Занимательная микробиология

 

Бессмертные споры

 

 

 

 

Если рассматривать в фазово-контрастный микроскоп живых спорообразующих бактерий, то в темных непрозрачных палочках можно заметить круглые или овальные блестящие зерна. Они так сильно блестят, что кажутся маленькими фонариками. Зерна эти крупные, часто даже шире самой палочки, располагаются на концах или в центре. Так, бактерия столбняка несет круглую спору на самом конце, за что ее иногда называют барабанной палочкой; бактерия ботулизма — тяжелого и, к счастью, редкого заболевания, относящегося к группе пищевых отравлений, имеет очень большую овальную спору и напоминает ракетку для пинг-понга. У возбудителя сибирской язвы спора располагается посредине бактерии. Такие бактерии называются бациллами, в отличие от палочек, не имеющих спор.

 

Можно сказать, что спора, этоособая стадия развития микроба, исключительно устойчивая к губительным для обычной клетки воздействиям. Сам процесс образования спор сводится к тому, что ядро бактериальной клетки обособляется от протоплазмы и" одевается оболочкой, обладающей сильным лучепреломлением (поэтому спора кажется блестящей). Такая оболочка — надежный панцирь, предохраняющий спору от высокой или низкой температуры, различных химических веществ и т. п.

 

Та часть клетки, от которой обособилась спора, вскоре отмирает, и спора вываливается наружу. Образование спор идет в стареющих культурах; его можно искусственно вызвать, долгое время не пересевая бактерий на свежую питательную среду.

Споры обладают поразительной жизнеспособностью: их можно годами держать в высушенном виде, кипятить (правда, лишь при обычном атмосферном давлении), помещать в вакуум, замораживать до температуры жидкого азота (270°) — они остаются живыми и, попав в питательную среду, превращаются — вернее, прорастают, как семена — в обычные клетки. Живые споры находили в зоне вечной мерзлоты. В «Фаусте» Мефистофель говорит о неистребимости жизни:

...все в мире так ведется, Что в воздухе, в воде и на сухом пути,

В тепле и в холоде зародыш разовьется; Один огонь еще, спасибо, остается, А то б убежища, ей-богу, не найти.

Микробиологу, читающему эти строчки, первым делом приходит на ум бактериальная спора (пусть простят нам такую вольность; впрочем, Гёте сам был натуралистом и, наверное, не обиделся бы на нас.)

 

Вполне вероятно, что спора может длительное время существовать и в космосе; ведь есть гипотеза панспермии, согласно которой жизнь на Землю была занесена вместе с космической пылью с какой-то другой планеты.

 

Не совсем понятно, чем объясняется устойчивость этой стадии развития. Ясно лишь, что в это время совершенно затухают все процессы обмена веществ. Спора и по химическому составу отлична от бактерии: например, если вода составляет около 80% веса любой клетки, то в споре ее нет совершенно.

 

Наличие этих устойчивых образований доставляет микробиологам и врачам множество неприятностей. Например, возбудители тяжелых раневых инфекций — столбняка и газовой гангрены — образуют споры. Они могут попасть в рану при операции и вызвать осложнения.

 

Избавиться от спор можно двумя способами. Иногда их убивают, кипятя все то, что соприкасается с операционным полем, под давлением в две атмосферы. Это делается в особых приборах, где поддерживается высокое давление,— в автоклавах. Можно идти и другим путем — «перехитрить» спору, дать ей превратиться в бактерию, а затем убить обычным воздействием (ведь не все можно поместить в автоклав: есть жидкости, которые не выдерживают не только кипячения под давлением, но и простого кипячения). Такой путь называется дробной стерилизацией. Раствор, в котором хотят убить споры, выдерживают около суток при 37°: при этой температуре большая часть бактерий растет лучше всего. Затем раствор прогревают при температуре 80°. Споры, которые не успели прорасти, остаются живыми, зато бактерии погибают. Эту процедуру проделывают еще один-два раза. В, конце концов, спор, способных прорасти, уже не остается.

