроорганизмы воистину вездесущи!

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.