Популярно о микробиологии Бухар Михаил

Особенно большое их количество находится в желудочно-кишечном тракте. В толстом кишечнике они составляют 30 % сухой массы его содержимого. Микроорганизмы колонизируют наше тело с момента рождения и уже не покидают его никогда. С первым вздохом и первым глотком материнского молока в человеческую экосистему попадают миллионы бактерий. В процессе длительной совместной эволюции микроорганизмы и люди выработали сложнейшие стратегии, позволяющие им сосуществовать. Следует отметить, что микроорганизмы-симбионты содержат около 60 000 генов, что примерно вдвое больше, чем число генов в геноме человека. Именно этот факт обеспечивает дополнительные метаболические возможности нашему организму, о которых будет сказано ниже.

Общее число микроорганизмов-симбионтов достигает 100 трлн (10¹⁴), общее же число клеток, составляющих наше тело, на порядок меньше — 10 трлн (10¹³). Общий вес микробов примерно соответствует весу среднего размера железы внутренней секреции человека.

Несомненно, эти миллиарды бактерий оказывают огромное влияние на биохимию и физиологию нашего организма, выполняя зачастую стратегически важные функции обмена веществ. Они, микроорганизмы, помогают переваривать пищу (особенно растительные полисахариды), участвуют в синтезе аминокислот (особенно незаменимых) и являются единственным источником некоторых витаминов (в частности, витамина K и витамина B₁₂). Они перерабатывают холестерин и жирные кислоты, образуя необходимые для нас стероидные гормоны.

В свою очередь организм человека предоставляет микроорганизмам все необходимые для их роста и развития условия: сбалансированные питательные среды, идеальные условия температуры и влажности. Более того, в последнее время по-новому рассматривается роль аппендикса в организме человека. Есть предположение, что именно в аппендиксе, как в убежище, микроорганизмы могут укрыться от неблагоприятных условий, наступающих при некоторых заболеваниях или при интенсивной антимикробной терапии, а затем вновь колонизируют пищевой тракт, восстанавливая столь необходимую микрофлору. Но мы не только предоставляем микроорганизмам «и стол, и дом», но и активно помогаем их распространению на большие расстояния. Так, чихая, мы разбрасываем вокруг себя около десяти миллионов микробов на расстояние от трех до пяти метров. Это огромный путь по сравнению с размерами микроорганизмов!

Вообще, следует заметить, что им свойственна способность к симбиозу. Они сосуществуют с насекомыми, растениями, грибами, мхами и даже, как мы видели, с человеком. Когда мы говорим о микроорганизмах-симбионтах, то умышленно исключаем патогенные микроорганизмы, заражение которыми вызывает серьезнейшие заболевания. Из этого не следует, что такие микробы в небольших количествах не присутствуют в теле любого из нас. Так, во рту у здорового человека можно найти стафилококки, стрептококки и другие патогенные бактерии. Однако его иммунная система справляется с ними, и он не заболевает. Более того, наличие этих патогенных микроорганизмов как бы служит для тренировки иммунной системы, поддерживая ее в рабочем состоянии. Отсутствие такого рода «тренировок», вызванное чрезмерным стремлением к чистоте, в развитых странах увеличило число заболеваний астмой, аллергией и ревматическим артритом. Только в США различными формами аллергии страдают около 50 млн человек.

Заканчивая это краткое описание симбиотических аспектов сосуществования человека и микроорганизмов, следует отметить, что дальнейшее изучение микробиологической составляющей суперорганизма, как можно назвать человеческий организм, может открыть новые пути регуляции его метаболизма и выявить много новых подходов в лечении и предотвращении заболеваний. В подтверждение важности изучения симбиоза следует привести слова И. Мечникова: «Многочисленные разнообразные ассоциации микроорганизмов, населяющие пищеварительный тракт человека, в значительной степени определяют духовное и физическое здоровье человека».

Глава 14

Шахматы и микробиология

— Шахматы! — говорил Остап. — Знаете ли вы, что такое шахматы? Они двигают вперед не только культуру, но и экономику!
И. Ильф, Е. Петров

Шахматы, как известно, изобрели в Индии, и многие, вероятно, слышали легенду о том, какую награду попросил изобретатель у индийского царя. Сначала его просьба показалась властителю более чем скромной. И действительно, в награду за изобретение столь увлекательной игры он попросил не золото, не драгоценные камни, а всего лишь пшеничные зерна. Но когда подсчитали их количество, которое нужно было отдать изобретателю (а он попросил, чтобы на первую клетку шахматной доски положили два зернышка, а на каждую следующую — в два раза больше, чем лежит на предыдущей, и т. д.), получилась фантастическая цифра — 2⁶⁴, или 18 446 744 073 709 551 616 зерен, что составляет примерно 600 млрд тонн. О том, как завершился разговор изобретателя с царем, легенда умалчивает. Можно только гадать, казнил ли он незадачливого изобретателя, узнав о поистине астрономической величине награды, либо только прогнал его, оставив без вознаграждения: владыки не любят расписываться в собственной несостоятельности. И в самом деле, было отчего разгневаться: 600 млрд тонн!!! Ведь даже в наше время, если бы благодарное человечество решило удовлетворить просьбу изобретателя шахмат, то оно должно было бы отдать ему более 300 годовых урожаев нашей планеты.

Но при чем тут микробы? А вот причем. Способность микроорганизмов к размножению феноменальна. Каждые 20 минут их количество удваивается, т. е. за 20 часов оно увеличивается в 2⁶⁰ раза. Получается то же фантастическое число, что и количество зерен, которое запросил изобретатель шахмат. Так что, будь индийский царь немного знаком с основами микробиологии, он бы мог вполне корректно отблагодарить изобретателя шахмат, не бросив и тени на свою репутацию владыки. Нужно было лишь дать ему несколько микробов и пропись среды, на которой они могут развиваться, и эти микроорганизмы обеспечили бы изобретателя затребованной наградой в довольно короткий срок. Правда, пришлось бы создать условия для беспрепятственного роста микроорганизмов, но не царское дело — вникать в такие детали: это задача для микробиолога.

Учитывая огромную скорость размножения микробов и их относительную неприхотливость к питательным веществам, остается только удивляться, как до сих пор они не вытеснили всех других представителей флоры и фауны. Что же все-таки сдерживает их развитие? Прежде всего, нельзя забывать, что количество питательных веществ ограниченно. Кроме того, рост микроорганизмов тормозится продуктами обмена веществ, вызывающими самоотравление. В природной среде трудно обойти эти факторы. Но в условиях эксперимента можно обеспечить постоянный приток свежих питательных веществ и отток продуктов метаболизма, и тогда микроорганизмы смогут размножаться достаточно долго, оставаясь на стадии экспоненциального роста. Кстати, о стадиях развития микроорганизмов.

Помните загадку Сфинкса, которую тот задал Эдипу: «Скажи мне, кто ходит утром на четырех ногах, днем — на двух, а вечером — на трех?»

Ответ на эту загадку Сфинкса олицетворяет не только развитие человека, но и всего живого. В равной степени она относится и к развитию микроорганизмов. Однако в отличие от человека они в своем развитии проходят несколько большее число фаз. Так, различают лаг-фазу — период приспособления к среде; экспоненциальную фазу с высокой степенью увеличения числа клеток, когда их количество возрастает в геометрической прогрессии; фазу замедленного роста, во время которой скорость роста микроорганизмов уменьшается и их количество уже не возрастает, а остается на одном уровне; и, наконец, пятая стадия — фаза отмирания, когда количество клеток уменьшается.

Все эти фазы плавно переходят одна в другую, и четко установить границу между ними бывает достаточно трудно. Можно только утверждать, что в той или иной фазе развития находится достаточно большой процент клеточной популяции.

Каждая из фаз имеет определенную продолжительность, не одинаковую у различных культур, при этом любая из них, находясь в конкретной фазе развития, обладает неповторимыми особенностями, тщательное изучение которых представляет огромный интерес для микробиологов. Конечно, наибольшее внимание привлекает фаза, в которой происходит интенсивное увеличение числа клеток.

Однако как поддержать клеточную популяцию в этом нужном состоянии постоянной молодости? И здесь на помощь микробиологам приходит уже упомянутый метод непрерывного культивирования. На чем он основан, или в чем секрет вечной молодости микроорганизмов?

Метод заключается в том, что в ростовую среду постоянно вводятся свежие питательные вещества и выводится соответствующее количество микробных клеток и продуктов метаболизма. При хорошей согласованности этих двух потоков система находится в состоянии динамического равновесия, и непрерывное выращивание микроорганизмов может продолжаться достаточно долго, хотя не бесконечно, так как в конце концов начинают действовать и другие факторы, например вырождение культуры и т. п.

И тем не менее благодаря этому методу можно получать микробный белок, близкий по составу к белку пшеницы. Этот путь ведет не только к удовлетворению запросов легендарного изобретателя шахмат, но и к решению продовольственной проблемы для человечества в целом.

Глава 15

Всеядные

Робин Бобин Барабек

Скушал сорок человек,

И корову, и быка,

И кривого мясника,

И телегу, и дугу,

И метлу, и кочергу.

Скушал башню,

Скушал дом

И кузницу с кузнецом…
К. Чуковский

Обычно под всеядностью подразумевают способность организма употреблять в пищу все окружающие его съедобные (и несъедобные!) вещества. В этом смысле каждый микроорганизм в отдельности отнюдь не является всеядным. Напротив, большинство микроорганизмов очень «привередливы» и употребляют в пищу довольно ограниченный набор питательных веществ, причем меню каждого микроба, как правило, сильно отличается от меню всех прочих микроорганизмов. В конце концов, как принято говорить, о вкусах не спорят. И именно на этом свойстве микроорганизмов — разнице во «вкусах» — основан наиболее употребляемый метод их идентификации. Перефразируя известную поговорку «Скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты», микробиологи с полным основанием могут заявить, обращаясь к неизвестному микробу: «Скажи мне, что ты ешь, и я скажу, кто ты!»