 

Такой же тактики придерживаются, когда стерилизуют, то есть обеспложивают, многие пищевые продукты, например молоко. Способ многократного нагревания в данном случае называется пастеризацией, по имени Пастера; с названием «пастеризованное молоко», вам, наверно, приходилось сталкиваться в повседневной жизни.

жгутики

 

Нам осталось рассмотреть еще жгутики бактерии органы передвижения.

Бактериальные жгутики — это очень нежные реснички, довольно длинные (часто длиннее самой клетки), но чрезвычайно тонкие — около 0,02—0,04 микрона (то есть тоньше самой бактерии во много раз). Располагаются они на поверхности клетки у разных видов по-разному: иногда окружают венчиком всю бактерию, иногда сосредоточиваются лишь на одном ее конце. Например, у холерного вибриона всего один-единственный жгутик. Жгутики — признак, помогающий различать бактерии.

 

Но вот вопрос: а как увидеть жгутики? Ведь в световом микроскопе нельзя рассмотреть частицу меньше половины длины световой волны (для области фиолетового спектра это около 0,2 микрона).

Это можно представить себе, припомнив водяные волны, на пути которых стоит большой камень и тонкий стебелек тростника. Вода за камнем будет спокойной: там возникнет нечто вроде тени, подобной той, какую отбрасывает непрозрачный предмет на пути световых волн.

 

Самые подходящие условия для размножения микроорганизмов в почве. В одном грамме ее может быть до 3 миллиардов микроорганизмов.

 

Количество их зависит от почвы. В грамме серой лесной почвы насчитывают около миллиарда бактерий, а в плодородной черноземной гораздо больше. Микробы почти невесомы. Вес одной бактерии равен примерно О, ООО ООО ООО 4 миллиграмма.

 

Но когда подсчитали, каков же вес всех микробов, обитающих на гектаре плодородной почвы, в слое толщиной в 30 сантиметров, то оказалось, что несколько тонн!

 

Так и световые волны обтекают слишком мелкие объекты, поэтому в световой микроскоп нельзя увидеть предметы меньше 0,2 микрона или разглядеть раздельно две точки, находящиеся на таком расстоянии.

 

Мы отвлеклись от бактериальных жгутиков. Но зачастую невозможно отделить предмет исследования от методов, которыми он исследуется. Как же все-таки увидеть эти образования? Прибегнуть к электронному микроскопу? Нет, можно обойтись и световым. Только необходимо жгутики прокрасить или протравить солями металлов или другими веществами: от этого они делаются намного толще и становятся видимыми. Бактерия, окрашенная таким способом, не похожа на себя: если, например, жгутики расположены по всему ее телу, то она выглядит запутавшейся в переплетении длинных нитей или корешков.

 

Бактерии «ставят рекорды» среди живых существ не только по миниатюрным размерам; они обладают и рекордной скоростью размножения.

 

Бактерия, попав в питательную среду, увеличивается, в особенности в длину. Затем посередине, поперек клетки, начинает расти клеточная мембрана, деля ее на две половины. Образуются две клетки, разъединенные перегородкой, но одетые общей клеточной стенкой. Между этими клетками потом возникает перетяжка, которая становится все тоньше и тоньше. Наконец перетяжка рвется, и клетки отделяются друг от друга.

 

Все это происходит очень быстро — у кишечной палочки от деления до деления проходит 20—25 минут. Однако так бывает лишь в тех случаях, когда в среде достаточно питательных веществ. .Бактерии, посаженные на скудный рацион, делятся медленнее. Интересно, что скорость деления зависит также от количества бактерий в питательной среде. Если их число превышает определенную концентрацию (так называемую М-концентрацию), то деление приостанавливается, хотя бы питательных веществ было достаточно. Иными словами, есть какой-то механизм, не допускающий перенаселения. Как он действует, непонятно, но для каждого вида бактерий есть своя, совершенно определенная М-концентрация.

