Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов
Свет убивает бактерии
Из рассказа о фотосинтезе мы уже знаем, что жизнь зеленых растений зависит от Солнца, дающего им энергию. Но большая часть бактерий иначе реагирует на солнечный свет. Прямые лучи солнца для них губительны.
Очень показательный пример вредного влияния света на патогенные микробы привел немецкий врач и философ Людвиг Бюхнер. На питательную среду в чашке Петри он посеял культуру Salmonella typhi, возбудителя брюшного тифа. На крышку чашки он приклеил надпись крупными черными буквами «ТИФ» и выставил затем чашку на солнечный свет. По прошествии часа он поместил ее в темный термостат, где продержал 24 ч. На следующий день культура была уже хорошо видна невооруженным глазом, но росла она только на тех местах, которые были прикрыты от солнечного света черными буквами, и на поверхности среды возникла такая же надпись.
Еще из курса физики мы помним, что белый дневной свет при прохождении через стеклянную призму разлагается на составные части — от фиолетового до красного. Наиболее губительной для бактерий оказалась ультрафиолетовая часть спектра. На этом основывается и применение ультрафиолетовых лучей для уничтожения бактерий.
Но существуют бактерии, которые для своей нормальной жизнедеятельности требуют света, например пурпурные серобактерии, обладающие способностью к фотосинтезу. Нужен свет и водорослям, а из простейших — зеленым жгутиковым. Лучше развиваются при свете и некоторые грибы.
На конском навозе вырастает микроскопический гриб Pilobolus, которому свет необходим для образования спор. В природных условиях этот гриб ежедневно создает группу спорангиеносцев со спорангиями. Спорангиеносцы формируются с полудня и вплоть до вечера.
Дальнейшее развитие и образование спорангиев происходит в ночное время. К утру спорангии уже бывают сформированы. Черный спорангий, в котором образуются споры, похож на маленькую черную шапочку, сидящую на слегка вздутом спорангиеносце и обращенную к солнцу. К полудню в находящемся под спорангием пузырьке возникает высокое давление, и он лопается прямо под спорангием, выбрасывая его в направлении источника света на расстояние до двух с половиной метров. Спорангий обычно приклеивается к траве и вместе с ней попадает в желудочный тракт травоядных животных. Там спорангий открывается, и высыпавшиеся из него споры вместе с навозом выходят наружу.
Предел выносливости микроорганизмов
Итак, мы уже узнали, что микробы выносят значительные колебания температуры, гораздо большие, чем человек. Посмотрим же, как реагируют они на другие неблагоприятные условия.
Давление воздуха на уровне моря и на 45° географической широты равно 1 атм. С увеличением высоты это давление снижается. Человек, для которого нижней границей давления принято считать 0,4 атм, очень чувствителен к понижению давления и уже на высоте 3000 м часто заболевает «горной болезнью».
Каковы же в этом отношении свойства микроорганизмов? Установлено, что некоторые виды микроскопических грибов растут и продуцируют споры при давлении всего 5 мм ртутного столба, что соответствует приблизительно 0,006 атм![7]
Нетренированный человек может выдержать повышение давления до 4 атм, водолазы — до 8. Более высокое давление уже опасно для жизни человека. Микроорганизмы, извлеченные со дна океанов, с глубины 10 000 м, где давление достигает 1000 атм, наблюдали при более низких давлениях. Оказалось, что эти условия для них неблагоприятны, их жизненные процессы значительно замедлялись. Ио давление 1000 атм еще не представляет опасности для их жизни. Клетки дрожжей выживали при давлении 8000 атм, а споры одной бациллы выдержали в течение 45 мин давление 20 000 атм.
Проделаем опыт: заполним стеклянную трубку раствором медного купороса и закроем ее на нижнем конце полупроницаемой пергаментной бумагой. Перенесем трубку в сосуд с чистой дистиллированной водой и отметим уровень раствора медного купороса. Через пергаментную бумагу хорошо проходят молекулы воды, но молекулы медного купороса пройти не могут. И действительно, очень скоро мы заметим, что уровень раствора в трубке начинает повышаться, а раствор разбавляться водой, проникшей в трубку из сосуда.
