Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов
Но в мире микробов мы знаем еще более выдающихся «рекордсменов». Микроскопические грибы, обитающие в воде, размножаются зооспорами — подвижными овальными или круглыми спорами, которые снабжены жгутиками. Некоторые из них проплывают за секунду расстояние в 25 раз большее, чем их длина, а зооспоры водной плесени Actinoplanes — даже в 99 раз большее! Бегун на стометровой дорожке за секунду пробегает расстояние, лишь в 7 раз превышающее его высоту. Если бы он хотел достичь скорости зооспор, ему нужно было бы пробежать за час около 600 км!
При помощи жгутиков передвигаются и простейшие, принадлежащие к крупной систематической группе жгутиковых. Амебы осуществляют активное движение тем, что переливанием цитоплазмы изменяют форму своих клеток и выдвигают из них так называемые псевдоподии, что позволяет им передвигаться даже по твердому субстрату. Однако нам известны многие виды микробов, движущихся только пассивно, вместе с массой жидкости. К категории этих «ленивых» микробов относятся, например, уже знакомые нам по спиртовому брожению дрожжи, а микроскоп показал, что пекарские дрожжи — не что иное, как спрессованные клетки дрожжей. Микробы могут пассивно переноситься и мельчайшими частицами пыли или капельками слюны, которые при чихании и кашле выбрасываются в окружающую среду.
Таким образом, невидимый мир микробов находится в природе в постоянном движении (пассивном или активном). Движение — одно из существенных проявлений жизни. Оно происходит и внутри клеток, где постоянно движутся молекулы различных соединений или клеточных образований.
Рост и размножение микроорганизмов
Как сказал известный французский физиолог XIX века Клод Бернар, жизнь есть творение. Живые организмы отличаются от неживой природы главным образом тем, что растут и размножаются. Их рост и размножение лучше всего наблюдать у таких одноклеточных микроорганизмов, как бактерии или дрожжи.
Рост бактериальной клетки не безграничен. Достигнув определенной величины, она перестает расти. Но ее жизнь при этом не кончается, она продолжает создавать живую материю, и под микроскопом мы можем наблюдать, как в известный момент она начинает делиться на две части, которые вскоре отделяются друг от друга и становятся двумя самостоятельными равноценными организмами. Так из одной материнской клетки появляются две дочерние. Вырастая, они тоже делятся, и в результате образуются четыре клетки, потом восемь, шестнадцать и т. д. Клетки, возникшие из одной материнской, представляют уже новое поколение (новую генерацию), подобно человеческому потомству (фото 27 и 28).
Время от возникновения клетки до ее деления на последующие две, то есть продолжительность существования одной генерации, называется временем генерации. В природе наблюдается определенная закономерность: чем мельче организм, тем скорее появляется у него новое потомство. Бактерии при благоприятных условиях размножаются очень быстро. Из них быстрее всего — кишечная палочка Escherichia coli; каждые 20 мин материнская клетка делится на две дочерние. Если бы размножению клеток кишечной палочки ничто не препятствовало, из одной бактерии в течение одних только суток возникло бы такое количество клеток, что из них можно было бы соорудить пирамиду с основанием в 1 км2, а высотой до 1000 метров.
Так же быстро размножается и возбудитель холеры Vibrio cholerae. При благоприятных условиях каждая клетка делится по прошествии 20 мин на две дочерние. Подсчитаем результат размножения только одной исходной клетки холерного вибриона в течение 48 ч. За 4 ч должно совершиться 12 делений и из одной клетки образоваться 4096 клеток. По прошествии 6 ч их стало бы уже 262 144, а через 10 ч — 664 141 904! После 48 ч количество клеток выражалось бы числом, представляющим цифру 22 с 42 нулями, а общий вес этой массы клеток в тоннах — цифрой 22 с 24 нулями, то есть вес в 4000 раз больший, чем вес всего земного шара. Однако мы видим, что в природе размножение микробов не может продолжаться столь долгое время.
Схема размножения микроорганизмов с различным периодом генерации. Культура А делится через 60, культура Б — через 30 мин. Через 2 ч каждая из клеток культуры А будет иметь четырехчленное, а клетка культуры Б — шестнадцатичленное потомство.
