Михаил Бухар - Популярно о микробиологии

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

Глава 12

Распространенность микроорганизмов

Нас — тьмы, и тьмы, и тьмы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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