Но уровень раствора повысится лишь до известного предела. Если бы мы добавили в трубку еще кристаллик купороса, уровень снова стал бы повышаться, но тоже только до определенной высоты. Вода из сосуда, как видим, может проникнуть в трубку лишь до известной границы, высота которой зависит от количества растворенного в воде вещества, или его концентрации. Просачивание воды через полупроницаемую перегородку в раствор медного купороса — частный случай явления, называемого осмосом. Для проникновения воды необходимо определенное давление, которое называется осмотическим, а измеряется обычно числом атмосфер, как и давление воздуха или воды.
Направление движения воды может измениться, если мы в сосуд положим такое количество медного купороса, чтобы его концентрация превышала концентрацию раствора в трубке. Тогда уровень жидкости в трубке начнет падать, так как молекулы воды будут двигаться через полупроницаемую пленку в направлении раствора с большей концентрацией медного купороса. В тот момент, когда концентрации растворов по обе стороны пленки выровняются, движение воды прекратится.
Цитоплазматическая мембрана, окружающая внутреннее содержимое микробной клетки, также полупроницаема. Это означает, что она свободно пропускает молекулы воды, но чрезвычайно медленно — все прочие вещества. Содержащиеся в клетке минеральные соли и сахара также растворены в воде. Что же произойдет, если клетку поместить в дистиллированную воду? Возникнет положение, подобно тому, которое было в опыте с трубкой, наполненной раствором купороса и опущенной в сосуд с дистиллированной водой. По одну сторону полупроницаемой цитоплазматической мембраны находится чистая вода, по другую — раствор веществ определенной концентрации. Неизбежно возникнет тенденция выравнивания концентраций, и молекулы воды станут проникать внутрь клетки, расширяя ее объем и увеличивая внутриклеточное давление. Наконец цитоплазматическая мембрана, не выдержав нарастающего давления, разрывается и все содержимое клетки выливается в окружающую жидкость.
Иное положение будет, если клетка микроба попадет в раствор поваренной соли или сахара, имеющий более высокое осмотическое давление, чем цитоплазма клеток. В данном случае выравнивание концентраций будет происходить за счет передвижения молекул воды в обратном направлении— из клетки в окружающий ее раствор. Под микроскопом можно увидеть, как клетка начинает сморщиваться, ее внутреннее содержимое отделяется от стенок и концентрируется в центре.
Из всего вышесказанного ясно, что микробы «чувствуют себя хорошо» лишь в растворах, имеющих приблизительно такое же осмотическое давление, что и в их клетках.
Микроорганизмы обычно способны выдерживать давление 5 и даже 10 атм. Осмотическое давление среды зависит от концентрации растворенных в ней веществ.
Таким образом, богатая солями морская вода имеет значительно более высокое осмотическое давление, чем пресная речная вода. Но микробы живут и в морях. Концентрация солей в морской воде около 3,5 %, что соответствует осмотическому давлению в несколько десятков атмосфер. Живут микроорганизмы и в Мертвом море, вода которого содержит 25 % солей, и в Большом Соленом озере с 27,6 % солей. В соляных копях на поверхности влажной соли живут одноклеточные водоросли.
Другой фактор, сильно влияющий на жизнь микроорганизмов, — так называемая «реакция» (рН) среды. Это свойство зависит от химического состава содержащихся в ней веществ. Кислоты определяют кислый характер среды, основания— щелочной. Наиболее удобной мерой реакции является шкала величин рН — от нуля до 14. При величине рН, равной 7, среду характеризуют как нейтральную, если она ниже 7, ее считают кислой, а если выше — щелочной.
Для большинства бактерий наиболее благоприятна слабо щелочная или нейтральная реакция среды; дрожжи и микроскопические грибы хорошо выносят кислую среду. Кислотоустойчивые бактерии, к которым можно отнести возбудителя туберкулеза, выдерживают очень кислые среды.
В наш атомный век не может не возникнуть еще один вопрос: как влияет на микробы радиоактивность или рентгеновское излучение? Мы знаем, что для животных и растений такие излучения при длительном их воздействии опасны. Микробы также оказались чувствительными к этим влияниям[8]. При облучении большая часть клеток погибает, а у оставшихся в живых обычно несколько изменяются свойства, причем эти изменения переносятся и на их потомство. Такие внезапные изменения наследственных свойств называются мутациями.