Правда, здесь следует оговориться. Привередливость иных микроорганизмов исчезает вместе с исчезновением их излюбленного блюда. И тогда они хотя и не становятся всеядными, но, во всяком случае, пытаются приспособиться и к другой пище, которую раньше не использовали в своем рационе. Это умение приспосабливаться к изменяющимся условиям питания определяет живучесть микроорганизмов. И такая их способность создала в последние десятилетия целую проблему. Дело не только в том, что затрудняется идентификация микроорганизмов, но и в том, что некоторые болезнетворные микробы сумели приспособиться к антибиотикам, созданным против них, поэтому врачи вынуждены постоянно разрабатывать новые препараты, к которым данный микроб еще не приспособился, т. е. не адаптировался.

Но вернемся к названию этой главы. Когда говорят о всеядности микроорганизмов, то имеют в виду не каждый из них в отдельности, а все царство микроорганизмов в целом. И в этом смысле микроорганизмы действительно всеядны. Благодаря этому свойству их можно обнаружить на всех окружающих нас веществах и предметах, иными словами, всеядность микроорганизмов объясняет их повсеместную распространенность, о которой мы уже говорили в главе 12.

Хлеб, молоко, мясо, овощи, или, выражаясь языком органической химии, белки, жиры и углеводы — весь этот спектр всеядности животных и человека характерен и для микроорганизмов. При более детальном анализе пищевых возможностей микроорганизмов открывается поистине удивительная картина. Оказывается, многие из них могут использовать в качестве пищевых субстратов вещества, не относящиеся к перечисленным выше трем классам органических соединений, олицетворяющим пищу как таковую. Некоторые микроорганизмы способны потреблять такие инертные в химическом отношении вещества, как парафины, выделенные из нефти. Другие «питаются» даже веществами, обладающими бактерицидными свойствами, в частности фенолами. Вообще, мы не ошибемся, если все вещества, перечисленные в оглавлении толстого учебника органической химии, отнесем к пищевым субстратам микроорганизмов. При этом помимо простых веществ они способны использовать для своих пищевых потребностей и сложные. Разложение биополимеров проводится не одним микробом, а целым комплексом микроорганизмов, работающих как бы «в единой бригаде» и по «единому наряду». Так, сложный полимер хитин одни микроорганизмы расщепляют до мономеров, из большого количества которых он состоит, а другие способствуют дальнейшему разложению образовавшихся мономеров.

В настоящее время в мире насчитывается около 2,5 млн органических и неорганических соединений, и большая часть этих веществ — отнюдь не естественного происхождения. Более того, ежедневно поступают сведения о появлении все новых веществ и материалов, синтезированных в химических лабораториях всего мира. Причем надо сказать, что современные химики синтезируют вещества не только для удовлетворения собственного тщеславия, а выполняя «социальный заказ» тех или иных отраслей промышленности и экономики. Некоторые из этих вновь синтезированных веществ выпускаются миллионами тонн!

И если до сих пор, несмотря на астрономические цифры производства новых веществ, наша планета еще не превратилась в бесполезный склад однажды использованных и навсегда исключенных из круговорота веществ, то основная заслуга в этом всеядных микроорганизмов.

Спектр их всеядности охватывает, как выяснилось, не только органические вещества, но и неорганические. Есть микроорганизмы, способные использовать в качестве пищи аммиак, нитриты, сероводород, железо, водород.

Однако у читателя есть все основания удивиться: как же можно железо, а тем более аммиак или сероводород считать пищей? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно прежде всего задаться другим: что же такое пища вообще, и для чего она нужна любому живому организму? Пища должна снабжать организм строительными материалами для построения тела и энергией для осуществления всевозможных жизненных отправлений, будь то синтез различных веществ и структур, движение или размножение. Большинство микроорганизмов, подобно животным и человеку, получают углерод для построения своих тканей и энергию из готовых органических соединений. Это так называемый гетеротрофный тип питания. Существуют микроорганизмы, которые не нуждаются в органических соединениях. В качестве источника углерода они используют углекислый газ из воздуха и, таким образом, по сравнению с вышеупомянутыми микроорганизмами обладают куда большей независимостью. Такой тип питания называется автотрофным. Что касается источника энергии, то некоторые микроорганизмы используют, как и растения, энергию солнечного света (фототрофы), другие потребляют энергию химических связей, причем как органических веществ (органотрофы), так и неорганических (литотрофы, т. е. питающиеся камнем!) Вот, оказывается, для чего иным микроорганизмам нужны железо, аммиак и тому подобные несъедобные вещества. Таким образом, всеядность микроорганизмов объясняется, кроме всего прочего, и разнообразием типов их питания.

Глава 16

Хлеб для Робинзона, или

Несколько слов о пользе коллекционирования

Прежде всего, у меня не было закваски; впрочем, этому горю все равно пособить было нечем, и потому о закваске я не заботился.
Д. Дефо

Даниэль Дефо, автор известного романа «Жизнь и удивительные приключения Робинзона Крузо»^[3], забросив своего героя на необитаемый остров, всячески помогает ему, периодически снабжая предметами первой необходимости с потерпевших крушение кораблей. Благодаря таким счастливым «случайностям» Робинзон получает одежду, плотницкий инструмент, ружья вместе с солидным запасом пороха и пуль и многое другое. Единственное, чем не смог «обеспечить» своего героя Даниэль Дефо, — это хлебом, несмотря на то что из случайно уцелевших зерен Робинзону удалось получить через несколько лет приличный запас зерна. Однако для его превращения в хлеб нужно было иметь дрожжи, или, как их тогда называли, «закваску».

«Прежде всего, у меня не было закваски; впрочем, этому горю все равно пособить было нечем, и потому о закваске я не заботился…» Внимательному читателю эта цитата скажет о многом. Во-первых, из нее следует, что получение закваски представляет достаточно трудное мероприятие, и чтобы сохранить ее, хлебопекам того времени приходилось ежедневно обновлять или, как принято говорить теперь у микробиологов, «пересевать» ее. Во-вторых, с очевидностью следует, что во времена Дефо вопросы, связанные с хранением и пересылкой культур микроорганизмов, совершенно не были разработаны. В противном случае Даниэлю Дефо, а он считался одним из образованнейших людей своего времени, ничего не стоило бы устроить так, чтобы его герою «случайно» попала пробирка с культурой дрожжей, и таким образом, проблема получения хлеба на необитаемом острове была бы решена.

Выпечка хлеба, которого так не хватало Робинзону, — одно из крупных достижений человечества. Получение этого ценного продукта основано на использовании дрожжей. Вещества, образуемые ими в процессе ферментации, создают присущие хлебу пористость, вкус и аромат, т. е. свойства, которые получить другим путем нельзя. Для выпечки применяют специальные расы дрожжей, выделяя их и поддерживая в активном состоянии.

Однако искусством выделения и поддержания микробных культур наука овладела сравнительно недавно. Поэтому, когда в фильме «Робинзон Крузо», поставленному по одноименному роману, мы видим нашего героя с буханкой пышного круглого хлеба, нам остается только развести руками от удивления. Роман, как известно, был написан в 1719 г., а способ длительного хранения микроорганизмов на твердых питательных средах был разработан Р. Кохом значительно позднее, в конце XIX в. Простим, однако, постановщикам фильма эту ошибку — все-таки они не микробиологи — и посмотрим, каких же успехов добилось человечество со времени Даниэля Дефо в вопросе хранения микробных культур.

Каждый, кто видел зеленый налет на поверхности заплесневелого продукта, может считать, что он знаком с проблемой выращивания микроорганизмов на твердых средах. Однако такой метод несовершенен, поскольку многие микробы требуют для своего роста сложных по составу сред. Кроме того, быстро подсыхая, натуральные среды не дают возможности поддерживать культуру достаточно долгое время. Впервые твердые питательные среды с использованием желатины были предложены Р. Кохом. Жидкие питательные среды при добавлении желатины легко превращались в твердые, на поверхности которых хорошо развивались микроорганизмы. Желатина, однако, легко расщеплялась ферментами микроорганизмов и разжижалась. Таким образом, основное преимущество исчезало, и среда вновь становилась жидкой. Впоследствии желатина была заменена агаром — полисахаридом, выделяемым из водорослей. Агар значительно реже разжижается микроорганизмами и представляет незаменимую находку для микробиологии. Несмотря на огромные успехи химии, найти лучшее вещество для создания твердых или, как принято говорить, агаризованных сред, пока никому не удалось. Естественно, что микроорганизмы существенно различаются по своим потребностям в питательных веществах, поэтому, несмотря на общую агаровую основу, среды по составу значительно разнятся между собой.

Пробирки с застывшей в наклонном состоянии агаризованной средой представляют собой самый распространенный вариант хранения культур микроорганизмов. Однако такие выращенные на скошенном агаре культуры тоже необходимо периодически пересевать на свежие среды. Когда микробиологи научились выделять из природных смесей микроорганизмы только одного вида, со всей остротой встала проблема их сохранения. Пока число полученных чистых культур микроорганизмов не превышало нескольких десятков на каждого исследователя, самостоятельно занимавшегося их выделением, поддержание культур в жизнеспособном состоянии не представляло большой сложности. Однако, как только количество выделенных культур значительно возросло, сохранение их в жизнеспособном состоянии превратилось в серьезную проблему. Однажды выделенные и описанные культуры в отсутствие должного ухода гибли, заражаясь сопутствующей микрофлорой, что сводило на нет затраченные в свое время усилия по их выделению.