 

До сих пор неясно, равноценны ли две клетки, возникающие после деления, или одна из них «старая», а другая — «молодая». По всей вероятности, вещество ядра, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), о которой вы прочтете ниже,— в обеих клетках совершенно равноценно. Белки же, в особенности белки стенки и жгутиков, возможно, неодинаковы — у одной клетки они старше, а у другой моложе,

 

Некоторые другие микроорганизмы, в частности дрожжи, размножаются почкованием. Здесь от одной крупной материнской клетки может одновременно отпочковываться несколько мелких, дочерних.

 

Таким образом, размножение у бактерий — их деление— обходится без участия второго партнера, идет, так, сказать, девственным путем. Это далеко не единственный пример такого рода в биологии (известны многие организмы с циклами девственного размножения, например тли). Однако и у бактерий есть аналоги полового процесса, хотя и не связанные непосредственно с делением. О них вы прочтете в главе «Отцы и дети».

 

Мы рассказали вам о строении, так сказать, об анатомии микробов. Этого иногда достаточно, чтобы классифицировать микроорганизмы. Но это далеко не все, чем располагает классификатор.

...В определителях высших организмов, хотя бы тех же насекомых, кроме «словесного портрета», всегда сообщается, чем это насекомое питается, в какое время года и в какой местности живет и т. д. Для микробиолога сведения о питании и образе жизни микроба еще более важны.

 

Как поступает пища в микробную клетку? О способах питания некоторых простейших мы уже говорили выше: амебы обволакивают добычу своим телом и переваривают; некоторые инфузории загоняют съедобные частицы в ротовое отверстие посредством ресничек. Есть инфузории- хищники, которые нападают на других, более крупных инфузорий. Пробуравливая особым хоботком тело своей жертвы, они затем высасывают содержимое.

 

У бактерий нет никакого ротового отверстия. Питательные вещества поступают здесь через те слои клетки, о которых мы говорили выше, в виде растворов, притом разного состава для разных микробов.

 

Круг веществ, которыми могут питаться бактерии, очень разнообразен. Это — и простые неорганические соединения, такие, как соли железа или других металлов, и более сложные вещества с крупной молекулой, например сахар, и те «кирпичики», из которых слагается белок,— аминокислоты, и Крупные блоки молекулы белка — полипептиды, и, наконец, сами белки.

Внутрь клетки могут проникнуть лишь сравнительно небольшие молекулы; следовательно, крупномолекулярные соединения должны быть разложены на составные части еще вне клетки. Само проникновение молекулы в клетку — вещь тоже не простая: это нельзя сравнить с фильтрацией или накоплением каких-нибудь веществ по одну сторону полупроницаемой мембраны. А когда простые вещества проникли в клетку, начинается самое главное и трудное — образование из них более сложных соединений, в конечном счете — огромных молекул белка и нуклеиновых кислот — веществ самой микробной клетки.

Все это нельзя воспроизвести в пробирке. И для разложения питательных веществ на составляющие их соединения, и для проникновения их сквозь клеточную стенку и цитоплазматическую оболочку, и для синтеза из них веществ самой клетки нужны особые соединения — ферменты.

 

Как сказал один студент на экзамене по биологической химии, «фермент — это когда чего-то совсем мало, а оно может гору своротить». Студента за такое определение не похвалили, а ведь суть вещей была им уловлена правильно — ферменты ускоряют во много раз реакцию между веществами, которая без них либо вообще не происходит, либо происходит во много раз медленнее. При этом фермента, по сравнению с количеством взаимодействующих веществ, может быть ничтожно мало — по весу в миллионы раз меньше. И, что особенно интересно, фермент не убывает в количестве: одна его молекула может много раз обслужить реакцию и снова быть готовой к работе (так хорошая мельница будет вновь и вновь смалывать новые зерна без заметного износа жерновов).