Культуру туфельки Paramecium caudatum удавалось выращивать в течение 13 лет. После деления материнской клетки на две дочерние последние выращивали отдельно. Туфельки делятся раз в сутки. За 40 дней все потомство одной клетки заняло бы пространство в 1 м3, а за семь лет масса этих микроорганизмов весила бы уже в 10 000 раз больше, чем земной шар. Естественно, что в природе столь бурное размножение микробов невозможно.
Ультратонкий срез прорастающей споры Рenicillium megasporum. Видны различные структуры клетки, ядро, митохондрии, капельки жира, клеточная стенка.
Такая высокая способность к размножению ограничена в природе многими факторами. Известно, что слон — животное с очень низкой репродуктивной способностью, но если бы все слонята доживали до взрослого состояния, популяция слонов за неполных 50 лет возросла бы вдвое. Пара слонов, живших 100 000 лет назад, в настоящее время имела бы потомство с астрономическим числом индивидов, выражающимся цифрой 4 с 602 нулями!
Однако вернемся к царству микроорганизмов. Дрожжи размножаются значительно медленнее бактерий. Время генерации у них длится от двух до четырех часов. Так же медленно размножаются и многие микроскопические грибы. Их гифы растут в длину за счет образования все новых и новых клеток. Нити гиф, кроме того, разветвляются и при благоприятных условиях образуют репродуктивные органы, которые производят споры. В подходящей обстановке спора прорастает, из нее появляется новая гифа, и весь процесс повторяется снова.
В уже упоминавшейся Лаборатории электронной микроскопии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе наблюдали процесс прорастания конидий микроскопического гриба Penicillium megasporum. На ультратонких срезах прорастающих конидий были обнаружены большие изменения. В них увеличилось количество митохондрий, являющихся продуцентами энергии, стенки конидий лопнули, и в этом месте образовались проростки с многослойными стенками. Митохондрии и ядро сместились к растущему проростку и будущей гифе. Это изображено на прилагаемом рисунке.
Рост и размножение можно наблюдать не только в лаборатории, но и в природе. Подвижные споры водного микроскопического гриба Oovorus copepodarum после отделения их от материнской клетки плавают в воде 5–6 мин, затем закрепляются на яйцах веслоногих рачков, на которых они паразитируют, и в течение дальнейших 5 мин проникают внутрь яиц. В них они быстро делятся, и уже через 15 мин гриб, выросший внутри яйца, образует новые споры. Таким образом, каждые 30 мин возникает новое поколение этого гриба.
Американский миколог Эмерсон с сотрудниками, выращивая водные микроскопические грибы, изучал их рост и размножение. Подвижные споры (зооспоры) этих грибов образуются в органах, называемых зооспорангиями.
В Канаде, в университете Ватерлоо, ученые Кендрик и Коле наблюдали возникновение спор у растущего на суше гриба Trichothecium roseum. Этот гриб образует скопление конидий на общем конидиеносце. Через определенные интервалы ученые фотографировали этот процесс под микроскопом. В течение 12 ч число спор на одном конидиеносце возросло в 3 раза (фото 30).
Моно прибегает к помощи математики
Итак, мы видели, что определение жизни, данное К. Бернаром, вполне применимо к миру микробов. Микробы растут и размножаются. Рост и размножение макроорганизмов относительно легко наблюдать и изучать. Так например, размножение культурных растений можно определять, подсчитывая их урожай, а размножение животных — подсчитывая их потомство. Прирост или уменьшение населения в определенной области устанавливается периодическим подсчетом жителей. В более мелком масштабе можно проследить изменения в росте или весе отдельных лиц и изобразить это графически.
Как же наблюдать с достоверностью рост и размножение микроорганизмов? Как подсчитывать мельчайшие клетки бактерий или дрожжевых грибов? Этим вопросом занимался Ж. Моно из Пастеровского института в Париже в период, казалось бы, наименее благоприятный для подобных исследований, — в первые два года второй мировой войны. Свои наблюдения и заметки он опубликовал в книге «Исследование роста бактерий», вышедшей в 1942 году. Книга Ж. Моно и его методы стали классическим достоянием современной микробиологии. Размножение бактерий ученый графически изобразил при помощи «кривой роста», показывающей изменение численности бактерий за определенное время.