Первый центр по сбору и поддержанию микробных культур был создан в Голландии в 1907 г. На смену мелким лабораторным коллекциям пришли крупные, ставившие перед собой задачи по сбору, поддержанию в жизнеспособном состоянии и изучению большого числа различных микробных культур.

Методы хранения, применявшиеся до недавнего времени, основаны на периодическом обновлении популяции клеток путем пересева культур на свежие среды. Если их состав хорошо подобран, то культура сохраняет не только жизнеспособность, но и свои специфические свойства, будь то способность к сверхсинтезу каких-либо ценных веществ, умение расти на определенных субстратах или другие физиолого-биохимические свойства.

И все же, несмотря на тщательно подобранный состав среды, после многократных пересевов культуры микроорганизмов утрачивали некоторые специфические свойства, которые представляли основной интерес для исследователей или практиков.

В связи с этим возникла необходимость поиска новых методов сохранения культур. Их суть должна была состоять в максимальном замедлении процессов метаболизма при одновременном сохранении жизнеспособности культуры. Это было достигнуто либо ее хранением при пониженных температурах, включая и сверхнизкие (жидкий азот -186 °C), либо лиофилизацией (сушкой из замороженного состояния). Оба метода приводят к максимальному замедлению процессов метаболизма, а методика обратного перевода законсервированных культур в жизнеспособное состояние позволяет даже после длительного хранения получить культуры с тем же набором исходных физиолого-биохимических свойств.

В настоящее время в коллекциях культур во всем мире насчитывается свыше 70 000 различных микроорганизмов, и это количество постоянно увеличивается. 70 000 культур представляют собой уникальный набор возможных вариантов для получения не только культур-сверхпродуцентов для микробиологической промышленности, но и дают возможность получения методами генетической инженерии совершенно новых организмов с невиданными в природе свойствами. По образному выражению одного из ученых, «…в коллекции культур (имеется в виду американская коллекция микроорганизмов — одна из крупнейших в мире) заключается больше богатств, чем в кладовых всех банков Соединенных Штатов».

Результаты, добытые скрупулезным трудом микробиологов, не пропадают даром, а до поры хранятся в банке и ждут своего часа, чтобы начать платить человечеству большие проценты.

Глава 17

Честолюбивые планы Урфина Джюса и Крейга Вентера

Создание жизни — путь к пониманию природы и самой жизни.
Джим Томас

Урфин Джюс из повести-сказки Александра Волкова превращал неживые предметы в живые с помощью чудесного порошка неизвестной природы и таинственного происхождения.

Злому и недалекому Урфину Джюсу было неважно, каким образом деревянные чурбаки становятся живыми. Он просто использовал их в своих честолюбивых планах по завоеванию королевства.

Честолюбие ученых направлено в другую сторону. Их интересует происхождение жизни, что отличает живую материю от неживой и как функционируют живые организмы. Наука о происхождении живого прошла огромный путь: от представлений древних, что мыши заводятся в грязном белье, а мухи зарождаются из тухлого мяса, до современных успехов молекулярной биологии и генетической инженерии. Вехами на этом славном пути являются работы Ф. Реди, Г. Менделя, Л. Пастера, Т. Шванна, И. Мечникова и многих других.

Изучая живые организмы, разделяя их на системы и подсистемы, обеспечивающие жизнь, наблюдая, как они работают, мы все больше понимаем, как они организованы и как функционируют.

И действительно, мы знаем химический и биохимический состав живой клетки, нам известно, из каких функциональных частей она состоит и каким образом они связаны друг с другом, — так нельзя ли попробовать создать живое из неживого, используя все наши знания?

В соревнование за овладение этим секретом природы включились многие лаборатории мира. Команда из 20 ученых, собранных Крейгом Вентером, построила синтетическую хромосому, состоящую из 381 гена. Одним из способов вдохнуть жизнь в созданный в лаборатории геном является его перенос в оболочку микроба, содержащего минимальный набор генов, благодаря которому клетка может осуществлять основные жизненные функции.

Одной из задач ученых, работающих над этим проектом, было установить минимальный набор генов (house-keeping genes), который обеспечивает жизнеспособность бактерии. Когда эта задача была решена, в эту «упрощенную», но все же еще не функционирующую клетку пересадили искусственную хромосому, и новый рукотворный организм, названный Mycoplasma laboratorium, обрел жизнь.

Успех этого эксперимента может в недалеком будущем привести к тому, что человеку не придется искать в природе микроорганизмы с нужными свойствами и не модифицировать уже существующие, а производить их в короткие сроки, синтезируя биологические структуры, такие как гены, хромосомы и даже целые геномы, — точно так же, как химики-синтетики создают новые, доселе не существовавшие химические вещества.

Конечная цель Крейга Вентера — научиться создавать искусственные геномы, а затем и искусственные организмы с заданными свойствами, с абсолютно новыми, не существующими в природе путями метаболизма, способные к синтезу биотоплива, деградации экологически вредных отходов производства и синтезу новых эффективных лекарств. То, что уже удалось осуществить Крейгу Вентеру и его команде, не только удивительное достижение, но и реальное свидетельство рождения нового направления в биологии — синтетической биологии.

Глава 18

Если бы микробы исчезли

Я — часть той силы,

что вечно хочет зла

и вечно совершает благо.
И. Гёте

У Рэя Брэдбери есть небольшой, но поучительный рассказ о бабочке, раздавленной путешественниками во время экскурсии в прошлое, и о катастрофических последствиях для всего человечества, к которым привел этот несчастный случай. Конечно, ужасные результаты, к которым привела смерть одной-единственной бабочки, — фантастика, но у человечества, увы, есть и реальные примеры неудачных попыток вмешательства в жизнь природы. Причем, если речь идет о животном или растительном мире, то оно сказывается годы спустя, а вот результаты вторжения в жизнь третьего царства с его более высокой интенсивностью обмена могут появиться значительно быстрее.

К чести человечества следует сказать, что оно никогда не ставило перед собой задачу тотальной войны с микроорганизмами. Если она и велась, то только локально, например, с болезнетворными для человека и животных видами, а также с теми микроорганизмами, которые мешали проведению какого-либо технологического процесса (вспомним, что еще со времен открытия Пастером причин болезни вин стало ясно, что многие неудачи в организации микробиологических производств связаны с наличием посторонней микрофлоры).

Но, как говорится, лес рубят — щепки летят. Не обошлось и без лишних жертв. Порой во время войны с вредными или нежелательными микроорганизмами доставалось и другим, ни в чем не повинным. Пострадали микробы и при применении гербицидов, пестицидов и прочих «цидов». Между тем мы настолько «сжились» с микроорганизмами и с повседневными проявлениями их жизнедеятельности, сопровождающими нас от рождения до самой смерти, что даже не представляем себе масштабов катастрофы, которая постигла бы нас, если бы микробы вдруг исчезли.

Принято считать, что растительность представляет собой гигантский аккумулятор и трансформатор энергии Солнца — главного энергетического фактора существования всех форм жизни на Земле. Однако зачастую забывают о том, что этот аккумулятор может работать с завидным постоянством только в случае, если его не только подзаряжать, но и с такой же частотой разряжать. Эту последнюю задачу успешно решают микроорганизмы, которые разлагают образованные растениями органические вещества до исходных продуктов — в простейшем случае до двуокиси углерода и воды, вновь используемых в процессе фотосинтеза. Таким образом, если бы микробы исчезли, прежде всего остановился бы круговорот веществ в природе, и все органическое вещество, ставшее составной частью живых организмов, навечно осталось бы в них. Земля покрылась бы сплошным слоем неразложившихся трупов растений и животных. Фотосинтез из-за отсутствия поступления в атмосферу CO₂ также прекратился бы. Конечно, это произошло бы не сразу. По подсчетам ученых, CO₂ и других жизненно важных компонентов хватило бы лет на 30, не более. В действительности же после исчезновения микроорганизмов жизнь на Земле прекратилась бы значительно раньше, чем были бы исчерпаны все запасы органических и минеральных веществ, необходимых для жизни. И дело не только в том, что немедленно остановились бы сотни производств пищевой, текстильной, фармацевтической и многих других отраслей промышленности и сельского хозяйства, связанных с применением микроорганизмов. Нарисовав эту апокалиптическую картину, мы забыли о главном: ведь мы сами являемся симбионтами. Правда, роль микроорганизмов в этом симбиозе еще не выяснена до конца, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что она достаточно велика. В частности, микроорганизмы снабжают нас различными коферментами, без которых невозможна нормальная работа ферментов — действующего начала всех процессов, протекающих в организме человека.

Итак, без микроорганизмов жизнь на Земле невозможна, и именно поэтому они требуют к себе самого вдумчивого и внимательного отношения. Любое действие, любое вмешательство в дела природы должно быть предварительно обдумано с точки зрения воздействия на окружающие нас микроорганизмы.

Заканчивая эту главу, мы хотели бы подчеркнуть, что во многом их созидательная роль на Земле состоит в постоянном разрушении (вспомним эпиграф к этой главе). Микроорганизмы обеспечивают многократное использование биогенных элементов. Ведь известно, что суммарная биомасса всех живых существ, когда-либо существовавших на Земле, больше массы всего земного шара. И именно микроорганизмы дают возможность Природе многократно экспериментировать с биомассой, создавая все новые и новые эволюционные формы и поколения живых существ.