 

Значит, эти особые соединения относятся к числу катализаторов — ускорителей химических реакций. Такие катализаторы известны и в неживой природе, поэтому те, которые есть только у живых существ, называются биокатализаторами. По составу они — белки. Для каждой реакции нужен свой фермент: он подходит к ней, как ключ к замку. Поэтому таких белков-катализаторов у растений, животных и микробов великое множество. Пока, правда, не вполне изучен еще механизм, с помощью которого происходит реакция. Некоторые ученые считают, что крупные молекулы фермента — это нечто вроде площадки для встреч молекул веществ, участвующих в реакции. Есть и другие предположения. Мы не будем их разбирать, а сделаем общий вывод: для жизнедеятельности любого организма нужно много ферментов, и от их набора зависит в том числе и способ питания микроорганизма.

 

Те микробы, для питания которых нужны лишь неорганические соединения — кислород, растворы некоторых солей, сера,— называются аутотрофами (в переводе на русский язык это название означает: те, кто сами себя кормят).

 

Аутотрофы строят свои белки и нуклеиновые кислоты, можно сказать, из ничего — из азотистых соединений, воды, кислорода... Это все равно, что построить пирамиду Хеопса из крохотных кирпичиков (а не из многотонных каменных блоков, из которых она сложена на самом деле). Можно даже подсчитать, во сколько раз вся «пирамида» (скажем, огромная молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты — и название-то какое длинное!) больше одного «кирпичика» — молекулы углекислого газа или аммиака.

 

Молекулярный вес дезоксирибонуклеиновой кислоты (ее обычно называют сокращенно — ДНК) у бактерий равен 1000 миллионам; молекулярный вес углекислого газа — 44. Значит, вся «постройка» больше «кирпича» в 20 миллионов раз (можно напомнить, что на многоэтажный дом сейчас тратят около 100 тысяч кирпичей). И «возводится» вся молекулярная постройка за какие-нибудь полчаса (срок, нужный, чтобы бактериальная клетка произвела себе подобную).

 

Для всего этого нужен такой мощный набор ферментов, что только диву даешься, когда подумаешь, как это он помещается в микробной клетке. За такой «фабрикой» не угнаться лучшим химическим лабораториям.

 

Микробы, которые усваивают органические соединения (сахары, аминокислоты), называются гетеротрофами. Мик- робы-гетеротрофы строят свое тело не из кирпичиков, а из целых блоков. Такое «крупноблочное строительство» требует меньшего числа ферментов. Выделяясь из клетки, часть из этих ферментов разлагает органические вещества внешней среды на более простые составные части; попадая в клетку, части эти и играют роль блоков.

 

Среди гетеротрофов выделяется группа паратрофов. Эти микробы питаются, так сказать, лишь полуфабрикатами, веществами, которые производят живые организмы. Чтобы из такого полуфабриката получить «готовое изделие», нужно уже немного усилий.

 

Где же микробы берут вещества для питания? Способ питания, а значит, и ферментный набор микробов во многом определяется теми условиями, в которых они живут (а может быть, вернее будет сказать, что ферментные наборы микробов определяют место их обитания).

 

Микробы вездесущи. Многие из них живут там, где ничто другое не может жить,— в воде горячих минеральных источников, например. Это типичные аутотрофы: для своей жизни они не нуждаются в присутствии других живых существ.

Бесчисленное множество микроорганизмов пользуется продуктами жизнедеятельности растений и животных и даже микробов-аутотрофов, то есть веществами, уже прошедшими частичную переработку. Все микробы брожения и гниения — гетеротро- фы. Число их видов, наверное, никогда не будет подсчитано. Они живут на растительных и животных останках и в теле животных, например в кишечнике.

 

Ну, а паратрофы — постоянные «иждивенцы» других живых существ. Их отношения с «хозяином» (так называют организм, которому они сопутствуют) могут быть различными. Случается, что их присутствие более или менее безразлично для него; иногда они приносят ему пользу, а иногда вред (в этом случае их называют паразитами).