Глава 19

Микроскопы, микроскопы…

Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли произвести это удивление?
Н. Лесков

Рассматривая «анималькулей» с помощью собственноручно изготовленного микроскопа в конце XVII в., Левенгук вряд ли подозревал, что закладывает основы одной из научных дисциплин XX и XXI вв. Несмотря на его удивительные открытия, микроскопия не получила широкого распространения в XVII в. По словам Роберта Гука (он был секретарем Лондонского королевского общества, кем-то вроде современного президента Академии наук), во всей Европе никто не занимается микроскопией кроме одного голландца по имени Левенгук.

Ему действительно не удалось развить это направление в науке, или, как теперь говорят, создать свою научную школу. Отчасти в этом можно упрекнуть самого Левенгука: он ни с кем не делился секретами своего мастерства, у него не было учеников и вообще он был человеком скрытным.

Только в 1840-е гг. (т. е. через 100 с лишним лет после смерти Левенгука) микроскопия как бы родилась вновь. Увеличение и качество изображения изготавливаемых микроскопов достигло уровня уникальных приборов Левенгука. Кроме того, с помощью этих микроскопов удавалось рассматривать множество объектов, и не нужно было создавать для каждого из них новый микроскоп, как это делал Левенгук. И тут микроскоп из увлечения чудака-одиночки стал постепенно превращаться в широко используемый инструмент изучения природы. Одновременно стали разрабатываться новые типы линз, новые сорта стекла для них и новые типы микроскопов. Над дальнейшим развитием микроскопии работали физики, стекловары, оптики, механики.

Микроскоп играл огромную роль в изучении окружающего нас мира и продолжает играть одну из ключевых ролей в открытиях и изобретениях, служащих основой новейших технологий. Конечно, микроскоп уже не тот, каким когда-то был. Из примитивного устройства он стал воплощением последних достижений в области оптической физики, механики и электронной техники.

Микроскопы используют представители разных профессий, например сталевары (структура стали и сплавов), судебные эксперты (судебная баллистика), химики (строение кристаллов и полимерных волокон) и т. д. Кстати, Луи Пастер, рассматривая под микроскопом кристаллы виннокаменной кислоты, положил начало стереохимии.

Использование микроскопа способствовало становлению новых направлений в науке. Так, понятие о жидкокристаллическом состоянии вещества впервые возникло при изучении субклеточных структур, а затем перекочевало в физику и в наше время стало отдельной научной дисциплиной об особом состоянии вещества, промежуточном между твердым и жидким. Кристаллография — наука о кристаллах — тоже многим обязана микроскопии, которая из усовершенствованного способа наблюдения за микрообъектами превратилась в самостоятельный метод познания природы. Его развитие и совершенствование привело к созданию новых типов микроскопов с поистине огромной разрешающей способностью. В настоящее время с их помощью можно увидеть даже отдельные атомы!

Стерео-, фазово-контрастные, флуоресцентные, электронные, лазерные сканирующие, сканирующие туннельные, атомные силовые микроскопы — вот только краткий и неполный перечень «детей и внуков» микроскопа Левенгука.

В марте 2007 года в г. Орландо (Флорида, США) на международной научной конференции среди 4200 исследователей из 68 стран был проведен опрос-голосование о наиболее значительных достижениях человечества в области наук о материалах. На пятом месте оказалась открытая в 1668 г. Антони Левенгуком оптическая микроскопия. Как говорится, комментарии излишни!

Часть III
Микробиология и другие науки

Глава 20

Микробиология и генетика

Именно в биологии суждено состояться самым крупным открытиям ближайших десятилетий. Этот путь, как правило, мыслится через внедрение физики и химии, через дальнейшее развитие блестящих достижений современной генетики.
А. Любищев

Передача наследственных свойств — одно из удивительных таинств живой материи. В последние десятилетия благодаря успехам различных наук, причем не только биологических, удалось вплотную подойти к раскрытию этой тайны.

Для изучения генетических законов важно было найти такой организм, который легко поддавался бы изучению, достаточно быстро размножался, а его содержание в процессе эксперимента было бы недорогим и нетрудоемким. Первые работы, заложившие основы современной генетики, принадлежат монаху Г. Менделю, экспериментально доказавшему существование вещества наследственности. Мендель работал с семенами гороха, и ему для проведения каждого опыта требовался целый год или, точнее говоря, вегетационный период. Впоследствии генетики обычно использовали в качестве объекта мушку дрозофилу. Она длиной всего 3 мм, быстро, в течение 10–12 дней, дает потомство, и ее можно выращивать на относительно простом корме.

Микроорганизмы оказались еще более удобным объектом. Во-первых, скорость их размножения в 500–600 раз выше, чем у мушки-дрозофилы, т. е. для получения нового поколения микробов достаточно всего нескольких десятков минут. Во-вторых, проблема питания и содержания после приготовления пробирки с питательной средой полностью отпадает. Использование микроорганизмов в качестве модельного объекта существенно продвинуло генетические исследования. Удалось установить природу наследственных факторов и выделить носитель наследственной информации — дезоксирибонуклеиновую кислоту — ДНК. В дальнейшем выяснилось, как она работает, передавая наследственную информацию, а бактерия Escherichia coli стала моделью для разработки различных генетических методик и приемов.

А для чего, собственно, человеку знание законов передачи наследственной информации? Понимание механизма ее передачи от поколения к поколению дает возможность создавать организмы с заранее известными свойствами.

Задача создания новых сортов растений и пород животных, по сути, стояла перед человечеством всегда. До недавнего времени люди изменяли наследственные признаки путем скрещивания сортов или пород с различными свойствами, фактически отдавая на откуп генетическому аппарату клетки возможность создавать новые структуры.

С развитием генетики в нашем веке появился другой метод влияния на наследственность, а именно — воздействие непосредственно на ДНК различными мутагенными факторами, например излучением, вызывающим в ней случайные изменения. Эти изменения приводили к образованию мутантов, которые по своим свойствам не всегда отвечали поставленной задаче и довольно часто оказывались нежизнеспособными. Очевидно, что в обоих случаях мы действовали вслепую.

Дальнейшее изучение тонких механизмов процесса передачи наследственной информации привело к более глубокому его пониманию и вооружило генетиков и микробиологов настолько эффективными приемами принудительной передачи этой информации, что получение принципиально новых, ранее не существовавших в природе микроорганизмов с заданными свойствами стало реальностью. Познав механизм, с помощью которого они обмениваются наследственной информацией, генетики и микробиологи разработали не только приемы, идентичные используемым в живой клетке, но и принципиально новые методы получения искусственных генетических структур в лабораторных условиях. Возникла новая область науки — генетическая инженерия. В чем же заключаются ее методы?

Вспомним известный пример, когда вирус, внедряясь в бактериальную клетку, «завоевывает» ее и, захватив власть над внутриклеточными системами, заставляет их синтезировать только те белки, которые необходимы для построения множества ему подобных вирусов.

Генный инженер в известной степени производит аналогичные действия: вводит в бактериальную клетку молекулу ДНК, полученную не в результате многовековой эволюции, а с помощью химического синтеза или путем соединения природных генов различного происхождения. Не правда ли, удивительно простое решение? Но насколько легко осуществить его в реальных условиях, вот в чем вопрос. Ведь несмотря на то что молекулы ДНК являются гигантами в мире молекул, размеры их по сравнению с инструментальными возможностями человека остаются несоизмеримо малыми. А задача состоит в том, чтобы перенести в клетку небольшой фрагмент молекулы ДНК, для чего необходимо «взять его в руки», отрезать и прикрепить к другой молекуле. Такая работа была бы не по силам даже знаменитому Левше, который подковал английскую блоху. Кстати, подковать-то он ее подковал, но прыгать она перестала: подковки оказались тяжеловаты. И не надо забывать, что английская блоха представляла собой всего лишь механическое устройство, а не живой организм, который повредить гораздо проще. Таким образом, операция по перенесению чужеродного фрагмента сложна не только из-за чрезвычайно малых размеров объекта, но и потому, что крайне важно провести эту операцию, не нарушив тонкой структуры ДНК, обеспечивающей жизненный цикл организма, чтобы он мог продолжать «прыгать».

Таким тончайшим инструментом, с помощью которого можно «взять в руки» фрагменты ДНК и накрепко присоединить их к основной конструкции, да так, чтобы вся система продолжала работать, оказались ферменты. Нужно выделить их в достаточно чистом виде и использовать в роли, аналогичной той, которую они выполняют в клетке. Естественно, что необходимо иметь на вооружении комплекс ферментов, осуществляющих подобные реакции. К ним относятся рестриктазы, разделяющие ДНК на фрагменты, и лигазы, соединяющие эти фрагменты в длинные цепи. По образному выражению академика А. А. Баева, рестриктазы — скальпель генетической инженерии, а лигазы — ее игла и нити.

Методы генетической инженерии произвели настоящую революцию в прикладной микробиологии. Сейчас стало возможным внедрить в клетку одного микроорганизма, обладающего рядом преимуществ (скажем, растущего на более дешевом субстрате), фрагмент (фрагменты) молекулы ДНК из другого микроорганизма, способного осуществлять синтез или сверхсинтез важного целевого продукта. От скольких сложностей избавляют технологов методы генетической инженерии, видно из шуточного описания трудностей, связанных с получением гормонов с использованием обычных методов выделения, взятого нами из книги «Физики продолжают шутить»^[4]. «Переработав тонну свежих бычьих желез, он (физиолог) выделяет 10 граммов чистого гормона и отправляет их к специалисту по физхимии на анализ. Физхимик обнаруживает, что 95 % очищенного физиологом гормона составляют разного рода примеси, а остальные 5 % содержат по крайней мере три разных вещества. Из одного такого вещества он успешно выделяет 10 миллиграммов чистого кристаллического гормона…»

Можно себе представить, сколько хлопот доставляет получение большого количества физиологически активных соединений, если обычно вес таких веществ, вырабатываемых в организме незначительным числом специализированных клеток, измеряется в микрограммах^[5].

Получить эти вещества с помощью культуры животных клеток высших организмов затруднительно, так как они требуют строгого соблюдения стандартных условий и относительно дорогих сред. Кроме того, животные клетки размножаются значительно медленнее микробных. Возникла мысль: а нельзя ли, введя в них соответствующую программу и опираясь на относительно простую технологию выращивания, заставить микробные клетки синтезировать эти вещества? Оказалось, можно. Таким путем удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать гормон роста — соматотропин, который обычно образуется только клетками высших организмов.

Эта работа имеет принципиальное значение, поскольку впервые удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать животный белок, что открывает блестящие перспективы получения методами промышленной микробиологии продуктов, получаемых только из клеток животных. Таким образом, удается синтезировать такие важнейшие физиологически активные вещества, как инсулин, интерферон, гормон роста и т. п.

Список новых веществ, получаемых методами генетической инженерии, растет с каждым днем. Дрожжевые клетки, модифицированные 12 генами, производят артемизинин — самое эффективное средство для лечения малярии. Продукции одного 50-тонного ферментера хватит для лечения всех 500 млн людей, ежегодно заболевающих малярией. При этом стоимость препарата снизится в 10 раз! Ресверотрол — вещество, только недавно обнаруженное в микроколичествах в красном вине и снижающее риск сердечно-сосудистых заболеваний, уже получают в промышленных масштабах методами генетической инженерии.

Именно ей мы отводим ведущую роль, когда говорим о биотехнологии. При этом все выглядит довольно просто: выделяется ген, ответственный за биосинтез целевого, довольно дорогостоящего, продукта, после некоторых манипуляций этот ген вводят в ДНК микроорганизма-хозяина, и клетки последнего становятся продуцентом целевого продукта.

Однако нам бы не хотелось, чтобы у читателя сложилось мнение, что после введения соответствующего гена все проблемы решаются сами собой. Отнюдь. Между введением гена в ДНК микроорганизма и реальным получением ценного целевого продукта, который этот ген кодирует, лежит трудный путь, связанный с необходимостью проведения большого объема работ. Во-первых, нужно заставить организм-хозяин, в который введен новый ген, принять его. И тут возникают проблемы отторжения, аналогичные тем, которые появляются при пересадке органов. Этот ген должен в процессе размножения оставаться в клетке и не элиминироваться, т. е. не отторгаться и не выбрасываться из ДНК. Во-вторых, нужно, чтобы культура (микроорганизм-хозяин) была достаточно неприхотлива к питательным средам и при этом обладала большой скоростью роста. В-третьих, необходимо создать экономически выгодные условия культивирования. Это означает, что культура должна расти при невысоких температурах, чтобы не потребовались дополнительные энергетические затраты на поддержание постоянной повышенной температуры в ферментере; потребности в аэрации растущей культуры тоже должны быть не очень большими.

Перечень требований можно было бы продолжить, но тогда наша книга превратится в пособие по биотехнологии. Добавим только, что желательно, чтобы целевой продукт был не очень сильно связан со структурными компонентами клетки и мог бы легко отделяться от них, например за счет секреции в культуральную жидкость.

Требования, которые предъявляются технологией к культурам-продуцентам, напоминают претензии разборчивой невесты из «Женитьбы» Н. В. Гоголя. «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Балтазара Балтазарыча, да, пожалуй, прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича…»

Именно эту задачу придания различных полезных свойств микроорганизмам и призвана решать генетическая инженерия. Она находится в начале своего развития, ей всего лишь чуть больше 35 лет. Наиболее впечатляющие ее успехи послужили основой создания новых видов не только микроорганизмов, но и растений и животных. Более того, можно не без основания предполагать, что генетическая инженерия сможет помочь (и уже помогает!) в том числе в борьбе с наследственными болезнями человека.

Глава 21

Микробы и ферменты

Около 100 лет тому назад в 1907 г. Эдвард Бюхнер (не путать с Эрнестом Бюхнером, изобретателем воронки Бюхнера) получил Нобелевскую премию за открытие ферментации бесклеточными экстрактами из дрожжей. Растерев дрожжевые клетки с кварцевым песком и отфильтровав полученную жидкость, Бюхнер получил «вытяжку», способную проводить ферментацию сахара так же, как и живые клетки.

С ферментацией (от латинского fermentare — вызывать брожение) человек ознакомился еще в доисторические времена, когда началось производство и потребление спиртных напитков. Но только лишь в XVIII в. было изучено, как происходит этот процесс, т. е. как сахар превращается в спирт и углекислый газ. Наблюдения А. Левенгука и классические опыты Л. Пастера показали, что ферментация возможна только в присутствии живых клеток.

Полученные Бюхнером результаты противоречили этим утверждениям. Объединить две противоположные точки зрения могло только предположение, что и в клеточном экстракте, и в самих дрожжах присутствует одно и то же действующее начало. Из этого следовало, что никаких различий между химией живого и неживого не существует и что действующее начало может работать и вне живой клетки, если его удается выделить из нее в нативном (неповрежденном) виде.

Этому действующему началу подобрали название — энзим (фермент), и с этого времени энзимология стала бурно развиваться. Оказалось, что в живой клетке присутствует множество ферментов (на сегодня их известно около 3700!) и они служат катализаторами всех протекающих в ней биохимических реакций. Ферменты намного эффективнее обычных химических катализаторов — по сравнению с ними они ускоряют реакции в сотни и тысячи раз. Ферменты участвуют в разложении веществ, биосинтезе, получении энергии, при фото- и хемосинтезе, передаче наследственной информации и даже для исправления в ней ошибок.

Одной из главнейших функций живого является сохранение вида. Для ее выполнения требуется проведение множества биохимических реакций. Сравнивая микроорганизм с микроскопическим заводом, можно сказать, что ферменты — обширный и разнообразный станочный парк этого завода. Они являются теми высокоточными инструментами, с помощью которых клетка штампует различные комплектующие, используемые для последующего монтажа изделия главного сборочного конвейера — новой клетки. Если же нас интересует один из продуктов метаболизма, то нужно выделить соответствующий фермент и использовать его для получения целевого продукта вне связи с общей задачей выживания.

Хотя ферменты и содержатся во всех живых клетках, в промышленных масштабах их получают в основном из клеток микроорганизмов. Это самый удобный источник получения ферментов, так как их концентрация может быть значительно увеличена за счет изменения условий культивирования или генетических манипуляций.

После получения и выделения ферментов необходимо, не нарушая тонкой структуры, сохранить их в работающем состоянии и создать условия, в которых их активность сохранялась бы достаточно долго. Подобно мифическому Антею, оторванному Гераклом от матери-Земли, ферменты, отделенные от клетки, быстро теряют активность. Эта проблема стабильности успешно решается с помощью техники иммобилизации. Ферменты прикрепляются химическими связями к носителю или включаются в объем органических полимерных гелей. Таким образом получают высокоэффективные, высокоспецифичные биокатализаторы пролонгированного действия, позволяющие поднять производительность многих производств.

Выделенные ферменты используются в виноделии и пивоварении, хлебопечении и сыроварении, при производстве спирта и уксуса. Ферменты находят все большее применение в медицине не только как катализаторы, но и как высокочувствительные и скоростные анализаторы. Производство ферментов достигло поистине промышленных масштабов: речь идет о сотнях и тысячах тонн готовой продукции.

Несмотря на огромные успехи, связанные с обнаружением новых ферментов с повышенной активностью и стабильностью, выделением их из клеток и стабилизацией их активности, мы по сути всего лишь повторяем на новом технологическом уровне работы, начало которым положил Эдвард Бюхнер. Но, конечно, успехи в сфере энзимологии огромны. Увеличился объем знаний о структуре ферментов, созданы новые представления об их активном центре и о механизмах протекания реакций. Все это (и многое другое!) вместе с огромными возможностями генетической инженерии позволит не только улучшать известные в природе ферменты, но и создавать новые, которых не существовало в природе. По-видимому, в ближайшие годы технологии получения ферментов с повышенной активностью и стабильностью будут быстро развиваться. И главную роль в этом по-прежнему будут играть микроорганизмы.

Глава 22

Дом, в котором мы живем

Всегда можно найти организмы, способные вызвать разложение любого образующегося в естественных условиях органического вещества, насколько стойким оно ни казалось бы на первый взгляд.
Г. Роджерс

Еще несколько десятилетий назад сам термин «экология» был известен только специалистам. В наши дни статьи на тему защиты окружающей среды не сходят со страниц периодической печати. Почему это произошло?

Новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека. Правда, вначале влияние его деятельности на нее мало отличались от воздействия на биосферу других живых существ. Человек получал необходимую для жизни пищу, используя продукты растительного или животного происхождения. При этом неизбежно образовывались отходы, но химические элементы, входящие в их состав, с помощью микроорганизмов возвращались в круговорот веществ. Так продолжалось достаточно долго, и не возникло бы никаких экологических проблем, если бы не рост производительных сил развивающегося общества. Человека перестали удовлетворять набедренная повязка и кусок мяса. Он захотел большего. Тейяр де Шарден в книге «Феномен человека»^[6] пишет: «Теперь кроме хлеба, который символизировал в своей простоте пищу неолита, каждый человек ежедневно требует свою порцию электричества, нефти и радия, свою порцию открытий, кино и международных известий. Теперь уже не простое поле, как бы оно ни было велико, а вся Земля требуется, чтобы снабжать каждого из нас».