Приспособленность микроорганизмов к самым невероятным условиям существования поистине безгранична. Есть микробы, которые могут жить в сильных ядах, например в солях цианистой кислоты. Встречаются и такие, которые живут в недрах атомного реактора. И ничего! Переносят радиацию, в 2000 раз превышающую смертельную для человека дозу. Живых бактерий извлекали из горячих источников, температура которых достигала почти 100° по Цельсию.

 

С тех пор, как были открыты микробы, в течение многих десятилетий микробиологи учились выращивать их в лабораторных условиях (а позже и в условиях производства, на специальных заводах). Понятно, почему это так важно,— ведь недостаточно увидеть микробов под микроскопом, нужно изучить их образ жизни, способы питания и т. д. Собственно говоря, только с того момента, когда их научились выращивать и культивировать, микробиология стала точной наукой.

 

В лабораториях их выращивают на питательных средах; сейчас микробиологи располагают огромным количеством таких сред (больше тысячи). Но самой первой был сенной настой: в нем всегда в изобилии встречается множество простейших и бактерий.

Однако на такой среде могут найти себе пищу далеко не все микробы. Поэтому число жидких питательных сред быстро увеличивалось, по мере того как возникали новые и новые отрасли микробиологии: микробиология виноделия, пивоварения, молочных продуктов и т. д. Один из основоположников науки о микробах — Луи Пастер использовал в качестве питательной среды пивное сусло, вино, виноградный сок, мясной бульон... Круг микробов, которых можно было выращивать в лаборатории, все время расширялся.

 

На многих новых средах, например, на мясном бульоне, могли расти и некоторые микроорганизмы, вызывающие болезни человека и животных. Особенно хорошо они росли, если к бульону добавлялись такие вещества, как кровь, кровяная сыворотка, спинномозговая жидкость. Дело в том, что при кипячении мясного бульона (а это в общем-то самый настоящий, съедобный бульон, только обезжиренный, с особыми пропорциями солей и потому невкусный) разрушаются некоторые вещества, содержащиеся в мясе. Вместе с кровью они вносятся вновь. Поэтому микробы- паразиты находят в такой среде те же вещества, которыми они питались и в организме. Но у жидких сред есть важный недостаток. Если посеять на жидкую питательную среду один какой-нибудь вид микроба, то этот вид на ней и вырастет. Что посеешь, то и пожнешь, так сказать. Но если в «посевном материале» будет несколько микробных видов или бульон окажется сильно загрязненным, TQ на нем вырастет смесь микробов. Разобраться в этой смеси будет трудно.

 

Судите сами. Сколько бы видов микроорганизмов ни выросло на бульоне, результат будет один — бульон помутнеет. Но смешанный «урожай» не годится для изучения свойств какого-либо одного вида микроорганизмов. Между прочим, неумение получать чистые посевы привело к тому, что некоторые микробиологи прошлого были уверены в способности микробов переходить из одних форм в другие. Они считали, что вибрион может превращаться в палочку, а палочка— в плесневой грибок и т. д. На самом же деле посевы просто загрязнялись. Чем загрязнялись? Бактериями из воздуха, конечно.

 

Очень простой способ получать чистые посевы нашел Роберт Кох. Он предложил сеять микробов на плотные среды, например на застывшую желатину. Позже широкое распространение получил так называемый агар-агар. Каждая микробная клетка, попадая на поверхность плотной питательной среды, размножается, но не уплывает от материнской клетки, как в бульоне, а остается рядом. Вырастают скопления клеток, хорошо видимые простым глазом. Называются такие скопления колониями.

Колония состоит из потомков одной-единственной клетки и не загрязнена никакими посторонними микробами. Если даже из воздуха попадает другая микробная клетка, то ее колонию обычно легко отличить от первой — по величине, окраске, форме. Микробов из отдельной колонии можно безбоязненно пересевать на жидкие питательные среды — «посевной материал» будет всегда однородным и чистым, если, конечно, при этом соблюдать определенные правила.