Освоив новые мощные источники энергии, человечество стало распоряжаться ими по своему усмотрению. Наличие энергии, с одной стороны, и развитие теории химического строения веществ — с другой, позволили синтезировать в больших количествах соединения, которые не включаются в круговорот веществ, а остаются вне действия биосферы как памятник человеческой бесхозяйственности. Но даже с этими «отходами», пока их было мало, людям удавалось справляться. Экологическая емкость Земли настолько велика, что до поры до времени они не оказывали серьезного влияния на ход природных процессов.

Однако по мере роста промышленного производства количество этих отходов увеличивалось и в конце концов в наши дни достигло такой величины, что игнорировать их существование человечество больше не может. Загрязнение окружающей среды уже оказывает негативное влияние на здоровье как минимум миллиарда жителей планеты. Конечно, можно попытаться организовать промышленное производство таким образом, чтобы оно по уровню замкнутости мало отличалось от природных циркуляций, т. е. технологически обеспечить полную утилизацию отходов. Иначе говоря, производство должно быть практически безотходным. Однако введение технологии с замкнутым циклом значительно удорожает промышленную продукцию.

Если же создать безотходное производство невозможно, нужно стремиться к тому, чтобы и его отходы, и сама продукция после использования были деградабельны, т. е. разрушались с такой же максимальной скоростью, с какой происходит деградация природных отходов. Теперь же в отдельных районах планеты, особенно в высокоразвитых промышленных странах, сложилось такое положение, при котором природа не способна «переварить» поступающие отходы производства и быта, что приводит к их накоплению и «загрязнению» ими окружающей среды.

К числу таких загрязнителей относят многочисленные, относительно безвредные для живой природы продукты в виде синтетических полимеров, которые накапливаются в почве и водоемах, однако никакого вредного воздействия на природу не оказывают, если, конечно, не считать, что какое-то количество углерода и других элементов изымается из кругооборота веществ. Примером таких загрязнителей могут служить различные пластмассы. Изделия из них легки, гигиеничны, прочны и устойчивы к действию влаги и температуры (разумеется, до определенных пределов). Пластмассы идут на изготовление сумок, контейнеров, всякого рода упаковок, словом, применяются буквально всюду. Казалось бы, вот пример вещества, которого в природе не существовало, но которое было создано на благо человеку. Но здесь есть, увы, и негативная сторона: в природных условиях пластмасса крайне плохо разлагается и выносится реками в океан. Масса гигантского мусорного «острова», находящегося в Тихом океане у западного побережья Северной Америки и состоящего в основном из пластика, составляет более 3,5 млн тонн, а площадь — более 1 млн квадратных километров. И все-таки пластмассы — безвредное в биологическом плане вещество. Худшим следствием его стойкости является реальная возможность в недалеком будущем проводить отпуск, загорая не на желтом кварцевом песке, а на обкатанных морскими волнами разноцветных песчинках полиэтилена. Кстати, на многих морских пляжах Атлантического побережья США уже появился такой «песок», и его доля по сравнению с обычным кварцевым продолжает возрастать. Однако с такого рода негативными явлениями еще можно мириться.

Значительно хуже обстоит дело, когда в природе накапливаются биологически активные вещества, в частности такие, как пресловутый ДДТ — очень эффективный продукт для борьбы с сорняками. Синтезированный в начале 1930-х гг., ДДТ многим казался блестящим решением многих проблем в растениеводстве, и его изобретение справедливо было отмечено Нобелевской премией. В США и других странах стали производить ДДТ сотнями тысяч тонн в год, используя как в сельском хозяйстве, так и в санитарии.

Однако никто не учел, что ДДТ накапливается в почве и через корни попадает в зеленую массу растений; растения поедаются животными, и в их тканях тоже накапливается ДДТ. Мясо животных вместе с растительной пищей поставляет ДДТ непосредственно к нашему столу. Когда производство и применение ДДТ превысило определенную величину, органы здравоохранения стали обнаруживать его сначала в растениях и продуктах питания, а затем и в тканях, и в органах животных и человека. К сожалению, ДДТ — не единственный продукт из обширной серии гербицидов, пестицидов и фитонцидов, широко применяемых в сельском хозяйстве. Следует отметить, что из 800 000 промышленных химикалий, которые начали выпускать с 1940 г., проверены на токсичность только 100 000. И многие из тех, которые сегодня мы считаем безвредными, завтра, когда их концентрация в биосфере достигнет некоей «пороговой» величины, тоже могут оказаться опаснейшими загрязнителями.

Создав мощное промышленное производство, мы настолько засорили продукцией и его отходами окружающую среду, что борьба с ними стала одной из серьезнейших проблем, когда-либо стоявших перед человечеством.

Люди вмешались в естественный кругооборот веществ в одностороннем порядке, уделив максимальное внимание синтезу новых веществ и соединений и совершенно не заботясь о его обратной стороне, второй составляющей кругооборота — о деградации. Думалось, если мы смогли синтезировать продукты, неужели же не сможем их разрушить? Оказалось, разрушение представляет собой не менее сложную задачу, чем синтез. Химические способы деструкции требуют больших энергетических затрат. Природа пошла по другому пути, взяв на вооружение ферментативные способы разрушения. Она постоянно осуществляет разложение многих веществ почти до исходных элементов. Место огромных промышленных комплексов по переработке отходов в природе занимают микроорганизмы, вернее, их ферментные системы.

Рассмотрим простой пример с клетчаткой. Известно, что клетчатка, или целлюлоза, состоит из остатков сахаров, и если измельчить ее механически до размеров составляющих ее молекул, то в конце концов можно получить сахара. Однако эффективность такого механического способа разрушения крайне мала. При этом нет гарантий, что во время этого процесса будут образованы молекулы сахаров, а не их обломки. Ферментативный гидролиз позволяет провести разложение строго по химическим связям с образованием сахаров-мономеров. Именно эту реакцию проводят, в частности, микроорганизмы в желудке жвачных, позволяя им использовать клетчатку и другие природные полимеры углеводов для своих энергетических нужд.

О том, насколько эффективно микроорганизмы проводят гидролиз целлюлозы, можно судить по тому, что промышленное получение сахаров из растительного сырья стало возможным только после внедрения значительно более эффективных и менее энергоемких ферментативных методов гидролиза клетчатки.

Уже найдены штаммы микроорганизмов, способные проводить многостадийный гидролиз в один этап. Так, выделенный со дна моря штамм Sulfolibus salfataricus содержит фермент целлюлазу, который способен проводить гидролиз целлюлозы в кислой среде.

Создав нужные условия микроорганизмам и поставив себе на службу их ферментативный аппарат, можно адаптировать его к различного рода субстратам, даже к тем, которые еще недавно считались недеградабельными.

Так, устойчивость пестицидов к разложению очень велика: период их полураспада составляет около 10 000 лет. Ферменты микроорганизмов ускоряют процесс разложения в миллионы раз!

Говоря о глобальном отравлении окружающей среды вредными веществами, нельзя не остановиться на проблеме, связанной с загрязнением нефтью многих морей и окраинных районов океана. Рост потребления нефти ведет к ее неизбежным потерям в процессе перевозок, уровень которых достигает 1 млрд тонн! Даже 1 % потерь приведет к ежегодному загрязнению вод морей и океанов 10 млн тонн нефти. И это только планируемое загрязнение! В целом его уровень значительно выше. Только в Средиземное море ежегодно сливается из танкеров 350 000 тонн нефти, и еще 115 000 тонн нефтяных отходов приходится на долю прибрежных нефтеперерабатывающих заводов. Неудивительно, что и в океане появляются загрязненные участки.

Тур Хейердал писал после своего знаменитого путешествия через Тихий океан: «Океан покрыт пятнами нефти». А аварии на танкерах или на нефтепромыслах, расположенных непосредственно в море?! Иногда утечка из поврежденного супертанкера превращается в национальное бедствие для страны, у берегов которой произошла авария! После катастрофы либерийского танкера «Торри-Каньон» в море попало 120 000 тонн нефти. 30 000 тонн двигались на французское побережье. Были испытаны различные физические методы очистки воды: наилучшим оказался способ с применением мела. Нефть свернулась в шары величиной с футбольный мяч и в таком виде осела на дно. Но через два года они всплыли и снова образовали пленку на поверхности воды.

Такая пленка приносит ни с чем не сравнимый вред, прежде всего, препятствуя обмену между воздушной и водной средой. Резко изменяется концентрация входящего в состав воды кислорода, который является важнейшим фактором, необходимым для существования многих морских организмов. Сокращается поглощение из воздуха углекислого газа, что препятствует фотосинтезу. Здесь следует вспомнить, что 90 % кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, производится водными фотосинтезирующими организмами. Гибнет огромное количество морских птиц, разрушаются сложившиеся экологические системы, что чревато весьма неприятными последствиями.

Загрязнение нефтью представляет собой такую серьезную угрозу, что в качестве превентивной меры в некоторых штатах США до сих пор запрещено бурение богатого нефтью континентального шельфа.

Не следует, однако, считать, что загрязнение нефтепродуктами происходит только при морских перевозках. Аварии на буровых скважинах, нефтепроводах, нефтеперерабатывающих заводах и даже на автозаправочных станциях — вот далеко не полный перечень мест, где возможны загрязнения. К сожалению, они не только возможны, но и происходят, заражая не только почву, но и выращиваемые на ней растения и, соответственно, получаемые из них пищевые продукты.

Поиски средств защиты от нефтяных загрязнений привели к методам с использованием микроорганизмов. Пионерские исследования В. О. Таусона показали, что существуют микробы, способные разлагать некоторые компоненты нефти.

В дальнейшем было выделено и описано большое количество бактерий, дрожжей и грибов, окисляющих один или несколько углеводородов — составных компонентов нефти. Согласно современным представлениям эти микроорганизмы являются единственным компонентом водных экосистем, способным разрушать углеводороды нефти и вводить продукты их распада в естественный кругооборот органических веществ. Очевидно, что, используя эти микроорганизмы, трудно добиться полной деградации нефти. Можно, конечно, попытаться подобрать комплексные культуры микроорганизмов, каждая из которых была бы способна разложить один из компонентов нефти, и таким образом всю ее утилизировать. Однако чрезвычайно трудно подобрать оптимальные условия для всех культур, входящих в такой комплекс. Значительно более перспективным представляется искусственное создание культур, совмещающих в своей наследственной природе способность утилизировать все составные компоненты нефти, начиная от легких углеводородов и кончая тяжелыми фракциями, включая мазут. И это не фантастика, такие культуры уже созданы!

Помимо генно-инженерных штаммов для борьбы с нефтяными загрязнениями успешно используются и природные микроорганизмы. Когда после аварии танкера у берегов Аляски на берег вынесло 1500 кубометров нефти, было необходимо провести очистку береговой полосы длиной более полутора тысяч километров. Для решения этой задачи использовали природные микроорганизмы, а чтобы их активировать, внесли азотные удобрения, что в 3–5 раз ускорило разложение нефти.

Природные микроорганизмы участвуют в разложении углеводородов, просачивающихся через трещины на дне озера Байкал. Ежегодно в него поступает около четырех тонн нефти, но благодаря микроорганизмам она разлагается, и вода в озере остается чистой.

Микроорганизмы способны превращать или, как говорят микробиологи, метаболизировать не только вещества органической, но и неорганической природы, в частности ртуть. Ее токсические свойства известны веками, но лишь недавно она стала обнаруживаться в организмах диких птиц и рыбы, что указывает на широкое распространение ртути в экологических системах. Трагические последствия, к которым приводит загрязнение этим жидким металлом, заставили начать поиски эффективных способов уменьшения его концентрации в экосистемах. Выяснилось, в частности, что соединения ртути могут быть разрушены штаммами микроорганизмов, созданными искусственно методами генетической инженерии.

Микроорганизмы также могут быть использованы для очистки окружающей среды от радиоактивного заражения. Так, генно-инженерный штамм бактерии Shewanella oneidensis не только превращает растворимые в воде ионы урана (U⁺⁶) в компактные наночастицы окисла урана, но и продуцирует полимерную клейкую слизь, способствующую их адсорбции.

Уникальная способность микроорганизмов расщеплять природные и искусственные субстраты позволяет использовать их для ликвидации тех неувязок в кругообороте веществ, которые вызваны деятельностью человека.

Микроорганизмы как бы позволяют воссоединить в единую цепь те отдельные разрозненные звенья, на которые человек для удовлетворения своих потребностей разъединил экологически единый цикл круговорота веществ на Земле.

Глава 23

Микроб-компьютер

Значение информации и методика ее измерения и передачи составляют целый предмет изучения для инженера, физиолога, психолога и социолога.
Н. Винер

Микробная клетка представляет собой маленький химический завод. Расширенно истолковывая это понятие, мы должны допустить, что на нем, несмотря на поистине микроскопические размеры, должны быть представлены все службы, присущие настоящему предприятию. К ним относятся служба главного энергетика, ведающая учетом и распределением энергии; служба главного технолога, ответственная за технологию производственного процесса, и служба главного конструктора, разрабатывающая и передающая в производственные цеха новые разработки. И конечно, на заводе должна быть дирекция, управляющая всем производством. Переводя эти понятия на язык биологии, можно утверждать, что такая сложная структура должна иметь систему для получения энергии, систему для получения пластических веществ, систему анализаторов и, конечно, внутренний компьютер, управляющий ими и множеством других подсистем, без которых невозможно существование микроорганизма.

В самом слове «микроорганизм», особенно в приставке «микро», содержится нечто настолько уменьшительное, что обычно воспринимается только первая половина этого сложносоставного слова; на ней сосредоточивается все его содержание и поэтому зачастую упускается из виду вторая половина — «организм» и заключенный в ней смысл. А организм — это сложнейшая структура с целой совокупностью систем и подсистем, объединенная в едином процессе, который мы называем жизнью.

Из этого множества систем невозможно выделить главные или второстепенные. Все они важны, все так или иначе связаны между собой, и неисправность любой из них в конечном счете может привести к гибели организма. И все же есть одна система — безукоризненная исправность которой в первую очередь обеспечивает слаженное функционирование всех остальных. Это система управления.

Микроорганизмы, как и все организмы, существуют в непрерывно трансформирующемся мире. Изменяется все: температура, влажность, освещенность, кислотность среды, напряженность магнитных полей и множество других факторов, что могло бы привести организмы к гибели, если бы в борьбе с этими изменениями они не предпринимали целенаправленных действий.

Мы, люди, например, уверенно чувствуем себя в окружающем мире, потому что можем противостоять (и постоянно противостоим!) этим изменяющимся факторам, борясь за сохранение своего гомеостаза. Можно предположить, что у всех живых систем должна быть некая общность в функционировании систем управления.

И действительно, у микроорганизмов существует механизм взаимодействия с окружающей средой. Они могут ощущать и учитывать градиент концентраций веществ и условий, с которыми вступают в контакт. Этот механизм — многочисленные и разнообразные таксисы. Существуют хемотаксис, фототаксис, термотаксис, гидротаксис, аэротаксис, магнитотаксис и другие. Бактерии способны ощущать не только градиент активных веществ, но и изменение их концентраций во времени.

Природа устройства, обрабатывающего информацию, поступающую из окружающей среды, и передающего ее тем или иным органеллам бактериальной клетки, почти совершенно неизвестна.

Исторически сложилось так, что наиболее изученной в настоящее время оказалась система управления высших животных.

Условно ее работа состоит из трех последовательных этапов: получение исходной информации, ее обработка и выдача управляющего сигнала. О том, как в живых системах происходит обработка информации, а в сущности, о том, какие процессы протекают после ее поступления в блок обработки и предшествуют выходу управляющего сигнала, мы знаем еще пока не очень много.

Полог таинственности над этой проблемой стал медленно приподниматься после того, как были созданы и стали совершенствоваться первые устройства для обработки информации — электронно-вычислительные машины, предшественники современных компьютеров.

В некоторых случаях они служили для проверки предположений о работе «черного ящика», а изучение работы головного мозга, в свою очередь, дало возможность совершенствовать электронно-вычислительные машины. Их проникновение в сферы управления процессами, протекающими с большими скоростями и со значительным числом параметров, потребовало усовершенствования — в основном за счет увеличения скорости работы составных элементов, или, как принято говорить, элементной базы ЭВМ.

Она развивалась от электронных ламп к транзисторам, от транзисторов к интегральным схемам, включающим десятки транзисторов, и, наконец, от интегральных схем (ИС) к большим интегральным схемам (БИС), содержащим до 1000 элементов. Одним из последних элементов развития элементной базы являются СБИСы — сверхбольшие интегральные схемы со степенью интеграции до 1 000 000 элементов на одном кристалле. Разработки (2006 г.) фирмы Hewlett-Packard позволяют разместить на маленьком участке, равном по площади торцевой поверхности человеческого волоса, 10 000 элементов.

Соответственно, по использованным элементам различают машины первого поколения — на электронных лампах, второго — на полупроводниках, третьего — на интегральных схемах и четвертого — на сверхбольших схемах.

С увеличением числа рабочих элементов росли и скорости. Если первые ЭВМ (БЭСМ-1) могли производить 10 000 операций в секунду, то современные компьютеры способны провести за эту единицу времени несколько сотен миллионов операций. Но такой путь увеличения скорости работы ЭВМ имеет предел, хотя число параллельно работающих элементов, казалось бы, можно легко увеличить.

Однако быстродействие ЭВМ определяется не только числом операций в секунду, но и временем, необходимым для прохождения сигнала от одной интегральной схемы к другой. Это не позволяет бесконечно увеличивать число элементов и требует максимальной компактности, которая, в свою очередь, предполагает соблюдение микроразмеров — главного требования, предъявляемого к электронным схемам.

Высокая плотность упаковки устройств в интегральных схемах приводит к их перегреву, поэтому приходится отводить образующееся тепло с помощью различных, иногда довольно сложных приспособлений.

Требования высокой плотности, ограничение общего числа рабочих элементов и тепловые затруднения, о которых мы только что говорили, привели к созданию нового класса полупроводниковых устройств — твердотельных структур.

На сегодняшний день они представляют одну из наиболее быстро развивающихся областей физики твердого тела. Композиционная твердотельная сверхструктура — это периодическая решетка чередующихся сверхтонких слоев двух различных полупроводников. Толщина каждого слоя — не более нескольких сотен атомов. Сложные электронные процессы, протекающие в этих структурах (мы не будем здесь вдаваться в их детали), позволят использовать их как новую элементную базу для современных ЭВМ, значительно превосходящую по своим эффективным параметрам даже интегральные схемы. Получение твердотельных структур основано на самой новейшей и совершеннейшей технологии с использованием лазерной техники и сверхчистых веществ.

Несмотря на впечатляющие успехи в области ЭВМ, головной мозг человека продолжает оставаться недосягаемым образцом для создателей и разработчиков электронно-вычислительных машин. И по числу рабочих элементов, и по энергоемкости, и по компактности он оставляет далеко позади лучшие образцы ЭВМ. Достаточно привести всем известные характеристики головного мозга: объем — несколько кубических дециметров, потребляемая мощность — несколько ватт, а число рабочих элементов 10–15 млрд!