 

В плотные питательные среды можно прибавить все те, нужные для роста, вещества, которые добавляют и в жидкие. Поэтому на них можно вырастить любых микробов, растущих на жидких средах. Плотные среды дали возможность более точно классифицировать микроорганизмы.

 

Ни одно животное не может переварить пчелиный воск, кроме африканской птички — медоведа. А медо- вед ест воск и чувствует себя преотлично. Секрет, оказывается, в том, что у этой птицы в кишечнике обитают специальные бактерии, которые и помогают хозяйке справляться с неудобоваримой пищей.

 

Как вы уже знаете, разные микробы растут на разных средах, то есть по-разно- му усваивают питательные вещества. Неизвестному микробу прежде всего можно предложить набор сред, которые будут отличаться одна от другой лишь немногими веществами. Обычно исследователь приблизительно знает, к какому виду относится неизвестный микроорганизм: сведения об этом дает морфология. Кроме того, если, скажем, ставят диагноз инфекционной болезни, то само течение ее подсказывает, что будет обнаружен один из двух-трех возбудителей сходно протекающих болезней. Поэтому и среды подбирают определенного состава.

 

Специалисту многое скажет не только то, вырос или не вырос микроб на какой-нибудь среде, но и как долго он рос, какого цвета и формы его колонии (если среда плотная), образуется ли осадок в бульоне. Наконец, важно бывает выяснить, как микробы разлагают (или не разлагают) некоторые составные части питательной среды.

В медицинской микробиологии особенное внимание обращают на разложение Сахаров, молока, на образование при этом кислых продуктов, аммиака, сероводорода. Но как это увидеть? Ведь нельзя заниматься количественным анализом «по всей форме» для каждой микробной культуры, которую исследуют в лаборатории при больнице или санитарно-эпидемиологической станции; на это и не хватит времени. Поэтому есть упрощенные способы. К средам добавляют специальные кислотно-основные индикаторы, меняющие окраску при появлении кислот или щелочей. Раньше в большом ходу был лакмус, теперь он вытесняется другими красителями, более дешевыми и чувствительными.

 

При исследовании некоторых бактерий весь набор питательных сред так и называют «пестрым рядом». В набор входит несколько пробирок с питательной средой, в которую добавлен какой-нибудь сахар (например, сахароза, или лактоза). В те же пробирки добавляется и индикатор.

 

Когда вырастут бактерии, то одна часть пробирок с разложившимся сахаром будет красного цвета, а другая — с неразложившимся — останется бесцветной. Штатив с пробирками и впрямь сделается пестрым. Для каждого вида бактерий в таком ряду будет определенное сочетание разложившихся и неразложившихся Сахаров.

Есть индикаторы и на появление аммиака, сероводорода и, других газообразных веществ.

Можно добавлять индикаторы и к плотным средам. Тогда меняет свой цвет выросшая колония, а также небольшой участок среды под ней и около нее.

 

Так на практике используются различия в ферментативной активности бактерий. Ведь свойство разлагать сахар зависит от того, есть ли в клетке нужный фермент. Например, такой неприхотливый микроб, не паразит, а лишь сожитель человека, как кишечная палочка, разлагает все или почти все разновидности сахара в пестром ряду, а возбудители тифа, паратифа, дизентерии, хотя и сродни кишечной палочке, но, «избалованные» паразитическим существованием, часть ферментов утратили и разлагают не все виды Сахаров.

 

Таким образом, микробиолог располагает сейчас немалыми возможностями для точной классификации любого вида бактерий, который ему повстречается. Сложнее обстоит дело с вирусами как из-за их очень малой даже для микробов величины, так и из-за особенностей их роста и питания.

 

 

 

 Смотрите также:

 

БАКТЕРИИ — широко распространенная в природе группа...

Строение бактерий. По форме Б. делят на три группы (1): шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы).

 

Словарь по концепции современного естествознания. Абиогенез...

Автотрофы (аутотрофы) —организмы, синтезирующие из неорганического вещества необходимые для жизни органические вещества.