Однако даже максимально приближенные по своим показателям к головному мозгу электронно-вычислительные машины значительно уступают ему по скорости обработки информации, хотя каждый отдельный его «элемент» (нейрон) работает медленнее. Возникло предположение (впоследствии подтвердившееся), что структура или, как принято говорить, архитектоника ЭВМ устроена хуже. Хотя электронно-вычислительные машины и строились по «образу и подобию» процессов, протекающих по принципу рефлекторной дуги на основе известной триады: входной сигнал — обработка — выходной сигнал, тем не менее несостоятельность этой схемы, особенно при управлении быстро протекающими процессами, заставила физиологов более детально исследовать процессы, происходящие в нашем «персональном компьютере» — головном мозге. Это позёволило обнаружить принципиально новую схему обработки информации.

Оказалось, что рецепторы — источники входных сигналов не ведут себя пассивно, они непрерывно информируют центр о производимой работе, получая в ответ новые сигналы и точно рассчитанные поправки. Согласно концепции академика П. К. Анохина, работа каждого органа и управляющего им центра совершается как бы кольцеобразно, в обстановке полного доверия и взаимной осведомленности. Причем в зависимости от меняющихся условий внешней и внутренней среды тотчас же следует коррекция из центра, и весь кольцевой рефлекторный аппарат перестраивается на новый рабочий режим. По такому принципу параллельной обработки информации функционируют все рефлекторные системы. В соответствии с ним работают и новые образцы ЭВМ, что значительно увеличивает их быстродействие.

«Однако при чем же здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Логично предположить, что и у этих биологических систем, стоящих на более низком уровне развития, процессы обработки информации и управления должны быть основаны на таких же принципах. Ведь сам факт их существования и жизнеспособности в изменяющихся условиях свидетельствует о наличии у микроорганизмов практически безынерционных систем обработки информации, хотя и не таких сложных, как головной мозг высших животных.

Как происходят передача и обработка информации в ультраструктуре микробной клетки и какова та элементная база, из которой состоит ее ЭВМ? Ответа пока нет. До сих пор не удалось обнаружить среди разнообразных субклеточных структур микроорганизма такие, которые могли бы выполнять функции блоков обработки информации. Однако эти функции каким-то образом успешно выполняются в клетке. Можно предположить, что здесь не обошлось без одного из основных ее компонентов — белков.

Еще в 1941 г. американский биохимик А. Сент-Дьерди предположил, что в них содержатся делокализованные электроны, которые могут обеспечить передачу в другие места изменений, начавшихся в каком-либо месте белковой макромолекулы. Таким образом, эти переходы аналогичны тем, которые хорошо известны в физике полупроводников и на основе которых функционируют многие электронные приборы и устройства. По мнению французского ученого Л. Бриллюэна, белки также могут служить полупроводниками электронного типа благодаря присутствию в них боковых цепей, действующих так же, как примеси в полупроводниках.

Когда мы говорили о композиционных структурах, предсказанных квантовой теорией твердого тела и воплощенных в металле и керамике, то следовало заметить, что у них есть близкие аналоги в живой природе. Это — клеточные мембраны. По структуре они тоже представляют собой «сэндвичи», но не из тонких слоев различных металлов, а из тончайших слоев белков и липидов.

Не исключено, что это, как принято говорить в биологии, морфологическое сходство ведет к функциональной общности: такие структуры способны играть роль элементов, служащих вентилями в электронных схемах, т. е. выполнять функции полупроводников.

В последнее время в научной и коммерческой литературе появились сообщения о разработке и использовании на базе достижений биотехнологии и микроэлектроники новых структурных элементов ЭВМ — биочипов. Специалисты японской фирмы Suntory Ltd. полагают, что емкость их памяти примерно в 1 млрд раз больше, чем у полупроводников на базе кремния.

Найти микроструктуры, выполняющие роль элементной базы, изучить архитектонику их компоновки в системе СИС (сложных интегральных схем) и условия, обеспечивающие стабильность, надежность и мизерную энергоемкость этих биологических микроЭВМ, разработать биотехнологические схемы их синтеза — вот задача для микробиологов, биотехнологов, специалистов в области микроэлектроники; задача, поставленная американским ученым Норбертом Винером и взятая в качестве эпиграфа к этой главе.

И это не фантастика. В этом направлении уже сделаны первые шаги, и открывающиеся перспективы поистине удивительны! Успехи генетической инженерии позволяют получать в больших количествах белки определенной структуры, обладающие специфическими свойствами. Не исключено, что, применяя методы генной инженерии, можно будет получать структуры, напоминающие полупроводниковые, а используя методы их иммобилизации, — стабилизированные биоструктуры, которые могут служить аналогами сложных интегральных схем и быть основой элементной базы последующих поколений ЭВМ.

Вычислительная техника, создаваемая на элементной базе из биологических материалов, так называемых биочипов, делает первые шаги. И может быть, недалеко то время, когда эта элементная база станет основой для создания компактной, надежной и малоэнергоемкой вычислительной техники будущего.

Глава 24

Malleus et Scientia^[7]

Соизволяется всем и каждому, каждому достается воля… во всех местах… искать, копать, плавить, варить всякие металлы.
Петр I

Геологи… Мужественные, отважные люди. Они пробираются сквозь непроходимую тайгу и знойную пустыню, чтобы найти новое месторождение и отметить его на карте.

«Пришел, увидел…» и открыл. Так неискушенному читателю представляется работа геологов, сложность которой сосредоточена в основном на трудностях пути к месторождению. Однако отколоть кусочек породы и отметить ее выход на поверхность — только часть большой и сложной работы геологов, девизом которых всегда было «Молотком и знанием». Но если первая часть девиза понятна людям, далеким от геологии, то о второй мало что известно. Между тем в наше время геологоразведка пользуется помимо традиционного геологического молотка множеством новых методов, основанных на успехах других наук.

Не отказывается геология и от помощи микробиологии. Оказывается, микроорганизмы можно использовать как тесты на наличие тех или иных полезных ископаемых. Если известный микроб, способный расти только в присутствии вещества «x», растет в неизвестной исследуемой среде, значит, в ней есть это вещество. Из этого вытекают два микробиологических подхода, используемых в процессе геологоразведки. Первый — изучение качественного состава новых образцов микрофлоры уже известных месторождений. Так, по присутствию бактерий Bacillus cereus можно обнаруживать месторождения золота, меди и некоторых других металлов. Второй подход — рост на исследуемых образцах породы «тестовых» микроорганизмов служит еще одним подтверждением присутствия вещества, ради которого проводится поиск.

Объединение этих двух подходов в значительной степени увеличивает вероятность обнаружения полезных ископаемых, если к этому, разумеется, есть и геологические предпосылки. Конечно, кроме микробиологических методов существуют и другие, но микробиологические иногда более чувствительны и специфичны.

Микробиологические методы, разумеется, не дают абсолютной гарантии. Нельзя забывать, что ее может дать только пробуренная скважина или шахта. А бурить скважину, даже пробную, и долго, и дорого. Один день бурения стоит около $1 млн. Поэтому любой дополнительный метод исследования, позволяющий получить информацию о возможном наличии или отсутствии полезных ископаемых, помогает вести геологоразведку более эффективно и экономно.

Предположим, что месторождение нефти найдено, и на географической карте появился знак буровой вышки или нефтяного фонтана. Но месторождений, где нефть действительно фонтанирует, т. е. идет под давлением, остается все меньше и меньше. Нефть приходится качать из глубинных слоев с помощью целой системы мощных насосов.

В последнее время в связи с нехваткой нефти геологи все чаще вынуждены обращаться к разработке даже тех месторождений, в которых она находится в так называемом нефтеносном пласте, состоящем из различных пористых пород, и располагается в микрокапиллярах. В этих случаях решающее значение для ее извлечения имеют сила связи нефти с частицами породы пласта и поверхностное натяжение на границе раздела нефть — вода, в свою очередь зависящее от вязкости нефти. Если бы удалось ее снизить, то добывать нефть из пластов было бы значительно легче. Уменьшение толщины нефтяной пленки на стенках пор песчаника лишь на 0,000002 мм привело бы к увеличению добычи нефти на 10 %. Однако даже введение в пласт поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение, отнюдь не решает задачу извлечения нефти из пористых пород.

Так что же делать? Выкапывать весь слой и промывать его на поверхности? Трудоемко, технически трудноосуществимо и экономически невыгодно. Нефть будет стоить дороже золота! С помощью микробиологов геологи нашли выход из этого затруднительного положения. В нефтеносный пласт вводят микроорганизмы, которые благодаря своим микроскопическим размерам проникают в мельчайшие поры породы и, интенсивно размножаясь и выделяя углекислый газ или метан, создают в каждой поре и в пласте в целом условия, которые способствуют вытеснению нефти на поверхность. Одновременно бактерии, окисляя углеводороды, вызывают изменения их физико-химических свойств, в частности, необходимое снижение вязкости.

Аналогичный эффект увеличения дебита нефтяных скважин можно получить, закачивая культуру микроорганизмов с питательной средой в те из них, в которых резко снизилось избыточное давление. После введения культуры микроорганизмов скважину консервируют и через некоторое время снова открывают. Интенсивно размножаясь в созданных для них благоприятных условиях, микроорганизмы образуют большое количество углекислого газа, который и создает в скважине избыточное давление, необходимое нефтяникам. После такой обработки прирост добычи нефти колеблется в среднем от 20 до 200 %, и это увеличение может сохраняться от двух до восьми лет. Такие разработки уже осуществлены в промышленном масштабе!

Страницы: