Бетина Владимир

Путешествие в страну микробов

Предисловие

Написать научно-популярную книгу по микробиологии можно лишь в том случае, если ее автор не только хорошо знает эту область науки, но и обладает талантом популяризатора. Все должно быть предельно ясным для неспециалиста, но и достаточно увлекательным, чтобы у читателя не ослабевал интерес к содержанию книги.

Хороших научно-популярных книг по микробиологии очень мало. Между тем интерес к этой науке возрастает с каждым годом, так как нет человека, который не слышал бы о применении антибиотиков, заболеваниях, передаваемых микроорганизмами, роли микробов в приготовлении пищевых продуктов, а также в их порче.

Книга В. Бетины «Путешествие в страну микробов» знакомит читателя с научными основами общей и медицинской микробиологии. Она дает представление о форме, размерах, физиологии микроорганизмов и их роли в практической деятельности человека.

Обращают на себя внимание три положительные особенности книги. Прежде всего, она написана строго научно, все содержащиеся в ней сведения весьма тщательно отобраны из большого и разнообразного материала. Второй особенностью следует считать популярность изложения, которой строго придерживается автор независимо от степени сложности сообщаемых им данных. И наконец, третьей особенностью следует считать ее современность. Автор излагает последние данные вирусологии и микробиологии, которых нет в ранее публиковавшихся научно-популярных книгах по микробиологии.

Книга, по замыслу автора, должна привести читателя в мир микробов. Однако автор очень расширил круг своих интересов. Помимо сведений по общей, сельскохозяйственной, технической, медицинской и ветеринарной микробиологии, он уделил большое внимание химиотерапии, эпидемиологии, иммунологии, вирусологии, протозоологии, молекулярной биологии и другим научным дисциплинам. В результате о самих микробах мы узнаем меньше современных данных, чем могли бы узнать, отведи им автор больше места. Так, нет ссылок на новый мир микробов, недавно открытых и имеющих необычную морфологию. Нет сведений о микробах, невидимых в оптический микроскоп. Недостаточно освещена роль микробов в круговороте различных элементов в природе. Нет указаний на особенности круговорота азота, изменившегося за последнее время. В почве и воде происходит нежелательное накопление нитратов. Окислы азота, попадающие в атмосферу при сгорании различных видов топлива, а также при внесении в почву нитратов, приводят к евтрофикации водоемов и к значительным потерям азота из почвы в результате денитрификации.

Применение микробов в практике гораздо шире и многограннее, чем указано в книге. Сорок лет назад техническая микробиология занималась в основном процессами брожения. Возбудители спиртового брожения, дрожжи, широко применялись в виноделии, винокурении, пивоварении, хлебопечении; уксуснокислые бактерии — для получения уксуса; молочнокислые бактерии (иногда одновременно с дрожжами) — при производстве кисломолочных продуктов, а также в сыроделии.

В настоящее время картина изменилась. С помощью микроорганизмов получают более 20 различных антибиотиков, ряд витаминов, незаменимые аминокислоты, ферментные препараты для употребления в легкой, пищевой и медицинской промышленности. В медицине широко применяются кровезаменители, получаемые с помощью микроорганизмов; последние принимают также участие в синтезе новых лекарственных препаратов — стероидных гормонов. Во многих странах организовано микробиологическое производство лимонной, молочной, койевой, фумаровой и других кислот. Очень жаль, что автор не дал описания того, как за сравнительно короткий срок возникла мощная микробиологическая индустрия, которая продолжает бурно развиваться.

Второе замечание касается деления микробов на «добрых» и «злых». К последним автор относит возбудителей болезней растений, сельскохозяйственных животных и человека. Здесь, однако, уместно вспомнить, что теперь с помощью патогенных бактерий и токсигенных микробов успешно борются с грызунами и насекомыми — вредителями культурных растений и древесных пород. Помимо патогенных форм, все представители сапрофитной микрофлоры могут быть полезными в одних и вредными в других условиях. Это касается любого микробиологического процесса. Нитрификация, как правило, полезна, но сейчас ее угнетают в почве особыми веществами, так как быстрое накопление в ней нитратов нежелательно. На заводах, производящих аммиачные удобрения, развитие нитрифицирующих бактерий может привести к взрывам. Из углеводородов нефти микробиологическим путем получают белок, кислоты, аминокислоты, но в то же время разложение нефти в нефтехранилищах и развитие микроорганизмов в бензине стало серьезной проблемой.

В природе широко распространен процесс восстановления бактериями сульфатов. С помощью этого процесса десульфуризации лечебную грязь, добываемую в грязевых озерах, можно из серой, малоактивной превратить в черную, обладающую значительным лечебным действием. В некоторых странах, не имеющих залежей серы, сульфаты, которые содержатся в сточных водах, подвергают десульфуризации и из образующегося при этом сероводорода путем окисления кислородом воздуха получают чистую молекулярную серу.

Однако такое же восстановление сульфатов в почве и воде является причиной порчи газовых и других труб, а также металлического нефтяного оборудования, поскольку выделяющийся сероводород действует на железо и образует его сульфиды. Наиболее грандиозным по своим масштабам является процесс микробиологического разрушения целлюлозы. Такой процесс в лесных и полевых почвах необходим, так как он возвращает в атмосферу углекислый газ. Без разрушения целлюлозы изменился бы круговорот углерода, что в свою очередь, сказалось бы на нормальном течении жизни на Земле. К сожалению, целлюлозные микроорганизмы разрушают стволы живых деревьев, бревна, доски, железнодорожные шпалы, деревянные строения, хлопчатобумажные и льняные ткани, толь, бумагу, картон, а также вызывают порчу редчайших книг и гравюр.

Читая книгу В. Бетины мы узнаем, что под действием микроорганизмов из зеленой краски на обоях образуются ядовитые соединения мышьяка и что следы мышьяка можно обнаружить с помощью культуры гриба. (Этот прием обычно описывается в руководствах по судебной медицине.) Следует добавить, что концентраты золота и олова, содержащие мышьяк, можно освободить от него с помощью микробов, и работа металлургов перестает быть опасной. Не увеличивая числа примеров, подчеркнем только, что полезность и вредность любого процесса, вызываемого сапрофитными микробами, полностью определяется теми конкретными условиями, в которых протекает этот процесс. Следовательно, наши друзья из мира микробов могут стать нашими врагами и наоборот. По сравнению с числом видов сапрофитных микробов количество патогенных микробов ничтожно.

Все сказанное ни в коей мере не умаляет достоинств книги В. Бетины «Путешествие в страну микробов». В ней содержится много необычайно интересных и малоизвестных исторических данных, заимствованных из Древней истории или истории Средних веков и непосредственно связанных с микробиологией. Она читается с захватывающим интересом, и о ряде событий впервые узнает не только широкий круг читателей, но и специалист в области микробиологии. Нельзя не отметить блестящий, живой и, несомненно, талантливый стиль изложения. Интересные эпиграфы, яркие метафоры, оригинальные примеры, образные сравнения и сопоставления — все это делает чтение книги увлекательным. При этом автор полностью избежал вульгаризации. Научные данные преподносятся В.Бетиной в легко усваиваемом и художественном изложении, что выгодно отличает его книгу от ранее изданных научно-популярных книг по микробиологии.

Академик А. Имшенецкий

Предисловие автора к русскому изданию

Вперед же к светлому познанию вещей,

Учителем природа пусть нам станет!

У. Вордсворт, 1798

Весть о переводе «Путешествия в страну микробов» на русский язык была встречена мною с радостью. Для автора, представляющего небольшой словацкий народ, перевод его книги на язык великого русского народа — большая честь. Тем более что четверть века назад, когда я еще только начинал учиться в Словацкой высшей технической школе в Братиславе, моим первым иностранным пособием был русский учебник микробиологии.

Ученые всего мира отдают должное участию передовых русских биологов конца прошлого века в становлении микробиологии как самостоятельной науки. А. Г. Полотебнов уже в 1872 году с целью лечения гнойных ран с успехом применял гриб Penicillium, что доказало лечебное действие плесени задолго до открытия пенициллина. В 80-х годах прошлого века И. И. Мечников обнаружил явление фагоцитоза и на этой основе разработал в дальнейшем фагоцитарную теорию иммунитета. В 1887 году появилось первое сообщение С. Н. Виноградского об автотрофных бактериях. Два года спустя Д. И. Ивановский опубликовал результаты своих исследований мозаичной болезни табака. Полученные им новые факты многим казались невероятными, однако именно они легли в основу наших познаний о вирусах, положив начало вирусологии.

И вот сегодня, через сто лет после первых опытов Полотебнова, отрадно отметить, что научные и дружеские контакты нашей кафедры в Братиславе с советскими коллегами на поприще дальнейшего изучения антибиотиков успешно развиваются.

Путешествуя по стране микробов, читатель познакомится не только с учеными, о которых я уже упомянул, но и со многими другими выдающимися деятелями мировой микробиологической науки. По словам одного из них, молекулярная биология (о которой читатель узнает несколько позже) прошла в своей истории три этапа развития: романтический, догматический и академический. На первом этапе новые факты и открытия воспринимались как необыкновенные происшествия. На втором формулировались точные и подчас слишком категоричные представления о полученных фактах. На третьем этапе объективным и тщательным подходом к исследованию проверялись и по-новому оценивались уже полученные данные с полным сознанием того, как мало мы еще знаем. Подобным же образом и историю развития микробиологии, как нам кажется, можно было бы разделить на три аналогичных периода. Ее «романтические» открытия связаны с именем А. ван Левенгука, человека, который впервые наблюдал мир микроскопических организмов, в том числе и бактерий (1676). Догматическим периодом микробиологии можно назвать конец XIX и первые десятилетия XX века. Академический период начался лишь после второй мировой войны. В нашем совместном путешествии мы с читателем пройдем все три фазы развития микробиологии.

Цель этой книги — вызвать или воскресить интерес к полному тайн и невидимому простым глазом миру микроорганизмов. Микробиология и в наши дни, когда славных мореплавателей сменили отважные космонавты, занимает не последнее место в программе исследований космического пространства. И путешествие в мир живого микрокосмоса нашей планеты не будет лишено напряженных и волнующих моментов.

В последние десятилетия микроорганизмы стали объектом изучения цитологов, генетиков, биохимиков, биофизиков и даже кибернетиков. Эти бесконечно малые существа представляют для ученых исключительный интерес в связи с тем, что являются чрезвычайно благодарным объектом в качестве подопытных организмов. С микробами не могут не считаться и те специалисты, которые заняты поисками источников питания для все возрастающего населения нашей планеты.

Чего можно ожидать в будущем от микробиологии и смежных с ней областей науки? Академик А. А. Имшенецкий недавно в статье, посвященной микробиологическим исследованиям в космической биологии, сказал об этом так:

«Последние успехи в области молекулярной биологии, биохимии и генетики, такие, как синтез генов и ферментов, обогатили нас новыми знаниями. Все это — очень важные открытия, но в будущем мы будем знать больше. Оставшиеся двадцать пять лет нашего века, несомненно, принесут нам еще многие замечательные открытия в области биологии. Мы должны помнить, что находимся лишь в начале понимания явлений, составляющих основу жизни. И самым мудрым мотто для каждого биологического института могли бы стать слова Шекспира: «Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам».

И под впечатлением этих мыслей, высказанных выдающимся советским микробиологом, мне хочется пожелать, чтобы издание книги «Путешествие в страну микробов» на русском языке способствовало, особенно среди молодых читателей, пробуждению неутомимого энтузиазма в раскрытии тайн и загадок удивительного мира микробов.

В. Бетина

Братислава, октябрь 1974 года

Пролог

Предисловие — это та часть книги, которую сочиняют последней, ставят первой и которую почти никто не читает.

А. Й. Лотка, 1925

С тех пор как человеческий глаз впервые увидел бактерии, минуло три столетия. Но потребовалось еще двести лет, прежде чем микробиология стала самостоятельной наукой. И еще долгое время, вплоть до середины нашего века, эта новая отрасль биологии постепенно раскрывала ту огромную роль микроорганизмов, которую они играют в жизни человека, сопровождая его от колыбели до могилы. Они как бы стоят на грани жизни и смерти: разлагая отмершие организмы, они возрождают условия для жизни новых существ. Неведомые в прошлом «злые» микробы сеют заразу и смерть, «добрые» же верно служат человеку, помогая ему в приготовлении продуктов питания, в создании ценного химического сырья, а в последнюю четверть века являясь поставщиками пенициллина и других антибиотиков. С появлением этих препаратов произошел очень важный переворот в методах борьбы со «злыми» представителями мира микробов.

Именно об этом я и попытался рассказать словацким читателям в вышедшей в конце 50-х годов книге «Таинственный мир микробов». В предисловии к ней Павел Немец, член-корреспондент Словацкой Академии наук, писал, что «она помогает читателям пережить приключения, связанные с познанием нового».

Для современной науки полтора десятилетия — срок большой. Благодаря усилиям ученых всего мира накопление новых знаний в микробиологии идет чрезвычайно быстрыми темпами. Но этим успехам мы обязаны не только микробиологам. Все больший интерес к миру мельчайших живых существ проявляют и такие отрасли биологии, как биохимия, биофизика, генетика, ставшие самостоятельными науками почти одновременно с микробиологией. К ним присоединилась и более молодая молекулярная биология, нашедшая в вирусах и бактериях прекрасную модель для изучения взаимоотношений между молекулами, роль которых на сцене жизни мы все еще стараемся понять и разгадать. Чрезвычайный интерес представляют микроорганизмы и для недавно развившейся космической биологии, которая находит свое применение там, где жюльверновская фантазия соприкасается с волнующей действительностью.

Микроорганизмы теперь уже не только верные спутники, враги или помощники человека в его повседневной жизни и в покорении природы. Они служат ему еще и подопытными существами, помогающими искать ответ на столь сложный вопрос: что такое жизнь?

Вот и эта моя книга о тех же микробах — новая не только по своему названию, но и по содержанию. Ее цель — сделать более доступными новые горизонты познания, одним из путей к которым является изучение самых мельчайших представителей живой природы.

Я приглашаю читателя совершить совместное путешествие в страну микроорганизмов. Он убедится, что и в век космических открытий можно испытать увлекательные приключения в этом, казалось бы, так хорошо знакомом, но еще полном тайн мире мельчайших живых существ.

Часть первая. Знакомство с микроорганизмами

После всех попыток узнать, какие силы в корне действуют на язык и вызывают его раздражение, я положил приблизительно пол-унции корня в воду: в размягченном состоянии его легче изучать. Кусочек корня оставался в воде около трех недель. 24 апреля 1676 года я посмотрел на эту воду под микроскопом и с большим удивлением увидел в ней огромное количество мельчайших живых существ.

Некоторые из них в длину были раза в три-четыре больше, чем в ширину, хотя они и не были толще волосков, покрывающих тело вши… Другие имели правильную овальную форму. Был там еще и третий тип организмов — наиболее многочисленный — мельчайшие существа с хвостиками. Животные четвертого типа, шнырявшие между особями трех других, были необыкновенно малы — настолько малы, что, по-видимому, и целая сотня их, выстроенная в ряд, не превысила бы песчинки. Чтобы сравняться с ней, потребовался бы по крайней мере десяток тысяч этих существ!

А. ван Левенгук

1. Путешествие в страну микробов

Характерная черта науки и прогресса состоит в том, что они постепенно открывают нашему взору все новые и новые области.

Л. Пастер

Неизвестные сожители

Было это очень давно, когда третья планета Солнечной системы получила нового обитателя — «единственное существо, сознающее свое место в природе», как охарактеризовал его У. М. Симпсон из Гарвардского университета. Шведский естествоиспытатель XVIII века К. Линней в своем сочинении «Система природы» дал этому существу имя Homo sapiens (человек разумный). Человек постепенно знакомился с окружающей его средой, стараясь использовать ее в своих целях. Сначала он жил в пещерах и, охотясь, постепенно узнавал царство животных; по мере развития скотоводства он еще более расширял свои познания. Не обошел он своим вниманием и царство растений, давшее ему возможность перейти со временем на оседлую жизнь землепашца.

Но кроме растений и животных были в окружающей среде и другие существа, которые сопровождали человека от его рождения до смерти. О них он ничего не знал, потому что не мог их видеть. Нередко эти существа врывались в его жизнь, порождая болезни и сея смерть.

В процессе покорения природы человек использовал этих невидимых спутников, даже не догадываясь об их существовании. Он научился печь хлеб из кислого теста, делать вино из перебродившего сока плодов, приготовлять пиво из зерен некоторых злаков.

Проходили века. Человек все шире и глубже познавал и осваивал природу, он стал удобрять почву, изменять течение рек, покрывать поля и луга каналами, приносящими животворную влагу или уносящими ее избыток. В неизведанные и таинственные моря вышли его лодки и корабли. Он поднимался на гребни гор и покорял простирающиеся за ними земли. Но всегда и повсюду человека сопровождали невидимые спутники; одни из них поражали его частыми и неожиданными болезнями, портили запасы пищи, другие помогали сохранять плодородие почвы, были надежными помощниками в приготовлении хлеба и напитков.

На заре

Шестнадцатый и семнадцатый века отмечены в истории многими значительными событиями. Но для нас, естественно, важно прежде всего то, что в этот период были заложены основы современной науки.

Английский философ XVI века Фрэнсис Бэкон в книге «Новый органон» высказал смелую мысль, что наблюдения — это единственный путь к познанию видимого мира, путь, который уже приносил свои ценные плоды. Так, в 1543 году великий польский астроном Николай Коперник на основе собственных наблюдений доказал, что Земля является планетой Солнечной системы, а не наоборот, как это думали раньше. Выдающийся итальянский мыслитель Джордано Бруно в 1600 году собственной жизнью расплатился за поддержку взглядов Коперника, а спустя тридцать три года итальянский астроном Галилео Галилей спас свою жизнь, отрекшись под давлением инквизиции от этих «еретических» суждений.

Развитие астрономии сделало огромный шаг вперед в начале XVII века, когда голландские шлифовальщики стекла создали свои первые подзорные трубы.

Это был инструмент, появление которого предсказывал еще в XIII веке английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон в своей необычной «Эпистоле»: «Прозрачные стекла можно расположить так, что очень отдаленные предметы покажутся близкими: на большом расстоянии мы сможем различить мелкие буквы и как бы приблизить к себе далекие звезды».

Живая природа также привлекала внимание исследователей. Итальянский врач Андреас Везалий в 50-х годах XVI века положил начало современной анатомии человека, а английский медик Уильям Гарвей в 1628 году описал цикл кровообращения в человеческом организме.

Линзы, изготовлявшиеся шлифовальщиками стекол, можно было расположить иначе, не так, как в телескопе. И тогда они увеличивали очень мелкие предметы. Так появились первые микроскопы, которые раскрывали перед исследователями живой природы картины не менее интересные, чем телескоп на звездном небе.

Немецкий естествоиспытатель Атанасиус Кирхер использовал микроскоп для изучения болезней. С помощью своего очень несовершенного прибора он рассматривал гной и кровь людей, пораженных сифилисом. Исследуя гниющее мясо, скисшее молоко и другие жидкости, он обнаружил в этих различных веществах, по его собственному выражению, «живых червей». Возможно, он действительно видел личинки червей или насекомых, а может быть, и кровяные тельца.

Во всяком случае, он счел их возбудителями болезней и был уверен, что они переносятся мухами, которые садятся на больных и умирающих людей, а потом, загрязняя своими экскрементами пищу, заражают таким образом здорового человека.

Усовершенствование микроскопа позволило английскому ученому Роберту Гуку впервые использовать этот прибор для тонких научных исследований. Проводя наблюдения над строением растений, он с удивлением увидел в ткани древесной пробки правильные ячейки, названные им впоследствии клетками и изображенные в книге «Микрография» (1665). Эти работы положили начало теории клеточного строения живых организмов.

Но ни один из перечисленных ученых в свои несовершенные, слабо увеличивающие микроскопы не смог увидеть того, что удалось открыть их современнику, простому голландцу, заслужившему тем не менее титул отца микробиологии.

Страж судебной палаты

Он родился в 1632 году в голландском городе Делфте (в то время в Европе все еще продолжалась Тридцатилетняя война). В Амстердаме он обучался торговому делу, но уже в возрасте 22 лет вернулся в родной город, где стал стражем судебной палаты (что по современным понятиям соответствует сочетанию дворника, истопника и уборщика в одном лице). Его страстным увлечением было изготовление оптических линз-чечевиц. Он научился прекрасно шлифовать стекла, а потом стал наблюдать различные мелкие объекты, размеры которых чудесным образом увеличивались под его линзами в двести и более раз. Это было довольно трудным занятием. Один из его современников писал: «Предмет нужно подставить под линзу, линзу придвинуть к самому глазу, а вот нос при этом девать решительно некуда!» На этих-то линзах-чечевицах, называвшихся «микроскопиями», и зародилась слава Антони ван Левенгука.

Под микроскопом все выглядело необычным и можно было наблюдать мелкие объекты, невидимые невооруженным глазом. Левенгук рассматривал крошечных насекомых, капельки воды, слюны, мочи, крови. О его наблюдениях стало известно в Лондонском королевском обществе. С 1673 года и до самой смерти этот не получивший систематического образования человек регулярно посылал в Общество «письма», в которых описывал свои наблюдения, поражавшие английских ученых на протяжении целых 50 лет.

В 1676 году Левенгуку впервые удалось увидеть бактерии. В это время его интересовало совсем другое — почему корни некоторых растений столь едки и остры на вкус. Чтобы понять это, он клал корни на некоторое время в воду, а затем наблюдал под микроскопом капельки полученного настоя. В них он увидел мелких «зверушек», которые сновали в воде и имели самые разные формы. Огромное множество так же необычайно быстро двигавшихся мелких «зверушек» нашел он и в зубном налете. «В полости моего рта, — писал он в очередном послании Обществу, — их было, наверное, больше, чем людей в Соединенном Королевстве». К этому сообщению он приложил рисунки, изображавшие «зверушек». В них, без сомнения, можно узнать различные формы бактерий. Такими впервые увидел их глаз человека.

«Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!» Такую фразу можно найти в его 76-м послании Лондонскому королевскому обществу, помеченном 15 октября 1693 года. Наблюдая их под линзами собственного изготовления, он отмечал, что по своему строению эти мелкие существа напоминают некоторые крупные организмы. Интересно его замечание по этому поводу: «… рассматривая мелких зверушек с их ножками, я думаю о том, что они в десять тысяч раз тоньше волоска из моей бороды, а есть и более мелкие. Они должны иметь приспособление для передвижения и какие-то вместилища для переноса пищи…»

Современные микробиологи легко могли бы доказать Левенгуку, что он ошибался. Микробы не имеют ножек. Бактерии передвигаются в жидкой среде за счет активного движения тоненьких жгутиков. Толщина этих образований — около пяти стотысячных долей миллиметра. Но даже если бы Левенгук увидел бактериальную клетку со жгутиками такой, какой ее можно видеть в электронном микроскопе, он, вероятно, говорил бы о «хвостиках», при помощи которых эти «зверушки» движутся подобно головастикам.

Зарисовки бактерий, выполненные Левенгуком.

В 1700 году Левенгук обнаружил в воде из канала любопытные организмы, относимые нынешними микробиологами к водорослям Volvox. Королевское общество получило о них такую информацию: «Я наблюдал великое множество плавающих в воде зеленых шарообразных существ величиной с песчинку. Когда я положил их под микроскоп, то увидел, что это не простые шарики. Их поверхность была покрыта торчащими выростами, показавшимися мне трехгранными и направленными своими верхушками в одну сторону. На всей поверхности одного шарика оказалось около 80 таких выростов, правильно расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Шарики слагались в небольшие комочки, на каждом комочке насчитывалось, таким образом, до двух тысяч выростов. Интересно, что эти комочки никогда не прекращают движения, которое осуществляется перекатыванием».

Новейшие наблюдения над вольвоксами показали, что своим вращением они напоминают маленькие планеты, как бы плывущие в капельке воды — своей собственной «микровселенной». Они всегда движутся к свету и никогда в обратном направлении. Колония вольвоксов состоит из 500—50 000 клеточек (или «телец», как писал Левенгук), а планеты они действительно напоминают еще и тем, что, вращаясь, сохраняют всегда одно и то же вертикальное положение своей оси, имея, таким образом, некое подобие «полюсов». Теперь мы уже знаем, что их «северный полюс» обеспечивает им питание, а «южный» служит местом размножения. Именно здесь каждый час от материнской колонии отделяются все новые и новые маленькие колонии, являющиеся как бы прообразом многоклеточных организмов.

Левенгук написал Лондонскому королевскому обществу свыше 170 писем, а в своем завещании оставил ему 26 знаменитых «микроскопий». Один из современных членов этого общества, профессор Н. У. Пири на заседании, посвященном 240-летию со дня смерти Левенгука, сказал:

«Письма Левенгука полезно перечитывать. В них отражен человек глубоко разносторонний, интересующийся всем на свете. Он имел свои, твердо установившиеся взгляды и обладал способностью убедительно их отстаивать. Из Парижа ему сообщали, что не смогли заметить никаких «шариков» во многих из описанных им материалах. Он же отвечал, что это не имеет значения, пусть приедут к нему в Голландию и убедятся в существовании этих шариков».

Учение о самозарождении и микробы

«Отец микробиологии» открыл для своих современников невидимый ранее мир микроорганизмов, которые присутствуют всюду — в воде и гниющем мясе, в остатках пищи и слюне человека, в молоке и воздухе.

Обнаружение микробов в самых различных материалах способствовало распространению споров о происхождении живых организмов. Еще с далекой древности люди привыкли к мысли, что живая материя возникает в природе из неживой.

Аристотель считал, что кроме живых существ, рождающихся от себе подобных, есть и самозарождающиеся организмы. Животные появляются на свет не только «в результате спаривания, но и из перегнойной почвы или навоза». Черви и различные насекомые, например, самозарождаются из росы, перегнойной почвы, сухой древесины.

Английский врач Уильям Гарвей, открывший в XVII веке кровообращение, подверг сомнению идею о самозарождении организмов и высказал мысль, что «все живое — из яйца» (Omne vivum ex ovo), иными словами: при данном состоянии природы живые организмы никогда не возникают из неживой материи, а всегда от себе подобных.

Левенгук в одном из писем Королевскому обществу писал: «Я полагаю, что мы уже можем быть достаточно уверены в том, что все животные, как бы малы они ни были, зарождаются не в результате процессов гниения, а только размножением себе подобных». Его современник итальянский ученый Франческо Реди экспериментально доказал, что мухи не зарождаются из гнилого мяса. Он показал, что личинки мух появляются на мясе только в тех случаях, когда живые мухи откладывают на этой питательной среде свои яйца.

После открытия микробов снова возник вопрос, есть ли у этих мельчайших существ родители или они появляются и из неживой материи. Английский натуралист Джон Нидхем попытался ответить на этот вопрос собственными опытами: он вскипятил бульон из баранины, налил его в сосуд и плотно заткнул пробкой. Через несколько дней в сосуде появились микробы. Чем не явное доказательство, что микробы могут возникать из неживой материи? Конечно же, в этой мертвой материи заключена некая таинственная жизненная- сила, способствующая зарождению живых «зверушек»!

Опыты Нидхема повторил итальянский ученый Ладзаро Спалланцани, который установил, что при продолжительном кипячении бульона «жизненная сила» не порождает никаких микробов. Но если тотчас после кипячения открыть доступ воздуху, в бульоне через некоторое время начинают кишеть микробы. Значит, решил Спалланцани, продолжительное кипячение уничтожает все микробы, находившиеся в отваре, и они вновь появляются в нем вместе с входящим в сосуд воздухом. Кроме того, Спалланцани наблюдал под микроскопом, как в капельке мясного отвара один микроб разделился на две одинаковые части, каждая из которых со временем вновь делилась, порождая таким образом все новые и новые микробы. Все это заставило его выступить с утверждением, что и микроорганизмы происходят от себе подобных.

Французский физик Каньяр де ля Тур в XIX веке установил, что в брожении пива участвуют дрожжи — мелкие микроорганизмы, способные очень быстро размножаться в бродящей жидкости. Он доказал, что дрожжи никогда не возникают из неживой материи, что процесс брожения идет только в их присутствии и ими же самими вызывается.

Подобные наблюдения проводил и немецкий естествоиспытатель Теодор Шванн, который утверждал, что мельчайшие микробы, обнаруживаемые в гниющем мясе, и являются причиной его гниения.

Рождение новой науки

Однако споры о самозарождении не прекращались. Парижская Академия наук в 60-е годы XIX столетия предложила награду тому, кто точными и достоверными опытами окончательно разрешит этот спор.

Выдающийся французский ученый Луи Пастер на основании многократных опытов и проведенных им ранее наблюдений пришел к определенным выводам и предстал перед широкой аудиторией в Сорбонне 7 апреля 1864 года, чтобы дать ответ на этот важный вопрос. В тот день здесь собрался весь цвет культурного Парижа. Пастер изложил обобщающие заключения о происхождении бактерий и так высказался о сторонниках теории самозарождения: «Нет, сегодня не имеется ни одного известного факта, с помощью которого можно было бы утверждать, что микроскопические существа появлялись на свет без зародышей, без родителей, которые их напоминают. Те, кто настаивает на противоположном, являются жертвой заблуждений или плохо проделанных опытов, содержащих ошибки, которые они не сумели заметить или которых они не сумели избегнуть»[1]. Пастер убедительно доказал присутствие микробов в воздухе, на всех окружающих нас предметах и в некоторых жидкостях, где идут процессы разложения или брожения. Сами микробы не являются продуктами разложения, напротив, гниение наступает именно в результате их жизнедеятельности.

Пастер был по образованию химиком и лишь позднее стал заниматься биологией, которой увлекались в то время многие образованные люди. Интерес к химии появился у него под впечатлением посещаемых им в Сорбонне лекций — их читал один из крупнейших химиков того времени Жан Батист Дюма. По окончании курса 26-летний Пастер преподавал физику в одном из лицеев Дижона, а в 27 лет стал внештатным профессором химии Страсбургского университета. К этому времени он уже сделал одно значительное открытие: доказал, что кристаллы винной кислоты бывают двух типов и имеют двоякую физическую природу, обусловленную различным расположением атомов в ее молекулах.

В 1854 году, когда Пастеру исполнилось 32 года, он получил должность штатного профессора и декана незадолго до того созданного естественноисторического факультета в Лилльском университете. Именно здесь Пастер-химик и положил начало развитию микробиологии как самостоятельной научной дисциплины. К тому времени о микробах было уже накоплено немало сведений, но еще недоставало научной оценки полученным фактам, и многие важные вопросы ожидали своего решения. Пастер с воодушевлением примкнул к лагерю «охотников за микробами».

За советом к уже известному ученому обратились французские виноделы в надежде, что он поможет им устранить нарушения в ходе процесса брожения, когда помимо спирта появляются различные нежелательные продукты. При микроскопическом исследовании бродильных жидкостей Пастер обнаружил живые микроорганизмы овальной формы, они быстро двигались в жидкой среде и энергично размножались делением. Своими наблюдениями он подтвердил выводы, сделанные его соотечественником де ля Туром: брожение — процесс биологический и вызывается микроорганизмами. Изучая этот процесс, Пастер установил, что при нарушении спиртового брожения в жидкости появляются микробы, отсутствующие при нормальном течении этого процесса. К такому же заключению он пришел, изучая процессы получения пива и уксуса.

На основании этих наблюдений Пастер сделал вывод о том, что каждый тип брожения вызывается определенными специализированными видами микробов. Он разработал методы, позволяющие препятствовать «плохому» брожению, при котором в вине или пиве появляются нежелательные кислоты.

Изучая возбудителей инфекционных болезней животных и человека, он установил, что каждое такое заболевание возникает в результате деятельности особого вида микробов, и предложил способы борьбы с ними.

Помимо необычайного упорства и гениального ума Пастер обладал еще одним выдающимся качеством — он воодушевленно и страстно боролся за то, чтобы полученные им выводы убедили и других ученых. Он читал публичные лекции, знакомил со своими опытами широкий круг заинтересованных лиц. Начав свою деятельность в качестве химика, он заложил затем научные основы микробиологии, произвел революцию в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Позднее, уже в Париже, он основал в 1888 году научно-исследовательский институт микробиологии, который в настоящее время носит его имя. В институте он работал и жил. Теперь в директорской квартире Пастеровского института на улице доктора Ру (его ученика и ближайшего сотрудника) создан Музей Пастера. Там все содержится в таком же виде, как и при жизни ученого. Как и тогда, вы найдете на его столе небольшой трехцветный французский флажок. Оставался он там и после проигранной Францией франко-прусской войны, что для ученого было небезопасно.

27 декабря 1892 года по случаю 70-летия Пастера в Сорбонне состоялось большое торжество. Поздравить юбиляра приехали прогрессивные ученые из всех стран мира. Видный английский врач Джозеф Листер, использовавший поистине революционное открытие Пастера в области хирургии, сказал на торжественном заседании: «Пастер сорвал у нас с глаз повязку, веками мешавшую нам видеть сущность инфекционных болезней». Юбиляр встал и обнял выступавшего под бурные аплодисменты всей аудитории. Он был слишком растроган и не смог произнести подготовленную речь. Зачитать ее пришлось его сыну. Ученый призывал молодежь к творческой работе на благо родины и всего человечества: «Какое бы место в жизни вы ни занимали, не поддавайтесь унынию, когда для вашего народа настанут трудные и печальные времена. Живите и работайте в спокойном мире лабораторий и библиотек. Всегда вы должны прежде всего спрашивать себя: что сделал я для своего образования? Что сделал я для своей Родины? Учитесь и работайте неустанно, и тогда вам улыбнется счастье и вам удастся сделать что-нибудь для прогресса и лучшего будущего человечества. Но даже если жизнь и не даст вам этого счастья и удачи, вся ваша работа должна быть такой, чтобы вы имели право сказать: «Я сделал все, что мог».

В полуподвальном помещении Пастеровского института находится небольшой склеп. В нем спустя три года был похоронен человек, о котором И. И. Мечников писал: «Как у каждого из нас, и у Пастера были свои ошибки. Но нет сомнения в том, что, помимо его огромных заслуг перед человечеством, это был выдающийся человек, человек большого сердца».

Кох присоединяется к «охотникам за микробами»

В маленьком немецком городке Клаусталь в семье горняка Коха 11 декабря 1843 года родился сын, названный Робертом. Жена родила рудокопу 13 детей. Двое умерли вскоре после рождения, об остальных десяти нам ничего не известно. Но имя Роберта Коха золотыми буквами вписано в историю микробиологии и медицины.

Успешно окончив гимназию, молодой Кох поступил на медицинский факультет Гёттингенского университета, где показал незаурядные способности. Тем не менее по окончании курса он долго не мог найти своего призвания, несколько раз менял место и характер работы. Разразившаяся в те годы эпидемия холеры в Гамбурге произвела большое впечатление на молодого медика и повлияла на всю его дальнейшую жизнь. С 1872 года он начал изучать заразные болезни. В своей квартире в городке Вольштейн (ныне Познань) он устроил небольшую лабораторию и там с помощью микроскопа, подаренного ему женой в день двадцативосьмилетия, провел свои первые микробиологические исследования. Кох с головой ушел в поиски возбудителей инфекционных болезней. В частности, он пытался выявить и возбудителя сибирской язвы, от которой на востоке Германии гибло тогда огромное количество скота.

Это было время ожесточенных споров и борьбы между приверженцами зачастую совершенно противоположных воззрений на причины возникновения заразных болезней. Одно из них уходило корнями в учение древнегреческого врача Гиппократа, считавшего причиной инфекционных болезней загрязненный воздух, который якобы содержит какие-то окисляющие вещества («болезнетворные миазмы»). Еще в 1863 году немецкий биолог Рудольф Вирхов писал: «Чем реже обновляется в закрытом помещении воздух, чем хуже вентиляция, тем скорее возникают миазмы тифа».

В 1876 году Кох опубликовал свое первое сообщение о микроорганизме — возбудителе сибирской язвы, назвав его Bacillus anthracis. Из крови животных, погибших от этой болезни, ему удалось выделить живые клетки возбудителя и размножить их в так называемой чистой культуре. К тому времени был уже широко известен предложенный Пастером метод культивирования бактерий на мясном бульоне. Однако он не позволял отделять друг от друга различные виды бактерий. Немецкий ботаник Фердинанд Кон использовал для этой цели кусочки вареного картофеля. Кох усовершенствовал этот метод выращивания бактерий. Материалом, полученным из крови павших животных, он натирал пластинки вареного картофеля. На них спустя некоторое время появлялись отдельные блестящие пятна колоний, которые представляли собой скопления мириад бактерий. Переносом отдельных колоний на различные пластинки картофеля Коху удалось отделить одни виды бактерий от других и получить их чистые культуры. Первой из этих культур была культура антракса — возбудителя сибирской язвы. Зараженные ею подопытные животные погибли, а из их селезенок ученый снова получил чистую культуру антракса и этим убедительно доказал, что возбудителем болезни является именно этот микроб.

Позднее Кох стал выращивать микробы на культуральных средах, к которым добавлял желатину. Когда Пастер увидел чистые культуры на этом твердом субстрате, он воскликнул: «Это действительно большой прогресс!»

Продолжая изучать бациллы антракса, Кох впервые сфотографировал их увеличенными при помощи микроскопа, став, таким образом, основателем микробиологической фотографии. Он иллюстрировал этими фотографиями свой доклад в Бреслау (ныне Вроцлав). В 1876 году профессор Кон дал им такую оценку: «Доктор Кох, известный своим эпохальным открытием возбудителя сибирской язвы, снова заслужил широкое признание изобретением метода фотографирования бактерий».

24 марта 1882 года стал «памятным днем в истории человечества», как сказал позднее один из учеников Коха. В этот день Кох сделал в Берлинском обществе физиологов сообщение о возбудителе туберкулеза. В своем вышедшем всего за несколько недель до этого учебнике патологии один из видных немецких профессоров писал: «Вопрос о возбудителе туберкулеза следует до сих пор считать нерешенным, поскольку нет прямого доказательства существования вызывающего его микроорганизма». Кох этот вопрос разрешил. Он открыл возбудителя туберкулеза, назвав его Mycobacterium tuberculosis, и выделил его в чистой культуре. После заражения этой культурой подопытных животных у них развился туберкулез, и Кох получил, таким образом, несомненное доказательство, что возбудителем этой болезни является открытый им микроорганизм, названный впоследствии «палочкой Коха».

В следующем году Кох принял участие в очень важной экспедиции в Египет, где немецкие и французские микробиологи работали над решением вопроса о природе холеры. Однако эта экспедиция не увенчалась успехом. Только через год Коху, предпринявшему экспедицию в Индию, удалось открыть и возбудителя холеры.

Научная деятельность Коха сопровождалась не только успехами и славой. Вскоре после опубликования работы об открытии возбудителя холеры он пишет статью «Дальнейшее сообщение о лечении туберкулеза». В ней говорилось о препарате, полученном из туберкулезных бактерий и названном им туберкулином. Кох писал, что на основе проведенных им опытов туберкулин можно с уверенностью считать лекарством от туберкулеза. Эта весть быстро распространилась по всему миру, вызвав новые надежды на исцеление. Многие больные устремились к Коху в Берлин, но их ждало горькое разочарование — туберкулин не излечивал от этой болезни. Позднее, впрочем, он получил иное применение и теперь употребляется в диагностике туберкулеза для установления, был ли у человека или животного контакт с туберкулезными бактериями.

С туберкулезом связана и другая ошибка Коха. Он утверждал, что человек не может заразиться туберкулезом от крупного рогатого скота. Однако подобное утверждение оказалось несостоятельным, так как стали известны случаи заражения человека от этих животных. Конечно, все эти ошибки нисколько не умаляют ценности научных достижений Роберта Коха. В 1905 году Кох был удостоен Нобелевской премии по медицине, что для ученого является наивысшим международным признанием. И если бы он дожил до наших дней, то увидел бы, что его открытия помогли найти надежные и действенные средства борьбы против туберкулеза.

2. Визит в мастерскую микробиологов

Поинтересуйтесь этими помещениями, так выразительно названными лабораториями[2]; требуйте их повсеместного создания и улучшения!

Л. Пастер

Как выглядит мастерская

Страж судебной палаты в Делфте был человеком чрезвычайно скрытным. Даже собственной жене он не позволял входить в «святая святых», где происходили его встречи с микроорганизмами. Но что сказал бы он, посетив современные лаборатории?

Его лупы увеличивали не более чем в 200 раз. Как бы обрадовался он, если бы ему представили правнука его «микроскопии» — современный световой микроскоп, увеличивающий клетку в 3000 раз. Мы сообщили бы ему также, что электронный микроскоп позволяет нам идти еще дальше — увеличивать объекты в сотни тысяч и миллионы раз и приподнимать завесы, скрывающие от нас тайны живой природы.

А Спалланцани увидел бы множество специальных сосудов — цилиндрических, граненых, шарообразных и плоских, больших и маленьких — для выращивания микроорганизмов. Некоторые сосуды названы по имени ученых, впервые применивших их в своей работе. Мы встретим здесь колбу Пастера, матрас Ру, сосуды Фрейденрайха и Ганзена, чашки Петри. Сосуды с культурами микробов находятся в специальных шкафах (термостатах), где можно обеспечить температуру, которая позволяет микробам наилучшим образом проявить свою жизненную активность. А вот и «тюрьма», где содержатся осужденные на смерть микроорганизмы…

Различные приборы, платиновые пластинки и иглы, стеклянные пипетки с ватными «пробками» на одном конце служат для переноса (пересева) микроорганизмов из сосуда в сосуд.

Черные, синие, зеленые, лиловые растворы в бутылочках — разнообразные красители, используемые для окраски микробов при изучении их под микроскопом.

Микробы, как правило, очень требовательны к пище, поэтому нужно иметь специальные «камеры» для хранения предназначенных для них пищевых запасов, из которых по рецептам «поваренной книги» приготовляются необходимые питательные среды.

Смерть микробам!

Еще Спалланцани доказал, что при длительном кипячении жидкостей находящиеся в них микробы погибают. В первой половине прошлого века немецкий естествоиспытатель Шванн, продолжив эти наблюдения, установил, что высокая температура убивает и микробы, находящиеся в воздухе.

Пастер также весьма остроумным методом доказал присутствие микроорганизмов в воздухе и возможность их умерщвления кипячением жидкости. В специально приготовленный круглый стеклянный сосуд (с горлышком, вытянутым в длинную S-образную трубку) он налил питательный раствор и подверг его длительному кипячению. Затем у не остывшего еще сосуда запаял конец трубки.

При последующем охлаждении объем жидкости, естественно, уменьшился и в сосуде возникло пониженное давление. Жидкость оставалась чистой, живых микробов в ней не было. Но как только Пастер отламывал кончик запаянной трубки, в нее вследствие пониженного давления тотчас засасывалось небольшое количество воздуха, а с ним и микробы, которые, достигнув питательного раствора, начинали быстро размножаться.

Современник Пастера, английский физик Джон Тиндаль, показал, что микробы в жидкостях гибнут после нескольких повторных кипячений.

Все упомянутые методы уничтожения микробов воздействием высокой температуры мы объединяем под общим названием стерилизация. В лабораториях применяют несколько способов стерилизации.

Жидкости чаще всего стерилизуют при помощи водяного пара под давлением выше атмосферного. Аппарат, в котором проводится такая стерилизация, называется автоклавом. Первый автоклав был создан в Париже в 1885 году под руководством Пастера. Для стерилизации небольшого количества воды обычно достаточно ее нагревания в течение 20 мин при давлении пара в одну атмосферу. Увеличением давления еще на одну атмосферу можно достичь повышения точки кипения до 120 °C. Двадцатиминутного пребывания микробов в паре при такой температуре вполне достаточно, чтобы они погибли.

Повторное кратковременное нагревание жидкости до точки кипения, примененное Тиндалем, мы называем теперь тиндализацией. На предприятиях молочной промышленности для частичной стерилизации молока применяют пастеризацию — нагревание до 60 °C в течение 30 мин. В результате такой обработки уничтожается большинство вредных микробов, в том числе и возбудитель туберкулеза.

Различные стеклянные предметы и сосуды без жидкостей стерилизуются горячим воздухом в течение полутора часов при температуре 170 °C. Стерилизуемые предметы помещают в жестяные ящики или заворачивают в бумагу, которая предохраняет их от загрязнения микробами после стерилизации. Сосуды с питательными жидкостями при подготовке к стерилизации паром затыкают комочками ваты. Через вату микробы из воздуха не могут проникнуть в сосуд, и жидкость долгое время остается стерильной.

Для улавливания микробов из жидкостей и газов употребляют бактериальные фильтры; в настоящее время для этой цели чаще всего используют так называемые мембранные фильтры из нитроцеллюлозы. Все виды применяемых фильтров имеют настолько мелкие поры, что сквозь них бактерии не проникают. О том, что в мире микроорганизмов существуют формы, которые могут проскочить и через эти мелкие поры, долгое время не было известно. С этими организмами мы еще встретимся в дальнейших главах.

Чистые культуры и г-жа Гессе

В 70-х годах прошлого столетия два известных «охотника за микробами» — Антон де Бари и Оскар Брефельд выделили из природных материалов целый ряд различных микроскопических грибов и, выращивая в чистых культурах, изучили их свойства.

Их коллега X. Шредер использовал при исследовании бактерий не только вареный картофель, как это делал Кон, но и белок вареного яйца, крахмал и другие питательные среды, на которых появлялись различно окрашенные колонии бактерий. Каждая из этих колоний вырастала из одной-единственной клетки, порождавшей в благоприятной среде многочисленное потомство.

Учитывая эти обстоятельства, Кох попытался получить и чистые культуры болезнетворных бактерий на стерилизованном картофеле. Однако картофель как питательная среда имел свои недостатки: многие виды бактерий на нем вообще не росли.

Поэтому нужно было найти такое вещество, которое способствовало бы превращению питательной жидкости в твердый субстрат. Кох начал добавлять в питательные растворы (еще не остывшие) желатину, превращающую жидкость в подобие фруктового желе. На поверхности такого желе, разлитого в небольшие стеклянные сосуды, ученый выращивал культуры бактерий, образующих мелкие колонии.

Желатина — вещество белковой природы и как таковое подвергается разложению микроорганизмами, в результате чего разжижается. Да и желе само по себе начинает превращаться в жидкость уже при температуре выше 28 °C.

Для нормальной жизнедеятельности болезнетворных микробов требуется не менее 37 °C, поэтому выращивать их нужно лишь при такой температуре. В. Гессе, ассистент Коха, как-то пожаловался своей жене на неудачные опыты с желатиной. Она вспомнила в связи с этим, что во время своего пребывания на Дальнем Востоке видела, как для приготовления многих блюд использовали в качестве желатиноподобного вещества агар, получаемый из некоторых видов морских водорослей.

А что, если попробовать агар в качестве питательной среды для микробов? И агар оправдал их надежды. Работать с ним в микробиологической лаборатории оказалось очень удобно. Он разжижается при температуре выше 100 °C, и его нужно добавить к жидкости всего лишь в количестве полутора-двух процентов, чтобы при охлаждении до 40–50 °C она начала сгущаться и затвердевать.

Другой сотрудник Коха, Роберт Петри, стал выращивать микробы на твердых культуральных средах в специальных плоских стеклянных чашках с крышками, известных теперь всем микробиологам как «чашки Петри». Без этих атрибутов выращивания чистых культур нельзя сейчас представить себе работу микробиологов, и все это — заслуга Коха и его школы (фото 1).

«Меню» микробов

Различные микробы предъявляют далеко не одинаковые требования к пище. Одни из них удовлетворяются более чем скромным питанием, другие чрезвычайно требовательны.

Мы знаем, что люди, страдающие сахарным диабетом, не переносят пищу, содержащую много сахаров, и в их питании количество сахара стараются снизить до минимально возможного предела. В 90-х годах прошлого столетия знаменитый русский микробиолог С. Н. Виноградский и в царстве микробов открыл настоящих «диабетиков» — группу микроорганизмов, не переносящих присутствия сахаров в питательной среде, а иногда и вовсе не нуждающихся в каких-либо готовых органических соединениях. Виноградский вначале порядком намучился с бактериями, которые не желали расти на питательных средах с агаром, содержащим углерод, связанный в органических соединениях. Для приготовления твердых питательных сред он несколько позже стал применять неорганическое вещество силикагель.

Для других микробов совсем не обязательно присутствие азотных соединений в среде, поскольку они поглощают азот непосредственно из атмосферы, в которой этот элемент всегда в избытке (в воздухе содержится около 80 % азота). Однако таких нетребовательных микробов в природе немного. Большинство же из них — виды, разборчивые в еде и необычайно капризные, есть и такие «лакомки», которые не могут обойтись без витаминов и даже без крови животных.

В своем питании человек использует вареные, жареные и реже сырые продукты. Микроорганизмы в естественных условиях потребляют обычно сырые продукты, в которых находят подходящие для себя вещества. Микробиологи, готовя пищу для микробов, обязательно подвергают ее стерилизации. Этой процедурой они уничтожают все микроорганизмы, находящиеся в питательных средах и сосудах, с тем чтобы микробы, которыми заражают среду, попали на абсолютно стерильный субстрат. Такие же стерильные питательные среды применяются и при выделении микроорганизмов из природных объектов.

Охота на микробов

Славных микробиологов прошлого часто называли охотниками за микробами. И не без основания. Ведь им приходилось по-настоящему охотиться, чтобы найти и выделить микробы из природной среды, в которой те обычно живут. Собираясь на охоту за куропатками, охотник берет с собой ружье, рыбак ловит рыбу удочкой с наживкой на крючке. И у микробиолога есть свое охотничье снаряжение, а в качестве приманки он использует подходящую питательную среду.

Как-то в летние каникулы Пастер собрался на такую охоту с большим запасом сосудов, уже заполненных питательной жидкостью. Для того чтобы определить состав микробов в том или ином месте, он всегда использовал 20 сосудов. У каждого из них он отламывал кончик запаянной трубочки, через которую в сосуд тотчас проникал воздух. И если жидкость через некоторое время мутнела, значит, в ней появились микробы и охота прошла успешно. Во дворе Парижской обсерватории микробы были обнаружены во всех 20 сосудах; на улице селения, расположенного в предгорьях Юры, микробы были найдены лишь в восьми; в горах на высоте 850 м над уровнем моря — только в пяти; на леднике Мер-де-Глас, лежащем на высоте 2000 м под вершиной Монблана, микроорганизмы были обнаружены только в одном из 20 сосудов. Установленный Пастером факт постепенного уменьшения количества микробов с высотой впоследствии неоднократно подтверждался.

Находящиеся в воздухе микробы можно обнаружить и другим способом. Приготовим несколько стерильных чашек Петри с тонким слоем питательной среды из агара. В нужном нам месте приоткроем на несколько минут крышки у этих чашек, затем снова их закроем и поместим в термостат, где поддерживается температура около 30 °C. Уже на второй или третий день мы обнаружим в чашках мелкие, различно окрашенные колонии. В каждой из таких колоний величиной до 3 мм в диаметре будет находиться по нескольку миллиардов бактериальных клеток. Все они — потомство той единственной клетки, которая проникла в сосуд из воздуха (фиг. I, вверху слева).

Опытный микробиолог умеет выделять микробы из самых разнообразных природных источников: из пахотной земли, воды, молока, мяса и даже с поверхности собственной кожи или из слюны, в которой их впервые увидел и описал Левенгук. Чаще всего выделенные микробы выращиваются на агаре в чашках Петри.

Колонии, полученные в чашках Петри, недолго сохраняют свою самостоятельность. Постепенно разрастаясь, они могут соприкасаться, наползать одна на другую. Чтобы сохранить чистоту колоний, надо, не дожидаясь этого момента, пересеять микробы на так называемый косой агар. Это стерилизованная питательная среда с агаром в пробирках, закрытых ватными пробками. Пробирки остаются в наклонном положении, пока субстрат не затвердеет. Микробы переносятся из каждой маленькой колонии в одну из пробирок с косым агаром. Пробирка нумеруется, ставится в штатив и помещается в термостат. Через несколько дней на косом агаре вырастает новая колония в виде полоски в том месте, где игла касалась агара при пересеве.

Микробы в плену

Представьте себе обширный участок на левом берегу Дуная с грядками цветов, пальмами в оранжереях, с цветущей королевской викторией на глади небольшого озера. Это Братиславский ботанический сад. «Ботанический сад» микробиологов выглядит иначе: холодные помещения, уставленные множеством полок с бесконечными рядами штативов, заполненных пробирками с находящимися в них колониями микроорганизмов. Такие коллекции мы найдем в каждом микробиологическом институте, в лабораториях больниц, на заводах, производящих антибиотики. В микробиологических коллекциях больниц так содержатся культуры болезнетворных микробов, на промышленных предприятиях и в научно-исследовательских институтах — культуры микроорганизмов, используемых в народном хозяйстве (фиг. I).

Самые большие коллекции микроскопических грибов находятся в Баарне (Нидерланды), где было создано Центральное бюро чистых культур. Там собраны многие тысячи видов почти со всего земного шара.

В коллекции микроорганизмов помещаются только чистые культуры, а получить их не так-то легко. Еще со времен Коха были известны более или менее сложные методы их получения. Самым надежным, но и самым сложным аппаратом для этой цели служит микроманипулятор. Механизм этого аппарата настолько тонок, что позволяет передвигать его детали на тысячные доли миллиметра. Он соединен с микроскопом, в который можно наблюдать живые клетки микробов. Мы выбираем в видимом поле место, где находится один-единственный микроб. Поймав при помощи микроманипулятора эту клетку, переносим ее на приготовленную питательную среду. Из изолированной таким образом клетки и вырастает чистая культура.

Питательные вещества в пробирках, где содержатся культуры микробов, не неисчерпаемы. Они постепенно используются микробами, а в среде накапливаются продукты их жизнедеятельности. Оба эти процесса неблагоприятно влияют на состояние культуры, и поэтому через определенное время ее нужно пересевать на свежие питательные среды. Для больших микробиологических коллекций это очень трудоемкая работа, и чтобы избежать ее, мы «консервируем» микробы, стараясь тем или иным способом задержать или совсем приостановить на некоторое время их жизненные процессы. Наиболее простой метод консервации состоит в помещении культуры микробов в холодильник при температуре около 0 °C. Так хранятся культуры грибов. Более совершенный, но и более трудоемкий способ — лиофилизация культур[3] — применяется при хранении бактерий.

Наш предварительный осмотр микробиологической лаборатории подходит к концу. В дальнейшем, при более тщательном знакомстве с работой микробиологов, мы убедимся, что она необыкновенно интересна, но требует большого напряжения и внимания, а порой бывает и небезопасна. Многим исследователям стоила она здоровья и даже жизни.

3. Микробы вблизи

Если бы мы смогли рассмотреть человека под микроскопом, он показался бы нам огромным, как Монблан или Чимборасо. Но мелкие бактерии при таком колоссальном увеличении выглядят не больше точки или запятой.

Ф. Кон, 1872

Omnis cellula e cellula

В 1665 году Роберт Гук издал свой эпохальный труд «Микрография, или некоторые физиологические описания мелких телец, сделанные при помощи увеличительных стекол…» В нем, как мы уже знаем, он описал микроскопическую структуру пробковой ткани, назвав ее ячейки, расположенные правильными рядами, клетками. Дальнейшие исследования установили поразительное сходство формы клеток у растений и животных. Оказалось, что это не пустые ячейки, а основные структурные единицы всякой живой материи. Новейшие данные биологической науки подтверждают этот важный постулат прошлого века. Старая формулировка Гарвея «Все живое — из яйца» понемногу «модернизировалась» в другую: «Каждая клетка происходит от клетки» (Omnis cellula e cellula).

Но вернемся к микроорганизмам и посмотрим, есть ли у них клетки. За исключением некоторых вирусов и бактериофагов (подробнее мы познакомимся с ними в третьей части нашей книги), все микробы представляют собой одноклеточные организмы. Уже со времен Спалланцани мы знаем, что каждая микробная клетка происходит от себе подобной. Значит, и здесь можно говорить о родителях и их потомстве (в отношении бактерий принято использовать термины «материнские» и «дочерние» клетки).

Растения, животные и микроорганизмы имеют одну очень важную общую черту строения — клеточную организацию. Клетка — это наименьшая форма организованной живой материи, способная в подходящих для нее среде и условиях существовать самостоятельно.

Наш организм состоит из многих миллиардов клеток, объединенных в более крупные элементы — ткани. Последние составляют еще более высокие по уровню (имеется в виду строение и функция) единицы — органы, связанные в свою очередь многими сложными взаимоотношениями в одно целое — организм. В настоящее время биологам уже хорошо известно, как «приучать к самостоятельности» и некоторые клетки человеческого, животного или растительного организма (фото 2).

В мире микробов мы найдем множество фактов, говорящих о способности отдельных клеток выполнять основные жизненные функции: движение, обмен веществ, размножение, реакции на раздражение и пр. Если животные и растения в громадном большинстве являются многоклеточными организмами, мир микробов представлен, как правило, одноклеточными существами. Бактерии, дрожжи, некоторые микроскопические грибы, простейшие и многие водоросли — все это одноклеточные представители мира микроорганизмов (фото 3).

Микробиологические меры длины и веса

Астрономы измеряют огромные пространства Вселенной такой мерой длины, как световой год, подразумевая под этим расстояние, проходимое лучом света за один год. Он равен приблизительно девяти с половиной биллионам километров.

Моряки в своих плаваниях измеряют расстояния в морских милях; мы, путешествуя, используем в качестве меры длины километр, а в повседневной жизни обходимся метрами, дециметрами, сантиметрами и миллиметрами.

Но для микроорганизмов все эти меры слишком велики. Ведь бактериальная клетка средних размеров достигает в длину лишь тысячной доли миллиметра! Поэтому микробиологи применяют еще более мелкие единицы измерения: микрометр (мкм), или тысячная доля миллиметра, нанометр (нм), или миллионная доля миллиметра. При работе с электронным микроскопом используется еще более мелкая единица — ангстрем (Å), или десятимиллионная часть миллиметра. Таким образом,

1 мм = 1000 мкм = 1 000 000 нм = 10 000 000 Å.

Громадное большинство клеток бактерий имеет в среднем величину 0,5—1 мкм, клетки дрожжевых грибов или красных кровяных телец человека достигают 5—10 мкм. Поэтому-то их нельзя увидеть невооруженным глазом и долгое время они оставались скрытыми для человека, пока на помощь ему не пришел микроскоп.

Как же измерить длину такой клетки? Самый первый способ придумал еще Левенгук в 1684 году. Он подобрал несколько одинаковых песчинок, положил их одну за другой на отрезке прямой, равном ширине большого пальца, и пересчитал. А потом сравнил величину красных кровяных телец с этими песчинками. Таков был этот простой метод. С тех пор измерение при помощи микроскопа прошло путь длительного усовершенствования. Сейчас величину клеток мы измеряем под микроскопом специальными приборами; кроме того, существуют полуавтоматические и автоматические устройства для измерения не только величины, но и объема клетки!

Самые мелкие бактерии имеют в диаметре около десятой доли микрометра, но есть и такие, волокнообразные клетки которых достигают в длину нескольких сантиметров, а в ширину всего 40 мкм. Если величина клеток дрожжей, как мы уже знаем, 5—10 мкм, то волокнистые клетки других грибов достигают в длину нескольких миллиметров. Большая часть одноклеточных водорослей имеет также микроскопические размеры, хотя известны случаи, когда их длина составляет не меньше нескольких сантиметров. Вообще же можно считать, что клетки микроорганизмов — это живые существа бесконечно малых размеров. Чтобы лучше понять, сколь ничтожны эти размеры, можно представить их себе увеличенными во много раз и сравнить с видимыми предметами, увеличенными во столько же раз. Если, например, клетку бактерии величиной в полмикрометра микроскоп увеличит до размеров макового зернышка, то само зернышко, увеличенное во столько же раз, представляло бы собою «шарик» до двух метров в диаметре, а человек среднего роста при таком увеличении превратился бы в гиганта, которому Герлаховски-Штит[4] не доходил бы до плеча.

Различные объекты в световом и электронном микроскопах.

Вполне понятно, что такие маленькие существа, как бактерии, должны быть и необычайно легкими. На один миллиграмм веса приходится 5 миллиардов бактерий. При этом такое астрономическое количество клеток занимает крохотное пространство. Если в одном кубическом сантиметре питательной среды насчитывается миллиард бактерий размером 1x5 нанометров, то указанное выше количество займет всего одну двухсотую долю этого объема!

Хаос и наведение в нем порядка

Известный современный английский физик Джон Бернал назвал XVIII век веком путешествий, коллекционирования и классификации.

Шведский ученый Карл Линней, много путешествовавший по свету и собравший гигантские коллекции, создал систему классификации минералов и животных. Но наибольшего успеха он достиг в классификации растений. Лишь «зверушкам» Левенгука он не уделил большого внимания, хотя и выделил для них в своей системе особую клеточку, объединив их всех под названием «хаос инфузорий» и отметив, что эти мельчайшие живые существа не нуждаются в дальнейшей классификации, поскольку не имеют особого значения.

Хаос в отношении места микробов в живой природе царил еще и во времена Пастера, хотя тогда уже многое было известно об их деятельности. Но в гниющем мясе, бродивших жидкостях и других объектах, в которых ученым приходилось наблюдать этот таинственный мир мельчайших существ, находилось такое фантастическое разнообразие «зверушек», что возникло даже особое понятие «плеоморфизм», означавшее безграничную изменчивость микробов.

В противовес «плеоморфистам» вокруг Коха сгруппировались ученые, твердо отстаивавшие иную точку зрения и способствовавшие своими открытиями интенсивному развитию микробиологии.

На основании работ с чистыми культурами Кох пришел к заключению, что микробы неизменны, что шарообразные бактерии всегда дадут потомство такой же шаровидной формы и принимать иной облик и превращаться в иные виды микробов они не способны. Это направление в микробиологии получило название «мономорфизма». Если немецкий плеоморфист Ханс Галлир утверждал, что более мелкие микробы, бактерии и дрожжи являются лишь низшей ступенью развития более сложных грибов и могут превращаться в них под влиянием факторов внешней среды, то мономорфисты с не меньшим упорством доказывали, что внешняя форма микробов неизменна и каждый вид имеет особое место и назначение в природе.

Дальнейшее развитие микробиологии показало справедливость взглядов мономорфистов, но кое-что из положений плеоморфистов об изменчивости микробов мы принимаем и в настоящее время. Однако победа мономорфистов была в то время важной, поскольку дала толчок к попыткам создать из «микробиотического хаоса» систему, связанную с системой всех живых организмов.

Всю живую природу натуралисты разделили на два крупных царства — растительное и животное. В каждом царстве различают несколько типов, подразделяющихся на отряды; в отрядах — несколько классов, в каждом классе содержатся порядки; последние делятся на семейства, состоящие из родов, а роды в свою очередь — на виды. Каждый вид имеет свое название, которое состоит из двух слов. Такую «бинарную номенклатуру» ввел еще Линней. Первое слово, пишущееся с заглавной буквы, представляет название рода данного организма, а второе является его видовым эпитетом (в границах рода), подобно тому как у людей фамилия означает принадлежность к той или иной семье, а имя отличает их друг от друга в кругу семьи. Бацилла туберкулеза, например, носит научное название Mycobacterium tuberculosis, дрожжи — Saccharomyces cerevisiae, бацилла столбняка — Clostridium tetani; дрозд называется Turdus musicus, сахарная свекла — Beta vulgaris.

Одни микробы напоминают своими свойствами и особенно характером питания зеленые растения, другие — животных. Таким образом, мир микроорганизмов объединяет очень разнообразных представителей. Мы относим к ним вирусы, риккетсии, бактерии, микроскопические грибы, сине-зеленые и другие микроскопические водоросли и простейшие. Часто приходится встречаться с тенденцией объединять все микроорганизмы в одно особое царство под названием Protista в отличие от царств растений (Plantae) и животных (Animalia).

Бактерии под микроскопом

Бактерии — типичные представители мира микроорганизмов. Посмотрим, что может нам рассказать о них микроскоп. С его помощью мы обнаруживаем среди бактерий шаровидные, цилиндрические, нитевидные и различным образом закрученные клетки.

Самые простые бактерии имеют вид правильных шариков и называются кокками. Если они соединены друг с другом по два, то их называют диплококками, по четыре — тетракокками; когда же они группируются по восемь и напоминают перевязанный веревкой крест-накрест пакетик, то носят название сарцин. В некоторых случаях кокки группируются в комочки, напоминающие гроздья винограда или длинные цепочки, и мы называем их соответственно стафилококками либо стрептококками. К коккам относятся возбудители различных инфекционных болезней (фото 4 и 5).

Очень многие бактерии имеют форму палочек, например живущая в нашем организме кишечная палочка (Escherichia coli). Такую же форму имеют и другие кишечные бактерии, скажем, возбудитель тифа (Salmonella typhi) или дизентерии (Shigella dysenteriae).

Электронный микроскоп позволил нам увидеть и органы движения некоторых бактерий — тоненькие жгутики (один или целая группа), с помощью которых бактерии активно передвигаются в жидкой среде. Жгутики можно увидеть и в световом микроскопе, если применять специальный метод окрашивания. Предварительно их обрабатывают (протравливают) особым препаратом, частицы которого оседают на жгутике и делают его более толстым, а следовательно, и хорошо видимым после окраски в световом микроскопе. Кто-то сравнил протравливание и окраску бактериальных жгутиков с процедурой вымачивания объекта в меде и последующим обваливанием его в пухе (фото 7).

Некоторые из бактерий-палочек в особых условиях образуют в своих клетках шаровидные или овальные тельца, называемые спорами. Эти спороносные бактерии выделяются в группу бацилл. Их споры способны переносить такие неблагоприятные жизненные условия, как длительное высушивание или высокие температуры. При нормальной температуре споры сохраняют жизнеспособность на протяжении нескольких лет; есть данные, что споры бациллы столбняка могут существовать в почве больше 30 лет.

Некоторые бактериальные клетки имеют изогнутую форму и напоминают рожок (или запятую); мы называем их вибрионами. Такую форму имеет возбудитель холеры Vibrio cholerae. Другие бактерии отличаются нитевидными, спирально закрученными клетками, это — спириллы.

К бактериям относят и своеобразную группу спирохет, которые напоминают своей формой простейших. К этой группе принадлежат возбудители некоторых инфекционных болезней, например сифилиса или желтой лихорадки. Железобактерии имеют длинные, нитевидные клетки, серобактерии отличаются большой величиной и бывают заметны и без увеличительных приборов.

У актиномицетов, живущих в почве, клетки нитевидные и разветвленные. Многие из них известны своей способностью выделять в окружающее их пространство антибиотические вещества (например, стрептомицин), используемые человеком в борьбе с болезнетворными микробами.

Опасные спутники

Схожи с бактериями очень опасные микробы, называемые риккетсиями. Эти мелкие, овальной формы микроорганизмы достигают в длину 300 нм. В отличие от бактерий они размножаются не на жидких питательных средах, а только в организме животных или в культурах ткани. Это опасные спутники людей и животных. Они вызывают серьезные инфекционные заболевания, такие, например, как сыпной тиф, уносивший в прошлом десятки тысяч жизней. Американский микробиолог Говард Тэйлор Риккетс и чешский паразитолог Станислав Провацек, которым мы обязаны открытием и изучением этих микробов, сами пали их жертвой в результате заражения. В их честь возбудитель сыпного тифа был назван риккетсией Провацека (Rickettsia prowazeki).

Желанные и нежеланные гости

Боровики, рыжики, мухоморы, шампиньоны и другие хорошо знакомые нам грибы имеют родственников, изучением которых также занимаются микробиологи. По форме, распространению в природе и роли в жизни человека это очень пестрая «родня».

Наиболее простые по строению представители этой группы микроорганизмов — одноклеточные дрожжи. Мы уже вспоминали о них как о давнишних помощниках человека, без которых он не имел бы ни хлеба, ни вина, ни пива, ни других спиртных напитков. Они обитают на растениях, в частности на плодах, вызывают брожение их сока при домашнем приготовлении вина. Мы знаем и о «культурных» дрожжах, специально выращиваемых в дрожжевой промышленности (фиг. II). Хорошо нам известные пекарские дрожжи — не что иное, как спрессованные живые клетки дрожжевых грибов (фото 10).

Возьмем кусочек пекарских дрожжей и разведем его в небольшом количестве воды. Одну каплю этой суспензии поместим на предметное стекло, покроем ее другим стеклышком и рассмотрим под микроскопом. Мы увидим, что в воде плавают овальные тельца. Это и есть клетки дрожжевых грибов. Еще Пастер доказал, что именно они вызывают спиртовое брожение. Позднее мы узнаем, какова их роль при получении спирта и почему мы используем их для приготовления дрожжевого теста. Тут микроскоп нам не поможет. Но измерить с его помощью величину клеток мы можем. Она равна приблизительно 5 мкм. На отрезке длиной в сантиметр поместилось бы в один ряд до 2000 клеток. В кубике с сантиметровой гранью их будет находиться 2000 х 2000 х 2000. Читатель, благосклонно относящийся к математике, может высчитать, сколько таких клеток содержится в 500 г пекарских дрожжей.

Примером другого типа микроскопических грибов может служить «плесень» из рокфора, придающая этому сыру характерную зеленоватую окраску, запах и вкус. Поглядим, что представляет под микроскопом пятнышко зеленого вещества из этого сыра. Мы увидим сплетение нитевидных волокон с перегородками, расположенными перпендикулярно волокну и всегда на равном расстоянии друг от друга. Эти перегородки разделяют отдельные клетки, из которых состоит волокно, известное у специалистов под названием гифы. Гифы взаимно переплетаются и образуют местами подобие кисточек. На концах этой кисти часто можно увидеть небольшую цепочку шарообразных телец, постепенно отделяющихся от веточек. Эти тельца обеспечивают размножение гриба и являются конидиями. Грибы с упомянутыми формами метелочек и кисточек относятся микробиологами к роду Penicillium (penicillus — по-латыни кисточка). Полное видовое название нашего «пенициллиума» из рокфора — Penicillium roqueforti (фото 11).

К микроскопическим грибам относят также незваных гостей наших кладовых. Незаметно, часто непонятным для нас путем, они проникают в банки с овощной икрой и вареньем или поражают разложенные на полке лимоны, обволакивая их зеленоватым налетом.

Интересно рассмотреть под микроскопом плесень на лимоне. Наш глаз увидит множество переплетенных гиф, однако мы напрасно будем искать метелочки или кисточки, как в предыдущем случае. Здесь мы найдем образования другого типа, на которых также рядами расположены мельчайшие вздутия. Иногда волокно на конце расширяется и из этого образования выходят веточки, на конце которых видны цепочки из круглых телец — конидий. Все вместе это несколько напоминает цветы подсолнечника. Микробиологи относят этот вид гриба к роду Aspergillus. Род Aspergillus и род Penicillium родственны и принадлежат к одному семейству Aspergillaceae. Если одна из конидий попадет в подходящую среду, например в открытую банку с вареньем, она прорастет. Из одной клетки-споры возникнет вскоре целое переплетение гиф, а на них — типичные кисточки или шарики, несущие следующее поколение спор (фото 12).

Кроме описанных типов, нам известно и множество других грибов, которые также было бы небезынтересно понаблюдать под микроскопом и рассмотреть особенности их строения. Но мы пока что расстанемся с этой группой микробов, чтобы встретиться с ее представителями уже при других обстоятельствах.

О водорослях и простейших

В мире микроорганизмов мы можем наблюдать ряд признаков, характерных и для высших организмов. Мы уже знаем, что некоторые грибы по размерам относятся к микроорганизмам, а другие видны невооруженным глазом (например, шляпочные лесные грибы). Тем не менее все грибы составляют особую и единую биологическую группу. То же относится и к водорослям (фиг. III). Некоторые из них являются одноклеточными организмами, видимыми только под микроскопом, другие же образуют очень крупные формы. Но связывает их всех воедино одинаковый по своей сущности процесс питания, напоминающий питание зеленых растений.

Особую группу микроорганизмов составляют сине-зеленые водоросли. Одни — и довольно существенные — признаки сближают их с бактериями; другими признаками, в частности способом питания, они напоминают зеленые водоросли (фото 13).

Некоторые из этих зеленых водорослей — типичные представители одноклеточных микроорганизмов. Они населяют проточные и стоячие воды, а многие из них будут, по-видимому, иметь для человека большое значение в качестве источника дополнительной пищи и кормов. Кроме одноклеточных зеленых водорослей, нам известны также виды, живущие колониями, у которых «индивидуальные» интересы отдельных клеток подчиняются интересам целой колонии. Характерные представители таких колониальных водорослей входят в род вольвокс (Volvox). Несколько ранее мы уже знакомились с их описанием, данным Левенгуком в 1700 году в его письме в Лондонское королевское общество.

Не менее интересны диатомовые водоросли, имеющие прочные панцири из кремнезема самых разнообразных геометрических форм. Створки их панцирей сохраняются и после отмирания живых тканей. В течение многих тысячелетий в различных местах нашей планеты откладывались мощные слои этих мельчайших панцирей как вечные памятники давно минувших эпох (фото 14 и 15).

Если водоросли своим образом жизни напоминают представителей растительного мира, то простейшие стоят ближе к животным. Их клетки чрезвычайно разнообразны по форме и величине. Некоторые из них ведут самостоятельный образ жизни, другие бывают опасными паразитами и возбудителями инфекционных болезней (фото 16).

4. Заглянем внутрь микробной клетки

Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!

А. ван Левенгук

Проникновение в субмикрокосмос

Исследованиями субмикрокосмоса занимаются цитология (наука о клетке), цитохимия, биохимия, биофизика, молекулярная биология, генетика, микроскопия и другие научные дисциплины. Они изыскивают различные методы, стараясь «заглянуть» внутрь клетки, изучить ее строение и связанные с ним жизненные процессы.

Цитологи уже располагают тонкими методами, помогающими им видеть «невидимое». Впервые позволил «заглянуть» в клетку правнук микроскопии Левенгука — световой микроскоп, а вслед за ним и его более молодые родственники — фазово-контрастный, стереоскопический, ультрафиолетовый, люминесцентный и поляризационный микроскопы. Позднее к ним присоединился и праправнук микроскопии — электронный микроскоп.

С их помощью наблюдают обработанные различным способом живые и мертвые клетки. Уже в конце XIX века микробиологи научились приготовлять препараты из живых микробов и наблюдать их внешнюю структуру, а в некоторых случаях и движение. Позже при изготовлении препаратов они стали умерщвлять микробы, а их клетки окрашивать специальными красителями. Потом научились наблюдать за живыми клетками в темном поле, а в 30-х годах получили великолепный прибор — фазово-контрастный микроскоп, который позволил проникнуть во многие тайны внутренней структуры живой клетки.

Через двести лет после первых наблюдений Левенгука известный немецкий физик-оптик XIX века Эрнст Аббе установил, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена длиной световых волн. Наименьшие объекты, видимые в оптическом микроскопе (с применением ультрафиолетовых лучей и так называемых иммерсионных объективов), должны иметь размеры не менее сотой части нанометра, или нескольких десятитысячных долей миллиметра. Это значит, что самые мелкие бактерии находятся где-то около предела видимости наиболее совершенного оптического микроскопа. Казалось, что эти пределы так и не удастся превзойти.

Но шли годы, и появился фазово-контрастный микроскоп. Его изобрел в 1935 году голландский физик Цернике, получивший за свое открытие спустя двадцать лет Нобелевскую премию. Фазово-контрастный микроскоп, будучи также оптическим микроскопом, не преодолел нижней границы наблюдаемых размеров, но зато получил большое преимущество перед своим предшественником — с его помощью можно было наблюдать живые клетки микроорганизмов, что далеко не всегда удается в обычных оптических микроскопах. Чтобы хорошо рассмотреть препарат в световом микроскопе, бактерии умерщвляют, а затем окрашивают; при этом всегда существует опасность изменения структуры клеток.

Значительно важнее наблюдать их в живом, естественном состоянии. Для непосвященного читателя достаточно будет сказать, что фазово-контрастный микроскоп обладает специальным приспособлением, которое может изменять длину пути световых волн, исходящих от наблюдаемого объекта, благодаря чему возникает «фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны». В результате усиливается рельеф, что позволяет увидеть некоторые малые элементы структуры клеток.

Родствен фазово-контрастному микроскопу и интерференционный микроскоп. Такой тип микроскопа, сконструированный физиком Номарским, позволяет детально рассматривать поверхность микробных клеток.

Приблизительно в это же время появился и электронный микроскоп, без которого теперь нельзя даже представить работу цитологов и микробиологов. Первый электронный микроскоп сконструировали и представили научной общественности сотрудники Высшей технической школы в Берлине Макс Кнолль и Эрнст Руска. Роль световых лучей, благодаря которым в других микроскопах получается увеличенное изображение наблюдаемых объектов, в электронном микроскопе играют пучки электронов. Их движением управляют электромагниты, выполняющие функцию оптических линз. Современный электронный микроскоп дает нам возможность получать увеличение объекта в несколько сот тысяч раз.

Но при таком наблюдении клетки бактерий иногда оказываются чрезмерно большими и лучи электронов не могут проходить сквозь них. Поэтому для исследования внутреннего строения клеток в помощь электронному микроскопу призывается особый микрохирургический аппарат — ультрамикротом. Он позволяет получать сверхтонкие срезы клеток и таким образом подготавливать их к наблюдению в электронном микроскопе.

Вообще, надо сказать, работники электронной микроскопии в этом деле настоящие мастера. Клерки, предназначенные для наблюдения, они сначала заливают особым веществом аралдитом, которое быстро затвердевает, а потом разрезают их ультрамикротомом. Таким способом можно разрезать белое кровяное тельце (диаметром около 15 мкм) на 750 тончайших срезов, каждый из которых не толще 0,02 мкм!

Однако у электронного микроскопа есть и один крупный недостаток — в нем можно наблюдать лишь мертвые клетки. Это связано с тем, что молекулы воздуха представляют для электронов непреодолимое препятствие, поэтому все наблюдения должны проводиться в безвоздушном пространстве (вакууме), а это приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток.

Профессора Дюпуи, Перрье и Дюрриё из Института электронной микроскопии в Тулузе (Франция) решили устранить и это препятствие. Поток электронов в обычном электронном микроскопе разгоняется при помощи напряжения порядка 100 000 В. Дюпуи и его коллеги используют напряжение 1 500 000 В, в результате чего скорость электронов достигает 291 000 км в 1 с, то есть почти приближается к скорости света. Для решения этой задачи ученым пришлось преодолеть целый ряд технических трудностей. Необходимо было обеспечить защиту обслуживающего персонала от вредного воздействия рентгеновских лучей, возникающих при попадании электронов на металлические части аппарата, надо было создать электромагнитные линзы, весящие до 700 кг, из которых 100 кг приходится на 29 000 витков медной спирали. Но поскольку при таком высоком напряжении большую опасность представляет еще и влажность, все сооружение необходимо было поместить в металлическую сферу диаметром 24 м. Ускоренные в своем движении электроны проникают не только сквозь тончайший слой воздуха, но и через живые клетки бактерий. Хотя продолжительное действие электронов и наносит им повреждения, а позднее и убивает, тем не менее при наблюдении под микроскопом клетки какое-то время остаются живыми и неизмененными (фото 18).

Описанные методы, как, впрочем, и многие другие, позволяют нам проводить исследования в «субмикромире» клетки и открывать его тайны.

Анатомия бактериальной клетки

В предыдущей главе мы познакомились с тремя главнейшими типами бактериальных клеток. Одни из них имеют форму шариков, другие — палочек или цилиндриков, а третьи представляют подобие спирали.

Какова же внешняя и внутренняя структура бактериальной клетки? Ее схематическое изображение представлено на рисунке. Как и все клетки, она содержит протоплазму, состоящую из цитоплазмы и ядра (у бактерий чаще говорят об области ядра). Цитоплазму охватывает цитоплазматическая мембрана, к внешней стороне которой примыкает клеточная стенка, определяющая форму клетки (фото 19). При воздействии пенициллина на бактериальные клетки обычно нарушается именно структура их стенок и протопласты или сферопласты оказываются оголенными[5]. У них остается лишь тонкая цитоплазматическая мембрана. С потерей стенки исчезает и первичная форма бактериальной клетки, так как оголенный протопласт принимает форму шара. Большинство палочковидных и спиралевидных бактерий снабжены органами передвижения, которые называются жгутиками. Одна клетка может иметь от одного до тридцати жгутиков. Их число и расположение строго характерны для определенных видов бактерий. Зарождаясь в цитоплазме, они выходят через стенку клетки наружу в виде тонких волосков, диаметр которых не превышает 12 нм. Из клеток ряда бактерий удалось выделить некоторое количество жгутиков, достаточное для их химического анализа. В результате было установлено, что бактериальные жгутики состоят из белков, подобных тем, которые находятся в мышцах.

Клеточная стенка многих бактерий часто покрыта слоем слизи, носящим название капсулы. При наблюдении ультратонких срезов бактериальных клеток в электронном микроскопе было установлено, что ширина клеточной стенки равна 10–20 нм. Специальными методами удалось изолировать отдельные стенки, изучить их строение и подвергнуть химическому анализу, который показал, что в них содержится большое количество белков и жиров.

Уже давно было известно, что в бактериях встречаются соединения, характерные для клеточных ядер (речь о них пойдет в главе 12), но «морфологически дифференцированного ядра», как говорят цитологи, выявить до сих пор не удавалось. Лишь благодаря изучению ультратонких срезов, а также с помощью некоторых других методов удалось доказать присутствие в цитоплазме телец, которые не только своим химическим составом, но и иными особенностями напоминают клеточные ядра. С другой стороны, некоторые свойства отличают их от ядер, известных нам по клеткам ряда микроорганизмов, животных и растений.

Схема строения бактериальной клетки.

В цитоплазме бактерий иногда встречаются и другие образования.

Серобактерии, например, вызывают некоторые изменения в сернистых соединениях и откладывают в своих клетках серу. Известны также бактерии, способ питания которых очень напоминает процесс питания зеленых растений, или фотосинтез. Они усваивают из атмосферы углекислый газ и синтезируют сложные органические соединения. Этот синтез требует участия какого-то источника энергии. В данном случае таким источником является солнечный свет. Поэтому весь процесс и называется фотосинтезом. В клетках зеленых частей растений (листьях) находятся хлоропласт ы, в которых происходит процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии содержат в своих клетках образования, исполняющие ту же функцию; они называются хроматофорами. Если величина хлоропластов у зеленых растений обычно не меньше 5 мкм (как и клеток дрожжей) и они хорошо видны в световом микроскопе, то хроматофоры бактерий в этих условиях невидимы, так как они почти в 100 раз меньше хлоропластов. Но тем не менее их удалось выделить из разрушенных клеток бактерий и наблюдать в микроскопе при увеличении в 70 000 раз.

Интересные образования находятся и в цитоплазме бактериальных «палочек» или бацилл — это споры. Но об их специфических особенностях будет рассказано несколько позже.

Электронный микроскоп проникает в тайны микромира

Исследователей, вооружившихся в целях познания электронным микроскопом, привлекают не только бактерии, но и многие другие микроорганизмы. Они изучают поверхностную структуру клеточных стенок или, подобно хирургам, приготовляют ультратонкие срезы мельчайших клеток и проникают в тайны их внутреннего мира.

Профессора Волькани из Калифорнийского университета заинтересовали диатомовые водоросли. Эти организмы откладывают в стенках своих клеток большое количество кремнезема. После кратковременной обработки этих клеток кислотой электронный микроскоп помог нам открыть сетчатое строение их панциря, а ультрамикротом — заглянуть внутрь клетки и обнаружить ее ядро и множество жировых капелек (фото 20 и 21).

Не менее интересным оказалось и строение клетки простейшего, туфельки Paramecium bursaria, в которой, помимо прочих включений, были обнаружены мелкие клетки зеленой водоросли из рода Chlorella. Так электронный микроскоп позволил установить между этим простейшим и водорослями взаимоотношения, известные под названием симбиоза (фото 22).

В предыдущей главе мы узнали, что грибы размножаются с помощью особых клеток — спор. Интересные данные были получены в Лаборатории электронной микроскопии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе. У спор грибов, относимых специалистами к роду Penicillium, была обнаружена своеобразная поверхностная структура. Споры каждого вида выглядят так, точно искусная рука корзинщицы оплела их особым узором (фото 23).

Доктор Янг из Лондонского университета занимался изучением поверхностной структуры спор микроскопических грибов, относимых микологами к порядку Mucorales. У большей части изученных видов споры снабжены тонкими отростками. При взгляде на такую спору в памяти возникает образ обычного оружия гуситов — булавы с острыми шипами. Эти шиповатые выросты имеют в основании правильные шестиугольники и очень равномерно распределены по поверхности споры (фото 24).

Ценные услуги оказал электронный микроскоп и группе исследователей во главе с профессором Нечасом (медицинский факультет в городе Брно). При помощи фермента, выделяемого виноградной улиткой, удалось растворить клеточные стенки дрожжевых грибов и выделить их протопласты. Это очень хрупкие образования, но в руках искусных специалистов они становятся отличным материалом, на котором можно наблюдать формирование клеточных стенок. После перенесения протопластов на обычную питательную среду вокруг них начинают образовываться новые стенки клеток (фото 25 и 26).

Разделение труда в клетке

Какова же роль отдельных клеточных образований, с которыми мы только что познакомились? Этот вопрос встал перед исследователями; вполне естественно, что его задаст и читатель, узнавший об их открытии.

О защитной функции клеточных стенок мы уже говорили, так же как и о том, что они определяют постоянную, характерную для различных бактерий форму. Если стенку бактериальной палочки отделить от ее содержимого, то протопласт потеряет форму палочки и превратится в шар, сохранив, однако, все свои основные жизненные функции.

Роль цитоплазматической мембраны довольно разнообразна. Ее самая главная и важная функция — поддерживать в клетке определенное осмотическое давление. Сквозь мембрану в клетку поступают вещества, служащие ей источником питания, и выделяются наружу продукты химической активности клетки. Таким образом, цитоплазматическая мембрана играет как бы роль пограничной стражи, которая пропускает внутрь клетки или высылает за ее пределы «избранные» соединения, по-видимому, активно способствуя этому обмену. У простейших, чьи клетки лишены стенок, цитоплазматическая мембрана дает возможность организму изменять форму и вбирать в себя твердые частицы пищи, как при фагоцитозе. Такой же механизм наблюдается и у белых кровяных телец, которые обезвреживают болезнетворные микробы, «поглощая» их.

Ядро — важный жизненный центр клетки. В нем представлен своего рода «планирующий орган», управляющий ее деятельностью и обеспечивающий передачу наследственных особенностей от одной генерации другой. Далее мы увидим, что ответственность за эту операцию несут молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

В клетках дрожжей и других микроорганизмов, как и в клетках растений и животных, находятся также митохондрии — своего рода энергетические станции клеток. В них протекают процессы химического преобразования веществ, благодаря которым клетка приобретает основную часть необходимой ей энергии. Впрочем, уже точно установлено, что эти процессы происходят и в клетках бактерий, хотя в них митохондрии отсутствуют.

В цитоплазме микробов содержатся образования, называемые рибосома-м и, которые являются центрами синтеза белка в клетке.

Таким образом, мы видим, что в клетке как основной единице живой природы царит строгий порядок и осуществляется целесообразное разделение труда.

Химия и микроорганизмы

Рассказ о таинствах микробных клеток был бы неполным, если бы не содержал сведений, раскрывающих их химические особенности.

Все вещества в природе, входят ли они в состав живых организмов или залегают в глубинах Земли, состоят из основных структурных единиц — атомов различных химических элементов. В результате химического соединения отдельных атомов возникают более крупные единицы— молекулы. Молекула воды, обозначаемая химиками формулой Н_20, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, вода — это соединение двух элементов, связанных химически в определенных соотношениях. Молекула воды настолько мала, что она невидима даже в электронный микроскоп. Мельчайшие бактерии достигают в диаметре 200 нм, капелька воды такой же величины содержит до 68 000 000 молекул.

Кроме кислорода и водорода, известно еще более 100 химических элементов. Некоторые из них встречаются свободными в природе, другие удалось выделить искусственным путем. Не менее половины всех элементов обнаружили и в клетках микроорганизмов. Из химических элементов, встречающихся в живой природе, помимо водорода и кислорода, очень важную роль играют углерод и азот.

Элементы, постоянно присутствующие в живых организмах, включая и микробы, называют биогенными. О четырех из них мы уже упоминали. К другим, также очень важным биогенным элементам, относятся фосфор, сера, калий, хлор, магний, натрий, кальций. Эти 11 вышеупомянутых элементов мы называем макроэлементами. В весовом отношении они составляют около 99,9 % сухой массы клеток, причем на первые четыре элемента приходится почти 95 %.

В ничтожно малой оставшейся части — 0,1 % сухой массы — представлен целый ряд микроэлементов: железо, медь, марганец, кобальт, бром, йод, фтор, бор, кремний, литий, рубидий, стронций, барий, цинк, ртуть, алюминий, таллий, титан, свинец, мышьяк, селен, никель, ванадий и серебро. В отличие от макроэлементов, входящих в состав клеточного вещества, некоторые микроэлементы имеют лишь характер катализаторов, ускоряющих или замедляющих процессы химических изменений в организме, причем эту роль они выполняют, входя в состав ферментов.

Как видно из таблицы, содержание отдельных элементов в живой природе и в земной коре очень различно. Живые организмы берут из природных запасов только такие количества веществ, которые отвечают их жизненным потребностям. Количественные соотношения биогенных элементов в живых организмах всегда строго поддерживаются на одном и том же уровне.

Химическое изучение веществ живой материи открыло много интересного. Мы узнали, что в клетках организмов встречаются самые разнообразные вещества. Наиболее важными соединениями среди них являются вода, белки, нуклеиновые кислоты, простые и сложные сахара и жиры. Сопоставление содержания перечисленных соединений в живой материи и относительное содержание молекул этих веществ представлены в таблице 2.

Состав молекул отдельных соединений очень различен. Простая молекула воды состоит из трех атомов, тогда как молекулы белков могут содержать 100 000 и более атомов.

Не следует забывать, что атомы элементов, так же как и молекулы, состоящие из этих атомов, крайне малы — во много раз меньше, чем клетки всех известных нам живых организмов. Так, если бы мы увеличили молекулу водорода, состоящую из двух атомов, в 5 000 000 раз, то получили бы шарик диаметром всего около 1 мм. Увеличенная во столько же раз молекула глюкозы (состоящая из 24 атомов) имела бы диаметр 3,5 мм, молекула гемоглобина, окрашивающего кровь в красный цвет, достигала бы 2,75 см, вирус гриппа — 50 см, клетка самой маленькой бактерии — 1 м, клетка дрожжей — 20 м, а красное кровяное тельце человека — до 40 м.

Исследование организмов в природе все больше убеждает нас, что жизнь тесно связана с определенными структурами соединений и что малейшие изменения в строении молекул этих веществ часто имеют важные биологические последствия. Альберт Сент-Дьёрди, выдающийся венгерский биохимик, открывший витамин С, дает следующее определение живой материи: «Живая материя представляет собой своего рода систему из воды и органических соединений, которые, подобно зубчатым колесикам часового механизма, составляют единое целое».

В клетках бактерий содержится 75–90 % воды, остальное составляют прочие соединения. Отчего вода имеет такое огромное значение в жизни микробов? В клетку бактерии не сможет проникнуть мельчайший кристаллик сахара, если он не будет растворен в воде до отдельных молекул. В клетке протекает множество различных химических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений; вода же является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции.

Гораздо сложнее молекул воды и менее доступны для химического изучения макромолекулы белков. Еще начиная с первой половины прошлого века естествоиспытатели справедливо считали белки одним из главных слагаемых живой природы.

Они играют самые разнообразные роли. Белки являются структурными элементами клеток, а вместе с тем и живого организма в целом. Они исполняют функции биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой природе. Эту группу белков объединяют под общим названием ферментов. Некоторые белки являются важными регуляторами жизненных процессов в нашем организме, их относят к гормонам.

Макромолекулы белков обеспечивают жизнь, но есть среди них и такие, которые убивают ее. Так, токсины некоторых растений, животных и бактерий в основном представляют собой белки, причем, как мы увидим далее, наиболее ядовитые из них — бактериальные токсины.

Интересны белки и своим химическим строением.

Схема соединения аминокислот в полипептиды, напоминающие по форме альфа-спираль. Атомы химических элементов обозначены буквенными символами: С — углерод; Н — водород; О — кислород; N — азот; R — радикалы, различные у разных аминокислот.

При исследовании химической структуры белков оказалось, что основными структурными единицами их макромолекул являются аминокислоты; это открытие послужило важным шагом на пути к их познанию. Теперь нам известно уже 20 таких структурных единиц.

Итак, первый факт, осветивший нам качественную сущность таинственных белков, заключался в том, что они состоят из отдельных аминокислот.

Дальнейшим шагом были попытки установить количественные соотношения аминокислот в молекулах различных белков. Но достигнутый в этом отношении успех еще не говорил нам о том, как именно связаны между собой аминокислоты. Комбинации их различных сочетаний могут быть чрезвычайно многочисленны!

Из 20 аминокислот может возникнуть такое количество сочетаний, столько отличных друг от друга белковых макромолекул, что на их создание не хватило бы и всей массы нашей планеты. Именно эта многоликость белков и обеспечивает, по-видимому, огромное разнообразие живой природы.

Современной науке оказывается по плечу и более трудная задача — установить характер расположения аминокислот в молекулах белков. В этом направлении первым успехом было раскрытие структуры гормона инсулина. Английский биохимик Ф. Сенджер точно установил распределение аминокислот в молекуле инсулина, выделенного из организма крупного рогатого скота, и доказал, что она состоит из двух равных частей. В каждой из них имеется два пептида — А и В, соответственно содержащих 21 и 30 аминокислотных остатков. Цепи А и В дважды связаны между собой дисульфидами. В настоящее время уже известны структура инсулина, содержащегося в организме человека, и строение некоторых других белков.

Не менее важен для жизни человека и такой белок, как гемоглобин. Без него не мог бы протекать один из основных жизненных процессов — дыхание.

Молекула гемоглобина теперь хорошо изучена. Нам известно, что она содержит 3032 атома углерода, 4816 атомов водорода, 872 атома кислорода, 780 атомов азота, 8 атомов серы и 4 атома железа (всего 9512 атомов различных элементов); мы знаем также точное расположение аминокислот в молекуле гемоглобина, ее так называемую третичную структуру, которая определяет пространственное расположение всех 9512 атомов.

Познание пространственного распределения белковых макромолекул позволит в ближайшем будущем еще глубже понять их разнообразные биологические функции.

В живой природе мы находим и другую группу очень важных макромолекул, привлекающую в последние годы все большее внимание биологической науки. Это нуклеиновые кислоты.

Первые сведения о них получил почти сто лет назад швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из клеточных ядер спермы лосося он выделил вещество, названное им нуклеином, которое, как оказалось, содержало пять биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Теперь это вещество мы называем нуклеиновой кислотой.

Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК[6].

ДНК находится в основном в клеточном ядре (а в малых количествах также в митохондриях и хлоропластах), тогда как РНК встречается и в ядре и в цитоплазме. Этот факт находится в тесной связи с различными функциями нуклеиновых кислот, о которых речь еще впереди.

Узнаем мы также о предназначении и роли ферментов и познакомимся с химическим характером некоторых других соединений, играющих на арене жизни очень важные роли.

Бактериальная клетка в цифрах

Благодаря биофизике — одной из отраслей науки, с которой мы уже познакомились в начале этой главы, — были получены весьма интересные данные. Возьмем, например, шаровидную бактериальную клетку диаметром 0,5 мкм. Поверхность такой клетки будет равна 0,0000000079 см^2, объем — 0,000000000000065 см^3, а вес — 0,000000000000069 г. Из общего ее веса 75 % приходится на воду, остальное представляет сухое вещество весом 0,0000000000000172 г, в которое входят: белки — 53 % сухого вещества, сахара — 16 %, нуклеиновые кислоты—18 %, жиры — 10 % и остальные мелкие молекулы — 3 %. Молекулы соединений, составляющих сухое вещество бактериальной клетки, представлены 40 типами структурных элементов, перечень и количественное соотношение которых даны в таблице 3.

Все эти структурные элементы входят в состав различных химических соединений, которые вместе с простыми и сложными белками образуют клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану, а вместе со сложными сахарами, жирами и белками имеются и в рибосомах. В одной только клетке насчитывается до 5000 рибосом, и в них, как известно, протекает синтез новых белковых молекул, Кроме того, в клетке имеется еще около 150 000 свободных молекул белков, причем большую часть из них составляют ферменты, направляющие все химические реакции. К перечисленному следует добавить, что клетка имеет еще около 8 500 000 более простых молекул, которые служат связующими звеньями или являются продуктами обмена веществ, а также около 5 000 000 молекул неорганических соединений.

С еще более крупными числами мы столкнемся при подсчете атомов главнейших 13 биогенных элементов. Общее их количество в одной только клетке превышает 5 500 000 000!

Не удивительно, что такое разнообразие живого субмикрокосмоса привлекает внимание многих ученых, которые вместе с Левенгуком могли бы воскликнуть: «Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!»

5. Микробы в действии

Жизнь — это не что иное, как строго упорядоченное взаимодействие ферментативных процессов.

Р. Вильштеттер, 1929

Самая маленькая химическая фабрика

Клетку микроорганизма можно сравнить с микроскопически малой химической фабрикой. Она получает «сырье» из окружающей среды и делает из него настоящие чудеса. Из простых соединений — углерода, азота, кислорода, водорода — она синтезирует белки, из сахаров — органические кислоты и спирты, а в атмосферу выделяет углекислый газ. Вырабатывает клетка и витамины, а растениям поставляет важные ростовые вещества.

В клетках микроорганизмов образуются антибиотики, при помощи которых их производители могут обезвредить противников из мира микробов. В них вырабатываются и опасные яды, малейшие дозы которых способны убить человека.

Микроорганизмы синтезируют красящие вещества самых различных оттенков. Несмотря на такое разнообразие процессов, в этой микроскопической фабрике все подчинено строгой закономерности. Энергия, высвобождающаяся в результате одного процесса, используется в другом. Кроме того, микробы выделяют в окружающую среду тепловую энергию.

Закономерное движение и активность — одно из главнейших проявлений жизни. Однако живая клетка не может быть вечным двигателем. Строительный материал она получает извне, энергию черпает из энергетических ресурсов природы.

Откуда же микробы достают себе пищу и как ее перерабатывают? Где берут запасы энергии и как ее используют?

Ферменты служат клетке

В живых клетках происходят многие химические реакции, воспроизвести которые в лаборатории оказалось возможным лишь при создании специфических условий. Одни из них протекают при высоких температурах, другие требуют повышенного давления. Как же совершаются они в живой клетке при нормальных давлении и температуре?

В начале XIX века стало известно о явлении спиртового брожения и участии в нем дрожжевых грибов. Пастер в своих исследованиях доказал, что различные типы брожения вызываются различными видами микроорганизмов. Значительно раньше известный шведский химик Йене Якоб Берцелиус разработал учение о катализаторах, или ускорителях (стимуляторах) различных химических реакций.

Позднее ученые предположили, что микроорганизмы как раз и содержат такие вещества, которые вызывают брожение и в своем действии подобны катализаторам. Их назвали энзимами (от греческих слов en — внутри и zyme — закваска), или ферментами. В 1897 году немецкому химику Эдуарду Бухнеру удалось получать из разрушенных клеток дрожжей смесь ферментов, которую он назвал зимазой. Зимаза вызывала превращение сахара в спирт даже при отсутствии живых клеток.

Теперь нам известно, что все химические реакции в живых клетках протекают лишь в присутствии ферментов; если же последние отсутствуют, то реакции эти совершаются очень медленно или вообще не происходят. Вспомним, например, химическую реакцию молочного сахара (лактозы) с водой, при которой молочный сахар разлагается на глюкозу и галактозу. В отсутствие катализаторов эта реакция протекает чрезвычайно медленно, даже при 100 °C разлагается лишь небольшая часть лактозы. Реакцию можно ускорить, если добавить определенные кислоты. Отдельные дрожжевые грибы обладают ферментом лактазой, в присутствии которого разложение лактозы происходит очень быстро уже при 30 °C. Фермент лактаза действует, таким образом, как катализатор — ускоритель химической реакции.

Ферменты образуются в результате жизнедеятельности клеток. Без ферментов нет жизни, но сами они не являются живой материей. Их способность ускорять химические процессы сохраняется и после гибели клеток.

Ферменты, возникающие в живых клетках, или остаются в них, стимулируя химические реакции, или же выделяются клеткой во внешнюю среду, где также могут влиять на скорость некоторых химических процессов. Каждый фермент принимает участие обычно в нескольких (немногих) реакциях и никогда не бывает приурочен к одной-единственной. Причем следует заметить, что для превращения больших количеств соединений требуется необычайно малая доза фермента.

Не менее интересной особенностью ферментов можно считать их повышенную восприимчивость к различным внешним факторам, которые могут ускорять, замедлять или вовсе прекращать их деятельность.

Ферменты — очень сложные соединения, их относят к белкам. Некоторые ферменты удалось получить в чистом виде, в кристаллической форме, и был точно установлен их химический состав.

Ферменты играют огромную роль не только в жизни микробов, но и в жизни всех других организмов. Важные функции выполняют они и в нашем теле. Ферменты, находящиеся в слюне, желудочном соке и выделениях других органов, разлагают сложные вещества нашей пищи на простейшие составные части; таким путем они способствуют проникновению питательных веществ через слизистую оболочку кишечника в кровь, с которой те разносятся по всему телу. Там эти вещества снова встречаются с ферментами, уже иными, вызывающими сотни других химических реакций.

Микроорганизмы также «вырабатывают» ферменты, необходимые им для усвоения питательных веществ и получения энергии. Одни ферменты обеспечивают процессы разложения, другие осуществляют синтез сложных соединений из простых веществ. В клетках этих мельчайших существ может образоваться такое большое количество ферментов, что человек использует микробы для получения ферментов в промышленных масштабах.

О питании микробов

Одно из условий существования живых организмов — наличие достаточных количеств пищи. Рост, размножение и прочие жизненные процессы не могут осуществляться без питательных веществ.

Без пищи не могут обойтись и микробы. Уже при нашем первом посещении микробиологической лаборатории мы обратили внимание на своеобразное «меню» микробов. Все элементы, из которых состоит живое вещество клеток, они должны получать извне в виде питательных веществ. Это означает, что микробы должны иметь источники углерода, азота и других биогенных элементов. В природе микроорганизмы находят питательные вещества в самой различной форме. Одни из них питаются отмершими частями растений или животных; это так называемые сапрофит ы, играющие огромную роль в круговороте жизненно необходимых элементов на Земле. Другие значительно более требовательны. Они нападают на живые организмы и ведут паразитический образ жизни. К ним относятся и возбудители многих болезней.

Переходной формой от сапрофитов к паразитам являются симбиоти-ческие микроорганизмы, с которыми мы познакомимся в дальнейшем. Классификация всех организмов по способу их питания представлена в табл. 4.

Из таблицы видно, что бактерии имеют своих представителей во всех группах организмов, различающихся по способу питания.

Основным источником питания большинства микроорганизмов служат сахара. При их разложении выделяется энергия; они же являются и главным источником углерода. Правда, некоторые микробы удовлетворяются простым соединением углерода и кислорода — углекислотой, а необходимую для жизни энергию черпают из других источников.

Микробы, которые в своем питании «довольствуются» углекислотой или некоторыми другими простыми углеродными соединениями, называются автотрофными. Они строят живую материю своих клеток из минеральных соединений. Если они при этом в результате химических преобразований получают еще и необходимую энергию, мы относим их к хемосинтезирующим микроорганизмам; если же они получают энергию непосредственно от солнечной радиации, мы называем их фотосинтезирующими.

Растения вырабатывают пищу

Самая важная группа автотрофных организмов — зеленые растения. Им достаточно таких питательных веществ, как углекислота из атмосферы, вода и минеральные соли из почвы.

В зеленых растениях протекает чрезвычайно важный процесс — фотосинтез. Во время этого процесса из углекислоты к воды образуются сахара, основные углеводные соединения, из которых затем под действием ферментов создаются все остальные сложные вещества растительного организма. Фотосинтез осуществляется в листьях и других зеленых частях растений.

Неутомимый ученый-экспериментатор и гениальный художник Леонардо да Винчи, живший на рубеже Средневековья и Нового времени, писал: «Лицевая сторона листьев обращена к небу, она улавливает пищу в росе, выпадающей по ночам».

Своей зеленой окраской листья обязаны зеленому пигменту — хлорофиллу, который находится в хлоропластах клеток листа. По химическому составу хлорофилл близок к гемоглобину, красному пигменту крови. Но роль хлорофилла не только в том, что он окрашивает растения в зеленый цвет. Его главное значение в том, что, поглощая энергию солнечного света, он использует ее в химических реакциях, в результате которых образуются сахара. Таким образом, помимо углекислоты и воды, для синтеза сахаров необходимы еще присутствие в зеленых частях растений хлорофилла и действие солнечного света. В темноте фотосинтез осуществляться не может.

На поверхности листьев находятся микроскопические отверстия, называемые устьицами, через которые происходит газообмен. Из атмосферы в листья проникает углекислый газ. Вода, усваиваемая корнями из почвы, поднимается к листьям, и там часть ее используется в реакциях фотосинтеза, а часть испаряется через устьица в атмосферу. Через устьица же выделяется в атмосферу и кислород, представляющий собой «отход» фотосинтеза.

Наиболее простая форма сахара, образующегося при фотосинтезе, — глюкоза. Каждая молекула глюкозы состоит из 24 атомов: 6 атомов углерода (С), 12 атомов водорода (Н) и 6 атомов кислорода (О).

Весь ход процесса фотосинтеза можно представить следующей упрощенной химической формулой:

6С0_2 + 6Н_20 + Энергия света → С_6Н_120_6 + 60_2, или

Углекислота + Вода + Энергия света → Глюкоза + Кислород.

Таким образом, из 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды образуются 1 молекула глюкозы и 6 молекул кислорода. Из 6 молекул углекислого газа в атмосферу возвращаются 6 молекул кислорода, причем потраченная на это энергия не теряется, а «консервируется» в глюкозе.

Что же происходит далее с глюкозой, образовавшейся в результате фотосинтеза? Уже через сутки она преобразуется в более сложные сахара и наконец в крахмал. Ночью, когда процесс фотосинтеза прекращается, крахмал частично снова превращается в глюкозу, которая переходит из листьев в другие части растения, где используется для образования различных соединений. Одни из них (например, целлюлоза и пектин) формируют опорные части растений, накапливаясь преимущественно в клеточных стенках, другие откладываются «про запас». Таким резервным веществом является, например, крахмал в клубнях картофеля и зернах хлебных злаков, масло в семенах, сахар (сахароза) в сахарной свекле и сахарном тростнике. Глюкоза служит также основным сырьем для образования аминокислот, белков, витаминов и других соединений. Во многих из них мы найдем азот и другие элементы, которые в виде солевых растворов всасываются корнями из почвы и распространяются по всему растению.

Растительноядные животные питаются травой, листьями, молодыми побегами и плодами растений. Хищники поедают растительноядных животных. Человек с давних пор сеял хлебные злаки в долине Нила, выращивал рис в странах Дальнего Востока, кукурузу в Америке. Микроорганизмы питаются плодами растений и их отмершими остатками. Кроме автотрофных микробов, все организмы, населяющие земной шар, потребляют пищу, которую создают из минеральных солей, воды и углекислого газа зеленые растения.

Углерод и энергия жизни

Нам уже известно, что углерод — один из важнейших биогенных элементов. Обычно он связан в соединениях, находящихся во всех клетках организма. Кроме того, мы встречаемся с ним и в атмосфере, где он входит в состав углекислого газа — важного сырья, используемого в процессе фотосинтеза. Связанный углерод содержат и такие горные породы, как известняк или доломит. Всех известных нам в природе углеродных соединений не меньше полумиллиона. Мы находим углерод в сырой нефти, подземных газах, минеральных водах, газообразных веществах, выделяемых вулканами. Но в природе углерод встречается и в чистом виде. Алмаз, самое твердое в природе вещество, — чистый кристаллический углерод. Каменный и древесный уголь, торф — все это формы углерода растительного происхождения.

При горении угля, торфа или древесины выделяется тепловая энергия. Это и есть та энергия, которая была «законсервирована» в соединениях углерода. При сгорании в присутствии кислорода эти соединения снова переходят в простые вещества — углекислый газ и воду, из которых они образовались.

Процесс «сгорания» происходит и в живых организмах. При этом освобождается энергия, используемая обычно в синтезе сложных соединений, например белков. «Сгорание» в клетках живых организмов идет значительно медленнее, чем при настоящем горении, так как, если бы тепловая энергия освободилась сразу в большом количестве, организм погиб бы. «Горение» осуществляется за счет постепенного разложения сложных сахаров на все более простые соединения, вплоть до конечных продуктов — воды и углекислого газа, уходящего в атмосферу. Огромную роль в этом процессе играют ферменты. При постепенном разложении сахаров скрытая в них энергия освобождается понемногу и клетки имеют возможность расходовать ее очень экономно, сообразно с потребностью организма.

Происходящий в живых клетках процесс разложения сложных сахаров на более простые соединения называется диссимиляцией. Если диссимиляция происходит при достаточном доступе кислорода, мы говорим о дыхании.

Другой пример диссимиляции — брожение, при котором клетка лишена достаточного количества кислорода. При спиртовом брожении образуется спирт, при молочнокислом — молочная кислота.

Чем питаются автотрофные микроорганизмы?

«Приверженцы» фотосинтеза находятся и среди микробов. Кроме зеленых водорослей, ассимилирующих углекислый газ подобно высшим растениям, сюда относятся еще и сине-зеленые водоросли. Это очень непритязательные микроорганизмы, которые не требуют для своего питания никаких органических соединений. Нередко их находят в толще известковых и других горных пород. В 1883 году на острове Кракатау, между Суматрой и Явой, произошло извержение вулкана, уничтожившее 36 000 человек и все живое на острове. Сине-зеленые водоросли были первыми живыми организмами, вновь появившимися здесь после грозной катастрофы.

Большая часть автотрофных микроорганизмов получает энергию, освобождающуюся в процессе химических реакций между некоторыми неорганическими соединениями. Особую группу составляют пурпурные и зеленые серобактерии, имеющие в клетках пигменты, которые напоминают по своим свойствам хлорофилл. В этих бактериях на свету осуществляется фотосинтез. В других серных бактериях, не имеющих красящих веществ, протекает лишь хемосинтез, при котором сероводород постепенно окисляется до серной кислоты.

При окислении сероводорода и превращении его в серную кислоту освобождается энергия, используемая серобактериями для синтеза сахаров. Нередко процесс окисления прекращается в начальных фазах, и тогда в клетках бактерий откладывается сера. В Черном море, содержащем огромное количество сероводорода, на глубине около 2000 м живут серобактерии, которые окисляют сероводород, препятствуя его проникновению в верхние слои, где этот газ сделал бы невозможным существование морских животных.

В железистых водах или в мелких болотах со стоячей водой живут автотрофные железобактерии, окисляющие соли закисного железа до окисных соединений с освобождением химической энергии. На поверхности болот образуется пленка из гидроокиси железа, придающая воде ржавый цвет.

Жизненная энергия

Зеленые растения, аккумулирующие при фотосинтезе энергию солнца, накапливают ее в форме химической энергии в сахарах, где она и сохраняется вплоть до их диссимиляции. Если растения станут пищей других организмов (в том числе и микробов), скрытая в сахарах энергия перейдет в эти организмы и будет способствовать протекающим в них жизненным процессам.

Энергия, освобождающаяся при диссимиляции сахаров, служит не только для внутренних потребностей клеток. Немалая ее часть излучается в окружающую среду в виде тепловой энергии. Такое освобождение тепла нам знакомо, например, когда разлагается влажное сено или конский навоз. Если влажное сено сложить в стога, в нем начнут размножаться бактерии и плесневые грибы, и температура будет повышаться, порой достигая 70 °C. Иногда в результате подобной жизнедеятельности бактерий образуются химические вещества, вызывающие самовозгорание сена.

Микробы и брожение

Происходящее под влиянием микробов превращение глюкозы в спирт или молочную кислоту — процесс очень сложный. Глюкоза при участии ферментов преобразуется, проходя целый ряд этапов, в «ключевое» соединение — пиро-виноградную кислоту, в молекуле которой ровно в два раза меньше углеродных атомов, чем в молекуле глюкозы. Эта кислота возникает при спиртовом, молочнокислом, а также при других типах брожения.

Количество энергии, выделяемое при разложении одного и того же количества глюкозы, зависит от степени распада вещества. Чем проще конечный продукт распада, тем большее количество энергии высвобождается. Максимальное ее количество выделяется при дыхании, когда углеводы разлагаются, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды.

Соединения, образующиеся при разложении сахаров, по своему химическому составу бывают очень разные. Одни из них возникают в отсутствие кислорода, другие — только в его присутствии. При брожении сахаров с участием микробов образуются органические кислоты (молочная, масляная, лимонная, щавелевая), а также некоторые органические растворители (ацетон, бутиловый и пропиловый спирты и др.).

Микробы и гниение

Разложение сахаров, вызываемое микробами, мы назвали брожением. Но многие микробы участвуют и в разложении белков отмерших организмов или их выделений. Если в этом процессе используется кислород воздуха, белки распадаются на все более простые соединения, вплоть до минеральных (неорганических) веществ; тогда уже говорят о «минерализации» белков. Разложение в присутствии кислорода называется аэробным гниением. Его вызывают чаще всего грибы.

Анаэробное разложение, или гниение, белков происходит в отсутствие кислорода. Когда-то этот процесс считали чисто химическим, пока Пастер не доказал, что гниение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов. С процессами гниения мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Им подвержены все продукты, содержащие белки. Так, постоявшие несколько дней молоко или творог приобретают неприятный запах, что указывает на начало процесса гниения.

При разложении белков прежде всего высвобождаются аминокислоты, а уже из них аммиак, углекислый газ и сероводород. Нередко при гниении белков выделяются соединения с резким, неприятным запахом — индол и скатол, — содержащиеся в экскрементах. Они образуются в результате деятельности микроорганизмов, живущих в толстых кишках. К таким микроорганизмам относится и широко распространенная бактерия Proteus vulgaris. Ее родовое название говорит о сильной изменчивости этого микроба. (Протей в греческой мифологии был волшебником-великаном, по желанию изменявшим свой облик.)

Гниению подвержены захороненные трупы; при этом образуются сильноядовитые вещества, которые объединяют под общим названием птомаинов (от греческого слова ptoma — труп). Поскольку по своему химическому составу эти вещества схожи с растительными ядами — алкалоидами, в прошлом они нередко были причиной судебных ошибок: осуждали ни в чем не повинных людей за отравление только потому, что в мертвых телах находили сходные с алкалоидами птомаины, возникшие в результате жизнедеятельности микробов. Гниющие тела разлагаются под действием микроорганизмов до минеральных соединений; даже скелет, более устойчивый к гниению, и тот по прошествии длительного времени превращается в прах.

Живой свет

Еще Аристотель в IV веке до н. э. писал, что «некоторые тела способны светиться во тьме, например грибы, мясо, головы и глаза рыб».

Светящиеся бактерии излучают зеленый или голубоватый свет, хорошо заметный в темноте. Свечение это возможно лишь в присутствии кислорода. Оно подчас бывает настолько интенсивным, что позволяет без дополнительного освещения фотографировать культуры этих бактерий в лаборатории. Часто такие бактерии обитают и в морской воде. Их выделяют из рыб и некоторых других морских животных. В тропических морях находят и симбиотические бактерии. Органы, на которых поселяются светящиеся бактерии, служат им питательной средой. Помимо глаз, эти так называемые светящиеся органы находят и на других частях тела. Так, у рыб развились особые кожные образования, прикрывающие их светящиеся органы и таким образом регулирующие излучение света.

Известны культуры светящихся бактерий, при свете которых можно в темном помещении читать отпечатанный крупным шрифтом текст или различать стрелки на циферблате карманных часов.

Светятся также и грибы, например опенок. Учеными описаны светящиеся пауки и муравьи, обязанные своим «светом» симбиозу с бактериями.

Микробы вырабатывают красящие вещества

Интересно наблюдать колонии микроорганизмов в чашке Петри. Пытливый глаз человека различит здесь множество разнообразных цветовых оттенков. Колонии грибов, например, могли бы быть поставщиками красящих веществ, как самая совершенная фабрика по производству красителей. Мельчайшие черные головки, словно зернышки мака, покрывают колонию гриба, названного из-за своей черной окраски Aspergillus niger (niger по-латински значит черный). Другой гриб — A. flavus (что значит желтый) — образует колонии красивого желтого цвета, а колонии Penicillium chrysogenum, вырабатывающего пенициллин, окрашены в ярко-зеленый цвет (фиг. IV, вверху справа).

Колонии дрожжей бывают самой различной окраски — желтые, оранжевые, красные, белые, кремовые, розовые, фиолетовые, черные или коричневые (фиг. IV, вверху слева и внизу справа).

Не уступают грибам и бактерии. Окраска их колоний очень разнообразна: Staphylococcus albus образует белые колонии, Bacterium violaceum — фиолетовые, Bacillus janthinus — цвета индиго, Pseudomonas aeruginosa — голубые, Bacterium fluorescens — зеленые, Sarcina lutea — желтые, Serratia marcescens — красные (фиг. IV, внизу слева).

Из микроорганизмов были выделены многие красящие вещества и изучен их химический состав. Некоторые из них, улавливая световую энергию, принимают участие в фотосинтезе. У зеленых водорослей это зеленый хлорофилл, а у сине-зеленых водорослей — голубоватый фикоциан.

В клетках нескольких видов микробов было установлено присутствие красящего вещества крови — гемоглобина! Некоторые из этих красящих веществ являются антибиотиками, как, например, желтый хлортетрациклин или красный актиномицин.

Бактерии в истории человечества

Древнеримский историк Квинт Курций Руф в своей «Истории Александра Македонского» так описал одну из его побед при покорении Малой Азии. При осаде города Тироса в 332 году до н. э. в армии Александра Македонского произошло неприятное событие — в хлебе появились большие красные пятна, напоминающие пятна крови, и солдат охватил страх. Они посчитали это за плохое предзнаменование. Хитрый придворный мудрец Александра истолковал это «знамение» так: «Кровавые пятна действительно знак богов, но поскольку они находятся внутри запеченного хлеба, это означает гибель войск, находящихся внутри осажденных стен города. Боги указывают на свою благосклонность войскам Александра и дают понять, что его победа обеспечена». Толкование мудреца так подняло дух армии, что солдаты с воодушевлением атаковали стены города и в скором времени захватили его.

Схожие случаи известны и из истории Средних веков. В VI веке «кровавые пятна» в хлебе появлялись во французском городе Тур.

Подобные же пятна вызвали сильное волнение в 1819 году в итальянском селе Леньяро близ Падуи. В одном из домов на кукурузных лепешках появились красные пятна. Вскоре «эпидемия» охватила всю деревню и потребовалось вмешательство властей, поскольку волнение населения приняло характер паники. Комиссия специалистов исследовала загадочный случай. Все указывало на то, что «кровавые» пятна вызваны какими-то микроорганизмами. Один из членов комиссии перенес некоторое количество «зараженного» хлеба на свежий, и пятна очень скоро появились и на этом хлебе. Это было верное доказательство того, что возбудитель «эпидемии» — живой организм. После дезинфекции зараженных продуктов распространение красных пятен прекратилось. В честь мореплавателя Серрати эту «чудотворную» бактерию назвали Serratia marcescens (marcescens означает гниющий). S. marcescens синтезирует в своих клетках кроваво-красное красящее вещество продигиозин. Теперь мы уже не только знаем химический состав этого вещества, но и научились получать его искусственным путем. Этого впервые добились в 1962 году американские химики Г. Раппопорт и К. Г. Холден.

Микробы и витамины

Хорошо известно, что для нормального роста и развития человека и животных недостаточно пищи, содержащей только источники энергии и «строительного» материала. Животному организму необходимо еще небольшое количество веществ, названных польским врачом Казимиром Функом (1912) витаминами. К ним относятся соединения, создать которые сам организм не в состоянии и должен усваивать их с пищей. Недостаток витаминов в пище обычно вызывает различные болезненные симптомы.

Большая часть витаминов растительного происхождения. Некоторые из них (витамин А и витамин D) принимают свой окончательный химический облик лишь в организме животных, где они создаются из близких по составу провитаминов, содержащихся в пище.

Витамины очень тесно связаны с ферментами и, как правило, входят в состав последних в качестве так называемых коферментов. Такие ферменты состоят в основном из двух частей: апофермента, соединения белкового характера, и кофермента, представленного обычно одним из витаминов. В качестве примера сложного фермента можно привести карбоксилазу, которая при разложении сахаров освобождает углекислоту из пировиноградной кислоты. Кофермент карбоксилаза (или кокарбоксилаза) и есть витамин В_1 который связан с молекулой фосфорной кислоты.

Такие ферменты бывают активными только в тех случаях, если обе их составные части — апофермент и кофермент — соединены между собой. Недостаток витамина приводит к ослаблению активности соответствующего фермента.

Зеленые растения, как уже было сказано, сами производят необходимые витамины. Животные же получают витамины с пищей, так как неспособны образовывать их из основных элементов. Раньше считалось, что микробы не нуждаются в витаминах. Такая точка зрения была основана на том факте, что плесневый гриб Aspergillus niger, о котором мы уже не раз упоминали, размножается на питательных средах в отсутствие витаминов. Однако позднее от этого мнения пришлось отказаться, поскольку многие другие микроорганизмы не могли развиваться в средах, лишенных витаминов.

Известно, что гриб Phycomyces blakesleeanus не растет без витамина В_1. Для выращивания 1 мг сухого вещества этого гриба необходимо 5 мкг витамина В_1. Доза ничтожная, но совершенно необходимая для его развития.

Помимо витаминов многие микробы требуют для своего существования и не-которых других соединений, в том числе аминокислот. Такие «дополнительные» соединения, включая витамины, необходимые для роста микробов, мы называем ростовыми веществами.

Особенно нуждаются в ростовых веществах молочнокислые бактерии. Молоко как естественная среда их обитания содержит и витамины и аминокислоты, однако в течение длительного периода развития эти микроорганизмы как бы «избаловались» и перестали вырабатывать ростовые вещества. Другие же микробы, напротив, сами синтезируют витамины из основных питательных веществ и откладывают их в своих клетках. Дрожжи, например, очень богаты витаминами из группы В.

Запахи, издаваемые микроорганизмами

Свежевспаханное поле обязано своим характерным запахом почвенным организмам — актиномицетам. Запах масла и различных сыров также по большей части определяется микробами, выделяющими пахучие вещества. Соединения, обусловливающие аромат вина, являются продуктами жизнедеятельности некоторых дрожжей и других микроскопических грибов, присутствующих еще в свежем винограде, а также бактерий, продолжающих свою деятельность в процессе брожения.

Микробы являются источником многих очень неприятных, а часто и ядовитых пахучих веществ. Давно известно о случаях смерти людей в помещениях, оклеенных обоями, которые были натерты «швейнфуртской зеленью». Микроскопические грибы, разлагающие швейнфуртскую зелень, выделяют летучие соединения мышьяка. Особую активность проявляет при этом гриб Penicillium brevicaule, способный из мышьяковых соединений образовывать органические вещества с запахом чеснока.

Неприятные гнилостные запахи образуются не без участия сероводорода, аммиака и других соединений, возникающих в результате жизнедеятельности гнилостных бактерий при разложении белков. Отдельные микроорганизмы выделяют летучие вещества, которые оказывают раздражающее влияние на родственные микробы. Гифы микроскопических грибов, например, растут в направлении источника этого химического раздражения.

6. Жизнь и смерть микроорганизмов

Жизнь есть творение

К. Бернар

Микробы в движении

Левенгук, сообщая Лондонскому королевскому обществу о наблюдаемых им «зверушках», писал, что они отличаются способностью очень быстро передвигаться. Мы уже рассказывали, что, по предположению Левенгука, микробы должны иметь ножки, хотя увидеть их ему не удавалось. Мы узнали также и о том, что органы движения бактерий видны только при очень сильном увеличении в электронном микроскопе; ими оказались не ножки, предсказанные Левенгуком, а жгутики.

Мы, так же как и Левенгук, можем наблюдать движение бактерий под обычным микроскопом и не видеть при этом их жгутиков. Если на предметное стекло капнуть капельку несвежего молока и наблюдать ее под микроскопом, нашему взору откроются движущиеся бактерии. Одни из них будут медленно змееобразно извиваться, другие — стрелой пролетать через все видимое поле. Итак, после вопроса об органах движения бактерий мы приходим ко второму интересующему нас вопросу — о скорости передвижения бактерий.

И здесь, в царстве микробов, как и в мире крупных животных, мы найдем своих спринтеров и стайеров. Серобактерии из рода Chromatium за секунду проплывают расстояние 20–40 нм, а бактерии из рода Spirillum — до 100 нм. Spirillum длиной 10 нм проплывает за секунду расстояние в десять раз большее, чем его длина. Это соответствует скорости бегуна ростом 170 см, который пробегает в секунду 17 м; при такой скорости в час он должен был бы пробежать более 60 км! Однако мы знаем, что и лучший бегун мира способен пробежать 10 км лишь за полчаса. Таким образом, отношение скорости к высоте тела у спортсменов-бегунов втрое меньше, чем у спирилл, которые должны к тому же преодолевать значительно большее сопротивление, чем то, которое преодолевает бегун.

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 км^2, 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 м^3, 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.

Для своего времени Моно был очень точен в оценке роста бактериальных культур. Он уже имел опыт ряда предшественников, внесших свой вклад в изучение размножения микробов. Некоторые из них использовали и понятие «кривая роста», а Лэйн-Клейпон установила четыре последовательные фазы роста бактерий.

Согласно Моно, размножение популяции бактерий происходит следующим образом. При посеве бактерий на свежую питательную среду они приспосабливаются к новым условиям и первое время не размножаются; этот период принято называть лаг-фазой. После него следует фаза быстрого размножения с логарифмической зависимостью числа клеток от времени выращивания, что выражается экспоненциальной кривой. В связи с этим описанная часть кривой роста называется логарифмической фазой, или лог-фазой. Постепенно, однако, питательные вещества из раствора исчезают, а среда обогащается продуктами выделения бактерий, часто тормозящими процесс размножения. Бактерии вступают в стационарную фазу. Затем они начинают отмирать и распадаться, и кривая роста входит в фазу отмирания.

Подобные кривые роста могут быть построены и при изучении размножения других микроорганизмов. В процессе наблюдения можно отмечать и изменение диаметра растущих колоний. На фото 31 и 32 мы видим растущие колонии дрожжей. Клетки почкуются, и колония постепенно растет. Среди примеров различных кривых роста мы приводим кривую роста опухолевых клеток человека HeLa, выращиваемых в питательном растворе. Она заимствована из опытов автора, исследовавшего действие антибиотиков на клетки HeLa в лаборатории профессора Г. Гарриса в Оксфордском университете.

Кривые роста, а — бактерии Escherichia coli, число которых в течение часа увеличилось втрое; б — дрожжи Saccharomyces cerevisiae с менее интенсивным размножением; в — микроскопические грибы: Aspergillus (1), Coccidioides (2), Trichosporon (3), Paecilomyces (4); г — опухолевые клетки человека, выращенные на искусственной среде; д — вес детей автора в первые недели их жизни; е — прирост населения США начиная с 1700 года; ж — прирост населения нашей планеты за последние 2000 лет.

Кривая роста бактерий. Л — лаг-фаза; Б — лог-фаза; В — стационарная фаза; Г — фаза отмирания.

Заслуги Ж. Моно в развитии микробиологии не ограничились только изучением кривых роста. Позднее он был удостоен Нобелевской премии в области физиологии и медицины, о чем еще будет рассказано в одном из дальнейших разделов.

Кривые роста — не только количественные показатели. Результаты исследований последних лет показали, что в отдельные фазы кривой роста происходят существенные качественные изменения внутри клеток, в их ферментативной активности, в образовании различных соединений или телец, обеспечивающих в дальнейшем рост и размножение микроорганизмов.

Верно ли, что микробы бессмертны?

Мы познакомились с огромной потенциальной возможностью размножения микробов. Но мы узнали также и о том, что оно встречает существенные преграды. Более того, на кривой роста Моно мы нашли заключительную фазу, свидетельствующую о гибели микробов. А что мы знаем об основных причинах их смерти?

Как показали наши вычисления, размножение микробов не безгранично. Это значит, что некоторые из клеток гибнут, так и не дожив до деления. Чаще всего причиной их гибели бывают неблагоприятные внешние условия (недостаток питательных веществ, накопление в среде вредных для микроорганизмов продуктов жизнедеятельности и т. д.).

Гибель бактерий можно наблюдать при их выращивании в жидкой питательной среде. Вскоре после посева количество клеток начинает постепенно возрастать и так продолжается вплоть до достижения известной предельной концентрации в среде. С этого момента процесс размножения начинает замедляться и некоторые клетки перестают делиться. И не только делиться. Бактерии просто исчезают, их клетки гибнут и распадаются. Количество живых клеток резко уменьшается. Какова же причина их смерти? Из неживых соединений питательной среды клетки бактерий создали живое вещество. Число их постоянно увеличивалось, а запас питательных веществ соответственно сокращался, и для миллионов образовавшихся клеток не стало хватать пищи. Бактерии начали голодать, и очень скоро наступила их смерть.

Кроме того, в процессе жизнедеятельности микробы выделяют в окружающую среду продукты, количество которых с возрастанием числа клеток все увеличивается. Наконец их скапливается такое множество, что они начинают оказывать вредное влияние на выделившие их клетки, ослабляют их и, таким образом, ускоряют гибель.

Но микробов подстерегает в природе и насильственная смерть. Их может убить солнечный свет, в воде они становятся жертвой мелких водных животных. Наконец, многие микроорганизмы враждуют между собой, и борьба за жизнь часто бывает одной из причин их гибели. Но самым опасным для них врагом стал человек. Он узнал, что их могут погубить высокие температуры, и ввел различные методы стерилизации, создал активные химические вещества, способные умерщвлять миллионы микробов, и многими другими средствами научился создавать невозможные для их жизни и развития условия там, где присутствие микробов для него нежелательно.

Пределы жизни микроорганизмов

Жизнь и размножение микробов зависят от многих внешних факторов. К основным относится прежде всего температура окружающей среды. Самая низкая из известных нам температур, при которой прекращается тепловое движение молекул и атомов, — это —273 °C (так называемый абсолютный нуль). Теоретически эта температура является пределом жизни и для микробов, хотя у многих из них жизненные процессы прекращаются уже при температуре ниже 0 °C, которая, однако, их не убивает. Некоторые болезнетворные микроорганизмы сохраняли жизнеспособность в течение нескольких дней при —190 °C. Не вызывала их гибели и температура —250 °C, при которой газообразный водород переходит в жидкое состояние. Выдерживали бактерии в течение нескольких часов и охлаждение до —270 °C!

Где же находится верхний температурный предел жизни микробов? Обычно бактерии погибают при длительном нагревании до точки кипения воды. Впрочем, нам известны и случаи более высокой устойчивости. Это касается прежде всего спор бацилл. В обиходе бациллами часто называют вообще все микроорганизмы. На языке же специалистов этот термин относится только к бактериям, способным в определенных условиях образовывать в своих клетках споры. Их споры обычно значительно более устойчивы к неблагоприятным, в частности температурным, факторам внешней среды, чем организм самих бацилл.

Бактерии, не способные к образованию спор, выдерживают кратковременное нагревание до 100 °C, тогда как споры бацилл выносят и значительно более суровое испытание. Так, споры Bacillus stearothermophilus выживают при пятиминутном действии пара, нагретого до 121 °C. Споры возбудителя сибирской язвы (В. anthracis) способны выдерживать полминуты температуру 400 °C, которая и является до сих пор наивысшим пределом жизни микроорганизмов. Следовательно, амплитуда температур, при которой возможна жизнь микробов, равна 670° (от —270 до + 400 °C). Чаще всего эти границы значительно уже: за нижнюю можно принять 0 °C, за верхнюю 90 °C. В этих пределах в основном и проходит жизнь микроорганизмов, причем скорость их роста и другие проявления жизни находятся в тесной зависимости от температуры.

Все микроорганизмы по их отношению к температуре делят на три основные группы: психрофильные (холодолюбивые), мезофильные (предпочитающие средние температуры) и термофильные (теплолюбивые). Термофильные микроорганизмы живут в горячих источниках и выдерживают «ванну» с температурой 70–80 °C. Иные существуют в преющем сене. Впервые термофильная бактерия была обнаружена в конце 80-х годов прошлого столетия французским ученым Микелем из города Сен. Культура этой бактерии росла при 73 °C. Вышеупомянутый Bacillus stearothermophilus — опасная угроза для пищевой промышленности, так как к высоким температурам устойчивы не только его споры, но и вегетативные клетки, которые могут расти при 80 и даже 85 °C. К мезофильным микроорганизмам относятся почти все патогенные и большая часть сапрофитных микробов. К ним же принадлежит и большинство микроорганизмов, имеющих промышленное значение. Из группы психрофильных микробов можно назвать микроскопические водоросли, которые живут на снегу и окрашивают его в кроваво-красный цвет.

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.

Часть вторая. Микробы вокруг нас

Меня посетили благородные дамы, которым очень хотелось посмотреть на маленьких змеек в капле уксуса. Однако некоторым из них эти змейки показались настолько отталкивающими, что они поклялись никогда больше не брать уксуса в рот. Но что бы сказали эти дамы, узнав, что в налете только одного их зуба таких существ больше, чем людей в целом королевстве?

А. ван Левенгук

7. Где живут микроорганизмы?

Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду…

В. Л. Омелянский

Биосфера и микроорганизмы

Все пространство на земном шаре, населенное живыми организмами, мы называем биосферой. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры, воды рек, озер, морей, океанов и нижнюю часть атмосферы. В воде она достигает глубины 10 000 м. В почву дальше всех организмов проникают растения азиатских пустынь, их корни доходят почти до тридцатиметровой глубины[9]. Высшие растения встречаются в горах на высоте нескольких тысяч метров. Мощность всего пояса биосферы достигает, по-видимому, 12 000 м, что составляет, однако, меньше 0,2 % радиуса Земли. Выдающийся советский ученый В. И. Вернадский подсчитал, что общий вес живого вещества, то есть всех живых организмов нашей планеты, должен быть не менее 200 биллионов тонн, что приблизительно соответствует 0,0033 % всей массы земного шара (5974 триллиона тонн). Как же распределены в биосфере микроорганизмы?

Они встречаются в морских пучинах и на заснеженных вершинах гор, в тропических и полярных областях, в верхних и нижних слоях почвы, в воздухе[10], на растениях и на животных. Человек сталкивается с ними уже в день своего рождения, и они сопровождают его до могилы, где кончают свою миссию, превращая мертвое тело в «прах», в минеральные вещества Земли. Такую же роль играют микробы и в жизни других высших животных и растений.

Если взглянуть вокруг себя глазами микробиолога, ю очень скоро можно убедиться в вездесущности микроорганизмов. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал о них так: «Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду. Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела — все это буквально «кишит» микробами…»

Микроорганизмы в воде

Мы находим их в различных водоемах — стоячих и проточных, мелких и глубоких, горячих и ледяных, соленых и пресных, чистых и загрязненных, в озерах, болотах, морях и океанах. Прибрежные и придонные илы водоемов также богаты микроорганизмами.

В морской воде у островов Шпицбергена бактерии были найдены на глубине 2700 м. Океанографические исследования Тихого океана у берегов Филиппинских островов обнаружили бактерии на глубине 10 462 м, в одной из самых глубоких впадин Мирового океана.

Во время работы океанографической экспедиции Додо в 1964 году микробиолог К. Зобелл обнаружил на различных глубинах и в донных отложениях Тихого океана большое количество микроорганизмов (фото 33). При культивировании этих организмов были созданы условия, господствующие на глубине свыше 10 000 м — температура 2,5 °C и давление 1000 атм. Оказалось, что при таком высоком давлении размножение бактерий происходило в десятки и тысячи раз интенсивнее, чем при атмосферном давлении.

Сравнивая реакцию различных бактерий на высокое давление, Зобелл установил, что наземные бактерии под давлением 600 атм не растут или гибнут, тогда как морские, взятые с глубины 6000 м, чувствуют себя в этих условиях нормально. Тот же исследователь сообщил, что термофильные бактерии, прекращающие свой рост при нормальном атмосферном давлении уже при температуре несколько выше 85 °C, при давлении 1000 атм способны расти и размножаться даже при 104 °C. Это считается наивысшей известной до сих пор температурой, при которой возможен рост бактерий.

Известно, что свечение моря, часто наблюдаемое ночью, вызывают микроорганизмы. Эти светящиеся существа принадлежат в основном к жгутиковым организмам; среди них есть род, названный Noctiluca, что означает «ночной светлячок». В своей книге «Дневник изысканий по естественной истории и геологии» Ч. Дарвин так писал о свечении моря: «…море светилось вспышками. Явление было очень сходно с тем, чего можно было бы ожидать, если бы большая рыба быстро двигалась сквозь светящуюся жидкость»[11].

Одноклеточные зеленые водоросли в фитопланктоне океанов составляют 80 % всех органических веществ, образовавшихся на нашей планете путем фотосинтеза. Есть в морских водах и микроорганизмы, которые минерализуют органические вещества отмирающих существ и таким путем возвращают их в круговорот природы. Зеленые водоросли вырабатывают желтые пигменты, очень напоминающие по цвету окраску воды в некоторых прудах, в связи с чем предполагают, что желтые вещества[12], встречающиеся в природных водоемах, могут быть продуктами жизнедеятельности водорослей.

Живут микроорганизмы и в горячих источниках. Микроскопические водоросли были обнаружены в воде, вытекающей из купален курорта Пьештяни (Западная Словакия), температура которой достигает 90 °C. В горячих источниках Балканского полуострова живут бактерии, выдерживающие температуру 83 °C. При изучении фотосинтетической активности водорослей из горячих источников Йеллоустонского национального парка (США) было установлено, что процесс фотосинтеза происходил при 75 °C. Некоторые бактерии были обнаружены в источнике, вода которого имела температуру 91,5 °C — всего лишь на 2° ниже точки кипения, регистрируемой в условиях данного района. В канале, по которому вода вытекает из источника, температура доходит до 88 °C, но и здесь бактерий такое множество, что они окрашивают стенки канала в розовый цвет. Американские микробиологи Т. Брок и Дж. Дарланд сообщили о результатах исследований бактерий в 300 горячих источниках, находящихся в США, Новой Зеландии и Исландии. Они установили, что в умеренно кислых водах бактерии живут при температурах свыше 90 °C, а в щелочных выдерживают даже 100 °C!

Из водоемов с высоким содержанием солей (Мертвое море, Большое Соленое озеро) выделили бактерии, продуцирующие желтые и красные пигменты (с некоторыми из них связывают окраску рыб, живущих в соленой воде). Жизнь в воде с высокой концентрацией солей для большинства организмов невозможна. Однако в Большом Соленом озере обнаружили 30 видов организмов, в основном бактерий, а также несколько видов сине-зеленых и зеленых водорослей, простейших, два вида членистоногих и два вида пресмыкающихся. Еще более суровые условия в Мертвом море. Но и тут найдено восемь видов бактерий и два вида сине-зеленых водорослей.

Рекорд поставили микроорганизмы, обнаруженные в небольшом антарктическом озере Дон-Жуан, воды которого отличаются высокой концентрацией солей и низкой температурой. Члены американской экспедиции, проводившие исследования, с удивлением констатировали, что вода в нем не замерзает даже при температуре —24 °C, что объясняется высоким содержанием солей — в 13 раз большим, чем в морской воде. Но и из этого озера были выделены бактерии и дрожжи, приспособившиеся к столь неблагоприятным условиям среды.

Патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут расти даже в дистиллированной воде. В журнале Science в 1971 году было опубликовано сообщение четырех микробиологов, которые подвергли анализу 50 проб дистиллированной воды. В 20 из них были обнаружены эти бактерии. Вода была взята из запасов, предназначенных для аэрозольной терапии в двух детских больницах. Бактерии интенсивно размножались, и за 24 ч при температуре 25 °C количество их увеличилось в 250 раз!

В стране вечных льдов

Исследования условий жизни в Антарктиде, проводимые экспедициями многих государств, принесли новые сведения о жизни микроорганизмов.

Более 50 лет назад недалеко от Южного полюса на поверхности снега и льда вместе с замороженными водорослями были найдены и бактерии. Из образцов почвы, льда и различных органических остатков в Антарктиде удалось выделить многие виды психрофильных (холодостойких) микроорганизмов. На 1 г почвы получали от ста до нескольких тысяч клеток, даже на ледниках в 1 г льда обнаруживали до ста бактерий. В 1 г помета различных антарктических животных насчитывали от 3000 до 60 000 000 психрофильных бактерий.

Микробиологов Сиднейского университета, специализировавшихся на изучении водорослей, заинтересовали коричневые полосы в толщах морского льда. Оказалось, что их создают мельчайшие диатомовые водоросли. Неподалеку от одной из антарктических станций диатомовые были найдены на нижней поверхности льда, толщина которого достигала полутора метров. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы удовлетворялись тем слабым светом, который пробивался сквозь столь мощный слой. Позднее они были обнаружены в нижних слоях почти трехметрового льда. Эти слои менее плотны, чем наружные, и кристаллы льда чередуются здесь с капельками воды. В них-то и приютились диатомовые водоросли. Их количество учитывалось прямым подсчетом клеток, а также измерением содержания хлорофилла в биомассе организмов. В начале января 1963 года, то есть в середине антарктического лета, ученые установили присутствие 250 мг хлорофилла в 1 м^3 льда. Таким образом, общая продукция хлорофилла в антарктических льдах достигает 300–600 тысяч тонн в год.

Некоторые водоросли живут на поверхности снега, покрывающего горные вершины. Они окрашивают его в красный цвет. Среди них часто встречается вид Chlamydomonas nivalis, клетки которого содержат красные каротиноиды — пигмент, входящий в состав клеток моркови. В упомянутом выше труде Дарвина мы находим описание окрашенного водорослями снега на вершинах и гребнях Кордильер: «На нескольких покрытых снегом участках я нашел Protococcus nivalis — красный снег, так хорошо известный по описаниям арктических мореплавателей. Я обратил на него внимание, глядя на оставляемые мулами следы бледно-красного цвета, как будто копыта их были слегка окровавлены»[13].

Микробы в воздухе

Воздух мы обычно считаем стихией птиц. Правда, существуют и другие животные, которые проводят в этой среде какое-то время. Например, летучие рыбы поднимаются над водой и пролетают по воздуху значительное расстояние, не имея даже крыльев. Однако воздух не является их жизненной средой.

Зато в воздушной среде чрезвычайно распространены бактерии, водоросли, дрожжи и споры многих грибов. Больше всего микроорганизмов мы найдем над городами, значительно меньше их над вершинами высоких гор, ледниками и морями. Туда микробы попадают с восходящими потоками воздуха или с частицами пыли и часто преодолевают при этом огромные расстояния.

Над Москвой на высоте 1000 м в одном литре воздуха обнаружили пять бактерий. По маршруту самолета, летящего из Монреаля в Лондон, на высоте 2400–2700 м над Атлантическим океаном в пробах воздуха микробиологический анализ выявил дрожжи и споры некоторых микроскопических грибов.

Бактерии удалось обнаружить даже на высоте 12 000 м, хотя там они встречаются чрезвычайно редко. В воздухе, загрязненном вредными газами, сравнительно мало живых бактерий. Так, в 1 см^3 воздуха лондонских улиц содержится 300 000–500 000 частичек пыли, однако на 38 200 000 таких пылинок приходится всего один живой микроорганизм.

С удалением от поверхности земли количество микробов в атмосфере закономерно уменьшается. У вершины башни английского парламента обнаружили лишь одну треть того количества микробов, которое содержится в приземном слое воздуха. Разные количества микробов содержат воздух закрытых помещений и воздух улиц. В 1 м^3 воздуха, взятого с парижских улиц, было найдено 3480 бактерий, из лаборатории — 7420, а из старых домов — до 79 000 бактерий.

Воздушным путем могут расселяться и некоторые вредные микробы, вызывающие болезни растений. В Северной Америке распространена стеблевая ржавчина пшеницы, вызываемая грибом Puccinia graminis triticina. На 1 акре (около 0,4 га) посевов пшеницы, умеренно пораженных этим грибом, созревает в период жатвы до 10 биллионов спор. При сборе урожая сильно пораженной пшеницы над полями поднимаются красные облака «споровой пыли», причем почва, люди и машины — все покрывается красным налетом бесчисленного множества рассеянных спор. Подобное явление наблюдали в США в 1925 году. В начале июня распространение ржавчины ограничивалось районом, где выращивалась пшеница, — до 40° с. ш. В первую неделю июля поднялся сильный южный ветер, который перенес споры гриба на север на расстояние до 800 км и покрыл ими поля на площади свыше 500000 км^2. Подобный «дождь» из грибных спор выпал в 1929 году в Канаде в результате воздушного переноса спор ржавчины из долины реки Миссисипи на расстояние 900 км в течение только одной недели. Не исключена возможность такого «перелета» грибных спор и через океаны, с одного материка на другой.

Почва и микроорганизмы

Почва населена самыми разнообразными обитателями. Зеленые растения своими корнями черпают из почвы минеральные соли. Трудолюбивый крот роет в ней многочисленные туннели, в почве находят приют множество различных червей и насекомых. Широко представлен здесь и мир микроорганизмов. Бактерии, грибы, водоросли и простейшие — постоянные обитатели почвы, причем обработанная почва значительно богаче микроорганизмами, чем необработанная. В 1 г пахотной почвы находят от 1 до 20 миллиардов микробов. По предварительным сведениям, 1 га почвы населяют 4 ц бактерий, 2–3 ц грибов, водорослей и простейших, но есть данные, свидетельствующие о том, что обрабатываемый слой почвы на площади 1 га содержит 2–5 т микроорганизмов.

Различаются по количеству населяющих их микробов и слои почвы. Больше всего микробов в поверхностном слое. На глубине 1–2 см микробов в 10–20 раз больше, чем на глубине 25 см. Наиболее богаты микроорганизмами поверхностные слои достаточно увлажненных почв. В сухие почвы микробы проникают глубже — в Средней Азии, например, их обнаруживают на глубине 10 м и более.

В песках Каракумов в поверхностном слое бактерии почти полностью отсутствуют; на глубине 25–50 см в 1 г почвы было найдено 1700 особей, а на глубине 90 см — до 26 000 бактерий. На богатых аллювиальных почвах Урала на глубине 1,5 м нашли 18 000 000, а на глубине 17,5 м — 3 000 000 бактерий в 1 г почвы.

Населенность почвы микроорганизмами зависит от ряда факторов. В одной почве число их невелико, в другой достигает огромных цифр. Больше всего микробов содержится в почвах умеренных зон, но немало их бывает в тропических и полярных областях. В промерзающих почвах Сибири бактерии переносят неблагоприятный период низких температур, переходя в состояние анабиоза, а с оттепелью возобновляют свою активную жизнедеятельность. На Шпицбергене бактерий находят в почве, во льдах и на снегу.

Почвенные микроорганизмы имеют огромное значение. Большинство их питается отмершими остатками растений и животных, которые они постепенно перерабатывают вплоть до минеральных соединений. Таким образом, они постоянно восполняют запасы питательных веществ, необходимых для жизни растений. В этих процессах особую роль играют бактерии, способные усваивать азот из воздуха и связывать его в химические соединения, обогащая тем самым почву элементом, столь необходимым для питания всех живых организмов. Но некоторые почвенные микроорганизмы наносят вред растениям, а встречаются и такие, которые вызывают заболевания животных и человека.

Многие микробы из тех, что живут в почве или на ее поверхности, распространены, казалось бы, в самых неблагоприятных условиях. Так называемые нитрифицирующие бактерии живут на голых скалах, где отсутствуют высшие растения. Минеральные вещества они получают непосредственно из камня, на поверхности которого обитают, или с пылью, приносимой ветром. Важный для жизни азот они получают в форме аммиака и его соединений, образующихся в атмосфере при электрических разрядах и попадающих на скалу с росой или каплями дождя.

Микробы и история Земли

«День рождения» нашей планеты отделен от нас несколькими миллиардами лет. Вначале Земля была лишена жизни, и лишь много позднее ее стали заселять живые существа, а затем появился и человек. И этот любознательный человек, перелистывая древние «архивы» Земли, пытается узнать ее прошлое. Возникают такие области знаний, как геология и палеонтология. Первая из них имеет целью воссоздать историю изменения лика Земли от ее зарождения до наших дней, вторая разыскивает в этой истории следы жизни. И находит их в окаменел остях, костных остатках и других свидетельствах жизни в прошлом. Что же в истории нашей планеты можно узнать о микроорганизмах? И вообще можно ли найти следы их жизнедеятельности? Есть ли надежда встретиться в толще Земли с вездесущими клетками микробов?

Профессор Г. Й. Домбровский из Фрейбургского университета отвечает на эти вопросы положительно. Более того, он представляет нам как результат своих исследований живые бактерии, существующие уже сотни миллионов лет. Впервые эти бактерии были найдены им в соляных копях, возраст которых исчислялся 180–200 миллионами лет. Позже ученый перенес свои поиски в соляные копи Нового Света. И там он обнаружил бактерий в возрасте 260–360 миллионов лет (Канада) и 450 миллионов лет (США). Наиболее древними залежами соли считаются залежи в Иркутской области, их возраст 500–600 миллионов лет. Как утверждает Домбровский, точный микробиологический анализ образцов из всех этих месторождений позволяет считать, что найденные живые бактерии действительно относятся ко времени формирования залежей соли. Бактерии были как бы «законсервированы» солью и после перенесения в благоприятную среду ожили. Если исключить возможность их заноса из других источников, мы действительно имеем дело с живыми свидетелями глубокой древности нашей планеты. Домбровский уже давно культивирует потомство этих древних бактерий, сотни миллионов лет ожидавших в укромных убежищах своего «воскресителя».

Но микробиологи на этом не останавливаются. Несколько лет назад группа ученых Гарвардского университета исследовала отложения в южной части озера Онтарио, возраст которых исчисляется двумя миллиардами лет. Здесь сохранились самые древние доказательства жизни на Земле. В этих отложениях с помощью электронного микроскопа обнаружили вполне сохранившиеся мертвые клетки бактерий[14].

Микробы в месторождениях нефти

Среди микробов известны виды, способные использовать некоторые составные части сырой нефти. Поскольку для огромного большинства микроорганизмов эти соединения не могут быть источником питания, «специалисты по нефти» могли бы выступить в качестве индикаторов при поисках новых месторождений этого ценного сырья.

Во многих районах нашей планеты из органических отложений возникли залежи нефти. В настоящее время считают, что при образовании этих залежей немаловажную роль играли микроорганизмы. В месторождениях нефти на глубине около 2000 м в 1 г отложений живут 10—100 миллионов бактерий. Эти бактерии относятся к группе автотрофных организмов: они получают энергию для своих жизненных процессов из химических реакций, происходящих между неорганическими соединениями. Из залежей нефти через горные породы просачиваются различные газы (метан, этан, бутан и др.). В местах, где газы проходят че|)ёз верхние слои почвы, могут жить микробы, усваивающие газы и получающие благодаря этому энергию для жизненных процессов. Присутствие таких микробов в почве могло бы стать первым сигналом о возможном нахождении здесь залежей нефти. Еще точнее другой метод: в породе выкапывается неглубокая шахта, в нее помещают культуру микробов, которые очень чутко реагируют на присутствие выходящих из земли газов — даже в тех случаях, когда контроль при помощи химических методов не дает положительных результатов.

Человек и микроорганизмы

Мы уже говорили, что микроорганизмы сопровождают человека от колыбели до могилы. Пока зародыш находится в теле матери, он надежно защищен от микроорганизмов. Но уже при рождении первые живые существа, с которыми он приходит в контакт (за исключением матери), — это клетки микробов, сразу же воздействующие на организм новорожденного. Первым самостоятельным актом младенца обычно бывает крик и связанное с ним начало дыхания. С первым же вдохом в дыхательные пути ребенка вместе с воздухом попадают микробы. С первой же каплей материнского молока они проникают и в его пищеварительные органы, где, освоившись в первую неделю, остаются на всю жизнь. С первой же секунды появления на свет приходит в соприкосновение с микробами и поверхность тела младенца.

Трудно представить себе, чтобы микроорганизмы при таком тесном и постоянном контакте с человеком не оказывали на него никакого влияния; так же трудно исключить и обратное влияние человеческого организма на жизнь проникших в него микробов. Теперь мы уже хорошо знаем, что многие болезни возникают от того, что в наше тело внедряются болезнетворные микробы. Известно нам также и то, что без некоторых микроорганизмов мы просто не можем обойтись; это прежде всего микробы, населяющие наш пищеварительный тракт и к тому же снабжающие организм очень важным витамином К, без которого нарушается образование протромбина, необходимого для свертывания крови.

В непосредственный контакт с нашим организмом микробы приходят через дыхание. В сутки через дыхательные пути человека проходит около 15 000 л воздуха. Мы уже знаем, как много микробов в воздухе. Какова же судьба микробов, проникших через дыхательные пути в наше тело? Подсчитано, что житель Лондона, например, вдыхает в сутки около 300 000 бактерий. При этом любопытно, что в легких здоровых людей микробы практически отсутствуют и выдыхаемые ими газы их почти не содержат. Большая часть микробов и частиц пыли задерживается в носоглотке и на гландах, где организм их обычно обезвреживает. Напротив, при таких заболеваниях дыхательных органов, как туберкулез или дифтерия, больной выдыхает и откашливает множество микробов и заражает ими окружающих.

Еще один путь проникновения микробов в наш организм — с пищей. Мы знаем, что в продуктах питания находятся различные микроорганизмы, среди которых нередки и возбудители инфекционных болезней. Уже в ротовой полости постоянно присутствуют микробы. В желудке, где среда для них слишком кислая, они обычно не встречаются, а те, что проникают сюда с пищей, гибнут. Но при низкой кислотности желудочного сока можно найти микробы и в желудке. Больше всего их в толстой кишке. Там всегда присутствует Streptococcus faecalis. Число клеток этой бактерии в кишечнике одного человека превышает количество всех млекопитающих на земном шаре.

Другой постоянный обитатель кишечника — кишечная палочка Escherichia coli. Свое название она получила по имени открывшего ее крупного немецкого педиатра Теодора Эшериха, нашедшего эту бактерию в человеческом кале. Он назвал ее сначала Bacterium coli commune (бактерия кишечная обыкновенная), желая подчеркнуть ее обычное и постоянное присутствие в кишечном тракте людей. Ее численность — 75 % общего числа всех кишечных микроорганизмов. С калом бактерия попадает в почву или воду. Присутствие ее указывает на загрязнение воды фекалиями и непригодность для питья.

Кишечные микроорганизмы участвуют и в химических превращениях принятой человеком пищи. В частности, в толстой кишке они имеют очень благоприятные условия для роста и размножения. Из тела человека они уходят вместе с калом. Незваными и неприятными гостями кишечника являются возбудители некоторых кишечных заболеваний, таких, как брюшной тиф, паратиф или дизентерия.

Немало микробов на коже человека, в волосяном покрове, особенно на открытых частях тела. Это обычно бактерии, дрожжи или микроскопические грибы. И среди них нередки возбудители гнойного воспаления кожи (пиодермии). В борьбе с такими микробами очень действенным средством нужно считать прежде всего личную гигиену. Тщательное мытье в ванне удаляет с поверхности тела до миллиарда микробов.

Что же происходит с микробами после смерти человека? Погибают и они, предварительно сыграв роль гробовщика. Мертвое тело человека, еще недавно питавшее их, начинает кишеть множеством микроорганизмов, постепенно разлагающих его вплоть до минеральных соединений, или, как говорят специалисты, до полной минерализации.

Микробы в продуктах и кормах

В теплые летние месяцы мякоть хлеба иногда превращается в липкую желто-коричневую массу с неприятным запахом. Хлеб, пронизанный беловатыми волокнами, плохо режется. Его нельзя есть. Виновником этого бывает Bacillus mesentericus, который сохраняется внутри хлеба при его выпечке, поскольку температура там не превышает 100 °C. При длительном хранении в теплом помещении крахмал и белки, содержащиеся в хлебе, начинают разлагаться микроорганизмами. Из воздуха на уже выпеченный хлеб могут попадать споры грибов, вызывающие его плесневение. В прошлом большой вред хлебу наносили бактерии Serratia marcescens, которые вызывали в нем появление кроваво-красных колоний. О них мы уже упоминали.

В молоко микробы попадают при доении. Их количество часто зависит от различных факторов — здоровья коровы, санитарных условий ее содержания, а также от способов обработки молока. Чем меньше в нем микробов, тем дольше сохраняются его свойства как продукта питания. Загрязненное молоко может содержать бактерии, дрожжи и микроскопические грибы.

Молоко предоставляет микробам очень благоприятные жизненные условия. Они легко размножаются и изменяют его состав. Все мы по собственному опыту знаем, как быстро скисает свежее молоко. Виновники этого — молочнокислые бактерии, сбраживающие сахар в молочную кислоту. Если провести микробиологические и химические исследования такого молока, то мы увидим, что вслед за молочнокислыми бактериями в нем начнут размножаться и другие микробы. Появятся микроскопические грибы, использующие в своем обмене веществ молочную кислоту, что в свою очередь создаст условия для жизнедеятельности гнилостных бактерий.

Такие молочные продукты, как масло, сыр, брынза, также подвержены действию микроорганизмов. Масло приобретает неприятный запах, плесневеет или желтеет в результате деятельности нежелательной микрофлоры.

Различные сыры изготовляют из молока при обязательном участии определенных микроорганизмов. Но бывают случаи, когда в сыр при его производстве проникают микробы, вызывающие нежелательные процессы; например, в плавленых сырах развивается такое количество газов, что последние не только вспучивают массу сыра, но и разрывают упаковку. Таким образом, при обработке молочных продуктов одни микробы помогают нам, другие — злостно вредят.

Нападению микроорганизмов подвергается и мясо. Большей частью они попадают в мясо при его обработке и, очень быстро размножаясь, вызывают различные нарушения его пищевых качеств.

Особенно часто на сыром мясе развиваются кишечные бактерии. За короткий срок они вызывают процессы гниения и брожения, представляющие по существу, как мы уже знаем, разложение питательных веществ. Бывает, что мясо начинает светиться — это значит, что в нем поселились фосфоресцирующие бактерии. При повы пенной влажности воздуха на мясе появляются различные микроскопические грибы, образуя цветные пятна. В мясе больных животных могут находиться и болезнетворны? микробы, очень опасны? для человека.

В последнее время необычайно широко используются самые различные пищевые консервы. Мясные продукты, сгущенное молоко, овощи, фрукты, а также готовые «блюда» в консервах все чаще появляются на нашем столе. В принципе консервирование должно препятствовать размножению и разлагающей деятельности микробов. Но бывает, что и в консервах встречаются живые микроорганизмы, которые, попав в благоприятные условия, тут же начинают размножаться и могут стать возбудителями инфекционных заболеваний. Чаще всего это анаэробные бактерии, прекрасно существующие в бескислородной среде.

Картофель, овощи и фрукты приносят на себе обитателей мира микробов часто уже прямо с поля и из садов.

«Истина в вине» — гласит старое латинское изречение. Но в нашем путешествии по следам микробов нам важно знать другое. Находятся ли в вине микробы? Читатель, безусловно, ответит положительно и будет прав. Мы найдем их в вине, пиве и даже в безалкогольных напитках. Они попадают туда либо в процессе производства (брожение вина и пива вызывают дрожжи), либо во время дальнейших процедур. Если при изготовлении напитка будет использована загрязненная вода или не будут соблюдены строгие требования гигиены, напиток может стать носителем болезнетворных микробов. Бактерии тифа или дизентерии, например, сохраняются в пиве несколько суток.

Растительные корма уже в природных условиях, «на корню», не свободны от различных микроорганизмов. Попадают они на растения и при хранении кормов, особенно неправильном. Мы уже знаем, что недосушенное сено при хранении становится очагом деятельности термофильных микробов. Микробы разлагают целлюлозу, выделяя при этом тепло. Зерно хлебных злаков при недостаточном высушивании также может разогреваться под влиянием термофильных микробов. В результате «самовозгорания» зерно обугливается.

Попадающие на кормовые злаки микроскопические грибы разлагают питательные вещества, обесценивая качество кормов, а также выделяют ядовитые соединения, которые могут стать причиной отравления скота. Известная спорынья, паразитирующая на ржи, вызывает эрготизм[15]. Этому заболеванию подвержены и животные, и человек, оно может привести к смерти. Вызывает отравление скота и другой гриб, живущий на злаках (из рода Paspalum) в субтропических и тропических странах.

Головня и различные ржавчины — паразиты хлебных злаков, кукурузы и кормовых трав — также бывают причиной опасных заболеваний. В Югославии накануне второй мировой войны было много случаев отравления детей, которые питались продуктами из кукурузных зерен, пораженных головней.

Ядовитые продукты жизнедеятельности грибов, опасные для животных и человека, называются микотоксинами. Из них наиболее известны а флатоксины, продуцируемые грибами из рода Aspergillus, в особенности видом A. flavus (отсюда и название этой группы токсинов). Они ядовиты для многих животных; установлено также, что они могут вызывать и рак. Афлатоксины были обнаружены на пищевых продуктах и кормах. В 1960 году в Великобритании погибло большое число морских свинок, питавшихся мукой из арахиса, который был заражен грибом A. flavus. В 1968 году в западной части Явы умерло 60 человек, съевших слегка заплесневелые продукты из арахиса, а в Британской Гвиане немало местных жителей погибло в результате потребления продуктов, в которых потом было установлено присутствие афлатоксинов.

Микробы — вредители

Древесина, в которой содержится достаточное количество влаги, становится объектом бурной деятельности микробов. В сырых квартирах, на судах и в шахтах на древесине растут в первую очередь различные виды микроскопических грибов, а нередко и бактерий, разлагающих целлюлозу или иные составные части древесины. Древесина гниет, окрашиваясь в необычные для нее цвета или обращаясь в порошок.

Волокна различного текстильного сырья также нередко становятся объектом разлагающей деятельности микробов. Гриб Ashbya gossypii разрушает волокна хлопка еще в семенных коробочках. Разлагается микроорганизмами и овечья шерсть. Эти микробы, как правило, распространены в навозе или на загнивающих растительных остатках и представлены бактериями, актиномицетами и микроскопическими грибами.

В тропиках различные микроскопические грибы часто находят на лаке, которым покрыты машины. Слой лака разъедается, и металл подвергается коррозии. Электрические моторы, экспортируемые в тропические области, должны быть защищены особыми лаками, содержащими фунгицидные вещества[16]. Вредному влиянию микробов подвержены различные ткани и изоляционные материалы.

Микробы часто бывают причиной недолговечности водопроводных труб. Железобактерии окисляют железо, что приводит к закупорке труб. Серобактерии, в результате жизнедеятельности которых образуется серная кислота, также способствуют коррозии железа и других металлов, растворяющихся в этой кислоте. Обе группы бактерий встречаются в сырой нефти и повреждают трубы нефтяных вышек и насосов. По мнению некоторых специалистов, микробы являются неотъемлемой частью среды, поэтому играют важную роль в процессах коррозии бурильных установок.

Они участвуют также в процессах разложения каучука, нефти и многих других природных материалов, а также бумаги, текстиля и пластмасс. Итак, микробы открывают свое новое лицо — лицо опасных вредителей.

Космическая микробиология

Наша эпоха получила много наименований, связанных с успехами естественных наук. Говорят об «атомном веке», «эре антибиотиков», «эпохе кибернетики». В последнее время начинают говорить и о «космическом веке». Без преувеличения можно сказать, что мы находимся на пороге волнующей страницы человеческой истории. За очень короткий срок мы стали свидетелями запуска сотен искусственных спутников. Первые посланцы Земли взлетели к Луне, Венере и Марсу, подобно планетам Солнечной системы бороздят космос пилотируемые корабли, увеличивается семья космонавтов. Появились проекты полетов к другим планетам нашей Солнечной системы, о межпланетных путешествиях написано много увлекательных романов.

Космический век принес с собой и новые проблемы в области биологических наук. Рассмотрим некоторые вопросы, возникшие в связи с этим в микробиологии. Микроорганизмы — эти мельчайшие представители живого — призваны сыграть важную роль в освоении человеком Вселенной.

Читатели, наверное, еще помнят, что в экспериментальных космических полетах участвовали и живые организмы. Самыми маленькими «пассажирами» были культуры микроорганизмов. Они позволили изучить влияние космических лучей на мелкие живые существа. Полученные сведения были использованы для решения сложных вопросов, связанных с полетом человека в космическом пространстве, в частности вопросов защиты от пагубного влияния космических излучений.

На борту первых космических кораблей были и микроскопические зеленые растения — одноклеточные водоросли. Мы знаем, что зеленые водоросли осуществляют фотосинтез, при котором из воды и углекислоты под влиянием солнечного света образуются основные, энергетически наиболее важные соединения — сахара. Преобразование световой энергии в химическую, связанную в молекулах сахаров, обеспечивает хлорофилл, находящийся в клетках водорослей. Упрощенное представление о получении глюкозы в процессе фотосинтеза дает следующая формула:

6Н_2O + 6CO_2 + Энергия → С_6Н_12O_6 + 6O_2, или

Вода + Углекислый газ + Энергия → Глюкоза + Кислород.

Образование сахаров при помощи фотосинтеза — основной процесс, за которым следует синтез остальных жизненно важных соединений из неорганических веществ. Зеленые водоросли при помощи своих ферментов получают из сахаров необходимое количество энергии и образуют белки, нуклеиновые кислоты, витамины и новые молекулы ферментов. Фотосинтезирующие зеленые водоросли — типичные автотрофные организмы, способные из минерального «сырья» получать и накапливать в своих клетках все наиболее важные для жизни вещества.

При длительных космических полетах зеленые водоросли могут быть использованы в качестве важной составной части меню космонавтов. «Наземные» опыты с культурой одноклеточных водорослей и с приготовлением из них питательных продуктов дали очень обнадеживающие результаты.

Кроме того, зеленые водоросли принимают участие в восстановлении состава воздуха в кабинах космических кораблей. Известно, что в процессе фотосинтеза освобождается кислород, используемый в другом важном жизненном процессе— дыхании. С химической точки зрения дыхание — это процесс, как бы обратный фотосинтезу: используются сахара и кислород, а освобождаются энергия, углекислый газ и вода:

С_6Н_12O_6 + 6O_2 → 6СO_2 + 6Н_2O + Энергия, или

Глюкоза + Кислород → Углекислый газ + Вода + Энергия.

Таким образом, космонавты поставляют водорослям углекислоту для фотосинтеза и получают от них взамен кислород для дыхания. Уже сконструированы различные модели аппаратов для культивирования водорослей в космических кораблях. Подобный обмен жизненно необходимых газов (кислорода и углекислого газа) между растениями и животными происходит на нашей планете со времен ее глубокой древности.

К самым интересным проблемам космических исследований, безусловно, относится вопрос о существовании жизни во Вселенной. До сих пор нам доподлинно известно всего лишь одно небесное тело, на котором есть жизнь. Это наша планета. После того как человек побывал на Луне, стало ясно, что там едва ли когда-нибудь могла существовать жизнь. Мы знаем, что химический состав нашей Солнечной системы всюду, по существу, один и тот же. Исходя из этого, мы можем предполагать, что и внеземные живые организмы (некоторые ученые называют их экзобиотами) должны обладать биохимическими и физиологическими свойствами, сходными со свойствами земных организмов. Поэтому и считают, что жизнь может существовать прежде всего на таких небесных телах (планетах), где есть основные условия жизни: вода в жидком состоянии, благоприятная температура поверхности планеты, атмосфера, качественно схожая с земной, достаточное количество света как источника энергии для фотосинтеза. Такие условия в нашей Солнечной системе имеются отчасти на Марсе, в связи с чем некоторые ученые полагают, что жизнь, хотя бы ее низшие формы, возможна на этой планете.

На Земле мы найдем микробов в каждом комочке почвы, в движимых воздушных массах; они живут в полярных областях и в тропиках, на высокогорных вершинах и в глубинах океанов. Не исключено, что и на других планетах, где возможна жизнь, есть свой особый состав микроорганизмов, представляющих низшие формы жизни. Поэтому при изучении образцов, доставленных с иных планет, следует применять и микробиологические методы.

Но тут неизбежен один коварный вопрос: будут ли микробы, найденные в инопланетных образцах, действительно внеземными существами? Очень важно избежать заноса на иные планеты земных микробов или загрязнения образцов, взятых с этих планет, «нашими» микроорганизмами, которые мы ошибочно можем принять за внеземные.

Кроме того, здесь кроется и другая немалая опасность. Представим себе какую-нибудь планету, на которой существует жизнь. На нее прибывает посланный с Земли космический корабль, и в нем находятся «безбилетные пассажиры» — земные микробы. Попадая в подходящие условия, они начинают размножаться. Из каждой бактериальной клетки через 20–30 мин возникают две новые. С помощью ветра и водных течений самые обыкновенные бактерии могут завладеть планетой, по величине близкой к размерам нашей Земли, всего за какие-нибудь несколько недель. Это, безусловно, приведет к резким изменениям в жизни планеты. Многие микробы могут оказаться болезнетворными, и нельзя исключать возможность, что они выживут на этой «живой» планете различные эпидемии. Существует опасность и обратного порядка. Инопланетные микроорганизмы, попавшие в качестве нежелательных пассажиров — «зайцев» — в корабль, вернувшийся на Землю, могут стать серьезной угрозой для нашей планеты.

О возможности жизни на Венере среди ученых существуют различные точки зрения. На этой планете есть атмосфера, в составе которой удалось обнаружить углекислый газ, азот и другие газы, а недавно обнаружили и воду. Температура на поверхности Венеры гораздо выше, чем на Земле; по некоторым данным, она превышает 300 °C[17]. Такая температура слишком высока для того, чтобы на ней была возможна жизнь.

Недавно в журнале Science появилась интересная статья о возможностях заселения Венеры. Приведем основные мысли, высказанные в этой статье.

Для освоения Венеры высшими земными организмами ее необходимо соответствующим образом подготовить: снизить температуру поверхности планеты и повысить содержание кислорода в атмосфере. Для этого нужно подыскать организмы, способные существовать не непосредственно на ее поверхности, а на высоте нескольких километров, где находится пояс умеренных температур. Здесь процесс фотосинтеза мог бы протекать по основной схеме, причем источником кислорода служила бы вода. Со временем клетки этих организмов опустились бы в нижние слои атмосферы, где под влиянием высоких температур происходило бы разложение органических соединений, таких, как сахара. Схема этого процесса выглядела бы так:

С_6Н_12O_6 + Тепловая энергия → 6С + 6Н_2O, или

Сахара + Тепловая энергия → Углерод + Вода.

При этом содержание углекислого газа в атмосфере понижалось бы, запасы воды обновлялись, а количество кислорода — повышалось. Нам известны организмы, способные выполнить подобное задание. Это фото-синтезирующие одноклеточные сине-зеленые водоросли. Некоторые из них живут на Земле в горячих источниках при температуре 80 °C. Другие виды наземных сине-зеленых водорослей, азотфиксирующие, могли бы выполнить еще одну задачу на Венере: связывать азот из атмосферы и получать с его помощью белки и все остальные жизненно важные азотсодержащие органические вещества.

В упомянутой статье говорится о планах засылки на Венеру кораблей с подобным экипажем. За счет снижения в атмосфере содержания углекислого газа можно было бы устранить и так называемый парниковый эффект, который является причиной высоких температур на поверхности планеты. Со временем этот процесс можно было бы приостановить во избежание чрезмерного понижения температуры, в результате которого прекратились бы разложение органических соединений на поверхности планеты и вышеописанные реакции.

8. Микроорганизмы и сельское хозяйство

Тяжек был труд твоего землепашца на поле:

Три лишь зерна на зерно получал с урожая.

Ости одни и колючки подчас пожиная,

Пану оброк семикратный он нес, проклиная…

Так на груди твоей издавна предки трудились,

Вечную муку до ран на руках принимая…

М. Разусова-Mapтакова «К Земле Словацкой»

Неизвестные сотрудники

Очень долгое время мы ничего о них не знали. Землепашцы испокон веков рыхлили землю, сеяли и собирали урожай. Потом наступила эпоха микробиологических исследований и почвоведения и понемногу стала проясняться судьба различных соединений в почве, их круговорот в природе. И человек постепенно узнавал о неизвестных и невидимых сотрудниках из мира микроорганизмов. Так, мы узнали, что именно они— основные поставщики углекислого газа в атмосферу, откуда его в процессе фотосинтеза усваивают растения, добывая пищу для гетеротрофных организмов, в том числе и для человека. Среди микробов мы открыли фиксаторов и преобразователей азота и его соединений, являющихся необходимыми элементами питания всех организмов. Соединения азота, серы, фосфора и большую часть биогенных элементов растения получают в почве прежде всего благодаря деятельности микроорганизмов.

И теперь, окидывая взором поле с созревающим урожаем той или иной сельскохозяйственной культуры, мы знаем, что его обеспечивают многие миллионы микробных клеток, находящихся в почве, где они неустанно, невидимо для нас выполняют свою жизненную задачу. Здесь мы найдем представителей всех групп микроорганизмов, и почвенная микробиология может дать нам в цифрах наглядное представление об их составе в 1 г почвы:

Простейшие 600 000 — 1 500 000

Водоросли 100 000

Микроскопические грибы 8 000 — 1 000 000

Актиномицеты 100 000 — 36 000 000

Бактерии 300 000 — 90 000 000

Рассмотрим роль почвенных микроорганизмов в сельском хозяйстве и их значение для поддержания жизни на нашей планете.

Круговорот углерода в природе

Мы уже знаем, что в процессе фотосинтеза растения поглощают из атмосферы углекислый газ и из него и воды при обязательном участии световой энергии вырабатывают сахара. Дальнейшая судьба полученных сахаров может быть различной. В клубнях картофеля и зернах хлебных злаков из сахаров образуется крахмал. В семенах некоторых растений накапливаются масла. В конопле и хлопчатнике образуются волокна, используемые в текстильной промышленности. Образующиеся в хлоропластах сахара служат, кроме того, вместе с другими веществами материалом для построения различных органов растения.

Биогенный элемент углерод, входящий в состав углекислого газа и сахаров, находится в природе в постоянном круговороте. Если бы его запасы в атмосфере не пополнялись, их хватило бы для жизни растений всего лет на сорок. Процесс фотосинтеза прекратился бы, и как следствие этого наступил бы конец жизни на Земле. Однако мы знаем, что запасы углекислого газа в воздухе постоянно восполняются. Он поступает в атмосферу из вулканических газов, минеральных вод, освобождается при выветривании горных пород и сгорании древесины, угля, торфа, горючих газов и нефтяных продуктов. Живые организмы возвращают его в атмосферу при дыхании. Микробы также честно выполняют свою роль поставщика этого драгоценного продукта — участвуют в разложении остатков животных и растений, минерализуя органические соединения. Можно считать, что бактерии и грибы при дыхании выделяют в атмосферу больше углекислого газа, чем все люди и животные, вместе взятые.

Растения относятся к автотрофным организмам, для питания которых достаточно лишь усвоения углекислого газа, в отличие от гетеротрофов, принимающих углеродную пищу только в форме готовых органических соединений. Мы уже знаем, что автотрофными являются и многие микроорганизмы. Кроме зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей, нам известны специализированные автотрофные бактерии, использующие для получения и усвоения углекислого газа химическую энергию, которая освобождается в результате реакций, происходящих в неорганических соединениях. Из таких автотрофных почвенных бактерий наиболее известны нитрифицирующие бактерии, которые играют чрезвычайно важную роль в круговороте другого биогенного элемента — азота.

Потребность в азоте

Азот — важный биогенный элемент, присутствующий в каждой живой клетке. В азоте нуждаются все живые организмы, но добывают они его по-разному. Животные получают азот из растительной пищи. Зеленые растения черпают его из почвы в форме минеральных соединений. Газообразный азот, находящийся в атмосфере, для зеленых растений недоступен. Своими надземными органами они буквально купаются в атмосферном азоте, но использовать его не могут. В результате электрических разрядов в атмосфере возникает небольшое количество соединений азота, в частности аммиак; они проникают в почву с дождем и могут служить растениям источником азота. Но на 1 га почва получает таким путем лишь около 3 кг азота в год, тогда как с урожаем мы получаем его с этой же площади раз в 20 больше.

В 1 га почвы содержится около 8000 кг азота, большая часть которого связана с живущими в ней организмами. Если бы растениям был доступен весь находящийся в почве азот, то, например, сахарная свекла исчерпала бы его за 40 лет. И хотя запасы азота в почве невелики, они постоянно пополняются, причем главная роль в этом процессе принадлежит почвенным микроорганизмам.

Мертвые животные и растения очень скоро становятся жертвой микробов, которые используют в процессе своей жизнедеятельности эти богатые запасы органических соединений. Одни микробы выделяют ферменты, осуществляющие разложение белков на их составные части — аминокислоты (но процесс разложения на этом не останавливается). Другие микробы под действием ферментов освобождают из аминокислот углекислый газ, большая часть которого возвращается в атмосферу, и аммиак, остающийся в почве. Микробы освобождают аммиак и из выделений различных животных. Процесс, при котором в результате жизнедеятельности микробов из белков и других органических соединений выделяется аммиак, называется аммонификацией. Пахотная почва, в которой находятся растительные остатки, навоз, отмершие мелкие животные и микробы, всегда содержат аммиачные соединения.

Хвойные древесные породы своими корнями поглощают аммиачные соединения из почвы и используют их для образования аминокислот и белков. Так азот, связанный в аммиаке, снова возвращается в живую природу.

В более трудном положении находятся растения, неспособные усваивать аммиак. Они могут использовать только азот, содержащийся в нитритах или нитратах. Но и этим растениям на помощь приходят микробы.

Бактерии, открытые Виноградским

Сергей Николаевич Виноградский, выдающийся русский микробиолог, долгое время работавший в Пастеровском институте в Париже, внес огромный вклад в развитие микробиологии. Центральной темой его исследований было изучение автотрофных бактерий. Вслед за работами, посвященными серобактериям и железобактериям, ученый занялся изучением химических превращений аммиака в почве.

В 1890 году ему удалось выделить из почвы культуру микробов, очень чувствительных к минимальным количествам органических соединений и потому не растущих на обычных питательных средах с желатиной или агаром. Когда же он применил неорганическое студенистое соединение силикагель и, поместив его в чашки Петри, добавил несколько капель минеральных соединений (среди которых был и аммиак), а сверху присыпал комочками почвы, то вскоре увидел, что около них выросли колонии бактерий. Это были автотрофные нитрифицирующие бактерии, обладающие способностью превращать почвенный аммиак сначала в нитриты, а затем в нитраты. В обеих фазах этого окислительного процесса освобождается энергия, используемая нитрифицирующими бактериями при ассимиляции углекислого газа в процессе хемосинтеза.

Нитрифицирующие бактерии чрезвычайно полезны для сельского хозяйства. В течение лета на 1 га хорошо обработанной почвы они преобразуют до 200 кг аммиачного азота в нитраты, делая таким образом этот азот доступным для растений.

Независимые растения

Среди культурных растений есть такие растения, которые не нуждаются в азотном удобрении. Это бобовые. К ним относятся клевер, люцерна, горох, фасоль, соя и др. Уже в Древнем Риме было известно, что бобовые улучшают свойства почвы и что урожай на полях, где предшествующей культурой были бобовые, всегда богаче.

В прошлом веке было установлено, что бобовые растения содержат в 2–3 раза больше азота, чем любые другие культурные растения. Содержание белка в них даже выше, чем в мясе. Каково же происхождение азота в этих растениях? Если мы осторожно выдернем из почвы растения клевера или гороха, то обнаружим на их корешках вздутия — клубеньки. В этих клубеньках живут так называемые клубеньковые бактерии. Они-то и являются причиной высокого содержания белка, поскольку усваивают азот непосредственно из воздуха. Единственной доступной для них фермой азота является молекулярный азот, запасы которого в атмосфере неисчерпаемы. В процессе превращения молекулярного азота в аминокислоты часть этих соединений остается в клубеньках, откуда они распространяются затем по всему растению. Так бобовое растение, неспособное самостоятельно синтезировать органические соединения из газообразного азота, получает их недорогой ценой от клубеньковых бактерий. Взамен оно отдает им воду, минеральные соли и запас энергии в форме сахаров, образующихся при фотосинтезе. Эти вещества в свою очередь служат необходимым питанием для клубеньковых бактерий, нуждающихся в готовых углеродных соединениях. Таким образом, пребывание клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений очень выгодно для обоих партнеров — бактерий и высших растений. Такое взаимовыгодное сожительство двух различных организмов мы называем симбиозом.

Другие фиксаторы азота

В 1893 году С. Н. Виноградский сообщил ученому миру интересные данные о другом виде бактерий, выделенном им из почвы и названном в честь Пастера Clostridium pasteurianum. Он выращивал эти бактерии на питательной среде, лишенной азота, и они нормально росли и размножались. Через некоторое время Виноградский обнаружил, что питательная среда обогатилась соединениями азота, отсутствовавшими в ней ранее. Он установил, что С. pasteurianum способны усваивать азот из воздуха и «вырабатывать» из него белки. Этот микроорганизм относится к анаэробным бактериям, которые обитают в бескислородной среде.

Спустя восемь лет после открытия этих бактерий голландский микробиолог Мартин Бейеринк обнаружил в почве еще один вид, способный фиксировать атмосферный азот, и назвал его Azotobarter chroococcum. Это был тот самый Бейеринк, который одновременно с Ивановским открыл существование вирусов, о чем будет рассказано в 10-й главе. Любопытная деталь: будучи убежденным холостяком, Бейеринк свои лекции в университете всегда начинал обращением «Господа и дамы!» Когда один из его ассистентов женился, он прервал с ним всякие отношения, заявив: «Ученый не имеет права жениться!»

Связывание (фиксация) атмосферногр азота бактериями — процесс огромной важности. Молекулярный азот, недоступный никаким другим организмам, преобразуется в соединения, которые могут использоваться как легкоусвояемая пища. Очень любопытен химический механизм этого явления.

При химическом производстве азотных соединений из атмосферного азота применяются методы резких температурных скачков и сложная химическая аппаратура. Химики улавливают азот из воздуха при помощи мощной электрической дуги, сквозь которую прогоняют струю воздуха при температуре 3000 °C. Затем образующийся газ пропускают через воду, и азотные соединения, связываясь с водой, превращаются в азотную кислоту. По другой методике воздух охлаждают до —194 °C; азот отделяют от остальных составных частей воздуха, смешивают с водородом в отношении 1:3, подогревают до 550 °C, и тогда под высоким давлением в присутствии катализатора образуется аммиак. В результате взаимодействия аммиака с кислородом в присутствии платинового катализатора образуется азотная кислота[18].

Насколько же проще делают все это мельчайшие клетки бактерий, усваивающие атмосферный азот! Им достаточно одних остатков растений, служащих источником углерода и энергии. Они живут во мраке, во влажной, теплой почве и, невидимые, неслышные, усваивают азот из богатейшей природной кладовой. При помощи своих ферментов они преобразуют его в значительно более сложные соединения, чем может даже представить человек. И в результате всех этих превращений в клетках бактерий создаются белки, без которых невозможна жизнь на нашей планете.

Связывание атмосферного азота имеет и огромное хозяйственное значение. Согласно некоторым подсчетам, бактерии поставляют в почву до 9 830 000 т азота в год. В пересчете этого количества азота на такое промышленное азотное удобрение, как натриевая селитра, мы получили бы астрономическую цифру. Если бы бактерии не обогащали почву азотом, нам пришлось бы тратить на удобрение до 150 000 000 т натриевой селитры в год. Только на транспортировку такого количества потребовалось бы 300 000 поездов по 50 вагонов.

Естественно, что эта способность азотфиксирующих бактерий уже давно привлекала к ним внимание микробиологов. Они использовали эти организмы в виде так называемых бактериальных культур, которые заделываются в почву. Почва обогащается азотом, и ее плодородие значительно повышается.

В Японии и Индии при выращивании риса в последние годы стали применять новое микробное удобрение. Это удобрение содержит культуры сине-зеленых водорослей, очень быстро размножающихся на заливаемых водой рисовых полях. К тому же они не только связывают атмосферный азот, в них происходит еще и процесс фотосинтеза, что поддерживает деятельность других микроорганизмов и влияет на повышение урожаев риса.

Таким образом, знания ученых о способах питания микроорганизмов с успехом используются для повышения урожайности культурных растений, то есть теоретические исследования микробиологов и в сельском хозяйстве приносят богатые практические результаты.

Круговорот веществ в природе, в котором деятельное участие принимают микроорганизмы.

Биогенные элементы в движении

Мы убедились уже в том, что микробы играют очень важную роль в превращениях углерода в почве. Clostridium pasteurianum, Azotobacter, клубеньковые бактерии и сине-зеленые водоросли связывают атмосферный азот и способствуют образованию органических соединений. В процессах гниения бактерии осуществляют аммонификацию, освобождая аммиак из отмерших растений, животных, микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в важнейшие питательные вещества растений — нитриты и нитраты.

Однако помимо этой полезной деятельности почвенных бактерий нам известна и другая сторона их активности, с хозяйственной точки зрения нежелательная. Дело в том, что некоторые микробы вызывают денитрификацию, при которой из нитратов образуется молекулярный азот, выделяющийся в атмосферу. Процесс денитрификации происходит обычно в плохо обработанных и слабо аэрируемых почвах.

Все превращения азота под влиянием микробов, растений и животных дают нам картину его грандиозного и бесконечного круговорота в природе.

И остальные биогенные элементы постоянно переходят от неживой материи к живому веществу, а от него — под влиянием деятельности микробов — снова возвращаются к мертвой природе. Некоторые из них необходимы микроорганизмам лишь в очень малых количествах. Это так называемые микроэлементы. Железо или медь — важные компоненты некоторых ферментов. Кобальт принимает обязательное участие в образовании молекул витамина В_12, открытого уже в послевоенные годы. Его с успехом применяют в лечении острой анемии. В_12 образуется в клетках многих микробов, и в настоящее время основным путем получения витамина в промышленности является микробиологический синтез.

Профессор П. Немец так характеризует круговорот веществ в природе и участие в этом процессе живых организмов, в частности микробов:

«Компоненты атмосферы — углерод, азот и кислород — усваиваются живой природой, становясь составной частью живых организмов, точнее живой материи. Со временем эти организмы выделяют их обратно в атмосферу. В процессе дыхания или под влиянием разлагающей деятельности микроорганизмов элементы минерализуются и возвращаются в неживую природу. То же происходит и с остальными минеральными элементами, участвующими в биологическом круговороте. Живое вещество в этом непрестанном цикле использует неживую материю атмосферы и земной коры, а движение цикла обеспечивается солнечной энергией.»

Три тысячи лет назад один древний мудрец выразил ту же мысль гораздо лаконичнее: «…И возвратится прах в землю, чем он и был.»

Микробы ускоряют рост растений

В различных органах растений образуются вещества, регулирующие и до известной степени ускоряющие их рост. К таким веществам относится, например, f3-индолилуксусная кислота (гетероауксин).

Интересно, что гетероауксин вырабатывают и выделяют в окружающую среду также некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы. В почве он может стать важным фактором в развитии растений. Образуется гетероауксин и в результате деятельности кишечных бактерий. Человек в сутки выделяет с мочой до 2 мг гетероауксина. Меньшая его часть (около 0,1–1 мг) поступает вместе с растительной пищей человека, но большую часть продуцируют кишечные бактерии.

Есть еще одно интересное вещество, связанное с деятельностью микроорганизмов и сильно влияющее на рост растений. Это гиббереллин. История гиббереллина началась на Дальнем Востоке. В Японии уже больше 150 лет известна болезнь риса баканаэ (шалая болезнь). Это заболевание молодых проростков риса, которые вытягиваются в высоту, становясь в полтора раза длиннее нормальных, здоровых растений. Оно вызывается грибом Gibberella fujikuroi, паразитирующим на рисе.

В 1926 году японский исследователь Е. Куросава, изучивший эту болезнь, доказал, что заболевание проростков риса можно вызвать искусственно и в отсутствие гриба. Он выращивал гриб в лаборатории в жидкой питательной среде, затем фильтровал ее и полученным фильтратом (лишенным гриба) опрыскивал молодые растеньица. Проростки начинали расти, значительно опережая необработанные растения и проявляя все признаки уже известного заболевания. Это означало, что гриб выделял в жидкую среду какие-то вещества, которые проникали в организм опрыснутых растений и вызывали заболевание. Спустя десять лет группе японских исследователей удалось получить это вещество в чистом виде из фильтрата гриба. Они назвали его гиббереллином. Долгое время изучением гиббереллинов занимались лишь японские ученые, в последние десятилетия их стали исследовать и в других странах. В настоящее время известны четыре вещества типа гиббереллина[19], причем наиболее интересной оказалась гиббереллиновая кислота (чаще ее называют просто гиббереллином).

Самые большие трудности для исследователей гиббереллина заключались в том, что его можно было получать лишь в лабораторных условиях и в очень малых количествах. После второй мировой войны положение изменилось. К этсму времени уже началось промышленное производство антибиотиков (пенициллина, стрептомицина и др.). Опыт заводского выращивания организмов, продуцирующих антибиотики, можно было использовать и для получения культур гриба G. fujikuroi, а следовательно, приступить к промышленному производству гиббереллина. Но для чего потребовалось производить гиббереллин, вызывающий болезнь риса? Вопрос логичен и вполне естествен. На него мы сможем ответить, лишь разъяснив действие гиббереллина на организм растений.

Большие дозы гиббереллина действительно вызывают заболевание риса. Иначе обстоит дело с малыми дозами — на многие растения они оказывают вполне положительное действие. Мы уже говорили о том, что болезнь баканаэ вызывает быстрое вытягивание ростков риса. В связи с этим возникла мысль о возможности использования гиббереллина в качестве стимулятора роста культурных растений. Многочисленные опыты показали, что надежда эта вполне оправданна, и началось промышленное производство гиббереллина.

Изучая действие гиббереллина на растения, используют в основном два метода: либо в очень слабом водном растворе этого вещества замачивают клубни, корешки, семена растений, либо опрыскивают этим раствором только что взошедшие растения или их листья, почки, плоды. Концентрация гиббереллина в растворе очень низкая: одна часть вещества на миллион, а то и миллиард частей воды. Действует гиббереллин на различные растения по-разному. Если семена гороха перед высевом намочить в растворе гиббереллина, они раньше прорастут и молодые проростки развиваются быстрее.

Опыты в тепличных условиях показали благоприятное действие гиббереллина на сельдерей. У подопытных растений вес был на 50 % выше, чем у контрольных экземпляров. В полевых условиях всего 3 г гиббереллина на площади 16 га повысили урожай сельдерея на 12 %, причем значительно улучшилось и качество этой культуры.

Один из сортов салата оказался настолько восприимчивым к действию гиббереллина, что стал высоким вьющимся растением.

Гиббереллин ускоряет прорастание риса, ячменя и увлажненных семян зерновых культур. Проводились неоднократные опыты по использованию гиббереллина в пивоварении в целях ускорения производства солода из ячменя.

Известно благоприятное действие гиббереллина на урожай и качество винограда. Средний вес отдельных плодов (ягод) и гроздей значительно повышался. Опрыскивание деревьев апельсина раствором гиббереллина повысило содержание сока в плодах на 9 %, а витамина С — на 13 %.

Обнадеживающие результаты были получены и при выращивании декоративных растений. Одни из них раньше зацветали, у других увеличивались размеры цветков, удлинялся период их цветения и они дольше сохранялись в срезанном состоянии. Опрыскивание листьев пеларгонии вызывало раннее появление бутонов и образование более крупных соцветий по сравнению с контрольными растениями.

Предварительные опыты с различными овощными растениями (картофель, морковь, фасоль, капу ста, томаты) показали возможность использования гиббереллина и в овощеводстве. Кукуруза, обработанная гиббереллином, достигает большей высоты. Рассматриваются возможности увеличения с помощью гиббереллина урожаев клевера, люцерны и других кормовых растений. По мнению специалистов, гиббереллин найдет применение прежде всего в овощеводстве, декоративном садоводстве и виноградарстве.

9. Взаимоотношения микробов

Держи, Атлант,

Чудовищную ношу —

Наш шар земной,

Огромный и безликий…

Он — кровь и глыба,

Облаков хаос,

Скалы обломок,

Великан гранитный,

Стихия и бесформенная сила,

Где все перемешалось и кипит,

И атомов в нем мечутся билльоны,

Ни устали не зная, ни сомнений…

Э. Болеслав Лукач «Атлант»

Союз с растениями

В предыдущей главе мы узнали о взаимоотношениях растений с микробами, выгодных для обеих сторон и называемых симбиозом. Рассмотрим подробнее некоторые стороны этого союза.

Бобовые растения могут образовывать сахара в процессе фотосинтеза, но неспособны усваивать атмосферный азот. Клубеньковые бактерии, напротив, хорошо справляются с этой задачей, но не могут осуществлять синтез сахаров, потому что не имеют хлорофилла. Но когда эти два организма объединяются и производят обмен вырабатываемых продуктов, их жизнь обеспечена.

На корнях ольхи также встречаются клубеньки, в которых живут микробы, усваивающие азот из воздуха. Это тоже пример симбиоза, как и у бобовых растений.

Чрезвычайно интересные растения — лишайники. В полярной тундре это почти единственная пища растительноядных животных. Они интересны тем, что представляют сочетания грибов и водорослей: среди клеток грибов живут более мелкие клетки зеленых или сине-зеленых водорослей.

В теле лишайников того или иного вида обычно находится какой-то один постоянный вид водоросли. Правда, у некоторых лишайников, произрастающих в альпийском поясе, имеются два вида водорослей, относящихся к совершенно различным группам (один вид к зеленым, другой — к сине-зеленым водорослям), и здесь мы встречаемся уже с тройным симбиозом: гриб + зеленая водоросль + сине-зеленая водоросль. При этом сине-зеленая водоросль играет особую роль, так как она обеспечивает углеродное питание остальным членам системы за счет фотосинтеза и усваивает азот из атмосферы.

Лихенологам (лихенология — наука о лишайниках) удалось выделить из лишайников обоих партнеров — и гриб и водоросль — и выращивать их отдельно в чистых культурах. Из таких чистых культур они осуществили обратный «синтез» этих организмов в лишайники, что схематически изображено на рисунке.

Схема, показывающая выделение из лишайников чистых культур гриба и водоросли и последующее их соединение.

С помощью радиоактивного углерода. 14С было доказано, что углеводной пищей лишайников обеспечивают водоросли. Последние связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза, из углекислоты и воды вырабатывают сахара и переправляют их грибным клеткам. В одном из опытов было установлено, что уже по прошествии 45 мин после поступления радиоактивного углерода в грибных клетках оказалось 60 % углерода, прошедшего через процесс фотосинтеза.

Шведский исследователь К. Мосбах из Лундского университета так описывает скорость синтеза лишайниками сравнительно сложной гирофоровой кислоты. Уже через минуту после поступления радиоактивной углекислоты в ее составе обнаружен углерод 14С. Это можно объяснить тем, что радиоактивный углерод сначала был поглощен клетками водорослей и затем в ходе реакций фотосинтеза был включен в состав молекул сахаров. Молекулы сахаров были переданы в грибные клетки лишайника и там под влиянием ферментов сначала разложились на более простые соединения с двухатомным углеродом, а затем при содействии других ферментов из них образовалась гирофоровая кислота, содержащая в своей молекуле 24 атома углерода. Весь путь атомов радиоактивного углерода можно упрощенно представить в виде следующей схемы:

Сложные процессы фотосинтеза, разложения и повторного синтеза биохимик провел бы по многим этапам и использовал бы для осуществления отдельных химических реакций по меньшей мере 10 ферментов. Но в клетках микроорганизмов все эти операции совершаются меньше чем за минуту; через минуту первые продукты — молекулы гирофоровой кислоты — уже готовы. Сколь примитивен и несовершенен автоматизированный конвейер на наших фабриках в сравнении с «производством» этого вещества в природе! При этом нельзя забывать, что в то же время и в тех же клетках в безупречной гармонии идут сотни других химических реакций!

Водоросли в лишайниках способны осуществлять процесс фотосинтеза при внешней температуре —5 °C, а в некоторых случаях даже при температуре —24 °C.

Как показали опыты лихенологов, водоросль снабжает своего грибного «партнера» также витаминами, а сине-зеленые водоросли — еще и азотной пищей. Гриб со своей стороны поставляет водорослям водные растворы минеральных солей и обеспечивает защиту от неблагоприятных воздействий внешней среды.

Тем не менее создается впечатление, что водоросли являются своего рода пленниками и подневольной рабочей силой у грибов. При отделении партнеров друг от друга грибы нуждаются в «искусственном» питании, тогда как зеленые и сине-зеленые водоросли — вполне самостоятельные организмы и сами синтезируют все необходимые органические соединения.

Немало в природе и других примеров сожительства микробов с иными организмами. На корнях деревьев в почве живут гифы грибов, проникающие в ткани корней. Грибы — постоянные спутники этих деревьев. Оказывается, их жизнь на корнях имеет большое значение для древесных пород. Растения выделяют в почву через корни углеводы, используемые грибами. Гифы проникают и внутрь корней, но растение регулирует их активность в корневой системе, причем верхушечные клетки гиф иногда растворяются веществами, содержащимися в выделениях корней. Растения в свою очередь используют вещества, находящиеся в гифах, и, таким образом, грибы в известной мере способствуют их питанию. Такое сожительство грибов с растениями называется микоризой. Эта связь хорошо известна грибникам, собирающим плодовые тела микоризных грибов — белых, маслят, лисичек. Плодовые тела вырастают из грибницы (сплетения гиф, находящиеся в почве в тесном контакте с корнями деревьев). Поэтому белый гриб мы чаще всего находим под дубами, подберезовик — под березами, а подосиновик— под осинами.

Дружба с животными

У каждого животного есть свой определенный «нормальный» состав микроорганизмов. Интересны взаимоотношения микробов и жвачных животных. В растительной пище жвачных содержится большой процент целлюлозы. И хотя пищеварительный аппарат этих животных не выделяет фермент целлюлазу, расщепляющий целлюлозу вплоть до молекул глюкозы, целлюлоза усваивается организмом полностью.

Желудок жвачных состоит из нескольких отделов, в которых пища подолгу задерживается и перемешивается. Здесь и происходит разложение целлюлозы.

Этот процесс обеспечивают бактерии и простейшие, которые находятся там в огромном количестве. Растительная пища еще в ротовой полости животного перемешивается со слюной, хотя и не имеющей в своем составе ферментов, но содержащей много солей. Соли служат пищей микробам, разлагающим целлюлозу в первом отделе желудка — рубце. Условия для жизнедеятельности микробов здесь благоприятны. Рубец жвачного[20] служит своего рода «термостатом», в котором микробы получают все необходимые питательные вещества. В 1 мл здесь может быть до 10 000 000 000 микробов. Целлюлоза и другие полисахариды в результате жизнедеятельности микробов разлагаются на более простые соединения — органические кислоты и газы. Органические кислоты через стенки рубца проникают в кровь, а газы выходят наружу. Микробы, количество которых, естественно, сильно возрастает, с обработанной пищей попадают в следующие отделы желудка, где под действием ферментов микробные клетки разлагаются до аминокислот и освобождают витамины, играющие вместе с аминокислотами важную роль в питании животных.

Не меньшее значение для животных имеют и кишечные бактерии[21], образующие, как показали исследования, витамины, необходимые организму животного. Бактерии, живущие в толстой кишке человека, поставляют организму витамины В_1 и К, способствующие процессу свертывания крови. Однако витамины, получаемые организмом человека от бактерий, не покрывают всех его потребностей, поэтому человек должен принимать их и с пищей.

Симбиоз насекомых и микробов

В теле насекомых, как правило, находятся бактерии, дрожжевые и другие микроскопические грибы. Они живут в клетках особого органа, получившего название мицетом. Там они синтезируют витамины, а возможно, и другие жизненно важные вещества, которыми снабжают своего хозяина.

Жуки при откладывании яиц выделяют вместе с экскрементами огромное количество дрожжей, и яйца приходят в контакт с симбиотическими микробами. Личинка при выходе из яйца поедает часть его внешней оболочки, и дрожжевые грибы попадают в ее кишечник, где начинают размножаться.

Живущая на банане мушка Drosophila, откладывая яйца, обволакивает их бактериями. В яичниках вшей также находятся бактерии, причем на каждое яйцо приходится до 200 бактерий.

Карл Фриш, профессор кафедры зоологии Мюнхенского университета, описывает, каким образом обеспечивает свое потомство симбиотическими бактериями клоп Coptosoma, и характеризует этот процесс как «достойный фантазии сочинителя сказок».

Симбиотические бактерии клопа живут в мицетоме, соединяющемся с желудком. При откладывании клопом яиц эти бактерии, приобретая прочную оболочку, выходят в желудок. Клоп аккуратно перекладывает яйца бактериями из своих запасов. Когда личинка выскальзывает из яйца, она хоботком прокалывает оболочку, содержащую бактерии, и втягивает их в себя, «как бы зная, что заряжается эликсиром жизни».

Многие исследователи наблюдали за развитием личинок, лишенных контакта с симбиотическими микроорганизмами. Так, например, удалось стерилизовать яйца жука Sitodrepa и наблюдать за развитием вышедших из них личинок. Они очень отставали в своем развитии от контрольных и погибали, так и не достигнув стадии взрослого насекомого (имаго).

Бразильские муравьи «листорезы» выращивают собственную пищу. а — увеличенная культура гриба, б — «листорез» несет пищу грибам.

Было установлено, что симбиотические бактерии снабжают насекомых витаминами группы В. Удалось доказать, что некоторые симбиотические микробы насекомых способны также усваивать атмосферный азот. Таким образом, мы имеем здесь аналогию симбиотических взаимоотношений клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.

Маленькие «фермеры»

Задолго до того, как во Франции появился метод искусственного культивирования шампиньонов, секретом выращивания грибов овладели бразильские муравьи, называемые листорезами. В своих колониях они выращивают особый гриб, на концах гиф которого находятся маленькие пузырьки, служащие самым любимым лакомством для этих своеобразных «фермеров». Целая армия листорезов отправляется по стволам кустарников и деревьев; они отгрызают листья, приносят их в свои жилища и обрабатывают, приготовляя пищу для культивируемых грибов.

Когда молодая матка покидает родную колонию, чтобы основать новое жилище, она уносит с собой и часть грибной культуры, которую муравьи будут продолжать выращивать в новой колонии. Для «транспортировки» грибного мицелия у них в ротовой полости есть специальное отделение. Листорезы нередко причиняют большой вред растениеводству: для разведения своих грибов они отгрызают листья культурных растений. В штате Сан-Паулу в Бразилии они подчас причиняют значительный ущерб хозяйству.

Термиты выращивают грибы в термитниках и кормят нарастающими молодыми частями грибниц своих самок и личинок. Споры этих грибов они переносят на теле или с экскрементами.

Жуки, сверлящие ходы в древесине, кормятся грибами, которые они выращивают в своих жилищах. Такие «культурные» грибы, разводимые насекомыми, называют амброзиями. Они служат хорошей пищей, содержащей много витаминов, белков и жиров.

Услуги насекомых

Насекомые способствуют распространению микробов, которые не имеют непосредственного значения для их жизни. В цветках растений нередко встречаются дрожжи. Насекомые, собирая нектар, переносят с цветка на цветок клетки этих грибов.

Перенос некоторыми насекомыми микробов — возбудителей заразных болезней представляет опасность для человека, животных и растений. Такие опасные заболевания, как сыпной тиф, чума, малярия или лихорадка Скалистых гор, распространяются насекомыми.

В колосьях ржи мы находим иногда черные зерна спорыньи, развивающиеся из спор гриба Claviceps purpurea. Споры способствуют очень быстрому распространению гриба. На некоторых местах возникают налеты спор, они покрыты «медвяной росой», содержащей растворенный сахар. Некоторые насекомые питаются медвяной росой и при этом переносят споры гриба на здоровые колосья. Споры прорастают, и гриб заполняет ткани всего почерневшего зерна, представляющего собой уже колонию спорыньи.

Шмели переносят с цветка на цветок споры гриба Botrytis anthophila, паразитирующего на цветущем клевере. Пчелы способствуют переносу дрожжей Candida reukaufii, вызывающих брожение сахаров цветочного нектара. Осы в конце лета переносят на дозревающие фрукты споры гриба Sclerotinia fructigena, возбудителя гнили яблок, груш и слив. Некоторые клопы, питающиеся соком растений, распространяют споры гриба Ashbya gossypii, вызывающего опасную болезнь хлопчатника.

Но мы знаем и виды микроскопических грибов, совсем не по-дружески относящихся к насекомым. Эти опасные паразиты представляют для насекомых смертельную опасность. Их жертвой часто бывает и комнатная муха, особенно осенью. Есть вид микроскопического гриба, живущий исключительно на мухах. Проникая в тело насекомого, гифы этого гриба растут в направлении привлекающих их жировых тканей. Гриб быстро разрастается в брюшке мухи, и та вскоре погибает. Микроскопическое изучение срезов из брюшка погибших мух показало, что они были буквально задушены гифами паразита, а в некоторых случаях отмечалось и массовое образование спор.

Гриб Aspergillus flavus вызывает паралич грудных мышц у луговой кобылки (из саранчовых) и часто бывает причиной ее гибели. Последние годы этот гриб привлекает внимание микробиологов и по другим причинам. У домашних животных, поедающих корма, пораженные этим грибом, появляются признаки отравления. Теперь уже установлено, что этот гриб выделяет опасные вещества, известные под названием афлатоксинов. Они чрезвычайно ядовиты и, кроме того, иногда вызывают раковое разрастание тканей у подопытных животных. По-видимому, и насекомые становятся жертвой афлатоксинов.

Хищные микроскопические грибы

Хищный образ жизни ведут не только животные и плотоядные растения. В мире микробов также есть свои представители хищников. Каулобактерии, поражая другие виды бактерий, вызывают их гибель. Мы не будем пока говорить о простейших, которые питаются бактериями, а расскажем о «плотоядных» грибах, отличающихся очень любопытным способом пленения своей жертвы.

Самый простой способ «охоты» мы обнаруживаем у водных одноклеточных грибов. Они размножаются мелкими спорами, которые закрепляются на теле водяных червей. Когда спора прорастает, гифы гриба проникают в тело червя и там образуют спорангии, в которых зарождается новая генерация спор. Червь, пораженный паразитом, скоро погибает, а все его тело заполняется гифами гриба.

Одноклеточные грибы применяют и другой способ «охоты». Стоит червю приблизиться к гифам, как из них начинают выделяться липкие вещества. Червь прилипает к гифе, и из нее очень быстро начинают вырастать «побеги», которые проникают в тело червя, обреченного на верную гибель. Его тело становится пищей хищного гриба. Сходные хищные грибы живут и в почве. Они являются очень важными представителями почвенной микрофлоры и серьезными врагами червей.

К наиболее распространенным хищным грибам относится вид, известный среди специалистов под названием Arthrobotrys oligospora. Для ловли своей жертвы он создает тонкую сеть из скрещивающихся под прямым углом ответвлений грибницы. Поверхность клеток, из которых состоит сеть, покрыта липким веществом. К ней пристает коснувшийся сетки червь, после чего из ближайших клеток начинает выделяться обволакивающее жертву липкое вещество. Метод надежный, червю лишь в очень редких случаях удается выбраться из ловушки.

«Гарота» хищных микроскопических грибов, используемая ими для ловли червей.

И хотя он еще шевелится и трясет злополучную сеть — все напрасно. Движения червя слабеют, и часа через два он погибает. Непосредственная причина его гибели неизвестна, вполне возможно, что гриб выделяет какие-то ядовитые вещества, убивающие жертву. Очень скоро после смерти червя гифы гриба проникают в его тело и через 24 ч от него остается одна оболочка.

Кроме описанных липких сетей, некоторые хищные плесневые грибы имеют и другие виды механических ловушек. Так, гриб Dactylaria Candida образует кольчатые ловушки. Из гифы мицелия вырастает ножка, заканчивающаяся тремя рожкообразно искривленными клетками, которые постепенно соединяются, образуя кольцо. Внутренний диаметр кольца таков, что червь, попавший в кольцо и пытающийся продвинуться вперед, как бы заклинивается в этой своеобразной воронке и выбраться из нее уже не в состоянии. Эпилог этой драмы краток: в тело жертвы внедряются гифы гриба и поглощают все, что можно поглотить.

Известны также ловушки, активно участвующие в ловле жертвы. Такую ловушку представляет выросшее из гифы колечко, которое напоминает скрученный крысиный хвост или петлю лассо ковбоев. Стоит червю попасть в колечко, как клетки кольца резко стягиваются и червь погибает. Эта система напоминает обруч гароты, некогда употреблявшийся в Испании для казни: обруч при помощи винтов стягивался вокруг шеи и душил осужденного.

Как же действует такая «гарота» у хищных грибов? Кольцо состоит обычно из трех продолговатых клеток и ножкой прикрепляется к гифе мицелия. Все три клетки на внутренней стороне чувствительны к прикосновению. Когда червь случайно попадает в это кольцо, начинает действовать сжимающий механизм. Объем клеток увеличивается втрое, они расширяются изнутри, и отверстие кольца сильно сужается. Вырваться из этих «объятий» жертва уже не может, она резко дергается и затихает. Все это происходит очень быстро — уже через несколько секунд после того, как червь вошел в кольцо. Гифы прорастают из клеток кольца в тело червя и «поедают» его содержимое.

Какой же импульс заставляет эти грибы вести подобный хищнический образ жизни? Почвенные микробиологи выделили и вырастили чистые культуры «хищников». Оказалось, что при искусственном выращивании грибы не образуют ловушек. Но как только в питательный раствор помещали червей, тотчас появлялись пресловутые ловушки. Они появлялись также при добавлении в раствор фильтрата жидкости, в которой до того были черви. Такое же действие оказывало введение в раствор лошадиной сыворотки или экстрактов из различных органов животных. Ловушки не образовывались, если в раствор добавляли экстракты из растений. Логично сделать предположение, что хищные грибы образуют свои ловушки под влиянием каких-то соединений животного происхождения. Поиск этих соединений привел к выделению из организма червей активного вещества неамина, стимулирующего возникновение ловушек и сетей. Хищные плесневые грибы — постоянные обитатели обрабатываемой почвы. Изучение их «охотничьих» наклонностей привело к мысли использовать грибы в биологической борьбе против червей, наносящих серьезный ущерб полевым культурам.

Первые опыты были проведены перед второй мировой войной на Гавайских островах в целях борьбы с круглыми червями (нематодами), которые повреждали корни растений ананаса и вызывали образование на них утолщений. Искусственное введение в почву хищных грибов не дало положительных результатов, но внесение в почву остатков некоторых растений несколько повысило активность этих грибов.

Дальнейшие опыты проводили уже во время войны во Франции. Было доказано, что хищные грибы не вредят ни культурным растениям, ни домашним животным. В послевоенные годы ученые Советского Союза, Англии и США занимались вопросами использования хищных грибов в борьбе с нематодами. В частности, были достигнуты определенные успехи в борьбе с вредителями картофеля, овса и других культур.

В настоящее время трудно судить, какие практические результаты могут дать эти опыты в будущем. Но, по-видимому, грибы с «охотничьими» наклонностями представляют интерес не только как курьезный случай в сфере взаимоотношений организмов в природе.

Дружба микроорганизмов

Среди разнообразнейших представителей мира микробов развились и «дружеские», симбиотические отношения. Интересны, например, взаимоотношения между некоторыми простейшими и водорослями. В клетках инфузорий часто живут симбиотические зеленые или сине-зеленые водоросли. Как автотрофные организмы они могут снабжать простейших сахарами, а также кислородом, освобождающимся в процессе фотосинтеза. Но, как мы знаем, симбиоз должен быть полезен обоим партнерам. Какую же пользу извлекает водоросль, живущая в клетке простейшего? Оказывается, простейшее в процессе дыхания разлагает сахара, получаемые фотосинтезирующей клеткой водоросли, до их конечных продуктов — углекислого газа и воды, используя при этом кислород. Освобожденный углекислый газ и воду поглощает водоросль, которая в процессе фотосинтеза выделяет кислород, необходимый для дыхания простейшего. Миниатюрный «круговорот» углерода, кислорода и водорода, происходящий между хозяином и микроскопической водорослью, можно представить следующей схемой:

Другим примером может служить симбиоз азотобактера с бактериями, разлагающими целлюлозу. В результате разложения образуются сахара и различные органические кислоты, представляющие хорошую углеродную пищу для азотобактера. Азотобактер усваивает азот прямо из воздуха и переводит его в органические азотные вещества, используемые бактериями, которые разлагают целлюлозу. Подобные взаимоотношения существуют и между азотобактером и зелеными водорослями. Первый является «поставщиком» азотных соединений, тогда как водоросли поставляют не только углеродные соединения, но одновременно и запасы энергии.

Народы, населяющие Кавказ, издавна приготовляют кефир. Этот диетический напиток получается в результате действия бактерий и дрожжей, вводимых в молоко в виде так называемых кефирных «зерен». Между молочнокислыми бактериями и дрожжевыми грибами существуют симбиотические отношения. Молочнокислые бактерии разлагают молочный сахар (лактозу) на простые сахара (глюкозу и галактозу), доступные дрожжам, и те сбраживают их до спирта. Дрожжи поставляют еще витамины группы В, которые потребляют молочнокислые бактерии. Так образуется кефир, содержащий молочную кислоту — результат деятельности молочнокислых бактерий, и этиловый спирт — результат деятельности дрожжей.

Нередким примером других взаимоотношений может быть так называемый метабиоз, когда один микроорганизм потребляет продукты жизнедеятельности другого. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиачный азот в нитриты, а затем в нитраты. Первую фазу этого процесса осуществляет одна группа нитрифицирующих бактерий, после чего в действие вступает вторая группа, окисляющая нитриты в нитраты, но неспособная самостоятельно окислять аммиак. Бактерии, разлагающие белки до аминокислот, обеспечивают жизнь другим микробам, использующим эти аминокислоты в качестве ценного для них азотного питания.

В почве живут аэробные бактерии, которые могут расти и развиваться только в присутствии кислорода. На анаэробные же бактерии кислород действует как яд. Что охраняет почвенные анаэробные бактерии от губительного воздействия кислорода? Аэробные бактерии, которые потребляют кислород, присутствующий в почве. Анаэробные бактерии в свою очередь разлагают целлюлозу, при этом образуются органические кислоты, являющиеся богатым источником энергии и углерода для аэробных бактерий. Таким образом, деятельность этих двух групп бактерий взаимно дополняет друг друга. Одни из них потребляют кислород и органические кислоты, другие, защищенные от губительного действия кислорода, образуют в результате разложения целлюлозы упомянутые кислоты.

Сражающиеся микробы

Борьба за жизнь происходит и в мире микробов. Она идет обычно там, где возникает недостаток питательных веществ и организмы вынуждены получать их в условиях острой конкуренции с другими микробами. В этой борьбе за источники питания победителем становится обычно та группа организмов, которая имеет какие-то преимущества перед своими конкурентами. Молочнокислые бактерии, например, становятся преобладающей группой в молоке, потому что, сбраживая молочный сахар и превращая его в молочную кислоту, создают среду, непригодную для жизни гнилостных бактерий.

Мелкие бактерии Bdellovibrio bacteriovorus известны как паразиты. Если ввести их в питательный раствор вместе с другими бактериями, то они очень быстро, всего за несколько секунд, добираются до своих жертв и прочно прикрепляются к их клеткам. Через 3 мин паразиты уже начинают проникать в клетки, а еще через 22 мин оказываются внутри их. У пораженных клеток изменяется форма, а паразиты, уничтожая содержимое своей жертвы, интенсивно размножаются и выбираются в окружающую среду, готовые к новой атаке.

Борьба за существование микробов нашла свое отражение и в явлении антагонизма. По-видимому, самые интенсивные сражения между микробами происходят в почве, микроскопическое население которой всегда очень пестро. В каждом грамме почвы в этих баталиях принимают участие до нескольких сотен миллионов микробов.

Антагонизм микробов в почве наблюдал и описывал еще Л. Пастер. Он знал, что от больных людей или животных болезнетворные микробы попадают в почву самыми различными путями (с экскрементами и пр.). А это означает, что почва может быть важным фактором в распространении заболеваний. И люди и животные постоянно соприкасаются с почвой, пьют воду из естественных источников, употребляют в пищу плоды растений. Не угрожает ли им при этом опасность заражения? Пастер вместе со своими сотрудниками вводил в почву различные болезнетворные микробы и через некоторое время обнаруживал, что все они погибали.

Затем он провел другой опыт. В культуру антракса (возбудителя сибирской язвы), которая интенсивно развивалась в стерилизованной моче, проникли (вследствие небрежности) бактерии из воздуха и быстро размножились там. Пастер с удивлением обнаружил, что в «загрязненной» колбе бациллы антракса исчезли. Единственным объяснением могло быть, что культуру бацилл уничтожили «гости» из воздуха. Это привело его к выводу о возможности использовать антагонизм микробов в лечении болезней, возбудителями которых являются микроорганизмы.

Паразит бактерий Bdellovibrio bacteriovorus. а — паразит атакует бактерию Pseudom onas, превосходящую его по величине; б — разрез через полуразрушенную бактерию-хозяина (справа — клетка паразита).

Ученик Пастера И. И. Мечников, ставший горячим сторонником лечения при помощи микроорганизмов, объяснил подавляющее влияние одних микробов на другие выделением каких-то ядовитых соединений. Это явление стали называть антибиозом, а позднее ученым удалось выделить из антибиотических микробов вещества, предсказанные еще Мечниковым. Теперь мы называем их антибиотиками. Что же представляют собой антибиотики? Микробиолог С. Я. Ваксман, получивший в 1943 году стрептомицин — антибиотик, применяющийся при лечении туберкулеза, — так определяет эти вещества: «Антибиотиками мы называем химические вещества, вырабатываемые некоторыми микроорганизмами и обладающие свойством даже в очень малых дозах прекращать рост и размножение других микробов или же убивать их».

В 1896 году итальянский врач Госсио занимался изучением пеллагры. Возникновение этой болезни приписывали ввозимому из азиатских стран рису, который при неправильном методе хранения покрывался плесенью. Теперь мы уже знаем, что пеллагра — авитаминоз, возникающий в результате недостатка в питании одного из витаминов группы В (никотиновой кислоты). Госсио не смог установить возбудителя пеллагры, но попутно он сделал одно важное открытие.

Из заплесневевших зерен риса ему удалось выделить культуру зеленоватого микроскопического гриба, оказывающего антибиотическое влияние на бактерии. Он вырастил этот гриб в жидкой питательной среде, которую затем подверг фильтрованию. Из фильтрата он получил небольшое количество кристаллического вещества, губительно действовавшего на бактерии. Это был первый полученный в чистом виде антибиотик.

В настоящее время, в век антибиотиков, нам трудно даже представить себе современную медицину без этих веществ. Сбывается мечта Л. Пастера бороться с болезнетворными микробами при помощи других «доброжелательных» микробов.

Враги здоровья

Известно, что болезнетворные микробы могут быть перенесены с больного организма на здоровый. Однако возможность переноса и заболевания бывает в той или иной степени ограничена. Решающую роль при этом играет ряд факторов.

Прежде всего это количество микробов, попавших с пораженного организма в окружающую среду. Чем больше микробов, тем больше вероятность заражения других существ. Следующий важный фактор — время. Самым опасным источником болезнетворных микробов являются бациллоносители, распространяющие микробы неделю, год, два и дольше. Напомним о бациллоносителях брюшного тифа, которые могут быть угрозой для окружающих в течение ряда лет.

Микробы угрожают не только здоровью и жизни человека. Мы видели, что их жертвами могут стать насекомые и мелкие черви. Не меньшую опасность представляют они и для многих высших животных и растений.

О том, что микробы с давних пор угрожали человеку, животным и растениям, а также о том, что в далеком прошлом победа в неравном бою очень часто была на их стороне, мы подробно расскажем в четвертой части книги. К нашим извечным врагам принадлежит и еще одна группа микроорганизмов — долгое время остававшихся невидимыми и тем более опасных для человека. Это вирусы.

Часть третья. Вирусы и молекулы наследственности

Все области знания в равной мере необходимы, но некоторые из них важнее других. И биологию нам следовало бы поставить на первое место, так как ее цель — понять и объяснить сущность жизни.

Аристотель

10. Человек знакомится с вирусами

Я убедился, что сок листьев, пораженных мозаичной болезнью, сохраняет свои инфекционные свойства даже после фильтрации через свечу Шамберлана.

Д. И. Ивановский, 1892

Contagium vivum fluidum

Шел 1883 год, когда 19-летний Дмитрий Иосифович Ивановский поступил в Петербургский университет. Это было время, богатое событиями в области микробиологии, постепенно становившейся самостоятельной наукой. Кох уже открыл возбудителя сибирской язвы и стоял на пороге открытия возбудителей туберкулеза и холеры. Мечников уже был известен своим учением о фагоцитозе.

В 1884 году ученик Пастера Ш. Э. Шамберлан изобрел бактериальный фильтр, при помощи которого можно было освобождать различные жидкости от бактерий. Его соотечественник Милларде годом позднее ввел в практику бордоскую жидкость, уничтожавшую фитопатогенные грибы и тем самым спасавшую огромную часть урожаев.

В Петербургском университете молодой Ивановский имел возможность слушать выдающихся ученых — химика Д. И. Менделеева, ботаников А. Н. Бекетова и А. К. Фаминцына, оказавших на него значительное влияние. Он занимался очень усердно. Биограф Ивановского приводит такие строчки из его студенческого дневника: «Не могу понять, как можно сидеть с приятелем целый вечер и ничего не делать, говорить глупости и находить в этом удовольствие… Я устаю от вечера, проведенного в праздных разговорах».

Еще будучи студентом, Ивановский интересовался болезнями табака и изучал на Украине и в Молдавии распространение «рябухи», уничтожавшей урожаи табака. Позднее, уже как сотрудника университета, его особенно заинтересовала мозаичная болезнь табака, названная так в 1886 году голландским агрономом А. Э. Майером из-за мозаичного расположения темно- и светло-зеленых пятен на листьях табака.

Ивановский повторил опыты Майера. Листья больных растений он растер в фарфоровой чашке, их сок процедил сквозь полотно и при помощи капиллярных трубочек впрыснул эту жидкость в жилки здоровых листьев табака. Через две недели 80 % инфицированных растений были поражены мозаикой. Дальнейшие результаты, полученные Ивановским, уже отличались от тех, что содержались в сообщении Майера. После пропускания сока через фильтр Шамберлана, задерживающий бактерии, инфекционные свойства сока сохранялись, хотя Майер утверждал, что после такой фильтрации они исчезают.

На заседании Императорской Санкт-Петербургской Академии наук в 1892 году Д. И. Ивановский доложил о результатах своих опытов. В заключение доклада он высказал гипотезу, что мозаичная болезнь табака бактериального происхождения и что фильтрат, прошедший через свечи Шамберлана, содержал либо мельчайшие бактерии (способные проникнуть через этот фильтр), либо токсин, выделенный бактериями и способный вызвать мозаику у здоровых растений.

Предположение о токсине привлекало своей вероятностью: ведь за четыре года до этого французские бактериологи Э. Ру и А. Йерсен на примере дифтерии показали роль бактериальных токсинов при инфекционных заболеваниях. Все общие болезненные явления, вызываемые дифтерией, были воспроизведены у животных путем впрыскиваний одного дифтерийного токсина.

Независимо от Ивановского шесть лет спустя такие же результаты получил Бейеринк в Высшей политехнической школе в Делфте. Однако свое сообщение, датированное 1898 годом, он закончил выводом, отличавшимся от предложенного Ивановским. Бейеринк утверждал, что, во-первых, мозаику табака вызывают не микробы, a «contagium vivum fluidum» (жидкое заразное начало), или, короче, фильтрующийся вирус (термин «вирус» употреблялся в то время в значении возбудителя, инфекционного начала любой болезни); во-вторых, вирус размножается лишь в живых органах растений, и, в-третьих, вирус можно уничтожить кипячением, но при высушивании его вирулентные (инфекционные) свойства сохраняются.

Еще через четыре года Ивановский в своей докторской диссертации несколько иронически упомянул о неосведомленности Бейеринка: ведь он (Ивановский) уже доказал, что сок из больных листьев сохраняет свою вирулентность после прохождения через фарфоровые свечи (фильтр Шамберлана). Отрицал он и положение Бейеринка о том, что возбудителем инфекции является жидкость, настаивая на своем утверждении, что речь идет о мельчайших инфекционных частицах. В статьях, опубликованных позже в Германии, Ивановский продолжал развивать теорию, отрицающую предположение о том, что возбудитель мозаичной болезни табака — жидкость (contagium fluidum), и доказывающую, что им должно быть твердое инфекционное начало (contagium fixum). Он также выражал надежду, что в течение ближайших 2–3 месяцев сможет опубликовать данные о возможностях искусственного культивирования возбудителя болезни. В следующей работе он применял, однако, более осторожную формулировку, говоря, что искусственное выращивание микроба мозаичной болезни является задачей дальнейших исследований.

Оба ученых были отчасти правы, но отчасти и ошибались. Возбудителем мозаики оказалась не бактерия, как утверждал Ивановский, но и не жидкое заразное начало, как предполагал Бейеринк. Этим возбудителем был, если говорить словами Ивановского, contagium fixum — твердое начало, но размножающееся лишь в живых органах растений, как и полагал Бейеринк. Сейчас, по прошествии многих лет, мы можем сказать, что в то время этот вопрос еще не созрел для окончательного решения… А термин «фильтрующийся вирус» надолго удержался и лишь значительно позднее стал применяться в сокращенной форме — просто «вирус».

Спустя годы были открыты и другие фильтрующиеся вирусы, вызывающие болезни растений. Немецкие «охотники за микробами» Ф. Леффлер и П. Фрош доказали, что различные формы ящура крупного рогатого скота — это болезни, вызываемые фильтрующимся вирусом. Вскоре стало известно, что и желтая лихорадка, сеющая смерть среди населения южных стран, — тоже вирусное заболевание.

Так среди «охотников за микробами» постепенно выделилась особая группа исследователей, ищущих этих новых «врагов жизни», которые представляли тем большую опасность, что их нельзя было обнаружить даже в самом совершенном световом микроскопе. Только в 30-х годах, когда был сконструирован электронный микроскоп, группа ученых под руководством Фуска впервые увидела вирус табачной мозаики (1939). Но вирусы уже готовили для ученых ряд новых неожиданностей.

Бактериофаги, или «пожиратели бактерий»

Еще в период первой мировой войны удалось установить, что вирусы — враги не только человека, животных и растений; они являются также невидимыми противниками бактерий.

Английский микробиолог Ф. Туорт при выращивании белого стафилококка (Staphylococcus albus), встречающегося обычно на коже человека и его волосах, заметил, что некоторые колонии этого микроба на твердой питательной среде растворялись. Первоначально эти колонии имели обычную молочно-белую окраску, потом постепенно становились прозрачными и наконец совсем исчезали. Туорт перенес капельку массы этой исчезающей колонии на нормальную — она тоже стала «растворяться» и исчезла. Он посчитал это за проявление деятельности какого-то невидимого паразита, вызывающего распад бактериальной колонии.

Года через два после опытов Туорта канадский микробиолог Ф. д'Эрелль заинтересовался судьбой бактерий, вызывающих дизентерию. Они выделяются из организма больного вместе с испражнениями, а потом очень скоро исчезают. Инфицировав мясной бульон в пробирках небольшим количеством кала от нескольких пациентов, он оставил их открытыми на ночь при температуре 37 °C, а на другой день содержимое пробирок профильтровал через бактериальный фильтр. Капли полученного фильтрата он нанес на новую среду с чистой культурой микроба Shigella dysenteriae и наблюдал, как дизентерийные бактерии постепенно исчезали вокруг капель фильтрата. Повторив опыт несколько раз, он убедился, что в фильтрате находились какие-то живые «ультрамикробы», проникающие даже через бактериальный фильтр. Они нападали на клетки бактерий и уничтожали их. Ученый предположил, что имеет дело с живым организмом, сходным с фильтрующимся вирусом. А поскольку последний, по-видимому, питался бактериями, он назвал его бактериофагом, что означает «пожиратель бактерий».

При дальнейших исследованиях выяснилось, что бактериофагов существует много и действуют они на различные бактерии, причем один тип бактериофагов умерщвляет только один определенный вид бактерий. О некоторых из них мы узнаем подробнее в следующих главах.

Электронный микроскоп и вирусы

В 1939 году невидимый дотоле вирус табачной мозаики стал видимым благодаря электронному микроскопу. Потом очередь дошла и до других вирусов. Были установлены их размеры и форма.

Вирус табачной мозаики (сокращенно его принято обозначать ВТМ) при наблюдении под электронным микроскопом оказался продолговатой палочкой длиной около 300, а шириной 18 нм (фото 35). Размеры других вирусов варьировали в пределах размеров ВТМ.

Бактериофаги отличаются очень интересной формой (фото 36 и 37). Один из них, фаг Т2 — «паразит» кишечных бактерий Escherichia coli, — напоминает формой булаву. При нападении на клетки Е. coli он прикасается к ним хвостовидным придатком.

По своим размерам вирусные частицы занимают место между наименьшими живыми клетками и самыми крупными молекулами химических соединений:

Уиндел М. Стэнли, профессор Калифорнийского университета, так характеризует место вирусов:

«В конце XIX века были известны живые организмы различных величин — от самой мелкой бактерии до самого крупного кита. Молекулы химических соединений варьировали по размерам от крупных сложных белков до мельчайшей двухатомной молекулы газообразного водорода. Но между известными биологам организмами и неживыми молекулами химиков лежала целая пропасть. Ничто живое не могло быть мельче мельчайших возбудителей плевропневмонии, размеры которых были около 150 нм. Не было известно химической молекулы крупнее 22 нм. Миры биологов и химиков были, таким образом, резко отграничены друг от друга по величине изучаемых объектов. Но в 1898 году был открыт организм, более мелкий, чем любой из известных живых организмов, нечто такое, что было способно к размножению и вызывало болезнь растений табака. А в 1935 году была выделена и описана молекула, значительно более крупная, чем молекулы всех известных нам соединений. И этот наименьший организм и эта самая крупная молекула были одним и тем же существом — вирусом табачной мозаики. Вирус табачной мозаики… заполнил промежуток между видимыми в то время глазу человека отдельными биологическими и химическими объектами. Эту принадлежность к граничной области жизни, лежащей между живым и неживым, подтвердили и другие вирусы, открытые в первые десятилетия нашего века. Они не только заполнили просвет между организмами и молекулами, но и вышли за его границы.»

«Живые кристаллы», открытые Стэнли

М. Бейеринк назвал вирусы жидким живым заразным началом. Однако под электронным микроскопом мы увидели, что это тельца определенных очертаний. Еще за четыре года до того, как ВТМ впервые наблюдали в электронном микроскопе, молодой американский биохимик У. М. Стэнли высказал сомнение по поводу жидкой природы вируса. Интуитивно он предполагал возможность белковой природы этих существ.

Для проверки своего предположения Стэнли использовал целую тонну пораженных мозаикой листьев табака. Растерев и отжав из них с помощью пресса сок, он очистил его и исследовал на содержание белков. В результате он получил небольшое количество («ложечку») микроскопических иглообразных кристаллов. Исследования показали, что главная составная часть этих кристаллов — белки, являющиеся одновременно и вирусом табачной мозаики.

В настоящее время, как говорит Стэнли, этот опыт можно сравнительно легко повторить. Сок из больных листьев должен отстояться, затем его пропускают через фарфоровый фильтр, снова отстаивают и подвергают очистке. В полученную прозрачную жидкость вводят сульфат аммония, и она начинает свертываться, мутнеет. В ее капельке под микроскопом видны тонкие кристаллики ВТМ.

Но вирус ли это? Стэнли представляет доказательства: стоит растворить кристаллы в воде, опрыснуть полученным раствором здоровые листья табака, и через некоторое время на них появятся симптомы заболевания. Десятки тысяч вирусных частиц, которые находятся в каждом кристалле, при растворении его в воде рассеиваются в ней, а попав на растение, продолжают свою вредоносную деятельность.

Но действительно ли эти кристаллы представляют собой чистый белок, как предполагал Стэнли? Химический анализ показал, что его предположения верны. ВТМ — белок и к тому же способен образовывать кристаллы. Значит ВТМ «живые кристаллы»? Представление это с трудом укладывалось в сознании ученых.

Однако Стэнли был не совсем прав, утверждая, что вирус представляет собой чистый белок. Спустя два года английские биохимики Ф. Ц. Боуден и Н. X. Пири установили, что ВТМ лишь на 95 % состоит из белка. Остальные 5 % приходятся на нуклеиновую кислоту — так называли тогда сложные соединения, обнаруженные впервые в ядрах живых клеток. Комбинацию нуклеиновой кислоты с белком химики называют нуклеопротеидом. Значит, ВТМ — нуклеопротеид.

Позднее было доказано, что все вирусы представляют собой комбинацию белков с нуклеиновыми кислотами. Были также выявлены два типа нуклеиновых кислот у вирусов. Одни вирусы содержат только РНК, рибонуклеиновую кислоту, другие — исключительно ДНК, или дезоксирибонуклеиновую кислоту. Известные нам вирусы растений содержат РНК, так же как и вирусы полиомиелита и гриппа. Для большей части вирусов животных характерна ДНК.

Стэнли за свое открытие белково-нуклеиновой природы вирусов был удостоен Нобелевской премии. Приверженность к вирусологической тематике он пронес через всю жизнь. Вплоть до кончины он возглавлял в Калифорнийском университете Лабораторию вирусов, вокруг которой группировались десятки исследователей-энтузиастов, изучавших вместе с ним «тайну жизни» вирусов. В рабочем кабинете Стэнли хранится реликвия — стеклянный сосуд с кристаллами, полученными в 1935 году, но и сейчас способными вызвать болезнь табака.

Живые или неживые?

На вопрос, какие явления характеризуют жизнь, биологи отвечают, что каждый живой организм имеет специфические форму и величину, внешнюю и внутреннюю организации, с которыми связана и специализация отдельных органов; живому организму свойственны движение, реакция на внешние раздражения, рост, процесс обмена веществ и, наконец, такая важная особенность живых организмов, как способность размножаться. С размножением связана и возможность наследственных изменений.

Впрочем, некоторые из перечисленных критериев жизни можно обнаружить и в неживой природе. Мы найдем в ней и известную степень организации, и движение, и реакцию на раздражение, и рост. У кристаллов поваренной соли есть внешняя и внутренняя организации; протекающие в них химические реакции — своего рода проявление реакции на раздражение, то есть чувствительности; кристаллы и ледники растут; все тела фактически находятся в движении. Если такое движение и не проявляется наглядно, то постоянно движутся молекулы и атомы.

Однако неживые предметы не могут размножаться, следовательно, у них нет наследственных изменений. Таким образом, живое от неживого отличается прежде всего тем, что может размножаться и изменяться от поколения к поколению.

Посмотрим с этой точки зрения на вирусы и попытаемся разобраться, живые это существа или неживые. Химику они напоминают крупные молекулы, способные к кристаллизации. Есть у них и черты, общие с живыми организмами, — они могут размножаться (но только внутри живых клеток) и, как доказано в последнее время, подвергаться наследственным изменениям. Эту двойственность, это сочетание свойств как существа, так и вещества, подчеркнул Т. Риверс, когда называл их «органулами» или «молекизмами» (комбинация слов: организм и молекула).

Как мы увидим, вирусы имеют не только определенную форму и величину, но и внутреннюю организацию, выражающуюся в определенной структуре белка и нуклеиновой кислоты. Однако они значительно проще клеток. Между самыми крупными вирусами и самыми мелкими бактериями также существует некоторый «просвет» в размерах. По величине этот просвет могли бы занять риккетсии — организмы, ведущие, так же как и вирусы, паразитический образ жизни внутри клеток своих «хозяев». Но эти уже ярко выраженные клеточные организмы примитивнее бактерий и раза в два крупнее самых крупных вирусов.

Так куда же следует относить вирусы — к живым или неживым образованиям? Стэнли так ответил на этот вопрос:

«Живые ли они или неживые — об этом можно спорить до бесконечности, не получая, по существу, удовлетворительного ответа на поставленный вопрос. В одном отношении вирусы схожи с живыми организмами, в другом — с обычными химическими молекулами, но отличаются как от первых, так и от вторых. Их двойственный характер и сравнительно примитивная структура, которую мы в состоянии уже довольно подробно изучать, дают нам возможность видеть в них, с одной стороны, живые существа, а с другой — химические молекулы, способные к размножению. Тем самым мы приближаемся к пониманию химической сущности процесса размножения, протекающего во всех других живых организмах. Кроме того, изучение вирусов открывает перед нами новую перспективу, поскольку мы видим не две якобы резко отделенные друг от друга группы, а лишь их все более возрастающую сложность. С точки зрения структуры — имеем возможность проследить весь ряд тесно связанных между собой объектов: от атома через простую молекулу, макромолекулу, вирус, бактерию и далее через рыб и млекопитающих вплоть до человека. С функциональной точки зрения — можем наблюдать процесс использования энергии от случайного движения различных молекул до идеальной гармонии тончайших биологических ритмов».

Вирусы, эти крупнейшие молекулы и в то же время наименьшие формы живой материи, имеют одну общую характерную черту: все они являются существами, паразитирующими в клетках живых организмов (фото 39). Вирусология знакомит нас с вирусами растений, животных и микробов. Из вирусов — паразитов бактерий — мы знаем уже несколько типов бактериофагов. Многие еще, несомненно, будут открыты. Вирусной инфекции подвержены даже некоторые грибы. При парниковом выращивании шампиньонов уже давно обращали внимание на болезненные симптомы на шляпках и ножках грибов. Заболевание отражалось и на общем урожае шампиньонов. В Великобритании, где ежегодно их выращивают до 17 000 т, болезнь нанесла большой ущерб. Только во второй половине 50-х и в начале 60-х годов английские ученые Холлингс и Гэнди точными опытами доказали, что возбудителями этой болезни являются вирусы, которых им удалось выделить и изучить с помощью электронного микроскопа. Один из вирусов, паразитирующих на грибах, может быть использован в борьбе против вирусного же заболевания животных, так как с его участием в организме животного образуется интерферон. Об интерфероне и его значении будет рассказано в пятой части нашего путешествия в страну микробов.

11. Нас подстерегают неожиданности

Природа удивительным образом проявляется гораздо сложнее и интереснее, чем мы могли бы вообразить.

В. А. Амбарцумян, 1965

Еще о «живых кристаллах»

В 1946 году Стэнли была присуждена Нобелевская премия за открытие явления кристаллизации ВТМ. К тому времени уже были известны и другие кристаллизующиеся вирусы, полученные последователями американского биохимика из больных растений.

Спустя двадцать лет сотрудники Лаборатории вирусов Калифорнийского университета добились дальнейших значительных успехов: они кристаллизовали животный вирус, причем один из самых мелких — вирус полиомиелита. Этот период характеризуется бурным развитием вирусологии. Вирусологи научились не только обнаруживать возбудителей вирусных заболеваний, но и культивировать их. Сначала для этих культур использовали подопытных животных, позже стали применять зародышей цыплят, а затем и искусственные культуры тканей из организма животных (фото 40).

Сотрудники упомянутой Лаборатории вирусов выращивали вирус полиомиелита на культуре ткани из почек обезьяны. Искусственные ткани культивировались на питательной жидкости, а в их клетках жили и размножались частицы вируса полиомиелита. Дальнейшим этапом было выделение вируса, и основными «рабочими орудиями» для этого служили ультрацентрифуга и электронный микроскоп. На дне центрифужных пробирок при скорости в несколько десятков тысяч оборотов в минуту из фильтрата питательной жидкости постепенно оседали невидимые простым глазом частицы вируса полиомиелита. Полученная суспензия была исследована под электронным микроскопом. Комбинацией различных химических методов ученым удалось наконец достигнуть намеченной цели — выделить один-единственный кристаллик вируса (фото 41, а). Из миллионов частей культуральной жидкости только три части приходились на вирус. Интересно было рассмотреть скол такого кристалла (фото 41, в): электронный микроскоп вскрыл правильное расположение отдельных частиц вируса. Чтобы образовать один едва видимый в микроскоп кристаллик, потребовались миллиарды этих частиц!

Через год ученым удалось кристаллизовать уже три известных типа вируса полиомиелита. Это было как раз в том году, когда Р. Л. Стире установил, что ВТМ кристаллизуется не только в искусственных условиях, его кристаллы образуются и в клетках пораженных растений.

Немного позднее вирусологи К. Ф. Маттерн и X. Дюбуа опубликовали сообщение о получении кристаллов вируса Коксаки (фото 42).

К настоящему времени вирусологи открыли уже несколько сотен вирусов. Из них в относительно очищенном виде выделены примерно 30, а около 20 вирусов получены в абсолютно чистом виде.

Строение ВТМ

Вирус табачной мозаики изучен гораздо лучше других вирусов. Его размеры и форма нам уже хорошо известны. Но каково внутреннее строение частицы этого вируса?

Рибонуклеиновая кислота находится в вирусной частице в виде простых спиралей, которые скрыты в цилиндре, представляющем макромолекулу белка. Внутри частицы имеется полый «канал», как у изолированного провода, из которого вытянули проволоку. Диаметр этого канала достигает 4 нм (фото 43).

Макромолекула белка состоит из мелких пептидных цепей (субъединиц); в каждой частице ВТМ их в среднем около 2200. Эти цепи, образующие как бы «плащ» поверх спирали РНК, представляют более крупную спираль, внешний диаметр которой равен 17–18 нм. С каждым оборотом спирали на 360° в белковом «плаще» прибавляется 16 1/3 новых пептидных цепей и длина его увеличивается на 2,3 нм. Общее число витков около 130.

Цепи, из которых состоят белки, химически всегда однородны. Данные об их строении были опубликованы почти одновременно двумя группами исследователей: Г. Шраммом с сотрудниками из Института Макса Планка в Тюбингене (ФРГ) и X. Л. Френкель-Конратом с сотрудниками из Лаборатории вирусов Калифорнийского университета. Обе группы независимо друг от друга установили, что каждая субъединица состоит из цепи аминокислот, объединенных пептидными связями в полипептиды. Но если немецкие ученые насчитали 157 молекул аминокислот в одной такой субъединице, то американские увидели на одну больше. И как показали более поздние исследования, вторая цифра оказалась правильной.

В каждой субъединице представлены 16 различных аминокислот. Их названия, сокращенные символы и количество молекул в субъединице приведены в таблице 6.

Субъединица белкового цилиндра вируса табачной мозаики образуется соединением 158 аминокислотных остатков, размещенных в определенном порядке.

Расположение аминокислот в субъединице, установленное сотрудниками Лаборатории вирусов, видно из приведенного рисунка.

На фото 44 представлена модель ВТМ с яйцевидными субъединицами белков и витками РНК, которые обозначены черным.

Основными субъединицами РНК являются нуклеотиды. Различают четыре типа этих соединений: адениловая, гуаниловая, цитидиловая и уридиловая кислоты. В целой спирали РНК насчитывается 6500 нуклеотидов, но их расположение еще неизвестно.

Вся молекула ВТМ состоит приблизительно из 5 250 000 атомов следующих биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы. Пять с четвертью миллионов атомов распределены между 6500 нуклеотидами в молекуле РНК и 2200 субъединицами белков, каждая из которых содержит 158 аминокислотных остатков. И несмотря на такую сложность состава и структуры, вирус табачной мозаики имеет длину, равную всего лишь трем десятитысячным, а ширину — 18 миллионным долям миллиметра.

Что представляла бы собой частица ВТМ при увеличении ее в миллион раз? Это был бы небольшой цилиндр длиной около 30 см и диаметром 1,5 см. Увеличенная еще в тысячу раз, она напоминала бы цилиндрическую башню диаметром 18 м и высотой 300 м. Если бы у этой башни было 2200 лестничных ступенек, то каждая из них соответствовала бы одной белковой субъединице ВТМ, причем высота ее равнялась бы 14 см и состояла бы она из 158 кирпичей шестнадцати различных типов. В этом случае каждый кирпич отвечал бы одной молекуле из 16 типов аминокислот, присутствующих в белковых субъединицах. При подъеме по такой винтовой лестнице на верхушку башни мы сделали бы 130 витков вокруг ее оси. И если бы к концу путешествия у нас не закружилась голова и мы смогли бы заглянуть в цилиндрическую шахту четырехметрового диаметра, находящуюся в центре башни, то увидели бы в ней 6500 многогранников, поставленных друг на друга по спирали. Эта спираль соответствовала бы спирали РНК вирусной частицы, состоящей из 6500 нуклеотидов. Многогранники были бы к тому же четырех типов, что отвечает четырем типам нуклеотидов, участвующих в структуре макромолекулы РНК.

Наконец, приведем еще одно сравнение: частица нашего вируса относилась бы к этой фантастической башне как 1 секунда к 32 годам!

Геометрия и вирусы

Такой строгой симметрией, какую мы видели в архитектонике частицы ВТМ, отличаются и все прочие вирусы. Косвенным доказательством этого является и строение кристаллических вирусов, обнаруженное при помощи особого рентгеновского аппарата, который применяется для изучения строения молекул различных соединений. Эти данные успешно дополняются и непосредственным наблюдением вирусных частиц в электронном микроскопе при увеличении их в сотни тысяч раз. Для этой цели препараты вирусов обрабатываются фосфорно-вольфрамовой кислотой, не пропускающей электроны. Эта жидкость заполняет крошечные пространства между отдельными субъединицами вирусной частицы. При наблюдении в электронном микроскопе электроны проходят только сквозь «не-затененные» белковые цепи, образуя как бы подобие негативного изображения вирусных частиц. При этом можно убедиться в строго симметричном расположении субъединиц вируса.

Сходную с ВТМ спиральную структуру имеют и многие другие вирусы. Например, миксовирусы, составляющие группу возбудителей ряда болезней человека и животных (вирусы гриппа, свинки и др.). Правда, некоторые миксовирусы имеют еще более сложное, но всегда симметричное строение. Модель такого чрезвычайно сложного по строению вируса представлена на фото 45.

Частицы других вирусов напоминают своей формой многогранники, и вирусологи относят их к группе вирусов с икосаэдрической симметрией (икосаэдр — двадцатигранник, стенки которого представляют собой равносторонние треугольники). Частице аденовирусов, например, соответствует модель, состоящая из 252 шаровидных субъединиц (фото 45, в), частице вируса герпеса отвечает модель из 162 субъединиц. Самый мелкий из известных нам вирусов — бактериофаг ØX174, у которого только 12 поверхностных субъединиц.

Отдельная вирусная частица — это основная инфекционная единица данного вируса. Она состоит из белковой «оболочки» и скрытой в ней молекулы нуклеиновой кислоты. Мы уже говорили, что частицы вирусов отличаются от клеток еще и тем, что всегда содержат лишь один тип нуклеиновой кислоты. Частицы ВТМ, мы знаем, содержат РНК; эта же нуклеиновая кислота находится в частицах вируса гриппа и полиомиелита. Но в частицах упомянутого аденовируса имеются молекулы ДНК.

Обе нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, выполняют в каждой вирусной частице важные «дирижерские» функции, подобно тому как они делают это в клетках бактерий и других организмов.

Рассмотрение нами вопросов строго определенной геометрической структуры и симметрии в вирусах было бы неполным, если бы мы не рассказали, хотя бы вкратце, об их размерах. Одна активная инфекционная единица вируса называется вирионом. Вирионы различных типов вирусов отличаются не только строением, но и тем, какую именно кислоту они содержат — ДНК или РНК. Определяющим признаком служит и их величина (в случае вирусов мы охотнее употребили бы слово «малость», а не «величина»). Вирус табачной мозаики по своей длине находится на верхней границе возможных размеров вирусов, он достигает 300 нм, или трех десятитысячных долей миллиметра. К наименьшим вирусам относится вирус различных форм ящура, частицы которого имеют диаметр 24 нм, или двадцать четыре миллионные доли миллиметра.

12. Молекулы наследственности и микробы

Каждая живая клетка представляет собой микрокосмос, в котором нуклеиновая кислота выступает в качестве диктатора, обычно к нам благоволящего; но в случае рака она становится деспотом-садистом, а в вирусных частицах — узурпатором.

У. М. Стэнли

Диссоциация и трансформация

В первой главе читатель узнал о борьбе между приверженцами плеоморфистского и мономорфистского направлений в микробиологии конца XIX века. Эта борьба закончилась победой мономорфистов — сторонников учения о неизменности микробов. Однако победа эта была далеко не окончательной.

Уже в 20-е годы мономорфистская теория впервые подверглась сомнению. Стало известно явление так называемой диссоциации бактерий. При выращивании пневмококков, вызывающих воспаление легких (см. фото 57), было обнаружено, что их колонии на питательном агаре изменяют свой облик. Поначалу гладкие и блестящие (обозначим их состояние буквой «S», от английского smooth — гладкий), они становились через некоторое время шероховатыми и сморщенными по краям (обозначим их буквой «R», от английского rough — шероховатый).

Клетки из колоний R отличались от клеток из колоний S еще и тем, что были значительно менее вирулентными, иначе говоря, их способность вызывать заболевание стала значительно слабее. Следует отметить, что обратного превращения R-формы в S-форму никогда не наблюдалось. Этот переход S→R и получил название диссоциации (фото 46).

Следующее неожиданное открытие последовало через несколько лет, когда удалось осуществить изменение пневмококков в обратном направлении, из состояния R в S. Это изменение, протекающее в обратном направлении, в отличие от диссоциации получило название трансформации.

В 1944 году к вопросу трансформации вернулись вновь. Американские микробиологи К. Т. Эйвери, К. М. Маклеод и М. Маккарти доказали, что трансформацию вызывает содержащаяся в пневмококках дезоксирибонуклеиновая кислота! Это выглядело, однако, довольно смелым утверждением… И означало, что сама ДНК была передатчиком наследственных изменений.

Поиск и изучение нуклеиновых кислот

Проблемой нуклеиновых кислот занимался еще в 1868 году швейцарский химик Ф. Мишер, открывший в клетках гноя особое вещество, названное им «нуклеином», поскольку оно встречалось исключительно в клеточном ядре (nucleus — ядро). Это была ДНК. Она находится в каждой из двух биллионов клеток человеческого организма и в клетках всех прочих организмов. Мы знаем также, что ДНК присутствует и в некоторых бактериофагах и вирусах. Спустя 30 лет в клетках дрожжей открыли другую нуклеиновую кислоту, ее мы теперь сокращенно обозначаем РНК.

Во всех клеточных ядрах организма (фото 47) количество ДНК всегда одинаково.

ДНК — длинная макромолекула, основными структурными элементами которой являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из 29–35 атомов. Нуклеотид построен из трех структурных элементов: органического основания, углевода и фосфорной кислоты. Углевод, который в ДНК называется дезоксирибозой, и фосфорная кислота во всех нуклеотидах одинаковы; органических оснований в нуклеотидах несколько: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (Ц).

РНК отличается от ДНК тремя основными особенностями: вместо дезоксирибозы содержит близкий к ней сахар — рибозу; вместо тимина (Т), присутствующего только в ДНК, — урацил (У), и наконец, в отличие от ДНК, являющейся двойной цепью, напоминает простую длинную цепь, в которой нуклеотиды расположены последовательно в ряд. До сих пор в этом отношении известно только единственное исключение — бактериофаг с шифром ØX174 имеет ДНК в виде простой, а не двойной цепи.

Простая цепь РНК состоит из чередующихся молекул рибозы и остатков фосфорной кислоты, причем к каждой молекуле рибозы перпендикулярно оси цепи присоединяется одно из четырех нуклеотидных оснований — У, Г, Ц или А. Часть молекулы РНК изображена в виде следующей схемы:

где Р означает рибозу, Ф — остаток фосфорной кислоты, У, Ц, А и Г — различные нуклеотидные основания.

Изучение структуры ДНК продолжалось долгие годы начиная с 20-х годов, когда о ДНК было известно примерно столько же, сколько мы сейчас рассказали.

В начале 50-х годов профессор Е. Чаргафф и его коллеги установили, что в молекуле ДНК определенно взаимосвязаны два спаренных основания, причем всегда аденин с тимином (А — Т), а гуанин с цитозином (Г — Ц). Количественные отношения между этими парами в молекуле ДНК одного и того же биологического вида всегда постоянны, но различаются у разных видов. Чем более родственны виды между собой, тем более сходны и количественные отношения этих пар в ДНК и наоборот, чем меньше родства между видами, тем эти отношения менее сходны.

Приблизительно в это же время американский биохимик Л. Полинг исследовал вместе со своим сотрудником Р. Кори структуру белка. Они установили, что полипептиды (ряды связанных в цепи аминокислот) образуют некоторое подобие спирали, так называемую α-спираль.

Вскоре после этого англичанин М. Уилкинс и другие исследователи доказали, что и макромолекулы ДНК имеют такую же спиральную структуру. Американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик на основании этих и других данных построили структурную модель молекулы ДНК. За эту, по существу, новаторскую работу Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 году Нобелевской, премии по медицине и физиологии. Уотсон и Крик в своей модели наглядно изобразили структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали. Внешние витки этой макромолекулы образуют цепи, в которых закономерно чередуются молекулы дезоксирибозы (Д) и фосфорной кислоты (Ф). Цепи как бы намотаны на внутренний «цилиндр», состоящий из спаренных оснований А — Т и Г — Ц. С наружной стороны основания присоединены к дезоксирибозе другой цепи. Между собой основания связаны водородными мостиками, известными по многим другим соединениям. Внутреннюю организацию молекулы ДНК можно изобразить следующей схемой:

Обе цепи обхватывают внутренний цилиндр так, что их витки всегда находятся на его противолежащих сторонах. Каждый поворот цепей на 360° размещает новые 10 пар нуклеотидов. Модели молекул ДНК с их двойными спиралями наглядно изображены на прилагаемом рисунке.

Количество нуклеотидов в ДНК возрастает с усложнением организмов. Бактериофаги содержат в своих молекулах ДНК около 5000—10 000 нуклеотидов, но у бактерий их уже около 5 000 000. Каждая клетка человеческого организма содержит до 800 000 молекул ДНК, и в каждой из них имеется около 40 000 нуклеотидов.

ДНК в роли диктатора

Мы уже упоминали, что ДНК как «трансформационный фактор» изменяет наследственные свойства пневмококков. Мир микробов представляет нам все больше свидетельств того, что ДНК является генетическим материалом клетки, управляющим тысячами происходящих в ней химических реакций. Эти реакции направлены на сохранение и размножение клеточных структур. Деятельность ДНК, таким образом, тесно связана с размножением и наследственностью.

Вопросами передачи наследственных свойств от поколения к поколению занимается генетика, давно установившая, что главным органом, «ответственным» за эту передачу, является клеточное ядро, хотя в последнее время стала известна немалая роль в этих процессах и самой цитоплазмы. Эта ответственность за передачу наследственных свойств сосредоточена в ядре, в образованиях, которые называются хромосомами (фиг. V и VI). Позднее генетики доказали, что носителями тех или иных характерных особенностей организма, передающихся из поколения в поколение, являются определенные участки хромосом, ген ы. С генами тесно связана и способность клетки осуществлять определенные химические реакции. Как же работают гены и какова их сущность? Долгое время для ученых это оставалось загадкой.

Модель двойной спирали ДНК. Внешние цепочка возникают соединением остатков дезоксирибозы (пятиугольники на правых схемах) с остатками фосфорной кислоты. «Мостики» между остатками дезоксирибозы образуются соединением двух пар А — T и Г — Ц.

В 40-х годах начался период «химизации» генетики. Два американских генетика, Дж. Бидл и Э. Тейтем, экспериментально показали, что возникновение и активность каждого фермента в клетке контролируется определенным геном; их теорию характеризует утверждение «один ген — один фермент». Это было еще одним шагом к познанию генов, которые в то время считали белками.

Через некоторое время пришло открытие химического состава «передаточного начала» бактерий, и генетики уточнили свое представление о генах. Их стали считать нуклеопротеидами, то есть сложными соединениями ДНК с белком.

В процессе митоза, когда клетка подготавливается к делению на две новые, с хромосомами происходят удивительные превращения. Каждая хромосома делится вдоль на две части, и обе части попадают в ядра двух новых, дочерних клеток. Таким образом, обе клетки получают поровну тот генетический материал, количество которого в материнской клетке перед митозом (в так называемой интерфазе) удвоилось. Но поскольку генетический материал содержит ДНК, очевидно, что и ее количество увеличилось в два раза. В настоящее время это уже достоверно доказано.

Но если ДНК является химическим носителем наследственности, как сейчас принято считать, то перед нами неизбежно встают новые вопросы. Как именно «закодированы» в молекуле ДНК эти наследственные особенности? Каким образом обеспечивается постоянство этого «кода» из поколения в поколение?

Генетический алфавит

Авторы модели ДНК представляют систему «кодирования» следующим образом: различные свойства ДНК в разных организмах объясняются различием в составе нуклеотидов в ее молекуле. Нуклеотиды, по их мнению, являются своего рода генетическим алфавитом, при помощи которого в ДНК «химическим почерком» закодированы наследственные особенности организма. А поскольку ДНК содержит по меньшей мере несколько тысяч нуклеотидов, возникают неограниченные возможности комбинаций во взаимном чередовании и порядке пар А — Т, Г — Ц в ее молекуле. Каждая новая комбинация придает новые свойства ДНК.

Молекулы ДНК в клетке, поясняют далее Дж. Уотсон и Ф. Крик, способны к «самовоспроизведению» (редупликации) с сохранением постоянного расположения нуклеотидов. Мы знаем, что внутренний «цилиндр» молекулы ДНК состоит из пар оснований А — Т и Г — Ц, соединенных между собой водородными связями. Редупликация молекул ДНК может идти следующим образом. Водородные связи между парными нуклеотидами на одном конце молекулы постепенно начинают прерываться и обе спиральные цепи ДНК «разматываются», освобождаясь друг от друга. Такая развернувшаяся цепь удерживается связями между остатками молекул дезоксирибозы и фосфорной кислоты, «выставив» перпендикулярно оси свои основания. В окружающей среде находятся синтезированные клеткой свободные нуклеотиды, которые могут входить в реакцию со свободными основаниями развернутой цепи ДНК. Но к каждому основанию может приблизиться и соединиться с ним только нуклеотид, имеющий парное, «дополняющее» основание. Это значит, что к развернутой цепи начнет присоединяться другая, недостающая цепь ДНК, причем точно такая, какая была в другой половине макромолекулы и отделилась, чтобы подобным же образом извлечь из среды то, чего ей недостает до полной молекулы ДНК. В результате этих процессов образуются две молекулы ДНК, каждая из которых имеет половину материнской молекулы, дополненную вновь синтезированной. Дочерние молекулы становятся, таким образом, точной копией материнской ДНК. При этом сохраняется и состав генетического материала.

Здесь мы должны, однако, предупредить читателя, что то, о чем он только что прочел, было всего-навсего гипотезой Уотсона и Крика о редупликации ДНК. Вы можете справедливо заметить, что правильность гипотез должна быть доказана экспериментально.

Описанную гипотезу подтвердил американский биохимик А. Корнберг, которому удалось открыть полимеразу ДНК — фермент, участвующий в процессе редупликации. Получив из клеток кишечных бактерий Escherichia coli ДНК и фермент, он соединил их в пробирке, добавив туда же смесь соответствующих нуклеотидов. Через некоторое время количество ДНК в пробирке значительно увеличилось, причем были использованы присутствующие в среде свободные Нуклеотиды. За свое открытие он получил в 1959 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Эту премию разделил с ним профессор С. Очоа, открывший независимо от Корнберга фермент — полимеразу РНК, которая синтезирует рибонуклеиновую кислоту. Совсем недавно Корнберг обнаружил еще один фермент, участвующий в синтезе ДНК, и назвал его фосфатазой ДНК.

Модель редупликации молекулы ДНК. К развернутым цепочкам (вверху) присоединяются дополнительные цепочки того же состава, что и в материнской молекуле.

Гипотезу о редупликации ДНК подтвердили в 1958 году М. С. Месельсон и Ф. Сталь. Они культивировали бактерии Е. coli в жидкой питательной среде, содержащей вещества с радиоактивным азотом 15N. ДНК этих бактерий оказалась потом «меченной» радиоактивным элементом всюду, где в ее макромолекулах содержится атом азота. Затем ученые культивировали бактерии в жидкой питательной среде, содержащей нерадиоактивный азот 14N. При выращивании бактерии размножались, и можно было наблюдать, как радиоактивный азот ДНК равномерно распределялся по дочерним молекулам ДНК. В каждой последующей генерации бактерий отмечалась половинная радиоактивность ДНК по сравнению с предыдущей. Иначе говоря, при каждой редупликации ДНК радиоактивность материнской макромолекулы равномерно распределялась в двух дочерних макромолекулах, которые создавали недостающие им цепи, привлекая для этого нуклеотиды с нормальным азотом.

Жакоб и Моно обдумывают генетический код

Итак, по мнению Крика и его коллег, ДНК можно считать химическим носителем наследственности, иначе говоря, ДНК — это определяющая составная часть генов. Бидл и Тейтем уже давно сформулировали положение «один ген — один фермент», согласно которому гены определяют синтез и состав ферментов. Если ДНК действительно является генетической молекулой, она должна определять и строение того или иного фермента. Эту определяющую роль ДНК по Уотсону и Крику можно объяснить порядком распределения нуклеотидов в ее молекуле, то есть последовательностью, в которой чередуются в цепях ДНК четыре возможных нуклеотида. Но поскольку ферменты в химическом отношении являются молекулами белков, а структурными элементами последних — аминокислоты, то порядок расположения аминокислот в молекуле белка (а значит, и ферментов) будет определяться расположением нуклеотидов в молекуле ДНК, точнее — расположением нуклеотидов в цепях молекулы ДНК.

Допустим, что так оно в действительности и есть. Тогда возникает вопрос: как же все это происходит? Каким образом тройки нуклеотидов в ДНК определяют синтез белков, в том числе и ферментов?

1961 год войдет в историю не только как год начала космической эры. Он был отмечен также событием, которое приблизило нас к решению важнейшего биологического вопроса — о механизме синтеза белка. В 1961 году сотрудники Пастеровского института Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали статью, в которой они попытались объяснить интересующее нас явление. Эти ученые, получившие спустя четыре года Нобелевскую премию по медицине и физиологии, предложили гипотезу, согласно которой ДНК управляет синтезом белков не непосредственно. Роль посредника выполняет особая молекула РНК, структура которой представляет собой как бы отпечаток структуры ДНК. Эта особая молекула РНК образуется при раскручивании двойной спирали молекулы ДНК так, что на развернутой цепи ДНК возникает цепь РНК с таким расположением нуклеотидов, которое соответствует расположению последних в цепи ДНК. Обозначим нуклеотиды заглавными буквами названий их органических оснований. На раскрученной спирали ДНК с нижеприведенным порядком нуклеотидов должна возникнуть цепь РНК с соответствующим «парным» и дополняющим расположением нуклеотидов, а именно цепи ДНК

(А — Г — Т) — (Т — Ц — А) — (Т — Т — Т) — (Г — А — А)

отвечает цепь РНК

(У — Ц — А) — (А — Г — У) — (А — А — А) — (Ц — У — У)

После своего образования цепь РНК отделяется от цепи ДНК и перемещается в то место клетки, где происходит синтез ферментов. РНК в приведенной нами схеме содержит четыре тройки нуклеотидов и, если исходить из гипотезы Жакоба и Моно, определяет порядок четырех аминокислот в будущей молекуле белка. Макромолекула белка требует значительно более ёмкой информации, заключенной в молекуле РНК, которая должна содержать столько троек нуклеотидов, сколько молекул аминокислот должно присоединиться к макромолекуле белка.

Поскольку генетическая информация химически «переписывается» с ДНК на молекулу РНК, которая понесет далее «послание», или информацию о синтезе молекулы белка, мы назовем эту РНК, переносчика информации, информационной РНК, или иРНК[22].

Естественно, что подобное представление, будучи лишь гипотетическим, требовало экспериментального подтверждения. Проверка его началась в США в том же 1961 году. Американский биохимик М. Ниренберг из Линговского национального института сердца поставил смелый эксперимент. Специальными методами он разрушил клетки бактерий Escherichia coli и получил бесклеточную массу, способную синтезировать белки. Затем заменил предполагаемую Жакобом и Моно иРНК искусственной, которая на языке химиков называлась полиуридиловой кислотой (сокращенно поли-У) и содержала вместо четырех типов нуклеотидов, обычных для природной иРНК (А, У, Ц, Г), только один — уридиловую кислоту (У). Поли-У образует цепь РНК в таком виде:… У — У — У — У — У — У —… Внесение поли-У в бесклеточную массу не дало каких-либо существенных результатов: из 20 различных аминокислот в состав белков включились молекулы одной-единственной аминокислоты — фенилаланина. Из этой единственной аминокислоты образовались только макромолекулы белков, или поли-фенилаланинов. В соответствии с «нуклеотидными тройками» (триплетами) и поли-У образует цепь триплетов У — У — У, являющихся «кодоном» для включения молекул фенилаланина в белки.

Вскоре после проведения этих исследований из лаборатории Ниренберга поступили новые сообщения: для образования фенилаланина необходима еще одна клеточная РНК, которая должна будет переносить иРНК. Для каждой аминокислоты клетка должна иметь особый тип такой транспортной РНК (тРНК).

Еще в 1957 году Р. Холли из Корнельского университета, опубликовал сообщение о существовании тРНК. К 1961 году уже стало известно, что в клетках существуют различные типы тРНК, которые в присутствии соответствующих ферментов соединяются с определенными аминокислотами. Предполагали, что в виде такого промежуточного соединения с тРНК аминокислоты перемещаются к месту синтеза белков. В 1965 году Холли опубликовал результаты своих многолетних исследований: установил расположение нуклеотидов в молекуле тРНК, специализировавшейся на переносе аланина.

Но где же в клетке происходит синтез белков? Мы познакомились с тремя элементами, необходимыми для «производства» белковых молекул: аминокислоты, иРНК, тРНК. Сам же процесс сборки макромолекул белка протекает в особых цитоплазматических образованиях, называемых рибосомами.

В упрощенном виде синтез белковой молекулы можно представить следующим образом. К длинной цепи иРНК подходят рибосомы (видимые лишь в электронный микроскоп). К этому комплексу присоединяются частицы тРНК, связанные с молекулами аминокислот. Триплетам нуклеотидов в цепочке иРНК (так называемым кодонам) соответствуют дополняющие триплеты нуклеотидов на каждой молекуле тРНК (антикодоны). Расположение кодонов в цепочке иРНК определяет, в каком именно порядке присоединятся к ним антикодоны РНК. Это означает, что аминокислоты, отвечающие специфическим тРНК, перемещаются к рибосомам в определенном порядке. В точно таком же порядке будут присоединяться к зарождающейся макромолекуле и белки. Весь этот сложный процесс поможет нам понять приведенная ниже схема. Но прежде мы должны представить читателю одного ученого, деятельность которого будет иметь в нашем рассказе немаловажное значение.

Речь идет о X. Коране, индийском исследователе, проживающем в США. Вместе со своими сотрудниками из Висконсинского университета Корана попытался решить две задачи: во-первых, синтезировать по образцу иРНК искусственные полимеры, которые содержали бы соответствующие кодоны для отдельных аминокислот; во-вторых, синтезировать искусственные полимеры по образцу ДНК с таким расположением нуклеотидов, которое отвечало бы соответствующим кодонам в иРНК, и проверить их активность.

Первая задача была нелегкой. Группе Кораны предстояло получить все 64 возможных типа кодонов, необходимых для проверки «кодирования» порядка 20 аминокислот белков. Однако им удалось все же найти решение. Данные о кодонах они получили иным путем, отличным от того, каким шла группа Ниренберга, и дополнили их недостающими данными для остальных аминокислот.

Вторая задача оказалась еще труднее. Если в первой исследователи стремились получить синтетические полирибонуклеотиды, то во второй им необходимо было попытаться синтезировать полидезоксирибонуклеотиды. Эти «искусственные молекулы ДНК» они должны были использовать затем в управляемом синтезе «искусственных молекул РНК» с соответствующими кодонами. Ценную помощь им оказал в этом деле фермент, открытый в лаборатории профессора Очоа. Старания Кораны и его коллег увенчались успехом.

Ниренберг — Холли — Корана, этот биохимико-генетический «триплет» ученых, экспериментально подтвердили правильность представлений Уотсона и Крика о триплетах нуклеотидов в ДНК. Они подтвердили и гипотезу Жакоба и Моно об управляемом синтезе информационных РНК, выяснили роль транспортных РНК и их антикодонов при определении положения аминокислот в возникающих на рибосомах белковых молекулах. И не удивительно, что в декабре 1968 года все трое — Ниренберг, Холли и Корана — за эту свою работу получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Как уже было сказано, Корана успешно решил и вторую из поставленных задач. В июне 1970 года на встрече биохимиков и молекулярных биологов в его родном университете на вопрос, чем ученый занят сейчас, после получения Нобелевской премии, Корана ответил, что ему наконец удалось получить ген в пробирке! Его лаборатория занималась синтезом гена целых пять лет.

Мы знаем, что другой нобелевский лауреат, Холли, раскрыл тайну расположения нуклеотидов в транспортной РНК, служащей для переноса аланина. На основании данных о расположении нуклеотидов в тРНК Корана набросал на бумаге схему структуры гена (или ДНК), который «отвечает» за синтез данной тРНК. Этот набросок позволил ему через пять лет получить первый «синтетический» ген: он состоял из 77 пар нуклеотидов, расположенных в такой последовательности, при которой ДНК определяет синтез аланиновой тРНК.

После этого группа Кораны приступила к экспериментам по «размножению» молекул синтезированного гена при помощи ферментов Корнберга, вызывающих редупликацию молекул ДНК, о которой мы уже говорили; надо было испытать активную способность «гена в пробирке», который должен управлять синтезом аланиновой тРНК. А за этим последовали опыты, имеющие целью подтвердить биологическую активность «синтетического» гена и в живой клетке. Ведь существовать ему предстояло именно в ней! Пятилетняя напряженная работа группы Кораны в конце концов успешно увенчалась синтезом некоего вещества, которое в природе, в живых клетках, несомненно, существует.

Но вернемся к нашей схеме. Она дает упрощенное представление о том, какое расположение трех триплетов нуклеотидов в молекуле ДНК определяет окончательный порядок трех аминокислот в образующейся на рибосомах молекуле белка.

Триплеты в молекуле ДНК:

… — (А — А — А) — (Г — А — Г) — (Т — Т — Т) —…

Дополняющие кодоны в молекуле иРНК:

… — (У — У — У) — (Ц — У — Ц) — (А — А — А) —…

Антикодоны в трех молекулах тРНК:

(А — А — А) (Г — А — Г) (У — У — У).

Расположение трех аминокислот во фрагменте молекулы белка:

… — Фен — Лей — Лиз —…

Приведенные триплеты молекулы ДНК можно считать частью «генетической информации», заложенной в гене, управляющем синтезом определенного белка. В макромолекуле этого белка на соответствующем месте будет находиться тройка аминокислот: фенилаланин — лейцин — лизин.

Согласно изложенному представлению, в клетке существует, таким образом, следующая иерархия макромолекул:

ДНК → РНК → Белок.

В 1970 году стали появляться сообщения о том, что при некоторых обстоятельствах, например при инфицировании клетки вирусами, имеющими в своем составе РНК, а не ДНК, генетический код для синтеза белков «записан» в молекуле РНК. Эти вирусные РНК в клетке-хозяине «самовоспроизводятся» и управляют синтезом ДНК, необходимой для образования вирусных белков. Таким образом, мы столкнулись с тем, что генетическая информация может быть перенесена от РНК к ДНК.

В других случаях оказался возможным и прямой перенос генетической информации с ДНК на белок без посредничества РНК.

Все эти сведения вызвали широкую полемику в ученых кругах. Обсуждался вопрос — остается ли в силе центральная догма молекулярной биологии[23]. Итог дискуссии подвел один из «отцов» этой догмы, Ф. Крик, который охарактеризовал уровень современных знаний в данной области следующим образом.

Существуют общие и специальные переносы генетической информации. Общие переносы можно сформулировать в такой последовательности:

ДНК → ДНК

ДНК → РНК

РНК → Белок

Специальные переносы информации, совершающиеся лишь в особых случаях, могут выглядеть и так:

РНК → РНК

РНК → ДНК

ДНК → Белок

Все это хорошо видно на рисунке ниже, где общие переносы и их направление показаны сплошной линией, а специальные — штриховой.

Но открытия 1970 года на этом не закончились. Самые волнующие события этого года связаны с изучением и поиском онкогенных вирусов — вирусов, вызывающих некоторые формы опухолей.

Перенос генетической информации. Сплошные стрелки — общий перенос; штриховые — специфический.

На Международном онкологическом конгрессе в мае 1970 года в Хьюстоне доктор X. Темин из Висконсинского университета сообщил об открытии фермента, способного синтезировать ДНК в присутствии РНК. И этот фермент и РНК находятся в вирусе Рауса, известном уже в течение нескольких десятилетий как возбудитель саркомы. Открытие Темина в скором времени подтвердил его соотечественник Д. Балтимор. Другой американский ученый, С. Спигелмен, сообщил в конце июня 1970 года, что тот же фермент обнаружен им в семи различных онкогенных вирусах. Летом того же года на Международном конгрессе микробиологов в Мексике Спигелмен сообщает о новом неожиданном факте. Оказывается, онкогенные вирусы содержат еще один фермент — «полимеразу ДНК», связанную с ДНК и ранее известную как «полимераза ДНК Корнберга».

Но эстафету снова перехватывает Темин, открывший третий фермент в вирусе саркомы Рауса: эндонуклеазу, «рассекающую» длинную двойную спираль ДНК на короткие отрезки. Возможно, есть и четвертый фермент — лигаза, осуществляющая соединение этих фрагментов снова в длинную макромолекулу ДНК»

В ноябре 1970 года в Париже на Международном коллоквиуме, который проводился фирмой, занимающейся производством антибиотиков, американский ученый X. Ханафуза сообщил общественности, что обе полимеразы вируса Рауса играют важную роль в превращении здоровых клеток в опухолевые. Другие участники коллоквиума сообщили, что из белых кровяных телец людей, пораженных белокровием, была выделена полимераза ДНК, связанная с РНК. Таким образом, фермент, присутствующий в онкогенных вирусах, был найден и в белых кровяных тельцах больных лейкозом. Спигелмен сообщил, что этот фермент был им обнаружен в девяти случаях лейкоза и ни разу не был найден в нормальных здоровых лейкоцитах. Это означало, что обнаружение фермента в белых кровяных тельцах могло бы служить ранним диагностическим признаком лейкоза.

Р. Галло из Национального онкологического института в Бетесде (США) получил тот же фермент из лимфоцитов трех пациентов, страдающих лимфоцитарным лейкозом. Исследовав действие некоторых соединений на этот фермент, он установил, что антибиотик рифампицин снижает активность фермента (в лабораторных условиях, в пробирке) на 50 %. А один из производных рифампицина — диметилрифампицин — полностью «блокирует» действие фермента.

Конечно, еще рано праздновать победу над лейкозом. Но одно несомненно: успехи молекулярной биологии в этом направлении могут привести к важным практическим результатам.

Та форма «состязания», которая наблюдается сейчас в среде ученых, должна была бы, как нам кажется, превратиться в сотрудничество. Прав Спигелмен, который сказал, что следовало бы больше думать о защите страдающих от белокровия детей, чем о времяпрепровождении ученых в Стокгольме после получения ими Нобелевской премии.

Таково было в общих чертах положение дел к концу 1970 года. Но наука не стоит на месте. В конце января 1971 года в Лондоне состоялся симпозиум, регулярно созываемый Международной организацией ЦИБА. На симпозиуме опять выступил Спигелмен и опять с неожиданными сообщениями.

Он доложил о результатах исследований нескольких сотен образцов клеток из различных форм раковых образований у человека; в каждом из них присутствовала полимераза ДНК, связанная с РНК. В здоровых клетках взрослых людей фермент не был найден ни в одном случае. Работы Спигелмена и его коллег доказал и, что при помощи фермента можно не только диагностировать лейкоз, но и следить за процессом лечения и выздоровления.

Второе сообщение имело еще более важное значение. Спигелмен получил этот фермент в чистом виде из РНК онкогенных вирусов, ему удалось также получить фермент и из клеток больных раком. Но эти два фермента оказались различными! Значит, фермент, найденный в раковых клетках человека, не вирусного происхождения, как считали ранее.

Однако на самую большую неожиданность Спигелмен наткнулся перед публикацией своих последних наблюдений. Стремясь исследовать некоторые другие нормальные клетки, чтобы установить, не присутствует ли все-таки в них этот загадочный фермент, он исследовал ткани человеческого плода (выкидыша). Результат был подобен разорвавшейся бомбе — клетки эмбриона содержали тот же фермент! Действительно, неожиданный поворот событий! Удивительные ферменты, которые, как полагали, проникают в тело человека с вирусными частицами и имеют какую-то связь с раком, вдруг обнаружены в зародыше человека.

Какие же выводы можно сделать из этих фактов? Конечно, мы не должны забывать, что существуют различные, очевидно специализированные, типы полимеразы ДНК. Во всяком случае, присутствие фермента в раковых клетках человека и в клетках человеческого зародыша едва ли стоит связывать с вирусами. Вполне возможно, что в наборе человеческой клетки есть и такие гены, которые несут в себе «генетическую информацию» для синтеза этого фермента. Быть может, в нем нуждается каждая клетка, которой предстоит быстрый рост и размножение, а такими клетками как раз и являются клетки плода и опухолевые клетки.

Дальнейшие предсказания Жакоба и Моно

Первое предсказание об информационных РНК оказалось справедливым. Но Жакоб и Моно высказали еще одно предположение, которое также понемногу подтверждается. Согласно изложенному представлению, структура ферментов закодирована в молекулах ДНК. Но бактериальная клетка и в синтезе ферментов должна «поступать рационально». X. Э. Умбаргер со своими сотрудниками показал, что бактерии способны прекращать синтез ферментов, необходимых для образования той или иной аминокислоты, когда ее количество достигнет определенного уровня.

Жакоба и Моно заинтересовало, однако, другое явление. Бактерии Escherichia coll обладают многими любопытными свойствами. Так, они способны использовать молочный сахар — лактозу. Но для его потребления им необходимо три фермента. Назовем их А, Б и В. Было установлено, что эти ферменты вырабатываются только тогда, когда в питательной среде находится лактоза. Если заменить ее другим видом сахара, например глюкозой, ферменты А, Б и В в клетках не образуются. Но стоит нам перенести их в среду, содержащую лактозу, и через какую-то минуту в нашем распоряжении будут все три фермента.

Регулирующее действие оперона лактозы. Регулирующий ген i определяет с помощью иРНК возникновение репрессора, который связывается с оператором о и препятствует образованию ферментов (слева). В присутствии индуктора репрессор отделяется от оператора, в результате чего становится возможным образование ферментов. Промотор р необходим, чтобы дать импульс к синтезу иРНК. управляющих образованием ферментов (справа)

Этот интересный факт Жакоб и Моно попытались объяснить существованием «репрессора». Что же такое репрессор? По представлению этих ученых, основную роль в синтезе ферментов А, Б и В играют пять взаимосвязанных генов. Первый из них, регулятор, содержит в себе «рецепт» синтеза сравнительно простого соединения — репрессора. На других участках хромосомы размещаются остальные четыре гена, функционирующие как «опероны». Один из этих генов называется оператором, остальные — структурные гены А, Б и В, в которых находятся «рецепты» изготовления ферментов А, Б и В. Их деятельность, однако, контролирует оператор, выступающий в качестве «заведующего производством». Когда оператор свободен, структурные гены могут работать; иначе говоря, на цепочках их ДНК может осуществляться синтез трех соответствующих иРНК, которые передают «рецепт» получения трех ферментов рибосомам. Если же оператор занят, структурные гены не могут работать, оперон (как целое) бездействует и ферменты не вырабатываются. Регулирование активности оператора обеспечивает молекула репрессора. Если лактозы нет в среде, репрессор присоединяется к оператору и производство трех ферментов прекращается. Как только в среде появляются первые молекулы лактозы, положение меняется. Молекулы лактозы присоединяются к репрессору и изменяют его так, что он отделяется от оператора. Освобожденный оператор «дает импульс» к выработке ферментов, и структурные гены при посредничестве трех иРНК контролируют этот процесс. Полученные ферменты А, Б и В начинают свою деятельность и изменяют имеющуюся лактозу. Наконец молекул лактозы остается так мало, что они не в состоянии блокировать действия репрессора, молекулы которого возвращаются на свое прежнее место к оператору. Цикл, таким образом, замыкается. С присоединением репрессора к оператору дальнейшее образование ферментов А, Б и В становится невозможным, в них отпадает надобность, так как лактозы в среде уже нет.

Первые результаты проверки гипотезы Жакоба и Моно были получены в США. Двое ученых, У. Джилберт и Б. Мюллер-Хилл, еще в 1966 году доказали существование репрессора лактозы, который удалось выделить из бактерий. Оператором была ДНК, репрессором — белок. Годом позже М. Пташне из Гарвардского университета открыл еще один репрессор, связанный с ДНК бактериофага к и блокирующий передачу генетического кода соответствующей РНК. А в 1968 году группа ученых из Рокфеллеровского университета показала, что у бактериофагов с ДНК, замененной на РНК, функцию репрессора может выполнять белковый «футляр» вируса. В 1970 году ученому миру стало известно, что Дж. Бекуитс из Гарвардского университета выделил из бактерий оперон лактозы. Фотографии, сделанные при помощи электронного микроскопа, должны были убедить всех сомневающихся в реальности полученных данных. Мало того, через некоторое время из другой лаборатории пришла новая волнующая весть: выделенный из бактерий оперон лактозы управляет синтезом и в искусственных условиях, если только присутствуют аминокислоты и весь «производственный аппарат» для синтеза белков.

Г. Р. Стент, профессор молекулярной биологии Калифорнийского университета, справедливо писал, что единственное теоретическое продолжение открытия Уотсона и Крика состояло в догадке Жакоба и Моно об информационной РНК и опероне. Правильность обоих предположений постепенно подтверждается.

13. Микробы изменяют свой облик

Хромосома, или ДНК, бактерии Escherichia coli содержит 2000 генов. Она несет в себе информацию о синтезе 2000 различных белков, каждый из которых имеет до 500 аминокислотных остатков.

Дж. Н. Дэвидсон, 1967

Трансформация и трансформационное начало

Вернемся еще раз к явлению трансформации, с которой мы уже познакомились в предыдущей главе. Мы видели, что колонии пневмококков подвержены диссоциации, которая проявляется в изменении их свойств. Клетки пневмококков формы S очень вирулентны (вызывают типичную форму воспаления легких). Они образуют слизистые капсулы, которые обычно прикрывают пары клеток. Эти капсулы состоят из сложного полисахарида. Напротив, пневмококки формы R, образовавшиеся в результате диссоциации формы S, не вирулентны, не образуют капсул и не располагаются парами. Эти различия проявляются во время опытов на животных (определение вирулентности), микроскопирования (по присутствию парнорасположенных клеток с капсулами) и культивирования на питательной среде — агаре (по форме и цвету колоний).

Пневмококки доставили ранее много беспокойств медикам, поскольку врачи еще не располагали пенициллином и другими современными средствами борьбы с воспалением легких. В 1928 году английский бактериолог Ф. Гриффит открыл явление трансформации у этих микроорганизмов. Гриффит испытывал влияние невирулентных R-пневмококков на подопытных мышей. Он привил им миллионы клеток типа R, и мыши погибли. Исследуя органы погибших мышей в поисках этих бактерий, ученый столкнулся с неожиданным фактом: вместо лишенных капсулы пневмококков типа R там были исключительно имевшие капсулы вирулентные пневмококки типа S.

Гриффит предположил, что часть клеток, погибая, выделяет какое-то вещество, которое заставляет оставшиеся в живых клетки R образовывать капсулы. Это предположение он решил проверить следующими опытами. В организм мыши вносилось небольшое количество R-клеток вместе с многочисленными, но умерщвленными высокой температурой S-клетками. Клетки S принадлежали к так называемому типу I. Позднее, как и ожидал Гриффит, из мышей были выделены живые S-клетки. Во втором опыте он использовал живые R-клетки типа I и умерщвленные S-клетки типа II. В этом случае он получил из мышей живые S-клетки типа II. Напрашивалось единственно возможное объяснение: нечто из умерщвленных S-клеток типа II превратило (трансформировало) их родственников — лишенные капсулы R-клетки типа I — в вирулентные S-клетки, способные образовывать капсулы типа II. Чем же было это «нечто», что вызвало трансформацию? Гриффит назвал его трансформирующим началом.

Схема трансформации пневмококков R-формы в S-форму при помощи ДНК, выделенной из клеток S и перенесенной к клеткам R

Это «нечто», обладающее способностью активного действия, привлекло внимание исследователей, и не удивительно, что К. Т. Эйвери со своими коллегами из Рокфеллеровского университета попытался вскрыть его сущность. В 1944 году ученые с достоверностью доказали, что трансформирующим началом была ДНК из S-клеток. Читателю, уже немало узнавшему о генетической роли ДНК, такой результат представляется довольно очевидным. Но те, кто впервые с ним столкнулся, были в менее выгодном положении.

Первой задачей исследователей было вырастить достаточное количество клеток вирулентных пневмококков, чтобы получить из них трансформирующее начало. После их умерщвления и разрушения при помощи дезоксихолата натрия (вещества, содержащегося в желчи) они получили около 1 мг чистой ДНК из 30 миллиардов клеток. Если воздействовать этим веществом на R-клетки, то в их потомстве 1 % клеток начинает образовывать капсулы, и это свойство наследственно передается из поколения в поколение. Трансформация, таким образом, вызывалась при помощи ДНК из вирулентных пневмококков. Это позволило исследователям сделать вывод, что ДНК является трансформирующим началом.

Последовали подтверждения из многих микробиологических лабораторий мира, где также удалось провести трансформацию бактерий, но уже других, в частности кишечной палочки Escherichia coli. Трансформирующим началом во всех случаях была ДНК.

Однако, пневмококки в этом отношении занимали, как оказалось, особое положение, поскольку у них удалось трансформировать более 25 наследственных признаков, среди которых была способность к образованию капсул из полисахаридов, а также к созданию особых типов колоний и устойчивость к лекарственным препаратам. При трансформации обычно переносится лишь один из наследуемых признаков даже в том случае, если используется ДНК из пневмококков, обладающих двумя или тремя отличительными признаками. Если, например, на 1 000 000 клеток пневмококка формы R действовать десятимиллионной частью грамма ДНК из пневмококка формы S, устойчивой к пенициллину и стрептомицину, то трансформируется лишь 50 000 клеток. Из них приблизительно 49 000 получат одно из переносимых свойств (способность образовывать капсулы или устойчивость к определенному лекарству), около 800 клеток приобретут два новых свойства и только 4 клетки получат все три новых признака: способность к образованию капсул, устойчивость к пенициллину и устойчивость к стрептомицину.

ДНК при трансформации нередко передает и такие свойства, которые долгое время могут оставаться скрытыми и проявляются лишь при особых обстоятельствах. Так, например, трансформацией объясняется передача способности к созданию фермента, вызывающего окисление маннита (вещества, близкого к сахару маннозе). Этот фермент проявится только в том случае, если мы будем выращивать пневмококки на питательной среде, где единственным источником углерода будет маннит. Трансформированные пневмококки начнут окислять маннит и использовать его как источник углерода и энергии, тогда как их нетрансформированная «родня» в этой среде не будет расти и размножаться.

Интересно, что однажды трансформированные бактерии не теряют в дальнейшем способности к новой трансформации, особенно к такой, которая совершается с помощью ДНК, обладающей многими закодированными свойствами.

Читатель познакомится также и с такими важными проблемами, какой является, например, в наше время — в эру антибиотиков — устойчивость некоторых болезнетворных микробов к антибиотикам. Если, например, стафилококки стали устойчивыми к пенициллину, то лечение им инфекционных заболеваний, вызванных этими стафилококками, окажется бесполезным. Американский естественнонаучный журнал Science опубликовал в 1962 году сообщение о том, что ДНК, содержащаяся в восприимчивых к пенициллину стафилококках, может трансформировать устойчивые к нему стафилококки в чувствительные. К сожалению, такую трансформацию трудно осуществить в большом масштабе, иначе мы смогли бы трансформировать устойчивых представителей стафилококков в чувствительные и затем уничтожить их пенициллином!

Бактериофаги в действии

Мы уже познакомились со строением вирусов. Узнали мы и об их сходстве с неживыми химическими соединениями. Теперь нам предстоит подробнее рассмотреть особенности, связывающие их с живыми организмами.

Итак, мы уже знаем, что вирусы сходны с последними прежде всего способностью размножаться. Однако их размножение происходит лишь в живых клетках хозяина. Сведения о том, как вирус проникает в клетку и как производит в ней разрушительные изменения, впервые были получены при наблюдениях над бактериофагами — врагами кишечной бактерии Escherichia coli. Электронный микроскоп помог нам раскрыть тайну внешнего строения бактериофага Т4, изображенного на фото 49. Ниже дана схема строения фага Т2. Частица фага имеет головку, напоминающую шестигранную призму с шестигранными же крышечками с обеих сторон. От головки отходит продолговатый хвостовой придаток, конец которого снабжен несколькими нитевидными «щупальцами». В придатке имеется канал, который соединяет его с головкой и в котором находится макромолекула ДНК. Остальные части оболочки фага — белковой природы.

Модель бактериофага Т2 — паразита-бактерии Escherichia coli. Граненая головка соединена с хвостовым придатком, имеющим внутренний канал и выросты для прикрепления к бактерии. На модели хвостовой придаток сжался и из него выдвинулась трубка с каналом, по которому ДНК проникает в бактерию.

Бактериофаг Т2 не имеет, по существу, двигательных органов и в жидкой среде перемещается пассивно, в результате столкновения с молекулами среды. Таким образом, он приходит в соприкосновение и с бактерией. Фаг «пристает» к ее поверхности при помощи щупалец. В конце хвостового придатка содержится фермент, поражающий оболочку бактерии и «проедающий» в ней небольшое отверстие. После этой операции придаток втягивается (укорачиваясь подобно гармонике) в тело фага.

ДНК из головки бактериофага через канал в хвостовом придатке и через образованное отверстие в стенке бактерии проникает в клетку. Все это несколько напоминает процедуру инъекции при помощи шприца. Белковая оболочка головки и придатка остаются снаружи, а в клетку бактерии входит только ДНК. И начинается драматическая фаза — «саморазмножение» ДНК фага. Макромолекула ДНК «принуждает» бактерию участвовать в процессе своего размножения, используя ее «сырье» и весь ферментный аппарат.

Как мы уже знаем, молекула ДНК образует подобие двойной спирали, состоящей из двух свернутых цепочек. При ее размножении эти цепочки, развертываясь, освобождаются друг от друга и к каждой из них присоединяются из среды основные структурные единицы (нуклеотиды), дополняя недостающую половину молекулы. Из первичной макромолекулы ДНК возникают две дочерние, а со временем их раскрученные цепочки дополняются новыми нуклеотидами. В результате появляются уже 4 макромолекулы, и вскоре число их возрастает до 8, 16 и т. д. По прошествии получаса из одной первичной молекулы ДНК фага в клетке находятся уже 150–300 ее потомков, принуждающих бактерию синтезировать белок для головки и хвостового придатка бактериофага. Клетка лопается, как воздушный шарик, выпуская в среду 150–300 бактериофагов, и те стремительно нападают на следующие бактерии. Процесс повторяется, и еще через полчаса в среде уже десятки тысяч фагов. Спустя некоторое время там не остается ни одной живой бактерии, кишат лишь победившие бактериофаги.

Весь этот процесс уничтожения бактерий и размножения фагов можно наблюдать под электронным микроскопом (фото 50). Впрочем, результаты такого уничтожения можно увидеть и невооруженным глазом. С этой целью в чашку Петри с агаризованной питательной средой наносят несколько капель культуральной жидкости, содержащей бактерии. Внесем туда же несколько капелек из другой жидкой среды, в которой находятся бактериофаги. Перемешаем их и равномерно нанесем несколько капель этой смеси на поверхность агара. Затем чашку Петри поместим в термостат при температуре 37 °C. Через 24 часа мы обнаружим следующую картину.

Несколько сотен бактериофагов, помещенных на поверхность агара, уже вошли в контакт с клетками бактерий и сделали свое дело. Там же находятся и клетки, избежавшие нападения фагов и продолжающие нормально размножаться. На поверхности питательной среды образуется видимый невооруженным глазом налет, местами прерванный округлыми пятнами правильной формы, на которых бактерии отсутствуют. Эти пятна — свидетельство уничтожающей деятельности бактериофагов (фото 51).

Вирусологи ищут доказательства

При наблюдении в электронном микроскопе соприкосновения бактериофага с бактерией трудно установить, какая часть фага проникает в клетку и что остается снаружи (если остается!). Читатель может справедливо заметить, что рассказ о проникновении ДНК фага в бактериальную клетку и о том, что внешние его оболочки остаются вне этой клетки, является плодом фантазии. Каким же образом доказать то, о чем даже электронный микроскоп не может дать достаточно четкой информации?

В иерархии субмикрокосмоса существуют, однако, еще более мелкие единицы — атомы радиоактивных изотопов (их вирусологи и призывают в подобных случаях на помощь). Молекулы соединений, содержащие такие изотопы, легко отличить от других молекул. Они выделяются своей радиоактивностью, которая измеряется точными и чувствительными приборами.

В 1952 году два исследователя, А. Херши и М. Чейз, одновременно призвали на помощь радиоактивные изотопы: фосфор 32Р и серу 35S. Почему именно эти, а не другие? Да потому, что фосфор встречается только в ДНК бактериофагов, а сера может входить только в состав их белков.

Культуру бактерий выращивали на питательной среде, содержавшей в качестве источника биогенного фосфора исключительно 32Р. Практически бактерии не могут отличить радиоактивный фосфор от обычного и потребляют среду с 32Р. Таким путем атомы с 32Р попадают в бактериальные клетки, которые затем могут стать добычей бактериофагов. И 32Р уже входит в состав ДНК бактериофагов. Подобный опыт повторили в другой пробирке, с радиоактивными соединениями серы 35S, и получили бактериофаги, имеющие в своем белке 35S.

Этими фагами и инфицировали потом бактерии, выращенные в среде, не содержащей радиоактивных соединений. Сначала использовались бактериофаги с радиоактивной серой. Процесс инфицирования был завершен в течение нескольких минут, после чего центрифугированием отделили зараженные бактерии от остатков бактериофага и определили их радиоактивность. У бактерий не было и признаков радиоактивности, тогда как «опустошенные» фаги (головки и хвостовые придатки) проявляли повышенную радиоактивность. Значит, в бактерии проникла из фага только ДНК (не содержащая серы!), в то время как белок, в состав которого входила 35S, остался вне клеток.

Потом последовал опыт с фагами, содержащими в своей ДНК радиоактивный фосфор (белки фагов фосфора не содержат!). Через несколько минут после заражения бактерий остатки фагов и зараженные бактерии были тем же способом разделены и исследованы на радиоактивность. На этот раз она была обнаружена в клетках бактерий! Таким образом, было достоверно доказано, что при поражении бактерий фагами внутрь бактериальных клеток проникает ДНК фага (содержащая фосфор), а снаружи остается его белковая оболочка (содержащая серу).

Бактериофаг как переносчик информации

Из рассказа о бактериофагах, принуждающих клетки бактерий к синтезу ДНК и белкового компонента фагов, мы узнали, что один-единственный фаг может вызвать среди бактерий настоящую эпидемию и за короткий срок уничтожить в жидкой питательной среде миллиарды их клеток.

Но при некоторых обстоятельствах появление бактериофага у микробной клетки не обязательно заканчивается ее гибелью. ДНК из фага проникает в клетку, однако, клетка продолжает жить, как будто бы ничего не произошло. Это напоминает проникновение в команду корабля замаскированных пиратов, которые под видом дружески настроенных матросов тайно подготавливают диверсию, выжидая лишь подходящего момента… Пораженная бактерия продолжает внешне беспрепятственно расти и время от времени в соответствующих условиях делиться на две новые клетки…

Но что-то изменилось в ее свойствах — бактерия приобрела устойчивость к фагам определенного типа. И это является единственным свидетельством того, что в ее клетке находится фаговая ДНК. Специалисты говорят в таких случаях о неинфекционных, или симбиотических, фагах и лизогенных[24] бактериях. «Лизогенных» — потому что в какой-то момент по якобы совершенно непонятной причине 2–3 клетки из миллиарда вдруг расплачиваются за свое гостеприимство и погибают. А из погибших клеток вырываются в среду сотни бактериофагов. Достаточно перенести одну капельку этой среды в другую культуру восприимчивых бактерий, чтобы разразилась катастрофа и почти вся культура в короткий срок погибла.

Почти, но не вся! Некоторые клетки переживут атаку бактериофагов. Но эти счастливчики, перенесшие первый удар, как-то изменятся, приобретут новые свойства и передадут их следующему поколению.

Что же, собственно, при этом происходит? Дж. Ледерберг из Станфордского университета (Калифорния), первый наблюдавший это явление, объясняет его следующим образом. После проникновения фаговой ДНК в лизогенную бактерию обычного размножения фагов не происходит и гибель клетки не наступает. В этом случае фаговая ДНК присоединяется к бактериальной, которая находится в хромосоме клетки. Когда же эта клетка начинает делиться на две дочерние, разделяется и хромосома, причем вдвое увеличивается и количество ДНК из фага и половина ее попадает в каждую из новых хромосом. Итак, при каждом дальнейшем делении клеток фаговая ДНК переносится в каждую из дочерних клеток. Среди миллиардов клеток, естественно, окажутся и такие, в которых фаговая ДНК освободится из хромосомы и начнет бурно размножаться, а клетка погибнет. В некоторых из них ДНК фага захватывает с собой и частичку клеточной хромосомы, и новообразовавшиеся частицы фага содержат в этом случае, кроме собственной ДНК, «кусочек» бактериальной хромосомы. Когда такой фаг встречается с другой восприимчивой клеткой, то вместе с фаговой ДНК в нее попадает частица бактериальной ДНК, и они уже совместно присоединяются к хромосоме новой клетки-хозяина. Фрагмент чужой хромосомы сливается с хромосомой этой клетки, и последняя обогащается, таким образом, новыми генами. Внешне это проявится в приобретении клеткой какого-то нового свойства. Если, например, чужеродный ген определял синтез вещества, которое до этого «обогатившаяся» клетка не могла образовывать, то эту способность получала не только сна сама, но и ее потомство. Приобретенным свойством она обязана гену, попавшему в клетку с помощью бактериофага. Ледерберг назвал такую форму наследственных изменений трансдукцией.

При помощи «бактериофага 80» методом трансдукции удалось перенести свойство устойчивости к пенициллину на бактерию, ранее проявлявшую повышенную восприимчивость к этому антибиотику. Этот же бактериофаг перенес свойство устойчивости и на два других антибиотика, но в данном случае далеко не все «фаги 80» приняли участие в трансдукции, ее осуществлял только один из миллиона.

Могут ли бактерии конъюгировать?

Ледерберг и его старший коллега Тейтем открыли еще одно важное свойство бактерий. Они установили, что кишечные бактерии Escherichia coli имеют половые различия. Одни клетки проявляют характер женских индивидов, другие — мужских. Методом, описанным в следующем разделе, из этих бактерий были выделены два различающихся штамма (мутанта): один из них нуждается в ростовых веществах биотине (Б) и метионине (М), другой — в лейцине (Л) и треонине (Т). Первый штамм ученые стали обозначать формулой Б-М-Т+Л+, а второй — Б+М+Т-Л-, где знак плюс отражает способность, а знак минус — неспособность штаммов синтезировать то или иное ростовое вещество.

Из каждого штамма взяли по 10 миллионов клеток, смешали их и посеяли на агаризованную среду, в которой не было ни одного из упомянутых ростовых веществ. Обычно ни тот ни другой тип бактерий на таком агаре не развивались, так как обоим не хватало по два ростовых вещества. И тем не менее на агаре появилось около ста колоний. Чем это объяснить? Исследования Ледерберга и Тейтема показали, что в разросшихся колониях все бактерии были нового типа (Б+М+Т+Л+). По-видимому, некоторые клетки из обоих штаммов конъюгировали между собой, причем мужская клетка передала женской клетке часть своей хромосомы, именно ту ее часть, в которой были гены, определяющие способность синтеза двух ростовых веществ, ранее не вырабатывавшихся «женской» клеткой. Теперь она стала самостоятельной и, получив в своей хромосоме два новых гена, приобрела возможность образовывать все четыре ростовых вещества.

Несколько позднее с помощью электронного микроскопа было установлено, что при конъюгации (как назвали этот процесс Ледерберг и Тейтем) две бактерии действительно соединяются друг с другом «копуляционным мостиком» (фото 52). При этом мужская клетка отдает часть своей хромосомы женской клетке.

Жакоб из Пастеровского института со своим коллегой Э. Вольманом придумали оригинальный метод наблюдения за ходом конъюгации у бактерий. Они смешали мужской и женский типы бактерий в жидкой среде и через определенные промежутки времени отбирали пробы, помещая их затем в смеситель и продолжительно встряхивая, чтобы отделить друг от друга соединившиеся клетки. Затем они, так же как Ледерберг и Тейтем, зарегистрировали увеличение числа новых генов в «женских» клетках. Обозначим гены «мужской» хромосомы буквами А — Б—В — Г—Д — Е—Ж—3 и проследим вместе с Вольманом и Жакобом с часами в руках их перемещение из «мужских» клеток в «женские» (см. рис. на стр. 146)

Смешивать культуры «мужских» и «женских» бактерий они начали ровно в 9 часов. В 9.05 брали первую пробу, в 9.10 — вторую, в 9.20 — третью, в 9.30 — четвертую и в 9.35 — пятую. Затем встряхиванием разделяли спаренные клетки и, пересеяв их на агар, оставляли до следующего дня. И вот каков был результат: по прошествии 5 мин «женские» клетки не содержали еще ни одного «мужского» гена; через 10 мин в них был уже ген А, через 20 мин — гены А и Б, через 30 мин — гены А, Б и В, а спустя 35 мин положение уже не изменялось. Таким образом, конъюгация позволила «женским» клеткам получить три новых гена. А это означает, что они стали уже иными. Обогатившись тремя генами, они приобрели и иные свойства, которые передадутся следующим поколениям. Бактерии изменили свою природу!

Микробы и мутации

Рассказ о трансформации, трансдукции и конъюгации должен был убедить читателя, что микроорганизмы действительно могут изменять свою природу. Во всех рассмотренных случаях микробиологи использовали влияние генетического материала (ДНК) одних микробов на наследственные свойства других.

А теперь познакомимся с некоторыми примерами наследственных изменений, которые мы можем получить у микроорганизмов в лаборатории или же наблюдать в природе. Резкое, передаваемое по наследству изменение какого-нибудь свойства организмов называется мутацией. Современная биология накопила уже немало примеров внезапных (в масштабе одного поколения) изменений некоторых признаков растений, животных или микробов, которые наследуются следующими поколениями.

Мутации в природе возникают спонтанно («сами собой») или могут быть вызваны действием так называемых мутагенных факторов, к которым относятся некоторые химические вещества и различные формы излучений (ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное). Теперь для нас уже не является неожиданностью, когда какие-нибудь мутагенные факторы затрагивают генетический аппарат клетки и вызывают структурные изменения хромосом или влияют на молекулы ДНК в генах.

Схема Жакоба — Вольмана, показывающая последовательность перемещения генов из мужских клеток (правая о каждой паре) в женские во время конъюгации, которая продолжается 35 мин.

Первые статистически достоверные сведения о «химических» последствиях мутаций дали, как и следовало ожидать, микроорганизмы. На этот раз микробиологи избрали в качестве подопытного организма не бактерии, а более сложные в биологическом отношении микроскопические грибы — Neurospora crassa. Известно, что этот гриб для синтеза составных частей своей клетки не требует никаких ростовых веществ (аминокислот, витаминов), так как сам образует их (за исключением биотина) из простых органических соединений. Остальные биогенные вещества он способен ассимилировать в виде минеральных солей (биотин все же добавляют в питательную среду). Если споры этого гриба облучить рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами и посеять на оптимальную для них питательную среду, они не прорастают и грибы, следовательно, не размножаются. При выяснении причин этого явления было установлено, что культура облученных спор уже нуждается в присутствии ростовых веществ. Таким образом, в результате облучения спор этого гриба была вызвана рецессивная мутация: N. crassa потеряла способность синтезировать необходимые ростовые вещества из простых соединений.

Нейроспора в настоящее время является классическим объектом микробиологической генетики, к которому постепенно присоединяется ряд других организмов. Мутации не только используются для изучения многих вопросов генетики, они служат также и промышленным целям. В пятой части нашей книги читатель узнает, каким образом микробиологи при помощи мутагенных факторов «принуждают» микробы, образующие пенициллин и другие антибиотики, повысить свою продуктивность. Если раньше Penicillium chrysogenum синтезировал на каждый миллилитр питательной жидкости только 5—10 единиц пенициллина, то сейчас его потомки производят до 10 и даже до 15 тысяч единиц.

При изучении мутаций удобным объектом могут быть и бактерии. За первые исследования в этой области, равно как и за изучение бактериофагов, в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили три американских микробиолога — С. Лурия, М. Дельбрюк и А. Херши.

Дельбрюк был сначала физиком, но его всегда привлекала биология, в частности бактериофаги; именно на этом поприще он и познакомился с Лурия. Херши вместе с Мартой Чейз доказал, что инфекционным началом бактериофагов является нуклеиновая кислота, а не белок.

Лурия известен своим высказыванием о том, что «вирусы — это паразиты на генетическом уровне». Вместе с Дельбрюком он создал метод, известный под названием «флюктуационный тест». При помощи этого метода изучали мутации на бактериях Escherichia coli, которые в послевоенные годы были излюбленным объектом ученых. Своим флюктуационным тестом они доказали, что приобретенная бактериями устойчивость к бактериофагам связана с мутациями. При встрече с устойчивой клеткой бактериофаг терпит поражение, а клетка остается живой. Но таких «удачливых» бактерий бывает чрезвычайно мало — из 300 миллионов делящихся бактерий только одна-единственная может иметь шанс приобрести устойчивость к бактериофагам путем мутации!

Какова же генетическая сущность мутаций? Как генетикам удается разгадывать подоплеку этих явлений? Ведь даже изучение таких, казалось бы, простых организмов, как нейроспора, — очень трудная задача. Было бы значительно легче, если бы в нашем распоряжении имелись какие-то несложные «модели генетического материала» вроде комбинации нуклеиновой кислоты и белка, что-то подобное гену, который способен к «самовоспроизводству» и подвержен мутациям. Могут ли биологические объекты представить нам такую модель? Да, могут — такими моделями могли бы быть вирусы. Они отвечают всем этим требованиям.

ВТМ помогает изучать мутации

Вирус табачной мозаики, который уже не раз помогал нам разгадать многие загадки жизни, предлагается и в качестве модели для изучения мутаций. ВТМ содержит рибонуклеиновую кислоту, которая, как мы увидим далее, выполняет ту самую генетическую роль, которую у других вирусов и живых клеток выполняет ДНК.

В Лаборатории вирусов Калифорнийского университета было положено начало изучению ВТМ; в распоряжении ученых имеется не только «нормальный» ВТМ, но и его мутанты, возникшие в результате происходящих в природе мутаций. Эти мутанты отличаются от нормального ВТМ симптомами вызываемого ими на листьях табака заболевания.

ВТМ и его мутанты послужили хорошими объектами при изучении химической природы мутаций. Сотрудники лаборатории сравнили прежде всего белковую часть ВТМ и мутанта, обозначаемого шифром J14D1. При изучении их белковых субъединиц, состоящих, как мы знаем, из 158 аминокислотных остатков, было обнаружено, что участие отдельных аминокислот неодинаково. Субъединицы мутанта J14D1 имели на одну молекулу лизина больше и на одну молекулу глютаминовой кислоты меньше, чем нормальный ВТМ.

Ученые пытались также уловить различия в молекулах РНК. Но это оказалось трудной задачей, поскольку расположение отдельных нуклеотидов в макромолекулах еще неизвестно. Однако процентное различие в РНК нормального ВТМ и РНК мутанта установить все же удалось. И эти данные были очень важны.

Теперь мы знаем, что РНК из ВТМ способна сама по себе вызвать заболевание табачной мозаикой. И если мутант J14D1 вызывает иное течение болезни, то это происходит потому, что он содержит иную РНК, которая в клетках пораженных растений заставляет ферменты синтезировать иную РНК и иные белковые субъединицы у вирусных частиц. Мы видели, что различия в этих субъединицах незначительны и касаются лишь двух аминокислот. Более заметны различия в самом действии нормального ВТМ и его мутанта: ВТМ вызывает на листьях молодых растений табака образование пузырьков и замедляет, но не останавливает их рост, тогда как мутант J14D1 приводит к быстрой гибели растений.

Сравнительное изучение было проведено и другими учеными, которые получили сходные результаты. Таким образом, исследования показали, что мутация у вирусов вызывала специфические изменения в структуре их нуклеиновых кислот и белков. Если считать вирусы неким подобием модели генов, можно предположить, что и в генах клеток, подверженных мутациям, происходят сходные химические изменения нуклеиновых кислот и белков. А это влечет за собой наследственные изменения некоторых свойств клетки.

Инфекционная РНК и реконструкция вирусов

Доказательства того, что РНК вирусов является генетическим материалом, предоставил нам все тот же ВТМ. Прежде всего ученым удалось изменить частицы ВТМ, устранив из их состава белковый компонент. В таком состоянии вирусы напоминали кусочки изолированного провода, с которого местами снят слой изоляции. Осталась нетронутой лишь РНК, однако инфекционные (вирулентные) свойства вируса сохранились. Затем ученые удаляли из ВТМ весь белок и снова испытывали вирулентные свойства частиц. Они все еще сохранялись, но стали приблизительно в 1000 раз слабее, чем неразрушенные частицы ВТМ.

Потом внимание ученых привлекли интересные опыты X. Френкель-Конрата. Очень тонкими химическими методами ему удалось отделить друг от друга РНК и белок ВТМ. Он доказал, что вирулентна лишь РНК. Затем он попытался снова связать разъединенные компоненты — белок и РНК. Ему удалась и эта операция. Воссоединение РНК с белком вернуло вирусу его прежнюю высокую инфекционность. Френкель-Конрат назвал это воссоединение компонентов вируса реконструкцией (фото 53).

На этом опыты не закончились. Впереди был наиболее сложный этап. В двух различных мутантах ВТМ (назовем их А и Б) Френкель-Конрат осторожно отделил РНК от белковой «оболочки». Потом, взяв белок из вируса А, он смешал его в пробирке с РНК, взятой из вируса Б. При этом были созданы как бы некие «перекрестные» вирусы: белковый цилиндр был от вируса А, а РНК — от вируса Б. Реконструкция, таким образом, удалась и в этом случае. Но каков был ее результат? Новый вирус обладал свойствами лишь того из прежних вирусов-мутантов, от которого была взята РНК, то есть свойствами вируса Б. О том, что это значит, говорит сам ученый:

«Этот опыт очень ярко иллюстрирует положение, согласно которому именно нуклеиновая кислота (РНК), а не белок является генетически активным материалом, важнейшим компонентом вируса, определяющим его характер и характер вызываемой им болезни».

Но можно ли на основании одних опытов с ВТМ делать столь обобщающие выводы? Рискованно. Правда, в настоящее время инфекционную РНК удалось выделить и из других РНК-содержащих вирусов: вируса полиомиелита и вируса энцефалита лошадей.

Мутации вирусов в лаборатории

Мы говорили о мутантах ВТМ, созданных природой. Сегодня нам известны уже и его лабораторные мутанты. Первые из них увидели свет в лаборатории Г. Шрамма.

Шрамм в своих опытах исходил из возможности замены аминогруппы (—NH_2) в молекуле цитозина гидроксильной группой (—ОН) при помощи азотной кислоты. При таком замещении цитозин преобразуется в урацил. Мы знаем, что и тот и другой содержатся в молекулах РНК.

Шрамм ставил себе целью действием азотной кислоты изменить расположение нуклеотидов в РНК и тем самым повлиять на ее свойства. Это оказалось нелегкой задачей. Сначала нужно было выделить РНК из вирусов, а потом воздействовать на нее азотной кислотой и уже измененную РНК снова «одеть» белковой «оболочкой». Однако все это Шрамму удалось, и в результате опытов были получены мутанты ВТМ, отличавшиеся особой формой действия на растения табака. Известно уже свыше 10 таких искусственно созданных мутантов ВТМ, и их свойства сейчас тщательно изучаются. Некоторые из них отличаются даже составом аминокислот, представленных в белковых субъединицах. Читатель знает, что изменение порядка расположения нуклеотидов в РНК вызывает и изменения в наборе аминокислот в белках, поскольку нуклеотиды являются как бы «генетическим алфавитом» при синтезе белков.

Мы видели, сколько биологических тайн, сколько важных вопросов генетики помог нам разрешить мир микроорганизмов. Многое удалось нам понять и объяснить. Но многое еще и не решено. Чего можно ожидать от дальнейших исследований? Попросим ответить на этот вопрос одного из участников исследований, уже немало сделавшего на этом поприще, Френкель-Конрата. Он пишет:

«Мы делаем пока только первые, робкие шаги. Начинаем разгадывать код, раскрывающий нам тайну соотношений структуры белков и нуклеиновых кислот. Постепенно нам все яснее становится путь переноса генетической информации. Многие ученые, работающие в области химии, освещают нам понемногу и механизм действия ферментов в клетке. И когда изучение генетической информации и исследования функций ферментов сольются в едином усилии, тогда, быть может, наши дети — а возможно, лишь наши внуки — начнут понимать ту высокоорганизованную взаимную игру ферментов и генетического материала, игру энергии и процессов воспроизводства, которую мы называем жизнью».

Часть четвертая. Наши враги в царстве микробов

После чумы многие здания в городах, местечках и селах из-за отсутствия жителей совсем разрушились. Целиком опустели маленькие деревушки и хутора, правда, ни одного покинутого дома не было, но в них находились одни мертвецы. Вероятно, эти деревеньки никогда уже вновь не заселятся. А домашние животные и скот… блуждали по округе без пастухов, и все имущество человека никем не охранялось.

Английская хроника 1350 года

14. Происхождение заразных болезней

Все массовые болезни переносятся воздухом. Воздух дает нам жизнь, но он же приносит и болезни…

Гиппократ, V век до н. э.

Невидимые враги

Человеку с самого начала его существования угрожали серьезные враги. Являлись они неожиданно, коварно, не бряцая оружием. Бороться с ними было нечем. С какой стороны ждать нападения — неизвестно. Нападали без предупреждения, разили невидимо и без промаха, часто сеяли смерть.

Как защитить себя от врагов, которых не знаешь? Как бороться с болезнями, которые непонятным образом передаются от одного человека другому?

Какой страх должны были вселять они в прошлом! И чем большей тайной они были овеяны, тем страшнее казались. Индийцы верили, что болезни возникают по злой воле демонов. Вызывающего лихорадку демона они представляли маленьким, подобным комару, существом. Сколь близким к истине было их наивное представление, мы поняли лишь сравнительно недавно, узнав, что переносчик малярии — комар.

Гиппократ, которого называют отцом медицины, считал, что болезни связаны с повреждением «соков» в человеческом теле. Когда в 429 году до н. э. в Афинах вспыхнула чума и улицы были полны гниющих трупов, он высказал мысль — вполне справедливую, — что с трупа болезнь переходит на здоровых людей. Роль переносчика он приписывал воздуху: «Все массовые болезни переносятся воздухом. Воздух дает нам жизнь, но он же приносит и болезни». Сохранились письменные свидетельства из более ранних времен о том, что люди уже тогда предполагали о перенесении болезней с больных на здоровых. У палестинцев было точное предписание, имевшее целью предотвратить распространение проказы. Подозреваемых больных должен был осмотреть священнослужитель. Если он обнаруживал на коже симптомы начинающегося заболевания, то изолировал больного на 7 дней, после чего вновь его осматривал. При наличии признаков болезни изоляция продлевалась еще на 7 дней, а если пятно распространялось и дальше, больного объявляли прокаженным. Его ожидала полная изоляция от остальных людей. Прокаженного обязывали предостерегать случайных встречных, чтобы они не приближались к нему: «… а прокаженный, с такой язвой, должен разорвать свою одежду, распустить волосы и, бороду свою прикрыв, возглашать: «Нечистый, нечистый!» И пока будет на нем рана его — будет он нечистым, и жить будет одиноко, и жилье его будет далеко за селением…»

Эти меры, предпринимавшиеся уже более трех тысячелетий назад, мы лучше поймем и оценим теперь, в век микробиологии, поскольку знаем, что проказа — заразная болезнь, а ее возбудитель — микроорганизм.

Высказывания о заразной природе некоторых болезней встречаются также в сочинениях римских историков и поэтов. Так, Овидий писал: «Мертвецы гниют на земле, распространяя вокруг себя смрад и заразу».

В Средние века мысль о заразности отдельных болезней распространилась еще шире. На собственном опыте люди стали понимать, что заразны не только проказа и чума, но и болезни, вызывающие сыпь и пятна на теле. Богатый торговый город Венеция, посещаемый огромным количеством людей, выделил прилежащий остров для размещения лиц, прибывающих из стран, в которых распространена чума. Гостей, которые могли непосредственным контактом заразить венецианцев, держали на этом острове 40 дней. От итальянского слова «каранта» (сорок) и произошел термин «карантин», который означает санитарное мероприятие для предупреждения распространения заразных болезней, заключающееся в изоляции на известный срок больных и лиц, соприкасавшихся с ними.

Большое значение имело медицинское сочинение итальянского ученого, врача и поэта XVI века Джироламо Фракасторо «О контагии, контагиозных болезнях и лечении», где он доказывал, что причиной болезни является некое живое начало (contagium vivum), обладающее способностью делиться, размножаться, распространяться по воздуху, через различные предметы и прикосновения к больному.

В XVIII веке венский врач Пленчич, хорват по происхождению, писал, что возбудителями болезней человека являются «мельчайшие зверушки», открытые Левенгуком. Его учение о болезнетворном начале, живом и размножающемся, постепенно вылилось в идею о том, что каждая инфекционная болезнь вызывается своим, особым микроорганизмом.

В начале XIX века итальянский исследователь А. Басси установил, что каменную болезнь шелкопряда, мускардину, вызывает живой паразит, находящийся в организме червя. Немецкий врач Шёнлейн установил, что парша — заразное заболевание кожи — всегда связана с определенным микроскопическим организмом. Позднее, когда этот организм стал извесГен, его назвали в честь первооткрывателя Achorion schonleini.

Резкий перелом в наших знаниях произошел во второй половине XIX века, когда Пастер и Кох доказали, что возбудителями заразных болезней действительно являются различные микроорганизмы.

В наше время уже в школе дети узнают о том, что все заразные болезни возникают в результате действия болезнетворных (патогенных) микробов, переносящихся различными путями с больных людей на здоровых.

Оружие микробов

В человеческом организме находятся самые разнообразные микроорганизмы. Одни безвредны, другие даже полезны. Чем же отличаются от них болезнетворные микробы? Каким оружием располагают они для нападения на человека?

Некоторые болезнетворные микробы выделяют ферменты, которые разлагают составные части слизистых оболочек, мышц и кровяные тельца, нарушая нормальное состояние человека. Гемолитический стрептококк выделяет фермент, растворяющий красные кровяные тельца (эритроциты). Плазмодий — возбудитель малярии, — размножаясь в эритроцитах, вызывает их распад.

Схема строения бактериальной клетки. Стрелками указаны структуры, подвергающиеся инфекционному действию ферментов, агрессинов и токсинов

Особую группу образуют те болезнетворные микробы, которые выделяют сильнодействующие яды (токсины), отравляющие пораженный организм и часто приводящие к его смерти. Действие таких микробов определяется их токсичностью, то есть способностью выделять ядовитые вещества. Различают токсины двух типов. Одни выделяются клеткой микроба в окружающую его среду и по своей химической природе представляют белки. Это так называемые экзотоксины, например токсин бактерии столбняка. Другие остаются в клетке и выходят из нее лишь после ее гибели. Это — эндотоксины, они относятся к сложным сахарам. Многие токсины удалось получить в чистом виде.

Микроорганизмы могут выделять токсины и вне тела человека. И тогда его заражение токсинами происходит через пищу, как, например, при известных случаях отравления ботулиническим токсином.

Действие экзотоксинов обычно гораздо сильнее, чем умеренное отравление организма эндотоксинами. Кроме того, отдельные токсины отличаются друг от друга еще и тем, где и как проявляется их действие.

Разрушающее влияние бактерий на человеческий организм начинается обычно с действия так называемых агрессинов, не всегда обладающих ядовитыми свойствами. Они содержатся в слизистой капсуле или в клеточной стенке бактерий. Это и понятно, ведь именно здесь пролегает линия «фронта» в той борьбе, которая ведется между микробом и его отнюдь не добровольным хозяином. Вспомним о диссоциации и трансформации пневмококков. Вирулентность их S-формы обусловлена именно присутствием капсулы. Форма R, не имеющая капсулы, не вирулентна!

Нередко агрессины выделяет и цитоплазма, она же образует и многие ферменты, повреждающие ткани и таким образом открывающие доступ бактериям в организм человека. Микробиолог мог бы нам многое рассказать о ферментах пектиназе, гиалуронидазе, коагулазе или стрептокиназе. Бактерии вида Proteus mirabilis выделяют фермент уреазу, разлагающую мочевину на углекислый газ и аммиак. Эти бактерии часто попадают в мочевые пути и по ним проникают до самых почек. Там они при помощи выделяемой уреазы разлагают мочевину, создавая щелочную реакцию среды и повреждая этим почки.

На прилагаемом рисунке хорошо видна доля участия отдельных частей клетки в общем «вооружении» болезнетворных бактерий. Нетрудно заметить роль клеточной стенки и цитоплазмы, участвующих в образовании ферментов, агрессинов и токсинов, которые являются основными видами «оружия» микробов.

Пути распространения инфекций

Болезнетворные микробы проникают в организм человека в основном тремя путями: через дыхательные органы, пищеварительный тракт и кожу.

Возбудители инфекционных заболеваний могут передаваться от больного человека к здоровому или непосредственно, или при содействии каких-нибудь животных, в частности насекомых. Известны, впрочем, и такие случаи, когда возбудитель не попадает в тело человека, а заболевание — и даже смерть — вызывает выделяемый им яд, который скапливается в продуктах питания.

Заражение болезнью через дыхательные пути называется капельной инфекцией. Болезнетворные микробы переносятся от человека к человеку с мельчайшими капельками слюны и слизи при кашле, чихании, разговоре.

При капельной инфекции в организм человека попадают болезнетворные бактерии и вирусы — возбудители заболеваний дыхательных путей (туберкулез, дифтерия, скарлатина, грипп, простуда).

При кишечных заболеваниях болезнетворные микробы покидают тело больного с его испражнениями. Распространению этих заболеваний способствует недостаточно соблюдаемая гигиена. Инфекцию может распространить сам больной, если нечистыми руками будет прикасаться к пищевым продуктам. Микробы из испражнений могут также попасть в воду или на частицы пыли; пыль осядет на пище, а зараженная капля воды проникнет в питьевую воду, и результат не замедлит сказаться. Через пищеварительный тракт распространяются брюшной тиф, дизентерия, холера и многие другие инфекционные заболевания.

Из болезнетворных микробов, для которых «входными воротами» в организм служат кожа или слизистая оболочка, прежде всего укажем такие, которые передаются исключительно при непосредственном контакте больного человека со здоровым. Возбудители венерических болезней — сифилиса и гонореи — не могут долго жить вне тела человека и для переноса требуют непосредственного соприкосновения слизистых оболочек, что и происходит при половых сношениях. Сифилис, кроме того, может быть передан материнским организмом развивающемуся в матке плоду или во время родов. Во многих тропических странах венерические болезни распространены очень широко. Так, на острове Рароиа в архипелаге Туамоту, куда пристал отважный экипаж плота «Кон-Тики», почти все местное население было поражено сифилисом.

Путем прямого контакта человеку передаются также некоторые болезни животных, например туляремия или бруцеллёз. Туляремия — это смертельное заболевание грызунов. Заразиться ею человек может при соприкосновении с больным зверьком или через его укус. Бруцеллёзом болеют домашние животные, и нередки случаи заражения этой болезнью обслуживающего персонала животноводческих ферм. Крупный рогатый скот может заразить человека туберкулезом, различными формами ящура, лошади — сапом, собаки и волки — бешенством. Грызуны часто бывают носителями чумного микроба.

Но, пожалуй, наиболее опасны для человека кусающие насекомые. Они переносят многие инфекционные заболевания. Вши переносят сыпной тиф, блохи — чуму, мухи в тропических странах — болезнетворных простейших, а комары — самую распространенную на земном шаре болезнь, малярию.

Применение ДДТ, уничтожающего опасных и вредных насекомых, в период второй мировой войны спасло от тяжелых инфекционных заболеваний тысячи солдат. Осушение болот на востоке Словакии сделало невозможным существование комаров, и малярия там была ликвидирована. Строгое соблюдение личной гигиены помогает человеку избежать встречи с блохами и вшами, поэтому сыпной тиф и чума в большинстве стран, в первую очередь развитых, стали незнакомыми или забытыми заболеваниями.

В таблице 8 приводятся некоторые известные инфекционные болезни, источниками и распространителями которых являются различные животные и человек.

При поранении кожи в кровь человека вместе с загрязнениями могут попасть и болезнетворные микробы. К самым опасным из них относится возбудитель столбняка, выделяющий сильный токсин, который может привести к смерти.

Люди, работающие в очень влажных районах и вблизи загрязненных вод, часто болеют различными типами лихорадки, вызываемой мелкими спиралевидными микробами — лептоспирами. Лептоспиры — паразиты грызунов, свиней и собак. Зараженные животные выделяют их с мочой. В тело человека они могут попасть через малейшую царапину на коже.

Опасные пищевые продукты

Продукты питания часто бывают местом размножения микробов, вырабатывающих токсины. Clostridium botulinum облюбовал мясную пищу и выделяет в нее ботулинический токсин, один из наиболее сильнодействующих ядов. Если человек съест колбасу, ветчину или мясные консервы, содержащие этот яд, то уже в скором времени почувствует его пагубное действие. Предметы в глазах начинают двоиться, затем нарушается дыхание и в 40–60 % случаев наступает смерть от удушья.

Известно заболевание, вызываемое «пьяным хлебом». Его возбудитель — плесневый гриб Fusarium graminearum — поражает хлебные злаки, покрывая растения розоватым налетом. Хлеб, выпеченный из такого пораженного зерна, вызывает нарушения нервной системы, что выражается в симптомах, схожих с опьянением.

Гриб F. sporotrichoides хорошо развивается даже при температуре ниже нуля, что позволяет ему зимовать в поле; поражает озимые хлебные злаки. Этот гриб выделяет в пораженные зерна очень сильный токсин, который не исчезает даже при выпечке хлеба или варке каши. Токсин вызывает некротическую ангину, часто кончающуюся смертью больного.

Спорынья (Claviceps purpurea) поражает в поле растения ржи, иногда пшеницу и ячмень. Пораженные зерновки превращаются в черные «рожки». Они представляют большую опасность, так как содержат ядовитые вещества (эрготин, эрготоксин и др.), которые при попадании в организм вызывают эрготизм. Во время эпидемии этой болезни в 922 году в Испании и Франции умерло около 40 000 человек, а в 1129 году только в одном Париже скончалось 14 000 человек.

Туберкулез чаще встречается у крупного рогатого скота, от которого может передаваться и человеку. В годы второй мировой войны в Великобритании из 994 инфицированных туберкулезом пациентов 216 оказались зараженными через молоко и другие молочные продукты. Опасность заключается в том, что в молоке туберкулезные палочки остаются живыми в течение нескольких дней, в масле — до 100 дней, а в твердых сырах — свыше 10 месяцев. Поэтому молоко необходимо пастеризовать или кипятить.

Другая болезнь коров, овец и коз, распространяющаяся с молоком, — бруцеллёз. Через молоко передаются и возбудители кишечных заболеваний. В 1914–1927 годах в США было зарегистрировано 613 эпидемий брюшного тифа, 7 эпидемий паратифа и 6 эпидемий дизентерии, переданных с молоком.

Молоко является ценным питательными продуктом. Белки, жиры, сахара и витамины, находящиеся в молоке, необходимы нам для нормального питания. Опасность заражения можно устранить правильным уходом за животными, строгим соблюдением гигиенических условий при доении и других процедурах. Все это поможет избежать инфекции при употреблении молока и молочных продуктов.

В 1949 году в Швейцарии эпидемия скарлатины охватила 192 человека. Расследование показало, что на одном молочном предприятии были больны скарлатиной два работника. С прекращением вывоза молока из этого центра эпидемия пошла на убыль.

Источником инфекции может стать и мясо больных животных. Яйца водоплавающих домашних птиц нередко содержат бактерии тифа, и потому их использование в пищу во многих странах запрещено. Источником инфекций, особенно кишечных, также могут быть овощи и фрукты, особенно немытые.

Вода — распространитель заразы

Болезнетворные микробы сохраняют жизнеспособность в воде довольно долго. Но ведь человек не может обходиться без воды. Отсюда постоянная угроза инфекции. Конечно, опасность представляет лишь та вода, которая загрязнена патогенными микробами. В прошлом (а, впрочем, еще не так давно и в наше время) вода играла в распространении эпидемий немалую роль. В городах, где питьевая вода не подвергалась предварительной дезинфекции и плохо фильтровалась, эпидемии были нередким явлением.

В 1892 году сильная эпидемия холеры вспыхнула в Гамбурге. Сначала она появилась среди портовых рабочих, а затем распространилась по всему городу; ежедневно регистрировали до 1000 новых случаев. Главным виновником такого быстрого распространения инфекции был городской водопровод: вода для него забиралась из Эльбы и не подвергалась никакой фильтрации. Во время приливов при соответствующем направлении ветра вода из порта поднималась по Эльбе вплоть до водозаборных каналов, которые обслуживают городской водопровод. Возбудитель холеры попадал к устью водопровода, угрожая населению города.

Соседний город Альтона, выросший с развитием судостроения из небольшей деревни, имел современный водопровод с фильтрационными сооружениями. Ко времени эпидемии территории обоих городов уже соприкасались; их разделяли улицы, одна сторона которых принадлежала Гамбургу, другая — Альтоне. Но если в Гамбурге бушевала эпидемия, то в Альтоне отмечались лишь единичные случаи холеры. Однако в этих случаях было доказано, что инфекция передалась при контакте жителей этих городов.

В 1908–1909 годах в Петербурге разразилась сильная эпидемия холеры. Позднее было установлено, что сточные воды из канала, выходящего в Неву, проникли в водопроводную сеть города. Вспышки эпидемии брюшного тифа, повторявшиеся в городе вплоть до 1923 года, прекратились лишь после реконструкции водопровода.

В период с 1911 по 1937 год в Великобритании была зарегистрирована 21 эпидемия кишечных заболеваний, все они распространялись водой и охватили более 10 000 человек.

Водой переносятся и другие опасные инфекции. Среди посетителей всемирной выставки в Чикаго в 1933 году вспыхнула эпидемия амёбиаза (амёбной дизентерии), возбудителем которого является Entamoeba histolytica. Из 900 заболевших 50 человек умерли. Причина эпидемии вскоре была установлена. В двух гостиницах питьевая вода была загрязнена сточными водами, а среди служащих, снабжавших гостиницы продуктами, обнаружили бациллоносителей. На продуктах были найдены возбудители амёбиаза. Хотя питьевая вода была хлорирована и бактериальная инфекция отсутствовала, дизентерийные амёбы оставались живыми благодаря способности образовывать очень устойчивые к внешним воздействиям цисты.

Из искры — пожар

Быстрое размножение микробов влечет за собой их стремительное распространение от одного больного на десятки и сотни здоровых людей. Последствия этого часто бывают катастрофическими. В XIX веке во всех войнах погибло 19 000 000 человек, а невидимый возбудитель туберкулеза за тот же период унес почти в два раза большее количество жизней.

Часто бывает, что инфекционное заболевание внезапно вспыхивает в местах с высокой плотностью населения. К одному заболевшему на следующий день прибавляется пятеро, а через три дня число больных уже достигает 30 и с каждым днем все увеличивается. Из искорки, малого огонька возникает пожар, уничтожающий все на своем пути. Такой способностью обладают, в частности, кишечные заболевания и грипп.

Если болезнь охватывает значительную территорию и продолжается там некоторое время, говорят об эпидемии. Какой страх внушала она в прошлом! Из XVI века до нас дошла молитва: «Сохрани нас здоровыми, не карай грозным мором!»

Нередко бывает, что заболевание распространяется по стране, охватывает население целого континента, а иногда и всего земного шара. Тогда говорят о пандемии. В далеком прошлом были известны пандемии чумы, уносившие десятки тысяч людей.

Пандемии гриппа, имевшие место в XIX и XX веках, повторялись приблизительно каждые 30 лет. В XX веке это была пандемия «испанки», которая разразилась в конце первой мировой войны, и пандемия азиатского гриппа 1957–1958 годов.

Эпидемии и пандемии кишечных заболеваний на протяжении целых столетий были стихийным бедствием многих городов и областей. В каждой из войн до начала XX века от этих болезней погибало больше солдат, чем на полях сражений. Во время гражданской войны в США (1861–1865) в боях пало около 120 000 человек, а от болезней в армиях умерло 190 000. За время испано-американской войны 1898 года тифом переболело до 90 % американских солдат.

Некоторые инфекционные заболевания постоянно существуют в какой-либо местности. Так, ежегодно в определенных областях возникают эндемии брюшного тифа и других кишечных заболеваний.

Основателем учения о распространении заразных болезней был английский врач Т. Сиденхем, живший в XVII веке. Он пытался объяснять возникновение инфекционных заболеваний и их распространение метеорологическими условиями и какими-то таинственными «теллурическими» причинами, связанными с движением Земли. Эти факторы якобы создавали особые условия, благоприятствующие возникновению и течению эпидемий. В наши дни изучением причин возникновения и закономерностей распространения инфекционных заболеваний и разработкой мероприятий по предупреждению и борьбе с ними занимается самостоятельная отрасль науки— эпидемиология.

Невольные помощники инфекций

Иногда болезнетворные микробы продолжают оставаться в организме уже выздоровевшего человека, не нанося ему вреда и не вызывая повторного заболевания. Эти люди называются бациллоносителями. Так бывает после перенесения тифа или другой болезни пищеварительного тракта. Выделяемые бациллоносителями вполне жизнеспособные микробы при недостаточно соблюдаемой личной гигиене могут с водой или пищей проникнуть в пищеварительный тракт другого человека и вызвать у него заболевание. Существование бациллоносителей и сегодня еще является важной проблемой, поскольку нередко именно эти люди становятся причиной новой эпидемии.

Интересно привести случай, происшедший в первой половине нашего века. В Нью-Йорке жила кухарка, заслужившая имя «Марии тифозной». Она работала в богатых семьях, причем, как только вступала в должность, кто-нибудь из семьи заболевал брюшным тифом. После этого она уходила и поступала на новое место. Тиф сопровождал ее несколько лет, пока какому-то врачу не стал подозрителен внезапный уход кухарки после того, как в доме появился первый больной. Он велел тайно следить за ней. В следующей семье история повторилась. Врачи потребовали обследования кухарки, она долго упорствовала, и только с помощью полиции удалось поместить ее в больницу. Там у нее обнаружили бактерии брюшного тифа, после чего ее поселили в одну из клиник, где она и прожила до самой смерти. «Мария тифозная» была причиной по крайней мере 50 случаев брюшнотифозной инфекции.

Весной 1958 года в одном словацком городе происходили спортивные состязания, на которые съехалось много любителей спорта со всей страны. Вскоре в нескольких районах города вспыхнула эпидемия брюшного тифа. При сопоставлении показаний заболевших удалось выяснить причину эпидемии. Некоторые из них пили воду из колодца, находившегося возле дома, где проживала женщина-бациллоноситель. Брюшнотифозные микробы проникли из неправильно расположенной уборной вместе с грунтовой водой в колодезную воду. Люди, пившие воду, пользовались к тому же одной и той же посудой. Зараза охватила несколько сот человек, были и смертельные случаи.

Сегодня с опасностью, которую представляют бациллоносители, борются регулярным обследованием людей, работающих на предприятиях пищевой промышленности, в магазинах или общественных столовых. Бациллоносителям такой род занятий запрещен. Они находятся под постоянным наблюдением врачей.

15. Микробы атакуют

«… и не убоишься ни грозной чумы, притаившейся во мраке, ни другой заразы, свирепствующей среди белого дня…»

Древнееврейская песнь

Грипп в наступлении

Грипп — распространенное инфекционное заболевание, поражающее главным образом дыхательные пути. Его возбудитель — вирус — очень быстро передается от больного к здоровому капельным путем (фото 54).

Самая большая и катастрофическая пандемия гриппа вспыхнула в 1918–1922 годах и охватила весь мир. Этот грипп был известен тогда под названием испанки. Им переболело 500 миллионов человек, из них около 15 миллионов умерло. В разгар (пик) эпидемии в месяц из каждых 50 человек умирало по одному человеку. В истории цивилизованного мира это была самая высокая смертность.

В небольшом масштабе эпидемии гриппа часто возникают в зимний период. Они угрожают прежде всего жизни пожилых людей. Известный специалист по гриппу, австралийский вирусолог Фрэнк Бёрнет писал по поводу эпидемии 1951 года в Великобритании: «В Ливерпуле эпидемия гриппа была для старых людей как «ангел смерти». В период ее кульминации еженедельно умирало больше людей, чем в самые страшные месяцы 1918–1919 годов».

В предыдущей главе уже упоминалось о пандемии азиатского гриппа. Началась она в феврале 1957 года в Северном Китае. На прилагаемой карте можно видеть ее постепенное распространение по земному шару. За несколько недель она захватила Южный Китай, а в апреле распространилась уже почти по всему азиатскому побережью Тихого океана: в Корее, Японии, прибрежном Китае, на островах Калимантан и Сулавеси. Потом продвинулась на запад и через Индию и Пакистан проникла в страны Ближнего Востока и еще до наступления лета охватила весь азиатской материк — более 22 % его населения.

В конце июня эпидемия только появилась в Африке, а уже к августу захватила весь материк. В июне же ее первые волны достигли США, оттуда она распространилась в Канаду и на юг, в Мексику и далее, на южноамериканский материк, захватив до октября всю его территорию. Австралия и большая часть Океании были охвачены гриппом уже в июле.

В Европе волна гриппа появилась прежде всего (в мае — июне) на территории северо-западной Европы и в Голландии, а к августу охватила почти все страны. В Чехословакии грипп распространился лишь в одной части восточной Словакии.

В осенние месяцы последовал новый взрыв эпидемии в Азии, и в течение нескольких недель вторичная волна прокатилась по Западной Европе и европейской части СССР.

Пандемия гриппа 1957 года была менее тяжелой и опасной по сравнению стой, которая разразилась в конце первой мировой войны. Если во время испанки смертность доходила до 2 %, то в 1957 году она не превышала 0,005 %. Лишь в некоторых областях процент был несколько выше. Наибольшее число смертельных случаев отмечалось на Филиппинах (216). Во многих странах заболеваемость была настолько высокой, что вывела из строя производство, транспорт, школы. В некоторых районах ФРГ закрыли до 70 % школ, а городской транспорт не функционировал на протяжении двух недель.

Распространение азиатского гриппа с февраля 1957 года по январь 1958 года. Треугольник в кружке означает очаг эпидемии на юге Китая: кружки с цифрами — этапы первой волны пандемии; белые кружки — случаи, зарегистрированные летом 1957 года; квадратики — этапы второй волны. Цифрами в кружках и квадратиках обозначен месяц появления первых случаев заболеваний в соответствующих областях.

Так проявил себя вирус гриппа в большом масштабе. Но грипп обычно распространяется на более ограниченных территориях в зимние месяцы, и многие читатели, наверное, уже имели случай с ним познакомиться. Последствия эпидемии гриппа в Чехословакии на рубеже 1969–1970 годов еще свежи у нас в памяти. В Великобритании за этот период зарегистрировано несколько сотен жертв. А эпидемия гриппа в США в январе 1973 года унесла более 4000 человеческих жизней.

Угроза вирусов

Одна из книг о вирусах очень метко названа «Вирусы — враги жизни». И не только у вирусов гриппа, но и у других вирусов, поражающих человека, «на совести» десятки тысяч, а может быть, и миллионы жизней.

Небезопасной болезнью следует считать краснуху. Это заболевание сопровождается появлением на коже красноватых пятен, напоминающих сыпь при кори. Уже в X веке болезнь была известна арабским врачам, которые описывали ее симптомы и течение. Смертность от краснухи довольно высока. Девять десятых умирающих приходится на детей в возрасте до 5 лет. Преодолев болезнь, организм приобретает иммунитет к ней на всю жизнь. В прошлом известны серьезные эпидемии краснухи; например, в 1875 году на островах Фиджи из 150-тысячного населения умерло 40 000 человек. Инфекцию занес на острова сын короля, приехавший в то время, когда король собирал туземцев, которые и разнесли затем заразу по всем островам архипелага.

В истории бывали случаи, когда вирусные болезни помогали покорять целые страны или, наоборот, завоевывать независимость. В 1519 году испанцы вторглись в Мексику. Они занесли с собой оспу, уничтожившую около трех миллионов индейцев, что помогло испанцам одержать победу. Основанию независимой республики Гаити в 1804 году в значительной мере помогла эпидемия желтой лихорадки. Из 25 000 французских солдат, предназначенных для десанта на остров, 22 000 погибли от этой болезни. От нее погиб и известный японский микробиолог Ногучи, изучавший желтую лихорадку в Западной Африке. Желтую лихорадку переносят комары, сосущие кровь у больных в первые три дня заболевания, когда вирусы циркулируют в крови.

Комары переносят и дёнге, распространенную в средиземноморских странах лихорадку, которая в летние месяцы часто приобретает характер эпидемии. В 1928 году в Афинах ею переболело около полумиллиона человек, или 80 % населения. Но при этом заболевании, как правило, не бывает смертельных исходов.

Очень опасен полиомиелит, болезнь, известная и в Центральной Европе. От нее умирает от 10 до 40 % больных. Полиомиелит вызывает вирус, самый мелкий из всех известных животных вирусов.

Полиомиелит обычно поражает детей дошкольного и школьного возраста, но иногда встречается и у взрослых. Развитие этой болезни проходит две стадии. В первой стадии повышается температура, появляются головные боли, озноб, напряжение мышц затылка. Во второй стадии развиваются параличи конечностей или туловища, часто остающиеся на всю жизнь. Это заболевание было известно еще в Древнем Египте. На одном из египетских барельефов изображен мужчина с изуродованной полиомиелитом ногой (фото 55).

Другое распространённое и сходное с предыдущим заболевание — клещевой энцефалит. Его источником бывают так называемые природные очаги инфекции, в которых живут животные, пораженные этой болезнью. Вирус переносится на человека при помощи кровососущих клещей. Однако на востоке Словакии в свое время вспыхнула эпидемия энцефалита, при которой инфекция распространялась с молоком пораженных этой болезнью коз.

Простуда, которой мы иногда не придаем особого значения, — тоже вирусное заболевание, открывающее пути для других, более опасных инфекций дыхательных путей. Промышленность США в 1942 году из-за заболеваний дыхательных путей потеряла свыше 140 000 000 человеко-дней. Если считать, что в году 300 человеко-дней, то эта потеря будет соответствовать потере труда 470 000 человек, не работавших целый год; в материальном отношении это означает потерю 900 000 000 долларов, не считая расходов на лечение людей и ликвидацию результатов простоя машин.

В вавилонских письменных источниках (V век до н. э.) упоминается желтуха, по-видимому, сильно распространенная в то время. Позднее эпидемию желтухи описал Гиппократ. Возбудителем эпидемической желтухи, или инфекционного гепатита, является вирус.

В старые времена гепатит был связан с войнами («желтуха поля боя», «солдатская желтуха»). Во время русско-японской войны (1904–1905) эпидемия вспыхнула среди моряков японского военного флота. Большие эпидемии отмечались также во время первой и второй мировых войн, когда было зарегистрировано свыше 5 000 000 случаев инфекционного гепатита. Желтуха распространяется обычно через загрязнение продуктов и воды испражнениями больных.

Инфекционный гепатит может быть перенесен при инъекциях, выполняемых плохо стерилизованным шприцем. Один из самых известных случаев подобного рода произошел в американской армии в 1942 году, когда во время профилактической прививки против желтой лихорадки было заражено гепатитом 28 585 солдат (из них 62 умерли). Перенос этой болезни возможен и при переливании крови. В 1963 году в США на 1 800 000 случаев переливания пришлось 30 000 заражений гепатитом, 3600 из них окончились смертельным исходом.

«На совести» у вирусов еще две болезни — оспа и бешенство, которые в прежнее время были страшным бичом, а в некоторых областях представляют опасность и в наши дни. Оба заболевания широко известны еще и по другой причине — на материале возбудителей этих болезней Дженнер и Пастер впервые разработали методы профилактической прививки.

Рак и вирусы

В 1911 году американский биолог Ф. Раус обратил внимание на интересный факт. Клетки из опухолей курицы, перенесенные в организм здоровых птиц, вызывали типичные симптомы рака. Взяв вместо клеток экстракт из опухоли, Раус снова вызвал у зараженных им куриц появление признаков рака. В этом было некоторое сходство с опытами Ивановского, изучавшего табачную мозаику, возбудителем которой оказался вир)с. В фильтрате из опухоли, который вызывал возникновение опухолей на других курицах, Раус также обнаружил вирусы.

Схема превращения здоровой клетки в опухолевую. 1. Онкогенный вирус, содержащий РНК и четыре фермента, пришел в соприкосновение со здоровой клеткой. 2. РНК и ферменты вируса проникли в клетку. 3. Полимераза ДНК вируса, связанная с РНК (фермент 1), присоединяет к цепочке вирусной РНК дополнительную цепочку ДНК из нуклеотидов клетки, в результате возникает комплекс РНК — ДНК, в котором распределение нуклеотидов в цепочке ДНК определяется распределением нуклеотидов в РНК вируса. 4. В процессе редупликации полимераза ДНК вируса, связанная с ДНК (фермент 2), присоединяет недостающую цепочку ДНК вдоль готовой цепочки ДНК из комплекса ДНК — РНК. Возникает новый тип ДНК по «рецепту» вирусной РНК. 5. Эндонуклеаза вируса (фермент 3) разъединяет вновь синтезированную двойную спираль ДНК на более короткие участки, которые проникают в ядро клетки. 6. Лигаза вируса (фермент 4) вновь соединяет участки ДНК. «Диктатором» в клеточном ядре становится новая ДНК. Она дает новые распоряжения о синтезе вирусных ферментов, и клетка таким образом превращается в опухолевую.

К 1957 году уже был известен 21 тип опухолей у птиц, земноводных и млекопитающих, которые могли быть вызваны вирусами. Вирусы, вызывающие опухоли, назвали онкогенными (фото 56).

Наука до сих пор еще ке разрешила многие загадки. Одна из них состоит в том, что вирусы, превращающие здоровые клетки животных в опухолевые, обнаружить не удается. Что с ними происходит? Мы уже знаем, что в возникновении опухолей участвуют нуклеиновые кислоты и ферменты вируса. Приведенный здесь схематический рисунок поможет нам лучше понять этот процесс.

Специалисты по раку прилагают большие усилия к поискам вирусов, вызывающих различные формы опухолей у человека. Некоторые из них считают, что успеха можно ожидать скорее всего при поисках возбудителей лейкоза, другие сосредоточивают внимание на так называемых папилломатозных поражениях, особенно опасных в детском возрасте. Положение усложняется еще и тем, что у подопытных животных рак можно вызвать действием некоторых химических веществ или облучением. Так или иначе, вопрос остается открытым. Английский вирусолог и специалист по раку Ф. К. Честермен напомнил нам в одной из своих недавних статей высказывания микробиолога Гриффита: «С момента, когда возбудителем туберкулеза стали считать неизвестное инфекционное начало, до открытия самих бацилл туберкулеза прошло 40 лет». А в случае злокачественных опухолей добавляет Честермен, мы стоим перед еще более трудной проблемой.

Деятельность риккетсий

Риккетсии принадлежат к числу самых заклятых врагов человека. Их активными помощниками бывают паразитирующие насекомые: вши, блохи, клещи. Мы знаем о риккетсиях всего каких-то 50 лет, хотя уже с XVI века известно, что они сеяли смерть по всей Европе. И болезнью, вызываемой риккетсиями, был сыпной тиф.

Переносчик сыпного тифа — платяная вошь (Pedicuius vestimenti), которая заражается риккетсиями на тифозном больном. Риккетсии попадают в желудок вши, поселяются и размножаются в его клетках. Когда клетки желудка разрушаются, риккетсии выходят в кишечник, а оттуда с экскрементами насекомого попадают на кожу человека и в местах поранений (при расчесывании укушенных мест) проникают внутрь организма.

Первая отмеченная в истории эпидемия сыпного тифа вспыхнула в XVI веке в Испании. В период войн начала XVII века, в том числе и за Тридцатилетнюю войну (1618–1648), болезнь распространилась по всей Европе. Большая эпидемия сыпного тифа разразилась во время похода Наполеона в Россию и сопровождала его армию в катастрофическом отступлении зимой 1812–1813 г. Приведем цифры, относящиеся к тем годам. В Пруссии от сыпного тифа за один год умерло 200 000 человек. Только в Данциге (ныне Гданьск) погибло 13 000 французских солдат. В Вильно (теперешний Вильнюс) за два месяца из 25 000 раненых и больных осталось в живых лишь 2500, за полгода там умерло 55 000 человек.

В Крымскую войну (1853–1856) от сыпного тифа погибло по меньшей мере 20 000 французских солдат, а в Русско-турецкую (1877–1878) — около 16 000 русских. В первую мировую войну эпидемия захватила сербскую армию, и за три месяца ее ряды сократились на 50 000 солдат. Общие потери достигали 315 000 человек. Самая страшная эпидемия сыпного тифа отмечена в годы гражданской войны в Советской России (1918–1920): она охватила около 25 миллионов человек, из которых свыше двух миллионов погибли. Тогдашний директор Государственного научного института народного здравоохранения им. Пастера, профессор Л. А. Тарасевич говорил, что она напоминает самые большие эпидемии прошлого» навсегда ушедшие, как полагали, из истории цивилизованного мира.

Сходное заболевание, крысиный сыпной тиф, известно в Мексике под названием табардилло и переносится блохами и вшами с больных крыс на человека. Другой сходной болезнью является пятнистая лихорадка Скалистых гор, распространенная в Северной Америке, где ею болеют различные грызуны. Возбудитель этого заболевания Rickettsia rickettsi попадает в организм человека через укус лесного клеща (Dermacentor andersoni).

На Дальнем Востоке известна японская речная лихорадка, которая с полёвок переносится на человека личинками клещей-краснотелок Trombicula akamushi, ее возбудитель — другой вид риккетсии, Rickettsia niponwa.

Возбудителя сыпного тифа открыл бразильский исследователь Г. да Роша-Лима и назвал ее Rickettsia prowazeki в честь, американского врача Г. Риккетса и чешского исследователя С. Провацека. Оба ученых пали жертвой этого заболевания при его исследовании.

Таким образом, риккетсии сыграли немалую роль в истреблении человеческого рода. Но в наше время человек научился бороться с ними и их союзниками из мира насекомых: риккетсии уничтожаются антибиотиками, а вредные и опасные насекомые — инсектицидами.

Самый сильный яд

Алкалоид стрихнин — самый сильный растительный яд. Для человека смертельная доза этого яда — 30–40 мг. Известно, что яд кобры приблизительно раз в десять сильнее стрихнина. В производстве ядовитых веществ «не посрамили» себя и микробы. Именно среди них мы находим производителей сильнейших ядов.

В 80-х годах прошлого столетия немецкий исследователь Ф. Леффлер открыл бактерию — возбудителя дифтерии и назвал ее Corупеbacterium diphteriae.

Несколькими годами позднее ученик Пастера Эмиль Ру установил, что бесклеточный фильтрат питательной среды, в которой размножались клетки С. diphteriae, также вызывает у подопытных животных дифтерию. Этим он фактически доказал, что возбудитель дифтерии выделяет в среду какие-то токсины, которые и являются причиной заболевания. Позднее эти токсины удалось получить в чистом виде, а в 1946 году они были выделены в виде кристаллов. Токсин дифтерии является смесью нескольких родственных белковых веществ, ядовитых для клеток человеческого организма. Они вызывают воспаление слизистых оболочек зевай гортани, поражают мышцу сердца, могут быть причиной смерти больного.

Это необычайно сильнодействующий яд. По некоторым данным, одного миллиграмма дифтерийного токсина достаточно для умерщвления 1000 тонн морских свинок (использующихся в качестве подопытных животных при изучении яда).

Столбняк — тяжелое заболевание, относящееся к раневым инфекциям и вызываемое Clostridium tetani. Заражение человека происходит через раны при загрязнении их землей. В гноящихся ранах при недостаточном доступе кислорода С. tetani быстро размножается, выделяя из своих клеток опасный токсин столбняка.

Этот яд по своему действию приблизительно раз в двадцать сильнее яда кобры. Считают, что его смертельная для человека доза — всего четверть миллиграмма. Токсин возбудителя столбняка воздействует главным образом на нервную систему, вызывая ее паралич, который может привести к смерти больного (фото 57, а).

Земля Вюртемберг в Германии долгое время была очагом отравления колбасами. Немецкий врач и поэт Юстин Кернер насчитал в 20-х годах XIX века 174 случая таких отравлений; 71 из них закончился смертью. Именно Кернер назвал отравления такого рода ботулизмом (от латинского botulus — колбаса). Однако причины возникновения ботулизма продолжали оставаться неизвестными. И лишь «охотникам за микробами» удалось открыть бациллу Clostridium botulinum. Ботулизм вызывали клетки этой бациллы. В неправильно обработанных мясных продуктах они вырабатывают ботулинический токсин, который и является причиной ботулизма, когда попадает в организм человека.

Ботулинический токсин — самый сильный из известных нам до настоящего времени ядов. Одного миллиграмма этого вещества достаточно для умерщвления 10 миллионов мышей.

Клетки С. botulinum выделяют яд в окружающую среду, в которой они размножаются. Но роль, которую играет яд в жизни самих бактерий, пока не выяснена. Среди бактериальных организмов, продуцирующих токсины, им принадлежит, конечно, неоспоримое первенство. Ведь их яд обладает значительно более сильным действием, чем, скажем, дифтерийный или столбнячный токсины (фото 57, б).

В одном миллилитре жидкой питательной среды в результате деятельности С. botulinum накапливается столько ботулинического токсина, что его заведомо хватило бы для умерщвления миллиона мышей, но в этой необычайно ядовитой среде беспрепятственно живут и развиваются миллионы клеток бактерий.

Ботулизм — типичный пример заболеваний, которые развиваются исключительно при использовании продуктов, содержащих токсин. С. botulinum не может жить в организме человека и других животных с постоянной температурой тела.

Среди ботулинических микробов наблюдаются, однако, некоторые различия. Известно несколько типов возбудителя ботулизма, продуцирующих различные типы токсинов: А, В, С, D, Е. При этом продуцент токсина А никогда не производит токсин В или Е и наоборот. У человека чаще всего встречаются отравления ботулиническими токсинами А, В и Е, тогда как отравления типами С и D известны лишь в редких случаях. Отравления токсином типа Е обусловлены потреблением консервированных продуктов из рыб при их неправильном хранении. По-видимому, продуценты этого типа живут в морях. Микробы, продуцирующие остальные типы ботулинических токсинов, живут обычно в необработанных почвах, в которых недостает кислорода или он отсутствует, — кислород ядовит для самих бактерий.

Ботулинический токсин, как, впрочем, и другие бактериальные токсины, — вещество белкового характера. Недавно удалось получить его в кристаллическом виде и установить, что молекулы его белка состоят из 19 основных структурных единиц — аминокислот.

Хотя ботулизм у человека встречается нечасто, все же он представляет большую опасность. Поэтому современная наука прилагает немалые усилия к устранению всякой возможности отравления ботулиническим токсином. Изучение жизненных условий его продуцентов помогло усовершенствовать методы консервирования пищевых продуктов, в частности мясных, и снизить опасность отравления до минимума. Кроме того, мы уже располагаем методами, позволяющими лишать ботулинический токсин (приготовленный при культивировании его продуцента искусственным путем) отравляющих свойств, сохраняя в то же время его антигенные особенности[25].

Переработанный и лишенный таким образом своих вредных свойств токсин вызывает в организме человека процесс образования защитных антител.

Подобным же образом можно изменить и дифтерийный токсин, если подействовать на него разведенным формальдегидом в умеренно щелочной среде. Обработанный токсин называется токсоидом, или анатоксином, и имеет два важных качества: он лишен ядовитых для живого организма свойств и вызывает образование антител, предохраняющих от данного заболевания.

Черная смерть

Вселяющей панический страх болезнью прошлого, о которой нам так много известно из истории, была чума. Название «черная смерть», или «черная болезнь», связано с общим течением заболевания, которое имеет три различные формы. Одна — бубонная форма чумы — поражает лимфатические железы и вызывает подкожные кровоизлияния, проявляющиеся черными пятнами. Вторая — септическая форма чумы — захватывает весь организм. Третья — легочная форма чумы — протекает наиболее тяжело и скоротечно, часто кончается смертью.

Самые древние сведения о чуме мы имеем, по-видимому, из истории стран Ближнего Востока. Ассирийский царь Синахериб в начале VII века до н. э. вступил на территорию Иудейского царства, которым правил тогда Хизекая. Ассирийские войска стояли у ворот Иерусалима, и, казалось, победа была уже в их руках. Но произошло нечто, что заставило Синахериба отступить, и Иерусалим не был взят. В древних писаниях мы находим следующее сообщение:

«И еще в ту же ночь вышел ангел и уничтожил в лагере ассирийцев сто восемьдесят пять тысяч воинов…. и ушел. А царь Синахериб вернулся и пребывал в Ниневии».

Какая же сила могла уничтожить великую армию? О загадочном поражении ассирийских войск упоминает и греческий историк Геродот. В качестве союзника иудейского царя выступил тогда фараон Египта. Он был жрецом и пренебрегал своими обязанностями военачальника. Но поскольку Ассирия представляла опасность и для Египта, египетские воины должны были выступить в поход. Однако армия не повиновалась. Жрец-фараон, узнав о приближении ассирийцев, вышел им навстречу с группой воинов весьма сомнительной боеспособности и выпустил ночью в лагерь противника большое количество мышей, которые якобы погрызли и уничтожили все оружие ассирийцев, вынудив их таким образом отступить. Как пишет Геродот, статуя фараона стояла потом в святилище Гефеста, фараон был изображен с мышью в руке… Но мышью в древности называли и крыс, а крыса — природный носитель возбудителя чумы. В 1938 году археолог Старки обнаружил в скалах массовое захоронение, в котором находилось две тысячи человеческих скелетов, недалеко от города Лахиш, там, где много веков назад был расположен лагерь ассирийских войск. Оба документа и открытие Старки свидетельствуют о том, что ассирийцев в ту роковую ночь поразила, по всей видимости, эпидемия чумы.

Древнеримский историк и поэт Публий Тацит так описывал эпидемию, разбушевавшуюся в 68 году в Риме: «… дома были полны мертвецов, а улицы похоронными дрогами… Рабы и плебеи убегали от причитавших жен и детей, потому что при обслуживании больных и сожжении мертвых сами стали источниками заразы. Тех, кто умирал, сжигали тут же, не выходя из погребального круга…»

Во время эпидемии чумы в VI веке в Византии ежедневно умирали десятки тысяч человек, мертвых замуровывали в зданиях.

В XIV веке чума захватила всю Европу и к 1348 году лишила жизни четвертую часть ее населения (около 25 миллионов человек). Эпидемия возникла исподволь. В 1346 году татары окружили город Танаис (теперешний Азов). Население бежало в крепость Каффу. Во время осады в татарских войсках вспыхнула чума. Для покорения крепости татары при помощи военных орудий забрасывали за крепостные стены погибших от чумы мертвецов. И хотя обитатели крепости старались тотчас сбросить мертвые тела в море, зараза вскоре распространилась среди осажденных и уничтожила почти все население. Пережившие эпидемию бежали на кораблях в Константинополь (Стамбул) и Италию, занеся и туда осенью 1347 года инфекцию чумы. Из Константинополя и итальянских портов чума в течение 1348 года постепенно распространилась по всей Европе.

Известный поэт и гуманист Джованни Боккаччо так описывает эпидемию во Флоренции:

«… с марта по июль, отчасти в силу заразительности самой болезни, отчасти потому, что здоровые из боязни заразы не ухаживали за больными и бросали их на произвол судьбы, в стенах города Флоренции умерло, как уверяют, сто с лишним тысяч человек… Сколько у нас опустело пышных дворцов, красивых домов, изящных пристроек, — еще так недавно там было полным-полно слуг, дам и господ, и все они вымерли, все до последнего кучеренка! Сколько знатных родов, богатых наследств, огромных состояний осталось без законных наследников!»[26].

В перенаселенных кварталах средневековых городов, кишащих крысами, никто не был застрахован от страшной угрозы. Во многих местностях присходили погромы евреев, которых считали виновниками эпидемии. Врачи были бессильны — они не знали ни причины болезни, ни средств борьбы с ней. На подозрении были «испорченный воздух» и неблагоприятное расположение планет…

Эпидемии чумы повторялись в последующие столетия, хотя и не в таких размерах. В 1665 году от чумы умерло 100 000 жителей Лондона (каждый пятый!).

Когда в 1606 году чума вспыхнула в Праге, придворный врач Рудольфа II Ян Есениус издал книгу, разъясняющую, согласно тогдашним медицинским воззрениям, основные причины распространения чумы, из которых главной он считал «гнилостный воздух» и, конечно же, влияние звезд. Заболевшим он советовал особенно беречь сердце, рекомендовал душевный покой, веселость, музыку, приятные разговоры и теплые ванны.

В середине XVII века стали приходить к убеждению, что главную роль в распространении чумы играют крысы. И лишь в 1894 году, в конце последней крупной эпидемии в Азии, которая только в Индии свирепствовала 20 лет и унесла 12 миллионов жертв, японский ученый С. Китазато и французский ученый А. Иерсен открыли возбудителя чумы. Это микроб Pasteur ell a pestis. Позднее было подтверждено предположение, что природными носителями заразы являются крысы и другие грызуны, среди которых в определенных местах периодически возникает это заболевание. На человека инфекцию переносят блохи Xenopsylla cheopis.

Недавно группа советских ученых установила, что переносчиком инфекции может быть и перелетная птица каменка-плясунья. Птицы этого вида гнездятся в норах грызунов и через укусы блох заражаются чумой. Заболевшие птицы живут еще дней 10 и при перелетах могут разнести чуму на большие расстояния.

Современная наука располагает средствами против этой инфекции: регулярное уничтожение грызунов и применение инсектицидов. Достигнуты большие успехи. В 1944 году благодаря ДДТ[27] удалось быстро ликвидировать начинавшуюся эпидемию чумы в африканском порту Дакар (Сенегал).

Хорошие результаты показали также своевременная прививка и непосредственная помощь больным сульфамидными препаратами и антибиотиками.

Тем не менее кое-где еще регистрируются отдельные случаи чумы, хотя за два года (1958–1959) их было всего 200. В нашем столетии, как видно из таблицы, число жертв «черной смерти» резко и быстро сократилось.

Черная смерть побеждена!

Белый мор

Это заболевание сопровождает человека с самых древних времен. На египетских мумиях часто находят признаки перенесенного туберкулеза. Сохранились о нем сведения и в индийских ведах, на древних глиняных вавилонских табличках, в греческих рукописях. Уже Гиппократ хорошо знал туберкулез как опасную болезнь легких. В XVIII веке от туберкулеза умирал каждый седьмой житель Европы.

24 марта 1882 года Роберт Кох доложил Берлинскому физиологическому обществу о результатах исследований туберкулеза. В этом докладе он сообщил миру об открытии возбудителя туберкулеза — Mycobacterium tuberculosis (фото 57, г).

А после второй мировой войны медицина получила и то, о чем мечтал и что старался найти Кох, — средство от туберкулеза. М. tuberculosis имеет немалый круг родственников. Туберкулез у птиц вызывает М. avium. К тому же роду относится и возбудитель проказы М. leprae. Проказа все еще довольно широко распространена в Азии, встречается она и в странах Средиземноморья. В 1924 году на земном шаре насчитывали до 3 миллионов прокаженных. Болезнь начинается появлением на коже красноватых пятен с последующим отмиранием этих участков, которое распространяется на мышцы; у больного буквально отваливаются куски тела.

Болезнь, вызываемая спирохетой

Эта болезнь — один из страшных бичей человечества. Предполагают, что в Европе она распространилась только после открытия Америки[28]. Однако ею болели и в древности. Итальянский ученый Дж. Фракасторо описал это заболевание в поэме, герой которой пастух Сифилус своими насмешками возбудил гнев бога Солнца, и тот покарал его неизлечимой болезнью. С тех пор заболевание и называют по имени этого пастуха.

Инфекционность сифилиса доказали в 1903 году И. И. Мечников и Э. Ру. Спустя два года немецкий ученый Ф. Шаудин открыл и его возбудителя— Treponema pallidum. Болезнь передается при непосредственном контакте больных со здоровыми (при поцелуе, при половом сношении). Сифилис может передаваться и потомству, причем заражается им еще плод. В развитии заболевания наблюдаются три периода. В первичный период, начинающийся через три недели после заражения, на месте внедрения возбудителя появляется твердая на ощупь язвочка. Она сохраняется около трех недель, затем исчезает, но микробы распространяются с кровью по всему организму. Вторичный период характеризуется появлением сыпи самой различной формы, величины и цвета. Третичный период болезни развивается обычно через несколько лет. Он выражается в повреждениях центральной нервной системы или в очагах воспаления различных органов, мышц, костей. Особенно тяжело протекает поздняя форма сифилиса нервной системы — прогрессивный паралич, при котором интеллектуальная сторона жизни совершенно подавляется инстинктивной и чувственной. Человек теряет над собой контроль, происходит полный распад личности. При сифилисе нервной системы микробы поселяются в мозгу.

Сифилис распространен в некоторых развивающихся странах, но не менее известен он и на Западе. Когда-то сифилис, гонорею и насморк относили к самым распространенным микробным заболеваниям. С открытием пенициллина и его внедрением в практику врачи получили новое действенное оружие в борьбе с венерическими заболеваниями, хотя в последнее время в медицинском мире снова раздаются тревожные предостережения.

Жертвы холеры

Родиной холеры в течение многих веков была Индия. В 1817 году эта болезнь впервые перешла ее границы, а уже в 1831 разразилась сильной эпидемией в Европе. В течение последующих двух лет она захватила американский континент, превратившись в пандемию. Следующая пандемия свирепствовала в 1846–1862 годы в Америке, а в 1864–1875 годах захватила Азию, Африку, Европу и Америку. В 1883 году холеру занесли из Индии мусульманские паломники, прибывшие в Мекку, откуда она распространилась и в Египет. Египетское правительство обратилось за помощью к Германии и Франции. Обе страны направили туда научные экспедиции; немецкую экспедицию возглавлял Кох.

Тюиллье, один из учеников Пастера, стал жертвой этой болезни. Когда Кох посетил тяжелобольного Тюиллье, умирающий спросил:

— Действительно ли микроб, которого я нашел, — возбудитель холеры? На что Кох ответил:

— Да, и вы его открыли!

Молодой исследователь умер со счастливой улыбкой. Но найденный им микроб не был возбудителем холеры. Почему Кох сказал так? Не было ли это ложью из милосердия?

Эмиль Ру написал в Париж о смерти своего друга, упомянув, что на его похоронах присутствовали и коллеги из Германии:

«Господин Кох с сотрудниками прибыли тотчас же, как только весть о его смерти распространилась по городу. Для нашего дорогого друга они нашли самые теплые слова признания. К его праху они принесли два венка и возложили их на гроб. «Эти скромные венки, — сказал Кох, — сплетены из веток лавра, как и подобает памяти героя…».

Возбудителя холеры в Египте не нашли ни французские, ни немецкие ученые. Только в будущем году, когда Кох со своими сотрудниками работал в Индии, им удалось найти настоящего возбудителя холеры, известного нам теперь под названием Vibrio cholerae (фото 57, е).

Носители инфекции — больные, которые выделяют с испражнениями и рвотными массами множество микробов-возбудителей. Заражение человека происходит только через рот при употреблении загрязненной воды или пищевых продуктов. Распространение холеры возможно также через грязные руки и белье.

Возбудитель холеры попадает по пищеварительному тракту в кишечник и на его слизистой оболочке вызывает воспалительные процессы. Болезнь проявляется по истечении 1–5 дней с момента заражения внезапной рвотой и сильным поносом. Развивается обезвоживание организма, температура тела падает, снижается кровяное давление, прекращается выделение мочи. Больной часто впадает в бессознательное состояние. Смертность бывает в 50 % случаев. В Азии до сих пор время от времени вспыхивают эпидемии холеры. Отдельные случаи были отмечены за последние годы и в Европе.

Что такое микозы?

Под этим названием понимают инфекционные заболевания людей и животных, вызываемые микроскопическими грибами.

Дрожжевые грибы могут быть возбудителями многих болезней. Наиболее известным у нас заболеванием является кандидамикоз, вызываемый грибом Candida albicans (фото 58). Он бывает причиной мучнистого налета на слизистой оболочке полости рта у детей грудного возраста. Иногда болезнь поражает ногти или кожу между пальцами. Возможна и инфекция легких, представляющая серьезную опасность. У младенцев она часто приводит к смерти.

Другое заболевание подобного рода — европейский бластомикоз, его возбудитель — Torula histolytica. Характеризуется преимущественным поражением легких, центральной нервной системы, а также кожи, на которой возникают вздутия, наполненные жидкостью.

В США сильно распространен североамериканский бластомикоз, вызываемый Blastomyces dermatitidis. Это глубокое хроническое заболевание кожи. Пораженные органы покрываются гнойными язвами.

Применение противобактериальных антибиотиков привело к тому, что на всем земном шаре распространились заболевания, вызываемые патогенными дрожжевыми микроорганизмами. Среди них нередки кандидамикозы, которые могут кончаться смертью больного, особенно если поражают легкие. Ученые стремятся найти эффективные средства против этих заболеваний. Им удалось открыть несколько антибиотиков, с успехом применяемых в подобных случаях.

Заболевания, вызываемые дрожжевыми микроорганизмами, приведены в таблице 10.

Известны различные микроскопические грибы, вызывающие болезни кожи (дерматомикозы). Эти заболевания поражают определенные участки кожи — либо места, поросшие волосами, либо лишенные их. Возбудителей дерматомикозов называют дерматомицетами. Они до сих пор представляют серьезную проблему для медицины, так как надежных средств против них еще очень мало. Среди микроскопических грибов, широко распространенных в природе, можно найти возбудителей и других заболеваний. Сюда относятся болезни легких и заболевания, приводящие к опухолям носа, глаз, половых органов и др. Легочные болезни вызывает гриб Aspergillus fumigatus.

Наиболее известные заболевания, вызываемые микроскопическими грибами, перечислены в таблице 11.

Таинственная болезнь

Она была хорошо известна уже в древности. Греческий поэт Аристофан описал ее еще в V веке до н. э. Гиппократ также наблюдал, что у человека, пьющего воду из болота, увеличивается селезенка и что жители низинных, болотистых мест отличаются небольшим ростом, хилым сложением, потемневшей кожей, недостатком храбрости и выдержки.

В Рим эта болезнь была занесена якобы из Африки. Ее причиной средневековые врачи считали ядовитые газы, выделяющиеся из болот и отравляющие воздух. Отсюда возникло и итальянское название загадочной болезни «малария», что означает «плохой воздух». Под этим названием (малярия) известна она и в настоящее время. Это болезнь теплых и влажных районов. В Чехословакии она встречалась в Восточной Словакии и на Житном острове[29].

Болезнь протекает следующим образом. Человек внезапно чувствует слабость, боль в конечностях, у него начинается жестокий озноб. Вскоре озноб сменяется жаром. Уже через час температура может подняться до 41 °C, сердцебиение учащается и лицо больного резко краснеет. Появляется головная боль, шум в ушах. Все это продолжается 3–4 часа. Потом температура падает, начинается обильное потоотделение, больной обычно засыпает, а проснувшись, чувствует себя совершенно здоровым. Но на следующий день (на второй или на четвертый) приступ повторяется и затем уже бывает регулярно каждые два или четыре дня.

Путешественники, оказавшиеся в тропических и субтропических странах, очень страдают от этой болезни, часто кончающейся смертью. В некоторых районах и в наши дни от малярии умирают до миллиона человек в год.

Вплоть до второй половины XIX века считали, что болезнь вызывается дурным воздухом болот, который опаснее всего вечером и ночью. Первый шаг к решению загадки сделал в 1880 году французский военный врач А. Лаверан, работавший в Алжире. В крови пациентов им был найден микроскопический паразит, названный Plasmodium malariae (малярийный плазмодий). Плазмодий проникал в красные кровяные тельца, размножался в них, после чего тельца разрушались. Размножившиеся клетки паразита нападали на другие эритроциты, которые на третий-четвертый день также распадались. Именно в момент распада красных кровяных телец у больного начинается озноб и резкое повышение температуры. Но каким образом возбудитель попадает в кровь человека и переносится от больного к здоровому — все еще оставалось загадкой.

Через 19 лет после открытия Лаверана английский врач Р. Росс, находясь в Индии, обнаружил в комаре, сосавшем кровь у больного малярией, клетки микроскопического паразита. Россу удалось с помощью комаров перенести малярию от больных птиц на здоровых.

В те же годы малярию изучал и итальянский врач Б. Грасси. Он доказал, что комары переносят малярию не только от птицы к птице, как установил Росс, но и распространяют инфекцию с человека на человека. Высасывая кровь у больного, они через несколько дней проделывают ту же процедуру на здоровом человеке и заражают его плазмодием.

Итак, мы видим, что для своего развития малярийный плазмодий нуждается в двух хозяевах — человеке и комаре. Цикл его развития очень сложен, поэтому ограничимся кратким рассказом. Здоровый человек заражается от больного малярией через переносчика — малярийного комара (из рода Anopheles), в слюне которого находится особая форма плазмодия — спорозоиты. Из тока крови укушенного комаром человека спорозоиты проникают в клетки печени, где проходят цикл развития с образованием массы мелких мерозоитов, которые внедряются в эритроциты. Там они развиваются в бесполые формы (шизоиты), которые по прошествии некоторого времени снова делятся на мерозоиты, причем красные кровяные тельца при этом разрушаются (в этот момент у больного поднимается температура). Освободившиеся мерозоиты внедряются в свежие эритроциты, и развитие повторяется.

Повторение приступов всегда строго регулярно, в связи с чем известна тропическая малярия, при которой приступы наступают через день, трехдневная и и четырехдневная малярия. Помимо шизоитов, в эритроцитах образуются и незрелые половые формы, которые для дальнейшего развития должны попасть в организм комара. В желудке этого насекомого они проходят ряд превращений, в результате которых в слюнных железах комара появляются спорозоиты. При укусе зараженным комаром здорового человека спорозоиты вместе со слюной комара попадают в его кровь.

Болота играют при этом существенную роль, так как на их поверхности комар откладывает свои яички, из которых выходят личинки, а потом и взрослые насекомые. Вот почему в борьбе с малярией, помимо лечения больного, важное значение придается и борьбе с комарами. С этой целью проводят осушение болот или же уничтожают личинки комара опрыскиванием болот ядовитыми химическими средствами. Возможен и биологический метод борьбы с использованием небольшой рыбки — гамбузии, питающейся личинками комара.

Несмотря на все эти мероприятия, малярия еще в недавнее время относилась к самым широко распространенным болезням на Земле.

Носители смерти

В тропической Африке распространена своеобразная болезнь. Начинается она лихорадкой, повторяющейся через неопределенные промежутки времени, затем приступы учащаются, на коже больного возникают различные воспалительные процессы, развивается малокровие, общее истощение, и через несколько месяцев человек слабеет настолько, что уже не может ходить, говорить и почти все время спит. По этим признакам заболевание назвали сонной болезнью. Она уничтожила многие деревни и целые племена.

Когда в южноафриканских английских колониях в XIX веке начала свирепствовать эпидемия сонной болезни, врачи и биологи объединились в поисках ее источника. Ученые А. Кастеллани и Д. Брюс нашли в крови больных мелкие продолговатые микроорганизмы со жгутиками, известные нам теперь под названием Trypanosoma gambiense. Переносчиком этого возбудителя из труппы простейших была муха цеце — Glossina palpalis, сосущая кровь у больных и переносящая инфекцию на здоровых людей.

Еще опаснее сонная болезнь, распространенная в Родезии: смерть наступает всего через несколько дней. Ее возбудитель — Trypanosoma rhodesiense, а переносчик — та же Glossina palpalis.

В Центральной и Южной Америке известна сходная болезнь Шагаса (по имени бразильского врача К. Шагаса, открывшего ее возбудителя). Болезнь вызывает паразитирующая в крови Trypanosoma cruzi, а переносит ее на человека крупный клоп, которого местные жители называют «барбейро» (брадобрей), так как он обычно ползает по лицам спящих людей. Носителями инфекции бывают дикие животные, собаки и кошки. Клоп сосет кровь у больных животных, и трипаносомы, попав в организм клопа, размножаются в нем, а затем с испражнениями оказываются на коже человека. Ранки после укуса клопа чешутся, а при расчесывании инфекция попадает в кровь. У детей болезнь развивается очень быстро и часто кончается смертью, у взрослых тянется годами. Смертность у зараженных детей в возрасте меньше полугода достигает в Бразилии 50 %. Трипаносомы поражают сердце, гортань, желудок, иногда другие органы и нервную систему. Если болезнь принимает лихорадочную форму, она часто кончается смертью. По-видимому, именно эта болезнь долгие годы мучила Ч. Дарвина.

Черное страдание

В Азии и странах Средиземноморья распространены заболевания, возбудителями которых также являются простейшие — жгутиковые. Эти болезни называются лейшманиозами, от них страдают и животные и люди. Вызываются они микроорганизмами типа простейших — лейшманиями.

От диких кошек и собак инфекция передается укусами москитов Phlebotomus. Возбудитель болезни Leishmania donovani попадает в кровь человека, где поражает белые кровяные тельца. Болезнь длится иногда несколько лет, выражается в ежедневных довольно нерегулярных подъеме и спаде температуры, увеличении живота, покраснении кожи. Отсюда и пошло название болезни — кала-азар (черная мука, черное страдание), которая при отсутствии врачебной помощи кончается смертью.

Другое заболевание, возбудителем которого является L. tropica, переносится комаром того же вида. Оно выражается в появлении на коже опухолей, превращающихся постепенно в крупные отвратительные язвы.

Старожилы Месопотамии по опыту знают, что человек, однажды перенесший лейшманиоз, становится невосприимчивым к нему на всю жизнь. Местные жители сами прививают инфекцию своим детям на скрытые одеждой места (чаще всего на бедро), и за год болезнь проходит сама собой.

16. О больных животных и растениях

Профессор Готлиб готовился убить морскую свинку бациллами сибирской язвы, и студенты на лабораторных занятиях по бактериологии были взволнованы.[30]

С. Льюис «Эроусмит»

Вирусы атакуют

От вирусных инфекций не застрахованы и домашние животные, причем одни из них могут переноситься на человека, другие причиняют большой ущерб сельскому хозяйству.

Самой опасной болезнью домашних животных являются различные формы ящура, очень заразные и переносимые прикосновением, капельной инфекцией и с навозом. Опасности заражения подвержены и люди, обслуживающие больных животных. В 1937 году в Западной Европе было много случаев этой болезни: во Франции она была зарегистрирована в 130 000 населенных пунктов, в Нидерландах — в 100 000, а в Бельгии — в 63 000 пунктов.

Зимой 1967–1968 г. Англию охватила обширная эпидемия ящура. По-видимому, инфекция попала с завезенным из Аргентины мясом. В результате эпидемии на 2339 фермах вынуждены были забить 443 000 голов скота!

Серьезную опасность (и для человека) представляло широко распространенное среди собак бешенство. Развитие болезни у собаки бывает очень продолжительным, и поведение ее меняется постепенно. Вначале отмечается подавленное состояние, желание укрыться от света, потом собака начинает беспокойно перебегать с места на место, то ложится, то встает. В следующую фазу она убегает далеко от дома, хрипло лает, глаза наливаются кровью. Затем она начинает бросаться на животных и людей, нередко даже на собственного хозяина, и укусами распространяет инфекцию. Собака постепенно теряет способность двигаться, часто падает и, наконец, остается недвижимой.

Гениальное открытие Пастером метода профилактической прививки против бешенства спасло сотни человеческих жизней, а случаи бешенства у собак стали теперь чрезвычайно редкими.

Многим вирусным заболеваниям подвержена также домашняя птица. Из них мы уже упоминали саркому Рауса и лейкоз у кур. Большой ущерб хозяйству наносит также чума птиц. Осенью 1970 года от вспыхнувшей в Англии эпидемии этой болезни погибло свыше 4 миллионов птиц. Ее возбудитель — Myxoviriis multiforme — может быть перенесен на человека, у которого он вызывает различные нарушения в организме. Нередко эпидемии энцефалита наблюдаются у голубей, живущих в теплых и влажных болотистых низинах, а комары могут перенести эту инфекцию и на людей.

В 1879 году в Швейцарии вспыхнула эпидемия пситтакоза. Эта вирусная болезнь попугаев и канареек может быть опасна и для человека. Еще более серьезная эпидемия распространилась в Париже в 1892 году, после того как туда привезли 500 попугаев из Буэнос-Айреса. Большая часть птиц в дороге погибла, а инфекция появилась и среди людей. У человека пситтакоз проявляется в форме серьезного легочного заболевания, часто со смертельным исходом.

Большие потери среди кроликов наносят довольно частые эпидемии вирусной болезни — миксоматоза. Рыбы и насекомые также не избегли вирусных инфекций. Все это лишний раз подтверждает, что вирусы вполне заслуживают прозвища «врагов жизни».

Болезни животных, вызываемые микробами

Микробные заболевания животных можно было бы разбить на две группы. Болезни первой группы встречаются лишь у животных, второй — и у людей, которым они передаются от больных животных. Примером болезни первой группы может быть катар верхних дыхательных путей, вызываемый у лошадей микробом Streptococcus equi и на человека не переходящий.

Рассмотрим внимательнее болезни второй группы. Читатель, наверное, помнит, что первую чистую бактериальную культуру Роберт Кох получил из селезенки животных, погибших от сибирской язвы. Это болезнь преимущественно коров, овец, коз, лошадей и свиней. Особенно чувствительны к ней коровы, погибающие уже на второй-пятый день. Кровь погибших животных черная, густая, селезенка сильно раздута. Возбудитель болезни — известный уже читателю Bacillus anthracis — производит очень ядовитый токсин. В прошлом эта болезнь была страшным бичом скота в России, Германии, Франции, Австрии. Только за один 1864 год от сибирской язвы в России погибло 72000 лошадей. С испражнениями животных возбудитель попадает в почву, на пыль и снова угрожает здоровым животным и человеку. Пастбища, на которых паслись заболевшие животные, нельзя после этого использовать в течение 20 лет, поскольку споры бацилл сибирской язвы сохраняют жизнеспособность десятилетиями. Что касается человека, то наибольшей опасности заражения подвержен персонал, обслуживающий фермы. В Марселе в 1909–1924 годы было зарегистрировано 205 случаев сибирской язвы среди служащих мясной промышленности.

На человека переносится еще одна опасная болезнь животных — лошадиный сап. В обоих случаях смертность бывает очень высока. Возбудитель сапа, микроб Actinobacillus mallei, в организм человека проникает через слизистые оболочки или ранки на коже. В слизистой носовой полости образуются пузырьки, наполненные гнойной жидкостью, которые в скором времени лопаются и оставляют открытые язвы. Еще острее эти явления протекают при накожной форме заболевания. Течение болезни может быть либо скоротечным, и тогда смерть наступает через две-три недели, либо растянутым на несколько месяцев, причем гнойные язвы образуются и на слизистых оболочках внутренних органов. Интересно, что одним из факторов, снизивших число случаев заболевания человека сапом, является бурное развитие автомобилизма.

Особую группу болезней составляют бруцеллёзы. Их возбудители относятся к роду Brucella. К нему принадлежат В. melitensis, вызывающий мальтийскую лихорадку коз, и В. abortus — возбудитель бруцеллёза крупного рогатого скота. Возбудителя мальтийской лихорадки открыл английский бактериолог Д. Брюс. Однако ему не был известен процесс переноса болезни на человека. Разгадка пришла позже, когда в 1905 году перевозили морем с Мальты в США 65 внешне вполне здоровых коз. Экипаж корабля во время плавания пил сырое козье молоко, и некоторые матросы заболели лихорадкой. По прибытии на место в молоке были обнаружены возбудители болезни. Так выяснилось, что заболевание передается людям через молоко. В некоторых странах бруцеллёзы очень распространены. В связи с высокой смертностью пораженных животных заболевание это наносит значительный ущерб животноводству.

Среди грызунов широко распространена туляремия. Ею болеют крысы, живущие в подвалах и каналах, зайцы и мыши. Болезнь эта, схожая с чумой, впервые была описана в 1911 году в Калифорнии, в районе Туларе, откуда и происходит ее название. Возбудитель был открыт годом позднее и назван Pasteurella tularensis. Туляремия опасна и для человека, на которого переносится обычно мухой Chrysops или клещом Dermacentor, но может быть передана и непосредственно от больного грызуна. Так заражаются охотники, люди, снимающие и обрабатывающие шкурки. У человека болезнь проявляется в резких головных болях, ознобе, удушье, высокой температуре. Дальнейшим симптомом может быть гнойное воспаление лимфатических узлов и соединительных тканей. Смертность — около 4 %. В Словакии эпидемии туляремии чаще всего бывают в области Загорья. В 1937 году в одном только районе Скалица переболело 200 человек.

Некоторые болезни, вызываемые микроскопическими грибами и актиномицетами, встречаются у людей и у животных; например, возбудитель актиномикоза кожи, Aspergillus fumigatus, вызывает воспаление легких у людей и у птиц.

В начале 60-х годов в Парижский зоопарк завезли большую партию хамелеонов. Но животные стали болеть и один за другим погибали. Причина этого долгое время оставалась загадкой. Ее установил Ж. Сегретен из Пастеровского института со своими сотрудниками. Ему удалось выделить из животных возбудителя болезни. Им оказался гриб Paecilomyces viridis. При попытке заразить грибом других животных ученые потерпели неудачу. Положительные результаты были получены лишь в опытах с лягушками. Позднее было установлено, что гриб-паразит не способен развиваться при температуре 37 °C и потому не может вызвать заболевание у животных с постоянной температурой тела. Но хамелеоны, которые изменяют не только цвет, но и температуру тела, подвержены этому заболеванию. По той же причине восприимчивыми к инфекции оказались и лягушки.

Из простейших на животных специализировались только некоторые трипаносомы. В Африке заболевание домашних животных вызывает микроорганизм из жгутиковых Trypanosoma brucei, который переносится уже известной нам мухой цеце. В южной Европе лошади страдают от болезни половых органов, вызываемой Т. equiperdum.

Простейшее Trichomonas foetus бывает причиной бесплодия рогатого скота, распространяемого племенными быками. Большую смертность среди голубей вызывает T. columbae.

Теперь мы видим, что болезнетворные микроорганизмы широко распространяют болезни и среди животных, часто бывая причиной их массовой гибели.

Тюльпаны Рембрандта

Под таким названием известны тюльпаны, пораженные таинственной болезнью, описанной еще в 1576 году. Изображение ее симптомов было найдено среди рисунков знаменитого голландского художника Рембрандта и потому патологически измененные «пестролепестностью» тюльпаны часто называют в Голландии его именем. Теперь уже мы знаем, что эту болезнь вызывают вирусы.

В 7-й главе мы познакомились с вирусом табачной мозаики. Листья больных растений покрыты мозаикой светло- и темно-зеленых пятен. Инфекция переносится при непосредственном соприкосновении листьев. Способствуют распространению болезни также гусеницы.

На сахарной свекле часто появляется опасная вирусная болезнь желтуха, вызывающая пожелтение и отмирание листьев. При этом содержание сахара в корнеплодах значительно снижается. Целому ряду вирусных болезней подвержен и картофель. Одна из наиболее серьезных — полосатость, при которой на листьях и стеблях появляются полоски (черточки), листья увядают, а урожай клубней снижается на 70 %. Из других вирусных болезней картофеля широко распространена курчавость листьев и мозаика. В последнее время в Словакии зарегистрированы случаи заболевания картофеля столбуром. Экономические потери, причиненные этой культуре вирусными болезнями, достигают во всем мире, по некоторым источникам, двух миллионов фунтов стерлингов в год.

Большой ущерб хозяйству наносят вирусные болезни, которые поражают кочанную, цветную и савойскую капусту. Огурцы страдают от нескольких форм вирусной мозаики. Растения лука, пораженные желтухой, дорастают лишь до половины своей нормальной высоты. Большой вред приносят вирусные болезни культурам томатов, они поражают как зеленые части растений, так и плоды.

Не застрахованы от вирусных инфекций и плодовые деревья. Известна мозаика и бурая пятнистость мякоти плодов яблони. Главной причиной бесплодия черной смородины бывает так называемая вирусная реверсия, при которой происходит опадание цветков и угнетение роста кустарника. Вирусная мозаика виноградной лозы поражает листья, вызывая их постепенное отмирание, что влечет за собой увядание и гибель кустов.

Переносчиками вирусных инфекций от больных растений к здоровым являются насекомые, и без того нередко вредящие развитию растений. Особой активностью отличаются тли. Вирусные болезни растений чрезвычайно разнообразны, однако они все же менее опасны и вредоносны, чем вирусные заболевания животных и человека. Одним из методов борьбы с вирусными болезнями является, в частности, выведение устойчивых к ним сортов (фото 59).

Загадочные опухоли

Очень любопытно возникновение на растениях опухолевидных разрастаний, вызываемых бактерией Pseudomonas tumefaciens, которая была несколько десятилетий назад обнаружена в кишечнике человека, страдающего болезнью желудка. Культура этой бактерии может вызвать разрастание тканей на любом органе растений. Этот нарост отличается неправильной формой и очень напоминает опухоли животных. При так называемой первичной опухоли может впоследствии возникнуть вторичная, в которой болезнетворные бактерии уже отсутствуют. Такую опухоль можно вырастить и искусственным путем, как культуру тканей. В природе эти наросты возникают на местах травм растений, если в рану попадают «опухолеродные» бактерии. Образуются опухоли и на корнях сахарной свеклы как следствие поранений при окучивании, иногда они достигают величины детской головы. Качество пораженного корнеплода снижается. Такие же раковые опухоли развиваются на корнях виноградной лозы при их поражении бактерией P. tumefaciens. Считают, что непосредственной причиной роста опухоли может быть гетероауксин, который является, как уже упоминалось, стимулятором роста растительных клеток. Его выделяют некоторые бактерии. Искусственно введенные высокие дозы гетероауксина действительно вызывают образование опухолей на растениях.

Плоды томатов поражаются так называемой мягкой гнилью. Уже на молодых плодах появляются водянистые пятна, на которых позднее возникают трещины. Эту болезнь также вызывают бактерии. Капуста часто поражается бактерией Xanthomonas campestris, вызывающей бурую гниль. Листья буреют, начиная с края, и постепенно опадают. Молодые растения обычно при этом погибают, более взрослые доживают до образования кочана. Гниль продолжает распространяться и зимой при хранении капусты и может превратить кочан в черную губчатую массу.

Грибы-разрушители

Среди грибов существует много паразитов, которые наносят растениям самые разнообразные повреждения. Микроскопический гриб Fusarium lycopersici выделяет во внутренние органы растений вещество ликомаразмин. Это соединение нарушает проницаемость клеточных оболочек, что влечет за собой прекращение нормальной подачи воды в растения и вызывает их увядание.

Если в раствор ликомаразмина положить кусочки свеклы, то он вскоре окрасится в красный цвет, так как с разрушением структуры клеточных оболочек свеклы красящее вещество выходит из клеток и окрашивает жидкость. Гриб Alternaria solani поражает томаты и картофель, выделяя ядовитую для растений кислоту, оказывающую такое же действие, как и ликомаразмин.

Недавно удалось показать, что микроскопический гриб Hormiscium поражает плоды томатов, выделяя горькие вещества и делая томаты непригодными для употребления.

Озимые посевы зерновых культур часто поражаются болезнью, которую раньше называли «зимней болезнью» и объясняли влиянием морозов или «удушения» под снегом. Весной, после того как снежный покров сойдет, молодые растения погибают или близки к этому. Действительной же причиной такого отмирания является болезнь, называемая «снежной плесенью» и вызываемая грибом Fusarium nivale, который в умеренно холодные зимы быстро распространяется под снегом, поражая слабые еще всходы. Весной пораженные растения подернуты розоватой «паутиной», которая является не чем иным, как сплетением гиф упомянутого паразита. Больше всего страдает от этой болезни озимая рожь.

Другой не менее вредоносной болезнью хлебных злаков является мучнистая роса, часто процентов на 20 снижающая урожаи. Ее возбудитель. — гриб Erysiphe graminis — образует на растениях белый налет, а в черных точках на листьях созревают его споры. Хлеборобам хорошо известны различные типы головни, самой опасной болезни полевых злаков, которая может уничтожить большую часть урожая. Пыльная головня развивается в начале лета в колосьях, из которых потом рассеивается «пыль», представляющая скопление черных спор головни. Мокрую головню можно наблюдать при созревании урожая. Отдельные зерна в колосьях содержат черную, неприятно пахнущую полужидкую массу, в которой находятся споры. Широко известна и пузырчатая головня кукурузы с ее крупными черными выростами. Все эти болезни вызываются одной, очень разнообразной группой грибных паразитов.

Гриб Plasmopara viticola на нижней стороне листа виноградной лозы.

Большой ущерб сельскому хозяйству наносит и так называемый рак картофеля, открытый словацким растениеводом Яткой в 1888 году. На клубнях картофеля он заметил причудливые выросты, напоминающие кочанчики цветной капусты, которые после выкапывания из земли быстро бурели, а потом чернели. Свою находку Ятка послал в Будапешт профессору Шильберскому, доказавшему, что болезнь вызывает гриб Synchytrium endobioticum. В 20-е годы эта болезнь была обнаружена и в других европейских странах. Она вызывала большие потери урожая клубней картофеля (до 90 %). Спустя 80 лет с момента обнаружения раковой болезни картофеля словацкий ученый В. Бойнянский изучил экологию этой болезни. Он показал, что область ее распространения связана с определенными климатическими условиями (недостаток тепла, влажность) и что паразит не может существовать в более теплых районах с меньшим количеством осадков.

Болезнетворные грибы были причиной многих трагических событий в истории человечества. В августе 1845 года один английский журнал опубликовал сообщение о катастрофической вспышке заболевания картофеля, вызываемого грибом фитофторой. Со всех сторон приходили вести о массовой гибели урожая. На полях Бельгии картофель был полностью уничтожен. За несколько месяцев болезнь охватила всю северную Европу. Тот же журнал сообщал в сентябре, что болезнь появилась в Ирландии. На следующее лето в Ирландии весь картофель был уничтожен в течение недели. Хроника тех лет сообщала о страшном бедствии, «стоившем населению десятков тысяч жизней и принесшем горе и голодное существование миллионам людей». В 1845–1851 годы в Ирландии от недоедания скончалось около миллиона человек, а полтора миллиона было вынуждено эмигрировать в Америку.

В 1927 году в Великобритании наблюдалась гибель вяза и близких к нему видов деревьев (из семейства ильмовых), вызванная паразитирующим грибом Ceratocystis ulmi. За 10 лет погибло свыше 20 % ильмовых в Южной Англии и Уэльсе. Гриб способен уничтожить дерево в течение одного периода вегетации. В последнее время в некоторых районах Англии снова вспыхнула эпифитотия болезни ильмовых. Причиной гибели деревьев оказываются ядовитые выделения грибов, уничтожающие сосудистые ткани дерева, которые снабжают его водой, вследствие чего крона или отдельные ветви усыхают. Гриб размножается особенно интенсивно под поврежденной корой и в ходах, проделанных в лубе личинкой короеда (Scolytus). Взрослые насекомые разносят потом споры гриба, распространяя болезнь на все новые деревья, корой которых они питаются.

Опасный враг виноградников — гриб Plasmopara viticola, паразитирующий на листьях виноградной лозы и отличающийся чрезвычайно быстрым распространением спор. Этой болезни, называемой мильдью, или ложной мучнистой росой, благоприятствуют теплые и влажные ночи. Она приносит большой ущерб виноградарству.

Болезни атакуют мир растений

И в растительном мире существуют эпидемии[31], аналогичные тем, о которых мы только что рассказали. Многие заболевания, появившиеся в одном каком-нибудь месте, часто повторяются там и проникают в соседние области. Известны и случаи пандемии, когда инфекционная болезнь растений перебрасывалась с одного материка на другой.

Возбудители болезней культурных растений распространяются ветром, насекомыми, а также очень активно — хотя и бессознательно — человеком. Он может способствовать этому при интродукции новых культур или сортов, завезенных из других областей.

В 1927 году в Польше была обнаружена болезнь мака, вызываемая грибом Helminthosporium papaveris. Сначала он поражает листья растений (и они приобретают бурую окраску), потом переходит на головки мака и может уничтожить до половины урожая. Сейчас эта болезнь представляет опасность для всей Европы.

Новая болезнь льна, обнаруженная в 1947 году в Чехии, была завезена из Аргентины. Она известна под названием «аргентинской чумы». Ее возбудитель — гриб Septoria lini — распространяет свой мицелий в стеблях льна, от чего страдает качество льняного волокна.

В 1915–1916 годах в Северной Америке головня и ржавчина хлебных злаков уничтожила 50, а кое-где и 80 % урожая зерна. Мы уже упоминали о том, как в 20-х годах ржавчина из Мексики распространилась в северную часть материка. В начале нашего века в восточной части США гриб Endothia parasitica уничтожил весь урожай грецких орехов, и до сих пор селекционерам не удается вывести сорт, устойчивый к этой болезни.

Небезынтересна история распространения в прошлом столетии мучнистой росы (Oidium tuckeri). Родиной гриба — возбудителя этой болезни — была, по-видимому, Япония или Северная Америка. Первый раз мучнистую росу заметили в 1845 году в Англии, откуда она скоро перекочевала на европейский материк. В 1848 году ее нашли уже в окрестностях Парижа, а в 1854 году она распространилась в Южной Франции, Италии, на западе Германии и в Швейцарии. В 1855 году появилась в Северной Африке, а вскоре захватила и восточную часть Средиземноморья. В 1866 году оказалась в Австралии и Южной Африке, а в 1891 году уже поразила виноградники Южной Америки. За 1850–1854 годы она уничтожила более трех четвертей урожаев. В настоящее время болезнь стойко удерживается во Франции.

Примером распространения инфекции человеком может быть ржавчинный гриб Cronartium ribicola, паразитирующий на соснах[32]. Его первичными местообитаниями были, по-видимому, Восточная Азия и Альпы, где он паразитирует на европейской кедровой сосне. С сосен он был перенесен на различные сорта смородины, с которыми распространился по всей Европе. В начале XVIII века из Америки в Европу завезли веймутову сосну, которую стали разводить вплоть до Урала, где паразит встречался уже и ранее. На смородине гриб развивается очень интенсивно — на каждом квадратном сантиметре пораженных листьев черной смородины находится до 2 600 000 спор этой ржавчины. Со смородины паразит перекочевал на веймутову сосну, и к 1895 году болезнь поразила этот вид сосны в прибалтийских государствах и Западной Европе. В начале XX века ржавчина вместе с молодыми саженцами попала в Северную Америку, где стала появляться и на других видах сосен. В 20-е годы ей была объявлена беспощадная война, и теперь с эпифитотиями этого гриба покончено.

Часть пятая. Борьба с микробами

Антитоксины и антибактериальные вещества представляются нам какими-то «волшебными пулями», поражающими лишь те объекты, для уничтожения которых они созданы.

П. Эрлих

17. Контратака

Не бойся, дева, злобы мрачной,

Тебя ведь рыцарь охраняет,

Лишит врагов он силы страшной…

П. Гвездослав, словацкий поэт XIX века

Микробам вход воспрещен!

Во время нашего путешествия в страну микробов мы уже приобрели некоторые знания, познакомившись со многими новыми фактами. И теперь исподволь нас начинает одолевать чувство неуверенности и страха. Кажется, что из «джунглей» микроскопического мира нам всюду угрожает опасность заражения, а возможно, и смерть. До сих пор мы смотрели на все чудеса этого царства как на занимательный фильм, открывающий нашему взору все новые и новые картины, но в какой-то момент нам вдруг стало ясно, что в этом таинственном мире затаился грозный враг и встречи с ним избежать не так-то легко. Каждую минуту нас атакуют со всех сторон полчища микробов. Их оружием являются инфекции, болезни, а иногда смерть. Атака хорошо спланирована и подготовлена — в воздухе, в воде, на суше и даже в повседневной пище. Поистине современная «армия»! Какие же позиции мы занимаем в этой войне?

Придя в себя после первого приступа страха, мы прежде всего убеждаемся, что еще живы и здоровы, а потом узнаем и о существовании хорошо организованной защиты, о которой имели самое отдаленное представление.

Болезнетворные микробы уже при попытке напасть на наш организм наталкиваются на трудно преодолимую преграду — неповрежденную и чистую кожу. Это первая линия нашей обороны.

Специалисты-анатомы утверждают, что кожа человека состоит из нескольких слоев и каждый из них располагает особым приспособлением для отражения микробов. Чем больше мы заботимся о коже и поддерживаем ее чистоту, тем лучше выполняет она свою защитную функцию. Подчас мельчайшей ранки или другого повреждения кожи достаточно, чтобы микробам открылся доступ в наш организм. Более благоприятными путями служат для них, по-видимому, слизистые оболочки, покрывающие те части внутренних органов, которые соединяют их с внешней средой. Такими воротами для инфекции являются рот, нос и половые органы. Слизистые оболочки влажны, и микроорганизмам легче на них удерживаться. Но и тут они встречаются с надежной защитой.

Слизистая оболочка носовой полости покрыта мелкими волосками, задерживающими частицы пыли, а с ними и микробы. Вдыхаемый человеком воздух доходит до легких почти полностью очищенным от микроорганизмов. Движение волосков на оболочке и выделяемая ею слизь механически удаляют микробы из организма. Немаловажное значение имеют и содержащиеся в слизи вещества, убивающие микробы. Авангарды микроорганизмов наталкиваются на препятствия и в ротовой полости. Слюна также содержит бактерицидное вещество, известное под названием лизоцима. Находится оно ив выделениях слезных желез, как было установлено А. Флеммингом. Позднее стало известно, что яичный белок также богат лизоцимом. В 1965 году биохимики определили его состав: в молекулу лизоцима входит 129 различных аминокислотных остатков. Само название этого вещества говорит о его действии: лизоцим растворяет, «лизирует» клеточные стенки ряда бактерий, а это уже начало их уничтожения в организме человека. В слизистых оболочках много и белых кровяных телец, лейкоцитов, основная функция которых — защищать наш организм от возбудителей различных болезней.

Но если микробам все-таки удастся проникнуть в организм, например через рот, то их ждет новое препятствие. Желудочный сок, в состав которого входит соляная кислота, создает кислую среду, убивающую большую часть микроорганизмов. И все же с жидкостью или кусочками пищи микробам удается проскользнуть через эти опасные зоны и достигнуть кишечника. Такой способностью обладают высокоспециализированные микроорганизмы, например бактерии, вызывающие кишечные инфекции (брюшной тиф, дизентерию, холеру).

Но и эти бактерии, преодолевшие защитные барьеры в виде кожи или слизистой оболочки, далеко еще не выиграли «сражения». В организме человека их ждут новые, отнюдь не приятные для них встречи. Завязывается борьба между незваными гостями и защитными силами всего организма. И если защита тверда — агрессор погибает, если же слаба и поддается натиску — человек заболевает.

Встреча

Внутри нашего организма также существует целая сеть «оборонных объектов», которая встречает «агрессоров» во всеоружии. Наш организм можно сравнить с крепостью, хорошо подготовленной к отражению неприятеля. По сигналу тревоги каждый занимает свое определенное место и исполняет роль, предназначенную ему по заранее продуманному плану.

И. И. Мечников в 1883 году показал, что белые кровяные тельца способны активно захватывать и поглощать проникшие в организм инородные микробы. Лейкоцит приближается к микробу, как бы обтекает, охватывает его и подвергает внутриклеточному перевариванию. Это «поглощение» бактерий Мечников назвал фагоцитозом (от греческих phagos — пожирающий и kytos — клетка), а белые кровяные тельца — фагоцитами. На основе этих фактов Мечников и его коллеги из Пастеровского института разработали фагоцитарную теорию иммунитета (невосприимчивость организма к инфекционным агентам и чужеродным веществам). Согласно этой теории, главную роль в защитных процессах животного организма играют определенные клетки, поглощающие и уничтожающие болезнетворные микробы. Фагоциты образуются в так называемой ретикуло-эндотелиальной системе. Важным свойством лейкоцитов, или, по Мечникову, фагоцитов, является их способность не только перемещаться по основным путям циркуляции крови и лимфы, но и проникать в прилежащие ткани, если в них появятся чужеродные бактерии или иные клетки.

Лейкоциты как бы являются одновременно и полицией, и судом, и присяжными, и тюрьмой: хватают, поглощают и разлагают вредоносных агентов. «Поле битвы» покрыто телами мертвых и погибающих микробов и лейкоцитов. При небольшой местной инфекции, такой, как нарыв, внутренняя масса пораженного участка становится мягкой и полуразложившейся, некротической, как говорят патологи, иногда превращается в гной. Когда нарыв «созреет», а это означает, что все микробы-агрессоры окружены лейкоцитами, гной вытечет и ранка понемногу заживет. Иногда же пришельцы — возбудители болезни — побеждают и возникает сепсис (общее заражение крови), который приводит к смерти. Бывает, что они лишь на время ослабляют борющиеся с ними силы организма. Но все-таки чаще лейкоциты берут верх и наводят необходимый порядок.

Схема преципитации антигена при действии антитела.

После столь важного открытия явления фагоцитоза последовали и другие. Ученикам Коха удалось доказать, что в сыворотке крови содержатся вещества, обезвреживающие бактерии и их выделения. Появляются эти вещества с вторжением возбудителей болезней или токсинов в организм человека. И поскольку они присутствуют в сыворотке крови, ученые разработали гуморальную теорию иммунитета, согласно которой устойчивость организма к какой-либо болезни или инфекции обеспечивают как раз эти вещества. В зависимости от того, какое действие оказывают они ка бактерии или токсины, их разделили на антитоксины, бактериолизины, агглютинины, преципитины и опсонины.

Между сторонниками обеих теорий возникло соперничество. Каждая сторона старалась доказать правильность своей и ошибочность чужой теории. Но когда полемический жар прошел и факты были рассмотрены спокойно и объективно, ученые пришли к выводу, что эти две теории не только не противоречат, но и дополняют одна другую.

В ответ на вторжение в организм чужеродных тел — различных клеток, микробов, токсинов и т. д., которые получили общее название антигенов, — образуются защитные вещества, нейтрализующие их вредное действие и называемые антителами.

Об антигенах и антителах

В химическом отношении антигены обычно являются белками или полисахаридами.

Антитело возникает в теле животного (или человека) в ответ на вторжение антигена. Это также белковое вещество, способное входить в реакцию с антигеном.

Проследим же в лабораторных условиях, как ведут себя при встрече антиген и антитело. Молекулы антигенов и антител отличаются друг от друга различным распределением электрических зарядов на своей поверхности. Это распределение зарядов на поверхности антигена и приблизившегося к нему антитела таково, что молекулы их взаимно притягиваются и между ними образуется прочная связь. Таких «чувствительных» к притяжению мест на молекулах антигенов и антител бывает несколько, поэтому и соединяются вместе сразу несколько молекул антигенов и антител.

Таким образом, обе теории — и фагоцитарная, и гуморальная — объединились в гармоническое целое, дополняющееся постепенно все новыми и новыми фактами. И уже имеющиеся, и новые данные помогли лучше понять процесс защиты организма от нападения болезнетворных микробов или от вредных продуктов их жизнедеятельности, иначе говоря — процесс ответной реакции организма на вторжение антигенов.

Защита и контратака

Что происходит, когда какая-то часть тканей нашего организма становится объектом инвазии (нападения) бактерий, проникших через поврежденную кожу? Начинается серия процессов, объединяемая под названием реакции воспаления. Группы мобилизованных клеток устремляются на пораженное место и начинают уничтожать или обезвреживать вторгшиеся бактерии. Некоторые защитные клетки поглощают и разлагают бактерии при помощи ферментов. Многие из этих клеток все же погибают под влиянием токсинов, выделенных бактериями, и поле боя вскоре покрывается погибшими клетками и продуктами распада. Если организм ранее уже перенес инвазию бактерий этого вида, реакция протекает скорее и расправа с агрессором бывает более быстрой. Защитные клетки уничтожают пришельцев, и поврежденная ткань начинает восстанавливаться.

Защитные клетки образуются в костном мозге и лимфатической системе. Некоторые из них синтезируют антитела, вступающие в реакцию с антигенами и нейтрализующие их. Если антигенами являются бактерии, антитела их «обволакивают», что облегчает защитным клеткам их поглощение и уничтожение.

Но тут возникает целый ряд вопросов. Каким образом защитные клетки распознают чужеродное вещество в организме? В случае вторичного появления антигена в организме как могут они «вспомнить» его химический состав и начать вырабатывать именно такие антитела, которые способны его обезвредить?

Группа исследователей под руководством Р. С. Спейрса из Ньюйоркского университета занялась поиском ответа на эти вопросы. Были поставлены опыты, в которых использовали токсин столбняка, меченный радиоактивным тритием. Этот элемент позволил проследить судьбу антигена (токсина столбняка) в организме мыши.

Что произошло при введении антигена в организм мыши в первый раз?

1. Клетки пораженной ткани после контакта с антигеном подверглись разложению, выделив ферменты и другие вещества, характеризующие воспалительный процесс.

2. Появились первые подвижные защитные клетки (нейтрофилы)[33] и стали поглощать частицы антигенов.

3. За ними появились малоподвижные лимфоциты и моноциты.

4. Лимфоциты и моноциты приступили к поглощению не только антигенов, но и распадающихся нейтрофилов и зернистых клеток ткани.

5. Лимфоциты, превратившись в макрофагов, поглотили все оставшиеся в пораженной зоне частицы антигенов. Большая часть их под влиянием ферментов подверглась разложению.

6. Некоторые молекулы антигенов сохранились в макрофагах благодаря соединению с рибонуклеиновой кислотой.

Представление Р. С. Спейрса об иммунитете. Антиген проникает в клетку макрофага (1), в ядре которого по «заданию» ДНК возникает РНК и перемещается к цитоплазме. В полисомах РНК образуется молекула глобулина; она захватывает и нейтрализует два антигена (2), в то время как третий антиген входит в комбинацию с РНК. Клетка начинает распадаться, и ее поглощает другой макрофаг (3). Ферменты последнего действуют на антигены, захваченные глобулином, и разлагают их, но комплекс антиген — РНК остается нетронутым (4). В клетку с повышенной чувствительностью проникает новая доза антигена (5), она разрушает комплекс антиген — РНК (6) и приводит к распаду клетки, остатки которой вновь поглощаются одним из макрофагов (7). Его ферменты действуют на антигены, связанные с РНК и свободно присутствующие в поглощенной клетке. Новая клетка, на этот раз плазматическая, начинает синтезировать большое количество глобулина (8), который выходит из нее, превращаясь в антитело (9).

Поскольку антигены были помечены тритием, можно было проследить дальнейшую судьбу их сохранившихся в макрофагах молекул. По окончании «сражения» макрофаги стягиваются с поля битвы в лимфатические узлы и селезенку. Радиоактивные частицы антигена переживают смерть своих «спасителей» (макрофагов) и переходят в новые клетки. Их присутствие в организме проявится еще при повторной инвазии антигенов.

Через несколько недель Спейрс ввел в организм подопытных мышей новую дозу антигенов. На этот раз частицы антигенов не были помечены тритием.

Вторичная реакция защитных клеток на инъекцию антигенов была более быстрой и острой.

1. Снова появились нейтрофилы, но в меньшем числе, чем в первый раз.

2. Макрофаги, напротив, появились в значительно большем количестве. Некоторые из них содержали антигены, сохранившиеся от предыдущей инвазии и связанные с РНК.

3. Эти так называемые сверхчувствительные клетки стали поглощать молекулы антигенов и притягивать к себе клетки эозинофилов.

4. Клетки эозинофилов вызвали распад сверхчувствительных клеток.

5. Вновь появились макрофаги и поглотили остатки разложившихся клеток.

6. Некоторые антигены, однако, снова избежали гибели, соединившись с РНК макрофагов.

Таким образом, ответная реакция на вторичную инвазию антигенов отличалась более интенсивным размножением и более быстрым возникновением антител. Воспалительный процесс продолжался вплоть до полного уничтожения или обезвреживания антигенов. Интересно, что макрофаги, которые несли в себе «спасшиеся» антигены из первой инвазии, антитела не выделяли. Их роль выполняли так называемые плазматические клетки. А макрофаги, содержавшие антигены, быстро погибали, но при этом освобождали вещества, которые стимулировали воспалительный процесс и привлекали все новые и новые партии защитных клеток. Клетки размножались и выделяли большое количество антител, хотя перед этим они никогда не встречались с антигеном.

Спейрс продолжает свои исследования. На основании собственных данных и сведений, полученных другими учеными, он попытался нарисовать общую картину, которая объяснила бы сущность реакции иммунитета.

Слово имеет профессор Спейрс

Когда антигены проникают в ткани организма впервые, большая часть их в борьбе с защитными клетками погибает. Лишь некоторые находят убежище в макрофагах. Молекула антигена каким-то образом связывается с молекулой (молекулами) РНК. Эта связь лишает активности как антиген, так и РНК, причем охраняет обоих «партнеров» от действия ферментов и, таким образом, позволяет избежать процессов изменения веществ. Комбинация из антигена и РНК переносится в следующее поколение клеток и сохраняется вплоть до появления в организме новой дозы того же антигена.

Появление второй дозы антигена, иначе говоря новая инвазия, вызывает очень резкую реакцию. В макрофагах происходит распад комплекса антиген — РНК. Освобожденные антигены вместе с новыми пришельцами становятся жертвой ферментов и погибают. Это влечет за собой и быстрое отмирание макрофагов. При их распаде освобождаются вещества, привлекающие к себе множество защитных лейкоцитов. Цикл повторяется до тех пор, пока все антигены не будут уничтожены. Если воспалительный процесс начинает затухать, вступает в действие активная РНК, содержащаяся в некоторых клетках и вырабатывающая новые дозы антител (поскольку антитело — это белковое вещество и для его синтеза необходимо участие РНК). Оставшиеся клетки содержат комбинацию антиген — РНК, которая будет реагировать на новое вторжение антигенов.

Короче говоря, организм становится иммунным к данному антигену или к тому заболеванию, возбудителем которого является определенный микроб.

Что такое иммунитет?

Мы видели, как реагировал защитный механизм мыши при первой и последующей встрече с антигенами. При второй встрече антигены натолкнулись на хорошо организованную оборону, были уничтожены, и угроза заболевания была ликвидирована. Первая встреча с агрессором явилась для организма сигналом, обеспечивающим защиту в случае вторичного нападения.

С преодолением первого натиска мышь приобрела устойчивость к возможному в дальнейшем заражению токсином столбняка. Описанный механизм возникновения иммунитета характерен для всех животных (включая и человека) при встрече их организма с различными антигенами, которыми могут быть либо клетки болезнетворных микробов, либо продукты их жизнедеятельности.

Кроме приобретенного иммунитета, бывает естественный, или врожденный, иммунитет. Мы уже знаем, что некоторыми болезнями, опасными для людей, животные заразиться не могут, и наоборот. Животные невосприимчивы, например, к дифтерии, тифу, а человек не может заразиться чумой или холерой птиц. Этот иммунитет связан с принадлежностью каждого организма к определенной систематической группе, в которой основным является вид.

Чем дальше друг от друга отстоят биологические виды, тем большие различия проявляются в их отношении к заболеваниям. Но иногда различия в иммунитете наблюдаются и в рамках одного и того же вида. Было доказано, что жители различных географических областей не в одинаковой степени восприимчивы к таким заболеваниям, как туберкулез и желтая лихорадка. Различия в иммунитете часто отмечались и в более узких категориях. Некоторые семьи и даже отдельные индивиды в одной семье оказываются в большей или меньшей степени невосприимчивыми к широко распространенным заболеваниям. Это случаи так называемого индивидуального иммунитета.

Дженнер создает вакцины

На кладбище небольшой английской деревушки стоит надгробный камень с надписью:

«Памяти Бенджамина Джести из Даунсхея, умершего 10 апреля 1810 года в возрасте 79 лет. Родился в этом крае, в Джетминстере. Это был прямой и честный человек, необычайно скромный. Он первым привил себе коровью оспу, и, ведомый силой своей мысли, испытал ее на своей супруге и двух сыновьях». Упомянутая в надписи коровья оспа, как и натуральная оспа, также вызывает заболевание человека. В прошлом люди боялись оспы, как призрака. Вызываются эти болезни вирусами.

Восточные народы, однако, уже в древности знали, что эпидемии оспы, как правило губительные и грозные, иногда протекают и в более легкой форме. Было также известно, что легкое течение болезни можно обеспечить предварительной прививкой оспы здоровым людям. Китайцы собирали коросту (корочки) с пустул больных людей, размалывали их и полученный порошок вдыхали носом. Турки втирали гной из пустул в расцарапанную кожу. Проведенное таким образом искусственное заражение вызывало заболевание, протекающее обычно в очень мягкой форме, часто без всяких внешних симптомов. После прививки человек уже не заболевал оспой, иными словами, приобретал к ней иммунитет.

Жена английского посла в Турции леди Мэри Монтегю согласилась на такую прививку своим детям и после успешного опыта ей удалось ввести профилактическую прививку в Англии. Болезнь после прививки протекала в очень умеренной форме, и в XVIII веке в Англии удалось снизить смертность от оспы с 50 до 1 %.

На микробиологическом съезде в мае 1971 года в Высоких Татрах профессор Л. Дубай (медицинский факультет в Кошице) в своем докладе, посвященном 250-летию со времени введения оспопрививания в Словакии, сообщил о первой прививке, проведенной в этой стране.

В июле и августе 1721 город Прешов был охвачен эпидемией оспы. Городской врач И. А. Райман в самый разгар эпидемии привил своей дочке двух с половиной лет гной из оспинки больного сына. При этом он опирался на данные собственной статьи, опубликованной им в 1717 году в сборнике статей о природе и медицине Sammlung von Natur- and Medizin-Geschichten. Как писал в 1774 году биограф известных врачей Венгрии и Трансильвании И. Веспреми, Райман научил европейские народы искусству прививки и многим сохранил не только здоровье, но и жизнь.

В конце XVIII века английский врач Эдуард Дженнер заметил, что сельские жители в графстве Глостершир оказываются невосприимчивыми к натуральной оспе, если перед этим они переболеют коровьей оспой, заразившись ею при уходе за животными. Эта болезнь проявлялась лишь небольшими оспинками на руках. Поскольку в то время уже практиковалась профилактическая прививка путем заражения натуральной оспой, Дженнер хотел узнать, нельзя ли, перенеся с человека на человека коровью оспу, вызвать невосприимчивость к натуральной оспе?

Первый опыт был им проделан в 1796 году. Гной из пустул коровьей оспы у заболевшей молодой доярки он перенес в царапину на коже восьмилетнего мальчика. Мальчик переболел коровьей оспой, она прошла у него в очень легкой форме. Через шесть недель Дженнер привил ему натуральную оспу. И мальчик не заболел. Таким образом Дженнер доказал, что невосприимчивость к натуральной оспе может быть приобретена и в результате прививки человеку менее опасной коровьей оспы. Открытый им метод предохранительных прививок он назвал вакцинацией, а материал для прививки, полученный из коровьих оспин, — вакциной (от латинского vacca — корова).

Но предложенная Дженнером вакцинация была встречена далеко не восторженно. Напротив, в консервативном английском обществе она вызвала бурю протестов и насмешек. Сохранилась карикатура, изображающая врача (конечно, Дженнера), который делает прививку оспы, и у его «жертв» начинают расти рога, коровьи головы, хвосты, копыта… Однако вскоре и консервативные англичане примирились с необычными методами Дженнера, и Англия стала первой страной, в которой благодаря этому человеку удалось ликвидировать оспу.

Большинство цивилизованных государств приняло вакцинацию как обязательную меру борьбы с оспой. Сегодня в этих странах забыли, что такое оспа. Джести, испытавший на себе прививку коровьей оспы, заслужил лишь пару теплых слов на надгробии, но Дженнер создал основу современной профилактической прививки еще тогда, когда не существовало никаких научных данных о причинах и возбудителях заразных болезней. Однако оспа и в наши дни еще встречается в отдельных странах Азии и Латинской Америки, среди которых Бразилия по количеству заболеваний стоит на первом месте.

В мае 1965 года в США был отмечен первый за 15 лет случай заболевания оспой у женщины, прибывшей из Ганы. Этот случай повлек за собой ряд экстренных профилактических мероприятий. Более 1000 человек, которые могли прямо или косвенно быть в контакте с заболевшей, были взяты под медицинский надзор и подвергнуты вакцинации.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выработала программу полной ликвидации оспы на всем земном шаре до 1975 года. Расходы по ее осуществлению превышают 180 миллионов долларов. Рекомендуется ввести международные удостоверения о прививке против оспы, желтой лихорадки и холеры. Для въезда в некоторые государства требуется вакцинация, проведенная не ранее чем за три года до этого.

Пастер — укротитель микробов

После того как Кох открыл и выделил чистую культуру возбудителя сибирской язвы, Пастер также заинтересовался этим микробом. Ему удалось обнаружить бациллу в теле дождевых червей, обитавших в местах захоронения животных, которые погибли от сибирской язвы. Из червей он получил чистую культуру бацилл и показал, что ею можно вызвать заболевание у восприимчивых к сибирской язве животных. Затем он выращивал бациллу при высокой температуре и обнаружил, что животные, зараженные такой культурой, не заболевают и становятся невосприимчивыми к сибирской язве. Сообщение о его наблюдениях вызвало недоверие и даже насмешки. Пастер предложил провести публичный опыт на животных для доказательства справедливости своих выводов. Для опыта были отобраны 50 овец[34], половине из них была введена вакцина с «укрощенными» бациллами, а затем всем пятидесяти привита вирулентная культура возбудителя сибирской язвы. Пастер утверждал, что первая партия овец должна остаться здоровой, а вторая заболеть сибирской язвой и погибнуть.

5 мая 1881 года 25 овец получили первую дозу вакцины, а через 12 дней — вторую, более сильную; 31 мая обе группы были заражены одинаковыми дозами вирулентной культуры.

Общественность была взволнована, заключались пари; 2 июня после полудня собралась большая группа животноводов, врачей, ветеринаров, журналистов и ученых из ближайших окрестностей и дальних районов, чтобы убедиться в справедливости предсказанных Пастером последствий. Каков же был результат? 22 из невакцинированных овец погибли, три остальные лишь ненадолго пережили основную группу и тоже погибли. 25 вакцинированных овец остались здоровыми! Так Пастер укротил возбудителя сибирской язвы и использовал его для защиты против болезни, которую вызывал этот микроб.

Несколько лет спустя он поразил мир новым открытием, доказав, что бешенство является инфекционной болезнью, вызываемой вирусом. Термин «вирус» применяли тогда по отношению ко всем микроорганизмам, вызывающим заболевание.

В слюне заболевших животных находился невидимый возбудитель бешенства. Этой слюной Пастер заражал подопытных животных, которые в большинстве случаев погибали. Длительными опытами он установил, что спинной мозг животных, погибших от этой болезни, можно использовать для иммунизации других животных против бешенства. Для прививки Пастер употреблял экстракт высушенного особым способом спинного мозга. Спустя некоторое время он вводил животным кусочки свежего спинного мозга с патогенными свойствами, но животные оказывались невосприимчивыми к инфекции. Опытами на сотнях животных ученый доказал, что «фиксированный вирус», как была названа новая вакцина, предохраняет их от заболевания бешенством, если ввести ее до заражения или в скором времени после заражения (например, укуса и др.). Оставалось только испытать это открытие на людях.

И вот 6 июля 1885 года к Пастеру пришла плачущая мать с мальчиком, которого по дороге в школу укусила бешеная собака. В ранах мальчика была слюна больного животного, и Пастер понимал, что ребенок обречен. Он сообщил несчастной матери, что положение ее сына безнадежно и что единственная надежда на спасение была в попытке испробовать его вакцину против бешенства, уже испытанную в опытах на животных. Но на человеке она еще не была проверена. А сейчас он мог бы провести это испытание при условии, если мать освободит его от ответственности за возможные трагические последствия. Мать ухватилась за этот последний проблеск надежды и согласилась на испытание. Лечение началось. Мальчику постепенно вводили соответствующие дозы вакцины. Пастер пережил несколько бессонных ночей и тревожных дней, ожидая возможных приступов страшной болезни. Но критический период прошел, а мальчик оставался здоровым и веселым. Это был огромный успех! До сих пор заражение бешенством обрекало человека на верную смерть.

На площади перед зданием Естественноисторического факультета в Лилле, где работал молодой Пастер, стоит скульптура, которая изображает мать, протягивающую к Пастеру излеченное дитя. Этот памятник — символ благодарности ученому, спасшему своим открытием множество человеческих жизней.

Пастеровский институт, основанный на скромные средства для лечения бешенства, и в наши дни продолжает существовать как частное учреждение. За прошедшие годы восемь его сотрудников удостоены Нобелевских премий по физиологии и медицине. Ими созданы вакцины против бешенства, желтой лихорадки, дифтерии, столбняка, туберкулеза и гриппа.

Вакцина Сейбина

Полиомиелит, или детский паралич, был известен еще в Древнем Египте, но вирус, вызывающий это заболевание, был открыт лишь в 1949 году тремя американскими учеными: Дж. Эндерсом, Т. Уэллером и Ф. Роббинсом, получившими за свое открытие спустя пять лет Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

После того как был разработан метод выращивания вируса в культурах тканей, возникла необходимость создания противополиомиелитной вакцины. Среди ученых образовалось два лагеря: одни ратовали за вакцину с убитым вирусом, другие превозносили преимущества живой вакцины. Были испытаны обе возможности.

«Отцом» вакцины с убитым вирусом стал американский ученый И. Солк. Он доказал, что его вакцина значительно усиливает защитный механизм человеческого организма. В 1955 году прививка вакциной Солка была проведена в массовых масштабах. О положительных результатах прививки сообщали из Канады, Дании, ФРГ, Англии и ЮАР. После трехкратных или четырехкратных инъекций 90 % пациентов приобрели довольно высокую степень иммунитета. Недостатком метода было лишь то, что при использовании этой вакцины уничтожить вирус полиомиелита в пищеварительном тракте человека не удавалось.

Большой вклад в борьбу с полиомиелитом внесли сторонники вакцины с живым вирусом. Она была создана тремя соотечественниками Солка — А. Сейбином, X. Копровским и X. Коксом, но называется просто вакциной Сейбина. Вакцину Солка надо было вводить инъекцией, тогда как вакцину Сейбина можно принимать внутрь в виде раствора. Уже в 1961 году при вакцинации 80 миллионов человек был достигнут большой успех: у пациентов возник иммунитет, возросла устойчивость пищеварительного тракта к вирусу. Более того, от иммунизированных людей «ослабленный» вирус распространился и в окружающую их среду, производя «непрямую» иммунизацию ближайших к ним лиц. Уже в течение нескольких лет вакцина Сейбина прививается и чехословацким детям.

А теперь сравним историю создания трех вакцин. В XVIII веке Дженнер знал об инфекционности оспы, но ничего не знал о ее возбудителе — вирусе. В XIX веке Пастер доказал, что возбудителем бешенства является вирус, хотя и не выделенный им. В XX веке Солк и Сейбин не только знали, кто является возбудителем полиомиелита, но и выделили его. И во всех случаях вакцины были благодеянием для пострадавших.

Интерферон и его предназначение

Уже более трех десятков лет известно, что инфекция, вызванная одним вирусом, может ограничить или предотвратить заражение другим вирусом. В 1957 году А. Айзекс и Дж. Линдеман из Национального института медицинских исследований в Лондоне показали, что этот феномен определяется веществом белкового характера, которое они назвали интерфероном. Интерферон возникает в клетке, зараженной вирусом, и призван защищать от заражения остальные, неинфицированные клетки.

Открытие интерферона заставило ученых усомниться в том, что самой первой реакцией организма на появление вируса является обычный процесс образования антител. По-видимому, именно интерферон представляет первую линию обороны при вирусной инфекции, с его помощью зараженная клетка как бы сигнализирует другим клеткам о вирусной угрозе. Этот сигнал, переданный молекулами интерферона, дает возможность здоровым клеткам выработать защитные белковые вещества, препятствующие синтезу вирусных частиц. Защитный белок известен микробиологам под названием ТИП (сокращенная форма термина «трансляционный ингибирующий протеин», или передаточный тормозящий белок). ТИП препятствует размножению вируса в клетках, не нарушая при этом нормального синтеза белков.

Индукция образования интерферона. 1-й этап; а — здоровая клетка; б — ДНК клеточного ядра реагирует на присутствие индуктора «сигналом тревоги», в результате чего возникает иРНК для синтеза интерферона; в — соединившись с рибосомой, РНК начинает руководить синтезом интерферона. 2-й этап: г — интерферон перемещается в другие, здоровые клетки, ДНК которых стимулирует образование иРНК для синтеза противовирусного белка; д — соединившись с рибосомой, РНК управляет синтезом противовирусного белка; е — нуклеиновая кислота вируса вынуждает клетку образовывать иРНК для получения вирусного белка, но последний не может образоваться, поскольку рибосома «блокирована» противовирусным белком. Синтез интерферона воспрепятствовал размножению вируса и предотвратил заболевание организма.

Впоследствии было установлено, что образование интерферона можно вызвать (индуцировать) действием различных природных или синтетических веществ, для которых характерна одна общая особенность — все они содержат РНК с двумя спиралями. Обычно молекулы РНК имеют одну спираль, но некоторые вирусы и бактериофаги обладают двуспиральной РНК. Схема индукции дана на прилагаемом рисунке.

Естественно, что после открытия интерферона оптимистично настроенные ученые были готовы видеть в нем мощное средство борьбы с вирусами. Но проведенные в этом направлении опыты принесли разочарование. Однако с открытием возможности искусственной индукции образования интерферона при помощи вышеупомянутых веществ появились новые перспективы. Ученые приступили к сложным опытам, и нам придется терпеливо дожидаться результатов, которые покажут, в какой мере смогут исполниться надежды, связанные с интерфероном.

Вакцина с шифром БЦЖ

Незадолго до начала первой мировой войны французские бактериологи А. Кальмет и Ш. Герен начали длительные опыты по созданию вакцины против туберкулеза. Долголетними повторными прививками туберкулезных бацилл (Mycobacterium tuberculosis) они получили невирулентные бациллы, сохранившие, однако, свои антигенные свойства. Первый раз они применили противотуберкулезную вакцину 1 июля 1921 года, сделав прививку грудному младенцу, мать и бабушка которого болели туберкулезом. Ребенок остался здоровым.

Их вакцина стала известна под сокращенным названием BCG (БЦЖ: бацилла Кальмета — Герена) и была с воодушевлением принята общественностью. Но потом произошло трагическое событие.

В немецком городе Любеке в период с декабря 1929 по апрель 1930 года вакцинировали 252 ребенка и 71 из них умер. Доверие к БЦЖ было подорвано. Уже значительно позднее установили, что несчастье произошло из-за роковой ошибки в одной лаборатории, где вместо БЦЖ детям ввели вирулентные бациллы туберкулеза!

После выяснения причин этого трагического случая доверие к БЦЖ стало понемногу восстанавливаться. В 1924 году противотуберкулезную прививку сделали 217 грудным детям. По данным Всемирной организации здравоохранения, за 40 последующих лет в шестидесяти странах было сделано несколько сотен миллионов прививок. Теперь в большинстве стран каждый ребенок получает инъекцию БЦЖ тотчас после рождения. По прошествии трех месяцев применяют туберкулин, при помощи которого узнают, приобрел ли ребенок, которому была привита БЦЖ, иммунитет к туберкулезу. Перед вакцинацией взрослых также производится испытание туберкулином. Если результат положительный, то прививку не делают.

Британский совет по медицинским исследованиям опубликовал результаты вакцинации 65 000 английских детей. Спустя пять лет заболеваемость туберкулезом среди них снизилась на 83 % по сравнению с группой, в которой вакцинация не проводилась.

В одной из предыдущих глав мы уже говорили о. том, что возбудителем проказы является бацилла Mycobacterium leprae. До самого недавнего времени надежного средства против этой болезни не существовало. Несколько лет назад стали применять сульфамидные препараты, которые излечивают до 15 % тяжелых форм кожной и почти все случаи нервной проказы. Курс лечения длится от трех до пяти лет и стоит больших средств. В 1966 году английский медицинский журнал British Medical Journal опубликовал результаты пятилетних опытов, проведенных в Уганде. Советник по вопросам проказы при правительстве Уганды доктор Дж. Броун и его ассистентка М. Стоун отобрали 17 000 детей, бывших в непосредственном контакте с прокаженными и подверженных опасности заболевания. Произвольным отбором они отделили из них половину и сделали им прививку БЦЖ. Вторая половина детей служила контролем. С двухлетними перерывами проводили осмотр 94 % всех детей. Количество заболевших в группе, которой была сделана прививка, оказалось на 80 % меньше, чем в контрольной. Таким образом, вакцина БЦЖ играет двойную роль: предохраняет от заболевания туберкулезом и обеспечивает защиту населения от проказы.

Так спустя 170 лет был как бы повторен опыт Дженнера, в свое время доказавшего, что вакцина коровьей оспы может защитить и от натуральной оспы.

Анатоксин Беринга

Открытию возбудителя дифтерии мы обязаны ученикам Коха и Пастера. Немецкий ученый Фридрих Леффлер обнаружил и изучил возбудителя болезни, дифтерийную палочку Corynebacterium diphteriae. Леффлер высказал предположение, что непосредственной причиной заболевания является токсин, выделяемый этим микробом. Французский исследователь Эмиль Ру доказал, что этот токсин действительно существует и что бацилла дифтерии выделяет его при выращивании на мясном бульоне. Немецкий ученый Эмиль Беринг установил, что малые дозы токсина, введенные подопытным животным, обеспечивают их невосприимчивость к этой болезни. В крови иммунных животных он нашел вещество, нейтрализующее токсин, и назвал его анатоксином. В 1895 году им был разработан метод получения анатоксина из крови иммунных животных, и с тех пор его стали применять для профилактической прививки против дифтерии.

В наши дни анатоксин вырабатывается в больших количествах. Культура дифтерийной палочки вносится в соответствующую жидкую питательную среду, где в результате размножения бацилл создаются большие количества токсина. Затем бактерии убивают, культуральную среду фильтруют и полученный фильтрат прививают молодым лошадям в такой дозе, чтобы токсин вызвал у них образование антител (анатоксинов). Находящийся в их крови анатоксин обезвреживает выделяемый микробами токсин. Когда накопится достаточное количество анатоксина, от каждого животного берут до 10 л крови и в строго асептических условиях получают сыворотку, которую после соответствующей проверки используют для так называемой пассивной иммунизации человека. Дифтерийный анатоксин является по существу антителами дифтерийного токсина, которые организм человека получает уже в готовом виде.

Средства прививки и иммунизация

Итак, теперь мы уже знаем, что кроме врожденного иммунитета, присущего определенным организмам, невосприимчивость к инфекциям можно создать и искусственным путем — так называемой иммунизацией. Для этого применяют вакцины или иммунные сыворотки.

Иммунизация иммунной сывороткой является пассивной, поскольку организм человека сам не вырабатывает действенные антитела, а получает их готовыми. Сыворотку получают, как уже говорилось, из крови вакцинированных или переболевших животных, у которых образование антител вызывается заражением антигенами. Последние обычно представлены токсинами болезнетворного микроба.

Совсем иная сущность процесса активной иммунизации, когда в организм вводятся в виде прививочных вакцин убитые или ослабленные возбудители инфекционных заболеваний.

При изготовлении вакцины болезнетворные микробы обрабатываются так, чтобы их патогенные свойства были уничтожены, а антигенные сохранились. Прививка такой вакцины приводит к образованию соответствующих антител.

В таблице 12 приведены примеры создания активного и пассивного иммунитета против некоторых широко распространенных заболеваний.

В Чехословакии детям в обязательном порядке делаются следующие прививки. При рождении они получают вакцину БЦЖ (от туберкулеза). Спустя некоторое время почти одновременно им делают прививки против дифтерии, столбняка и коклюша. Затем проводят вакцинацию против оспы, несколько позднее — против полиомиелита и против кори (последняя введена совсем недавно). Таким образом, дети иммунизируются против четырех болезней бактериального происхождения (туберкулез, дифтерия, столбняк и коклюш) и против трех заболеваний, возбудителями которых являются вирусы (оспа, полиомиелит и корь).

18. «Волшебные пули»

Эрлих посвятил себя поискам таких «волшебных пуль», которые могли бы точно и надежно поражать определенных возбудителей инфекций… В его понимании стрелять этими целебными пулями означало искать и количественно оценивать проявления болезни химическими средствами.

Й. Фонкеннель, 1956

Поиски

Проблема лечения болезней — столь же древняя, как и само человечество. Вместе с открытием их возбудителей шли поиски эффективных средств лечения. К методам лечения, которыми мы привыкли пользоваться сегодня, вел тернистый путь, усеянный и многими ошибками, и значительными успехами. И, конечно, современное состояние здравоохранения — всего лишь этап на пути дальнейшего решения этой проблемы.

Римский врач и естествоиспытатель Гален, живший во II веке, рекомендовал от многих болезней порошок из человеческих костей. Ибн Сина (латинизированное Авиценна), знаменитый таджикский врач, стал крупнейшим авторитетом в Средней Азии.

Болезни не оставались и вне внимания алхимиков, из которых многие стали создателями «чудотворных» лекарств. Новые пути врачевания искал в XVI веке и выдающийся немецкий врач и химик Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, называвший себя Парацельсом. Он отвергал древнюю медицину и символически сжег на площади в Базеле труды Галена и Авиценны, заявляя, что природа может дать лучшие лечебные средства, чем отвары из трав. Значительно более действенными средствами лечения, по его мнению, могли быть такие вещества, как ртуть, железо, сера и свинец. В 1537 году Парацельс посетил Братиславу, где ему был оказан торжественный прием.

Однако вера в целебную силу растений сохранилась до наших дней. Словацкая область Турьец была родиной известных далеко за ее пределами врачей, которые готовили из различных растений целебные масла.

В XVII веке в Европу проник метод лечения малярии, уже давно и с успехом применявшийся индейцами Южной Америки. В 1660 году корой хинного дерева была вылечена жена перуанского вице-короля[35]. Английские врачи Сиденхем и Уиллис распространили это новое средство в Старом Свете. Действующее вещество коры хинного дерева — хинин — выделили в 1820 году французские ученые Пельтье и Кавенту[36]. С тех пор хинин стал незаменимым средством в аптечке путешественников, отправлявшихся в неизведанные края, где царила малярия.

Химические препараты все больше и больше привлекали внимание ученых, они исследовали их возможные целебные свойства. В 1902 году французам А. Лаверану и Меснилю удалось при помощи арсенита калия излечить мышь, зараженную сонной болезнью. Но действие этого соединения мышьяка, к тому же сильно ядовитого, оказалось преходящим, и от лечения им пришлось отказаться. Лучших результатов добился английский врач Томас, применивший в целях лечения другой препарат мышьяка под названием атоксил. В то же время вопрос о химических средствах лечения очень волновал одного немецкого ученого, справедливо заслужившего вскоре титул основателя химиотерапии.

Соединение № 606

Пауль Эрлих, о котором мы уже знаем из рассказа о его спорах с Мечниковым по поводу иммунитета, всегда возлагал большие надежды на химию. Он был уверен, что она поможет ему найти «волшебную пулю», которая уничтожит возбудителя сифилиса. Соединение, которое он искал, должно было обладать сильным бактерицидным действием и в то же время не повреждать клетки человеческого организма. Это была очень притягательная мысль, но осуществить ее было нелегко. Немецкие химики в то время уже создали высококачественные красители, и некоторые из них с успехом применялись в молодой науке бактериологии. Поскольку Эрлих разрабатывал методы "окраски бактериальных препаратов, он знал, что некоторые красящие вещества легче вступают в контакт с бактериальными клетками, чем с тканями человека. Красители стали первыми помощниками в поставленной им цели — найти «волшебные пули» против бактерий.

Одно из таких красящих веществ — метиленовый синий — уже использовалось в качестве лечебного средства против малярии. Усложнение молекулы метиленового синего путем присоединения группы атомов, называемых радикалами, позволило химикам создать сильнодействующее противомалярийное средство.

Эрлих и его японский коллега Шига проверили в 1904 году действие красителя трипановый красный в борьбе с простейшими. Испытания проводились на мыши, инфицированной Trypanosoma equinum. Казалось, что лечение проходит успешно. Однако после его прекращения болезнь возобновлялась. «Волшебная пуля» не достигала цели. Эрлих лишний раз убедился, что применение случайных средств не дает желаемого результата.

В то время для борьбы с сифилисом уже пытались использовать мышьяковистое соединение атоксил. Хотя опыты с животными, зараженными спирохетами, дали обнадеживающие результаты, лечение человека атоксилом было безуспешным. Излечив одну болезнь, атоксил вызывал другую — вредно влиял на центральную нервную систему и повреждал зрительный нерв. Тем не менее этот препарат привлек внимание Эрлиха. Будучи высококвалифицированным химиком, он понимал, что малейшее изменение в составе вещества влечет за собой изменение его свойств. Вот если бы удалось так изменить химическую структуру вещества, чтобы его противомикробное действие усилилось, а вредное влияние на человеческий организм уменьшилось!

При изучении атоксила Эрлих обнаружил нечто новое для себя. Лечебное действие этого вещества связано с химическим преобразованием мышьяка. Аток-сил содержит пятивалентный мышьяк, изменяющийся в организме на трехвалентный — именно в этой форме он и убивает всех простейших. Необходимо было синтезировать такое соединение, в котором мышьяк сразу был бы трехвалентным. Стала ясна ближайшая цель, и Эрлих со своими сотрудниками принялся за работу.

Ученые использовали весь имевшийся в то время арсенал химических методов: взвешивание, кипячение, охлаждение, кристаллизацию, очистку и т. д. В результате получали новые, родственные атоксилу соединения мышьяка. Их было уже свыше пятидесяти, но все они, пройдя испытания, не удовлетворяли необходимым требованиям. Однако Эрлих не сдавался и разрабатывал самые различные пути синтеза. Его письменный стол был завален бумагами, исписанными химическими формулами, в лаборатории под его руководством создавались все новые и новые соединения. Их уже перевалило за третью сотню, а положительных результатов не было.

Неужели он ошибался? Не следовало ли попытать счастья в другом направлении?

Но Эрлих отбрасывал подобные мысли и с упорством исследователя, уверенного в правильности выбранного им пути, продолжал опыты. Его поддерживали энтузиазм и прирожденная пунктуальность. Уже было синтезировано 600 соединений, в процессе работы получены ответы на многие важные вопросы. Эрлих чувствовал, что недалек день, когда будет получен первый экстракт долгожданного лекарства.

И, действительно, этот день вскоре наступил. Эрлих и его сотрудник Хата[37]наконец синтезировали соединение под номером 606. Оно представляло собой долгожданную «волшебную пулю», получившую название сальварсана.

После успешных испытаний на животных в 1909 году препарат впервые испробовали на человеке, страдающем сифилисом. Результат был отличным — лечение сальварсаном оказалось успешным.

Но ученый на этом не успокоился. Он напоминал поэта, наконец закончившего после долгих, мучительных поисков свое творение: произведение еще несовершенно, гладкость стиха в одной из строф не удовлетворяет, некоторые слова и выражения могли бы быть лучше — и он начинает снова ненова шлифовать и исправлять свою поэму. Эрлих еще три года работал не покладая рук и продолжал совершенствовать полученный препарат. Было испытано около трехсот новых соединений и наконец получено вещество под номером 914, названное неосальварсаном. От сальварсана оно отличалось несколькими новыми атомами, лучше растворялось в дистиллированной воде и было значительно менее токсично.

Но еще до создания неосальварсана, в 1908 году, за работы в области иммунологии Эрлиху была присуждена Нобелевская премия по медицине. Это было признанием и достойной оценкой необыкновенного упорства в поиске «волшебных пуль», которые получили благодаря Эрлиху научное название химиотера-певтических средств. Его лозунг «без спешки, без отдыха» оправдал себя. На Международном медицинском конгрессе, где происходило чествование Эрлиха, он высказал предположение, что ликвидация остальных болезней — вопрос каких-нибудь пяти лет. Умер он в 1915 году, вскоре после того, как истек установленный им срок.

Так медицина нашла в химии союзника в борьбе с болезнетворными микробами. С Эрлиха началась эра химиотерапии.

Интермеццо

Атоксил, сальварсан и неосальварсан зарекомендовали себя как эффективные средства против многих болезнетворных простейших. Было установлено, что даже такой сильный яд, как мышьяк, может быть введен в соединения, безопасные для человека (за исключением атоксила), но убивающие микробы. Последовательные химические реакции, исходным продуктом которых был атоксил, позволили Джекобсу и Хейдельбергеру создать в 1919 году новый лекарственный препарат трипарсамид, успешно примененный ими в лечении сонной болезни.

Затем были получены и другие химиотерапевтические средства, содержащие сурьму или висмут и входящие в состав органических соединений. Однако все эти средства были эффективны лишь в борьбе с простейшими. Бактерии оставались вне сферы их влияния, и «волшебная пуля» против них не была найдена. Со времени предсказанного Эрлихом пятилетнего срока для победы над инфекционными заболеваниями прошло более двадцати лет, прежде чем появились новые химиотерапевтические средства, которые породили новые надежды.

В период этого «интермеццо» учеными были сформулированы «десять заповедей химиотерапии», в которых изложены требования, предъявляемые к синтетическим лекарственным препаратам. Суть этих требований сводится к следующему.

Химиотерапевтическое лечебное средство должно:

1. Убивать микробы или по меньшей мере прекращать их размножение.

2. Уничтожать токсины.

3. Обладать возможно более быстрым действием.

4. Не нарушать равновесия циркулирующих в организме жидкостей.

5. Проникать внутрь клеток пораженного организма и уничтожать в них микробы.

6. Не повреждать ткани и внутренние органы больного.

7. Даже в больших количествах не быть ядовитыми.

8. Стимулировать активность белых кровяных телец.

9. Не разрушать антитела.

10. Способствовать росту тканей.

Предписание было составлено, ждали лишь появления таких химиотерапевтических средств, которые, отвечали бы этим требованиям.

Сульфаниламиды спасают жизнь человеку

Человеком, положившим начало эре сульфаниламидов, был Герхард Домагк, немецкий химик, доктор медицины, удостоенный этого звания в шести странах мира, лауреат Нобелевской премии. Родился он в семье учителя 30 октября 1895 года. Во время первой мировой войны работал в холерном отделении военного лазарета, а после войны закончил свое медицинское образование. Спустя три года стал доцентом, а через четыре года — профессором университета в городе Мюнстер.

Вдохновленный идеями «отца химиотерапии» Пауля Эрлиха, Домагк посвятил себя поискам, изготовлению и изучению синтетических веществ для борьбы с инфекционными болезнями, возбудителями которых являются патогенные микробы.

Под руководством Домагка два немецких химика, Мицш и Кларер, получили соединения, содержащие в своих молекулах группу из двух атомов азота (—N = N—), называемую диазогруппой.

Домагк испытывал действие этих соединений в лечении бактериальных инфекций на подопытных мышах. В 1932 году им было отмечено лечебное действие красного стрептоцида, известного в химии под названием пронтозила. Этот препарат вылечивал мышей, зараженных гемолитическим стрептококком, что явилось первым крупным успехом ученого. В 1932–1935 годах он испытал действие пронтозила во многих немецких клиниках и 15 февраля 1935 года опубликовал сообщение о его лечебных свойствах и результатах первых клинических испытаний. Сообщение было помещено в немецком медицинском еженедельнике (Deutsche Medizinische Wochenschrift) под заголовком «Материалы к химиотерапии бактериальных инфекций».

В то время, когда проверяли действие пронтозила еще только на подопытных животных, в семье Домагка произошел случай, ускоривший испытание нового препарата на людях. Ребенок Домагка уколол иглой руку и внес инфекцию стрептококка, вызвавшую интенсивное и болезненное подкожное воспаление, которое не удалось ликвидировать даже вскрытием нарыва. Состояние больного ухудшалось и вскоре стало совсем безнадежным. Тогда отец решил испытать пронтозил на собственном ребенке. Уже первые дозы введенного препарата дали положительные результаты. Ученый со скорбью вспомнил своего отца, умершего несколько лет назад от тяжелого заражения крови и которого он мог бы спасти, будь у него тогда пронтозил.

Выздоровление ребенка в семье Домагка и хорошие результаты клинических испытаний открыли пронтозилу двери целого ряда больниц, где его спасительного действия ожидали многие тяжелобольные.

В исследовании действия пронтозила ученые столкнулись с загадочным явлением. Препарат, убивая болезнетворные бактерии в организме человека или подопытных животных, в лабораторных условиях (в жидкой культуральной среде) не оказывал на них никакого действия. Эту загадку удалось разгадать супругам Трефуэль из Пастеровского института в Париже. Они показали, что в организме человека пронтозил расщепляется на два компонента, один из них — сульфаниламид — обладает бактерицидным действием как в живом организме (in vivo), так и в пробирке (in vitro). Химическая структура сульфаниламида довольно проста, и его синтез был хорошо известен. Вскоре фармацевтическая промышленность многих стран стала поставлять на рынок именно этот действенный препарат. Но химики на этом не остановились. Они пытались путем химического превращения молекулы сульфаниламида сделать препарат эффективным и против других бактерий.

Английские исследователи Эванс и Филлипс добились в этом направлении первого успеха. В сульфамидной группе (—S0_2NH_2) молекулы сульфаниламида они заменили один атом водорода остатком молекулы пиридина, также лишенной одного атома водорода. Так был получен сульфапиридин. В отношении стрептококков он оказался эффективнее сульфаниламида и, кроме того, убивал пневмококки, вызывающие воспаление легких.

Замещением атома водорода в аминогруппе (—NH_2) сульфаниламида тиазольным ядром был получен еще один препарат — сульфатиазол, известный как цибазол (по названию швейцарской фирмы ЦИБА). Сульфатиазол оказался препаратом с более широким спектром антибактериального действия, чем сульфапиридин, и был менее токсичным для человеческого организма. Присоединив к молекуле сульфатиазола еще одну группу атомов, химики получили сукцинил-сульфатиазол — соединение, эффективное в борьбе с возбудителем дизентерии Shigella dysenteriae.

Замещением обоих атомов водорода в аминогруппе другим радикалом было получено еще одно действенное средство против возбудителя дизентерии — сульфагуанидин.

Мы могли бы перечислить десятки сульфаниламидов (отличающихся друг от друга радикалами), которые определяют специфику действия препарата на разные виды бактерий и на человеческий организм. Сегодня химиками получено несколько тысяч различных сульфамидных препаратов. Многие из них сразу же нашли применение в медицине. Только в США в 1943 году фармацевтическая промышленность произвела 3000 т сульфаниламидов, и они были применены при лечении 129 миллионов человек.

Но ученых уже волновала новая проблема. Им хотелось знать, почему сульфаниламиды убивают одни микроорганизмы и оказываются бессильными против других. Ученые узнали о многих интересных фактах, а попутно открыли и новый витамин. Но это уже тема другого рассказа.

В послевоенные годы Домагк продолжал работать над противомикробными препаратами. Ему удалось создать два лекарственных средства против туберкулеза, известных под названием контебен и неоконтебен. Занимался он и проблемой лечения рака. Университеты и научные общества многих государств присвоили ему степень почетного доктора и почетного члена обществ. Этот выдающийся ученый скончался 24 апреля 1964 года. Но остались его работы, и они показывают, как много может сделать наука, поставленная на службу человечеству.

Как достигают цели «волшебные пули»

Лабораторные опыты с сульфаниламидами позволили узнать, каким образом они обезвреживают бактерии.

В отличие от некоторых антибактериальных веществ, таких, например, как дезинфекционные средства, сульфаниламиды не убивают бактерии, они прекращают их размножение.

Бактериостатическое действие сульфаниламидов проявляется в том, что они влияют на ход химических реакций в бактериальных клетках, и это приводит в конце концов к прекращению процесса размножения. А поскольку и бактерии не бессмертны, клетки, переставшие размножаться, через некоторое время погибают.

Но это уже вторичное явление. Исследуя действие сульфаниламидов на ту или иную бактериальную культуру в лабораторных условиях, ученые неоднократно подмечали, что состав некоторых питательных сред противодействует влиянию препарата.

Лишь в 1940 году ученые смогли наконец разрешить вопрос о том, какое вещество парализует действие сульфаниламидов. Английский микробиолог К. Р. Вудс установил, что это пара-аминобензойная кислота (ПАБК). Каждая молекула этого вещества нейтрализует бактериостатическое действие 1000, а иногда и 26 000 молекул сульфаниламида в культуре стрептококков. Если в культуру стрептококков, в которой ранее введением сульфаниламида их размножение было прекращено, добавить небольшое количество ПАБК, деление клеток возобновляется. Такая активность пара-аминобензойной кислоты позволила Вудсу считать, что это вещество необходимо для нормального существования бактерий.

Подобные наблюдения проводил и соотечественник Вудса Филдс. Он установил, что если в питательной среде количество сульфаниламида выше той нормы, которую могла «блокировать» ПАБК, то размножение прекращается. Филдс развил мысль Вудса об огромном значении ПАБК для бактерий, показав, что это вещество является существенным компонентом ферментов, катализирующих важные реакции в клетках бактерий.

Дальнейшие исследования подтвердили предположение Филдса. Пара-аминобензойная кислота оказалась витамином группы В. Она участвует в качестве кофермента главным образом в процессе переноса атомарного водорода — одной из важнейших биохимических реакций во всех живых клетках.

Каким же образом сульфаниламиды нарушают активность ферментов, содержащих пара-аминобензойную кислоту? Это первый вопрос. И второй: почему эта кислота может «блокировать» в несколько тысяч раз большее количество молекул сульфаниламидов? Ответ на оба вопроса один.

Сравним химическую структуру пара-аминобензойной кислоты и сульфаниламида. Они сходны — лишь вместо карбоксильной группы (—СООН), содержащейся в ПАБК, сульфаниламид имеет сульфамидную группу (—S0_2NH_2). Это сходство позволило Вудсу и Филдсу предположить, что сульфаниламиды замещают ПАБК в ферментах микроорганизмов, тем самым лишая их активности. Если в среде находится достаточное количество ПАБК, ферменты полностью обеспечены этим веществом и сульфаниламиды не могут оказать на них вредного действия. Представим себе, что в питательной среде имеется 1000 молекул белка, которые должны соединиться с ПАБК для образования активного фермента. Но в среде находится лишь 20 молекул ПАБК и несколько сотен миллионов молекул сульфаниламида. 980 белковых молекул не смогут соединиться с ПАБК, и тогда имеющиеся в среде очень сходные в химическом отношении молекулы сульфаниламида соединятся с 980 свободными молекулами белка. Фермент не сможет образоваться, биохимические превращения не произойдут, и в результате клетки перестанут делиться.

Итак: 1. Молекулы ПАБК, соединяясь с определенным белком, образуют фермент, катализирующий основные биохимические реакции. Результат: клетки растут и размножаются.

2. При соединении сульфаниламида с этим же белком фермент не образуется. Результат: биохимические реакции не происходят, рост клеток прекращается и они перестают размножаться.

Сопоставление химической структуры пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) и сульфаниламида

При нормальных условиях клетки быстрее усваивают пара-аминобензойную кислоту, чем молекулы сульфаниламидов. С этим связан и факт «блокирования» сульфаниламидов кислотой. Этот факт имеет важное практическое значение: при лечении необходимо ввести достаточное количество сульфамидного препарата, чтобы «блокировать» действие ферментов, в которых нуждается ПАБК.

Еще более эффективным лечебным препаратом является септрин. Он состоит из двух компонентов — сульфаниламида и триметоприма, которые двояко действуют на бактерии: сульфаниламид блокирует включение ПАБК в дигидро-фолиевую кислоту, а триметоприм — ее превращение в тетрагидрофолиевую кислоту, играющую роль «переносчика одноуглеродных соединений».

Разочарование

Появление сульфаниламидов врачи встретили с воодушевлением и большими надеждами. Сколько серьезных болезней было ликвидировано новыми лекарствами! Фармацевтическая промышленность буквально заполонила рынок огромным количеством сульфамидных препаратов, имеющих самые разные фирменные названия и символы. Врачи поздравляли друг друга с крупным успехом, их авторитет необычайно возрос.

Однако использование сульфамидных препаратов в борьбе с бактериями имело и свои теневые стороны. Прошло всего лишь несколько лет, и в лексиконе микробиологов и врачей все чаще стало появляться слово резистентность (устойчивость). Значение этого слова приобретало все более тревожный смысл — сульфаниламиды не оправдывали надежд. По истечении шести лет со времени введения в практику сульфамидных препаратов большая часть больных гонореей уже не поддавалась лечению. Бактерии стали устойчивыми к этому препарату.

Неудачи касались не только гонореи. «Сопротивляться» стали и другие инфекционные болезни. Было показано, что устойчивость бактерий к сульфаниламидам передается последующим поколениям. В связи с этим в период второй мировой войны сульфамидные препараты применялись реже.

К этому времени в некоторых странах медики уже имели в своем распоряжении новое средство, вытеснившее сульфаниламиды, — пенициллин. Но и он не был «панацеей от всех бед». С ним стала повторяться та же история — микробы и к нему приспособились, Но это явление, как мы еще убедимся в дальнейшем, позволило ученым глубже вникнуть в тайны наследственности микроорганизмов.

Борьба с «белой чумой» продолжается

С того времени, как было установлено, что туберкулез является инфекционным заболеванием, и до открытия туберкулезной палочки прошло 40 лет. Интересно, что до открытия и применения вакцины БЦЖ прошло тоже 40 лет. А потом минуло еще четверть века до той поры, когда против этой «белой чумы» стали использовать и химиотерапевтические средства.

Сульфаниламиды не были эффективны в борьбе с возбудителем туберкулеза. После второй мировой войны Домагк и его сотрудники синтезировали контебен и неоконтебен. Оба вещества относятся к тиосемикарбозонам. В послевоенные годы удалось синтезировать еще два препарата — пара-аминосалициловую кислоту (ПАСК) в 1946 году и изониазид (ИНА) в 1951 году; оба обладали высокими противотуберкулезными свойствами. Вместе с ними медицина получила и третье боевое оружие в борьбе с туберкулезом в виде антибиотика стрептомицина.

Введение в практику этих трех лекарственных веществ резко изменило ситуацию, и в 1950–1960 годы смертность от туберкулеза значительно снизилась. Так, если раньше в Голландии на 100 000 жителей от этой болезни умирало 14, го после введения в практику ПАСК, ИНА и стрептомицина число умерших снизилось до 2 человек. В США смертность также снизилась с 21 до 6, во Франции с 47 до 20, а в Японии со 122 до 31 человека.

Однако не стоит забывать, что в ряде развивающихся стран туберкулез, малярия и голод по-прежнему остаются главными причинами высокой смертности. И по прежнему остается в силе лозунг «Никакого перемирия в борьбе с туберкулезом!»

Можно ли искоренить малярию?

Хинин, самое старое из известных средств против малярии, получил нового соратника в борьбе против болезни, которую не раз называли неприятелем номер один. Параллельно с уничтожением комаров, переносящих возбудителя болезни, началось наступление по всему фронту на простейшие из рода Plasmodium — главного виновника этого известного еще в древности заболевания.

Эффективным средством против малярии оказался хлорохин. В Бразилии с 1951 года стали продавать пищевую соль, содержащую примесь хлорохина. Обычно к 1000 частям соли прибавляют 3 части лекарственного вещества. Преимуществом этого средства является то, что его может регулярно получать каждый житель. Под эгидой Всемирной организации здравоохранения уже в 50-е годы была начата кампания по искоренению малярии во всем мире, которая должна была, согласно официальному заявлению, означать «конецмалярийной инфекции и устранение ее очагов в кратчайшее время…» Как мы еще увидим в 20-й главе, в борьбе с переносчиками малярии и других инфекционных заболеваний важную роль сыграли и средства против насекомых — инсектициды.

Химические структуры «волшебных пуль» — наиболее известных химиотерапевтических средств (в скобках указан год их создания).

Младшие члены семейства

В группе химиотерапевтических средств после создания сальварсана появилось уже несколько новых «генераций». Первой из них была группа сульфаниламидов, введенных в практику в 30-е годы. Следующей — ПАСК и ИНА. С того времени постоянно появлялись «младшие члены» этого рода.

В борьбе с бактериями уже несколько лет успешно применяются нитрофураны. В Чехословакии большое распространение из этой группы веществ получил нитрофурантоин. Особое место среди химиотерапевтических средств занимает налидиксин, или налидиксиновая кислота, которая применяется при лечении инфекций мочеполовых путей.

Во многих странах мира работают группы химиков, которые ищут новые средства и создают новые модификации уже известных лекарств. Но есть и такие ученые, которые выбирают «нехоженые тропы», синтезируют новые вещества, затем в микробиологических лабораториях испытывают их действие на бактериях, грибах и простейших. Наиболее эффективные из этих веществ передаются фармакологам. Проводя тщательные анализы над животными, ученые ищут среди полученных соединений самые действенные «волшебные пули»», которые должны, по представлению Эрлиха, поразить возбудителя инфекции, не вредя при этом человеческому организму.

19. Век антибиотиков

Влияние антибиотиков на человеческое общество настолько сильно, что наше время смело можно назвать эрой антибиотиков.

С. Я. Ваксман

Пролог

Во время нашего совместного путешествия в страну микробов мы упоминали о наблюдениях Пастера, касающихся антагонизма среди микроорганизмов. Он обратил внимание на этот факт в 1877 году. Но еще за четыре года до этого английский ученый Уильям Робертс опубликовал свои соображения по этому же поводу. Он писал:

«Мне кажется, что между плесневыми грибами и бактериями существует антагонизм. В многократно повторенных опытах мне удалось наблюдать, что в жидких средах, в которых выращивался гриб Penicillium glaucum, бактерии развивались плохо… По-видимому, можно также говорить и об антагонизме между бактериями двух различных видов. Вероятно, это проявление борьбы за существование…»

Однако и Робертс не был первым. На восемь лет опередил его английский физик Тиндаль, наблюдавший антагонистическое действие одного из видов рода Penicillium на бактерии. А русский врач А. Г. Полотебнов опубликовал в 1872 году сообщение о результатах лечения гнойных ран порошком из спор грибов двух родов: Penicillium и Aspergillus. Двадцатью годами ранее английский врач Моссе описал в журнале «Ланцет» (Lancet) свой многолетний опыт лечения ран дрожжами. Но еще в 1640 году в Лондоне вышла объемистая книга «Ботанический театр», в которой приведены сведения о лечебном использовании микроскопических грибов. В книге есть раздел «Мох с человеческого черепа».

«… Этот вид отчасти напоминает мох, произрастающий на деревьях, а растет он на черепах трупов мужчин и женщин, долго лежащих в покойницкой… Этот мох высоко ценился и в прошлом, а в наше время — еще более, так как из него получают unguentum sympatheticum (мазь, которой лечат раны)… Он может быть собран и с трупов повешенных или казненных».

Все эти сведения сводятся к одному: медицина может и должна использовать антагонизм микробов в своих целях. Пастер справедливо предсказывал, что когда-нибудь это явление будет широко использовано. Правы были и его современники, полагавшие, что антагонизм вызывается какими-то соединениями, продуцируемыми микроорганизмами. В 9-й главе мы также узнали и о выделении в 1896 году из микроскопических грибов соединения, получившего позднее название микофеноловой кислоты. Это был первый антибиотик, полученный в чистом виде.

В то время, когда итальянский врач Госсио изучал микроскопические грибы на рисе, уже было известно, что бактерия синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa (P. pyocyaneum) оказывает антибиотическое действие на некоторые болезнетворные микроорганизмы. Немецкие ученые Р. Эммерих и О. Лёв выращивали культуру этой бактерии в жидкой питательной среде. После того как бактерии размножились, их клетки разрушили и полученную суспензию профильтровали через бактериальный фильтр. Действие сгущенного фильтрата испытали на различных микроорганизмах. Многие болезнетворные бактерии оказались к нему очень чувствительными. Это вещество было названо пиоцианазой. Дальнейшее изучение пиоцианазы показало, что бактерицидным действием обладает пиоцианин — пигмент синегнойной палочки. Процесс выделения пиоцианина был позднее усовершенствован, и его стали производить в больших количествах. Приверженцы лечения с помощью микробов начали широко использовать пиоцианин, но очень скоро оказалось, что во многих случаях он переставал быть эффективным, и его практическое применение постепенно сошло на нет.

В 1913 году два американских исследователя, Альсберг и Блэк, изучали отравляющее действие микроскопических грибов кукурузы на домашних животных. Они выделили гриб, продуцирующий антибиотическое вещество. Исходя из систематической принадлежности гриба к роду Penicillium, они назвали этот второй в истории медицины антибиотик, выделенный в чистом виде, «пенициллиновой кислотой».

Первая мировая война прервала исследования антибиоза и антибиотиков. Но уже в 1920 году сотрудники медицинского факультета в Брюсселе Сарра Дат и Андре Гратиа описали, антибиотические свойства микроба Streptomyces albus. Из жидкой культуральной среды этого микроба был получен антибиотик актиномицетин.

На этом заканчивается первый период в исследовании явлений антагонизма у микробов. Он знаменателен тем, что ученым стала известна способность некоторых микробов подавлять и убивать другие микроорганизмы, а среди них и патогенные.

Было доказано, что эта способность связана с определенными веществами (антибиотиками), выделяемыми микроорганизмами в окружающую их среду. Это явилось предпосылкой для получения и использования антибиотиков в борьбе против болезней бактериального происхождения.

Пенициллин Флемминга

Английский микробиолог Александер Флемминг (1881–1955) начинал свою научную карьеру во время первой мировой войны под руководством известного бактериолога Алмрота Райта. Оба они пытались лечить инфекции в ранах солдат при помощи антисептиков, но их постигло разочарование. Биограф Флемминга пишет, что эта совместная работа «до известной степени подготовила Флемминга к открытию в 1922 годулизоцима — фермента, находящегося в слюне и вызывающего распад микробов».

В конце 20-х годов Флемминг работал в бактериологической лаборатории больницы Св. Марии в Лондоне. Там он сделал свое второе открытие, навеки вписавшее его имя в историю микробиологии и медицины. Это произошло во время его повседневной работы с болезнетворными стафилококками, выращиваемыми на агаре в чашках Петри. Но предоставим слово самому ученому:

«Экспериментируя с различными видами стафилококков, я оставил некоторое количество чашек с культурой на лабораторном столе и время от времени осматривал их. Чашки при осмотре, естественно, открывались, и не исключалось их загрязнение различными микроорганизмами. Я заметил, что около одной крупной колонии плесневых грибов, попавших сюда из воздуха, колонии стафилококков постепенно становились все более прозрачными и, по-видимому, подвергались растворению.»

А. Флемминг не мог не заинтересоваться этим фактом. Колонии коварных стафилококков, против которых были бессильны самые действенные препараты, таяли у него на глазах!

Он сразу же связал это с присутствием плесневого гриба в чашке. Гриб был пересеян в отдельный сосуд. Флемминг получил его культуру в чистом виде и стал изучать его свойства. Две недели он выращивал гриб на мясном бульоне. За это время гриб покрыл всю поверхность питательной жидкости серо-зеленой пленкой. После фильтрования были начаты опыты по изучению действия жидкости на стафилококки. Результат превзошел все ожидания: жидкость оказалась значительно более эффективной, чем все самые действенные антисептические средства. Флемминг пришел к выводу, что гриб выделяет при своем развитии какой-то антибиотик. Действующее вещество было названо пенициллином по имени гриба, принадлежавшего, как выяснилось, к виду Penicillium notatum.

Было установлено, что для бактерий это вещество значительно опаснее, чем для белых кровяных телец; этим оно существенно отличалось от антисептиков, которые Флемминг когда-то испытывал совместно с Райтом. Рост некоторых микробов прекращался даже при разведении фильтрата 1: 800. Флемминг установил также, что грамположительные бактерии были чувствительнее к пенициллину, чем грамотрицательные. Потом начались опыты с животными. Необходимо было выяснить, не обладает ли пенициллин токсическими свойствами. Флемминг ввел кроликам в вену по 20 мл жидкости и убедился, что инъекция оказалась такой же безвредной, как и инъекция жидкой среды, в которой микробы не выращивались.

Позднее он говорил об этом так: «В лаборатории мы применяли пенициллин на протяжении десяти лет для дифференциации культур. В нескольких случаях мы использовали его в качестве локального антисептика, и, хотя результаты были неплохие, нам все же казалось, что его приготовление себя не оправдывает».

Г. У. Флори, продолжавший эти исследования Флемминга, в одном из своих докладов сказал:

«…Из работ Флемминга ничто не свидетельствует о том, что он считал пенициллин возможным химиотерапевтическим средством, способным по кровяному руслу достигнуть зараженной части тела и не причинить при этом вреда организму».

Флори полагал, что пенициллин может проявить свое действие только в достаточно концентрированном виде. Именно это обстоятельство, по его мнению, позволило Домагку провести успешный эксперимент над мышами, зараженными стрептококковой инфекцией. Домагк излечил их пронтозилом. Но Флемминг не был химиком и не мог получить пенициллин в чистом виде.

Выделением и очисткой пенициллина занялась в 1932 году группа химиков под руководством Райстрика. Он был по тому времени одним из самых квалифицированных химиков, выделившим и изучившим уже некоторые другие соединения, продуцируемые микроскопическими грибами. Но после предварительной очистки пенициллина химики отказались от дальнейших попыток получить его в абсолютно чистом виде, поскольку при применении обычных методов он начинал разлагаться. Несколько лет спустя Флори спросил Райстрика, почему он так и не довел изучение пенициллина до конца. Тот ответил, что его интересовала лишь химическая структура таких легко кристаллизующихся биогенных продуктов.

В упомянутом докладе Флори была и такая, кажущаяся резкой фраза: «Открытие пенициллина не явилось плодом каких-нибудь новых научных идей».

Многие критики утверждали даже, что открытие Флемминга было чисто случайным. Против них выступил сподвижник Флемминга Ф. Бустинза-Лахиондо из Мадридского университета:

«.. Говорят о случайности этого открытия, но мне бы хотелось напомнить высказывание Пастера о том, что случай обычно подготовлен определенным ходом мыслей. Нельзя отрицать, что он играет в научной работе немалую роль в качестве какого-то непредвиденного явления. Но кто способен оценить это явление? Его может правильно интерпретировать только зрелая мысль. Многие люди не подготовлены к пониманию природных явлений, и только отдельные личности, воспитанные в повседневном напряжении поиска и одаренные тонким аналитическим интеллектом, наделены даром понимать страницы удивительной книги природы, всегда открытой для тех, кто умеет ее читать.

И плесень Флемминга была лишь эпизодом в процессе открытия пенициллина, исходным пунктом целой серии исследований. Сколько раз чашки с микробной культурой засорялись посторонней инфекцией, не привлекавшей, однако, ничьего внимания?

Но бактериолог больницы Св. Марии был прирожденным исследователем, его мысль была подготовлена к тому, чтобы заметить даже незначительные изменения в колониях выращиваемых микробов. Потому он и выбрал чашку, засоренную плесенью, и, изучая ее, с изумлением заметил, что колонии стафилококков в непосредственной близости от гриба развиваются хуже, чем другие, дегенерируют. Таково было начало истории пенициллина».

Сам Флемминг говорил так: «Конечно, все бактериологи встречались с фактом загрязнения культур микроскопическими грибами. Вполне вероятно, что какой-нибудь другой микробиолог заметил бы, как и я, подобные изменения, но верно и то, что, не имея специального интереса к поискам естественных бактерицидных веществ, он скорее всего отложил бы эту чашку в кучу посуды для мытья».

Мы же можем лишь отметить, что в 30-х годах пенициллин был почти забыт. В те же годы были открыты и получены в чистом виде еще несколько антибиотиков, выделенных из плесневых грибов, но они были вскоре оттеснены победным наступлением сульфаниламидов.

Дело продолжается в Оксфорде

Эстафету дальнейшего изучения пенициллина приняла в 1939 году группа исследователей с кафедры патологии Оксфордского университета: Г. У. Флори, Э. Б. Чейн и Н. Г. Хитли с несколькими сотрудниками.

Флори еще в 20-х годах в Кембридже, а затем и в Шеффилдском университете исследовал лизоцим. Попав в Оксфорд, он вместе с Чейном изучал его действие. А поскольку Чейн интересовался антибактериальными веществами, у них была собрана вся литература об известных в то время антибиотиках. Чейн предложил Флори заняться изучением их свойств. Для исследований были выбраны три вещества, одним их них был пенициллин. Хотя Райстрик и характеризовал его как вещество неустойчивое, Чейн нашел в статье того же автора указание о том, что раствор пенициллина сохраняет свою активность в течение нескольких месяцев. Поэтому Флори счел возможным попытаться получить его в чистом виде. Так была намечена ближайшая задача.

Скоро к Флори и Чейну присоединился Хитли, исследовавший условия выращивания Penicillium notatum в жидкой среде, в которую гриб выделял пенициллин. Исходя из опытов Райстрика, Хитли предложил основные методы выделения, которые с применением более совершенной техники используются и в наше время. Он разработал широко известный ныне метод определения содержания пенициллина, количество которого измеряется точно установленными «оксфордскими единицами».

В самые тяжелые военные годы эти ученые получили первые сотни миллиграммов «сырого» пенициллина, использованные ими для изучения его химических и бактерицидных свойств, а также для первых опытов на животных. Этот сырой препарат, содержавший, как было позднее установлено, не более 1 % (!) пенициллина, оказался лишь в ничтожной степени токсичным для животных, но при этом отличался сильным бактерицидным действием. Было показано, что при введении под кожу он затем выделяется с мочой, а это означало, что он попадал в цикл кровообращения и в почки. Этот факт, взволновавший ученых, открывал новые перспективы его применения.

Продолжались и его химические исследования. Успешные результаты были получены Д. Ходжкин, установившей при помощи рентгенографии структуру пенициллина.

Почему так важно было выяснить прежде всего его структуру? Исследования открывали путь к более дешевому синтетическому способу получения пенициллина. Но хотя через несколько лет этот синтез был осуществлен, он оказался дорогостоящим. Поэтому даже сегодня пенициллин получают с помощью микроскопического гриба Penicillium.

12 февраля 1941 года пенициллин был испытан на первом пациенте с тяжелым стафилококковым заражением. Потом последовали другие — и вот пенициллина уже не хватает. Однако ученым повезло. Оказалось, что его можно вторично получать из мочи пациентов, причем в более чистом виде, чем тот, который вводят.

Впервые это было показано на примере больного полицейского из Оксфорда. Со свойственным англичанам чувством юмора студенты-медики Оксфордского университета заметили: «Коллеги! Стоит заинтересоваться пенициллином. Это же замечательное вещество! Оно порождается плесенью, а очищается пропусканием через кишки оксфордских полицейских!»

Между тем в Оксфорде стали ощущаться определенные трудности при продолжении исследований. И тогда Флори и Хитли отправились в Соединенные Штаты Америки, где вскоре наладили промышленное производство этого препарата.

Рождение новой промышленности

Флемминг и оксфордская группа ученых выделяли пенициллин весьма несовершенным способом. Жидкую питательную среду стерилизовали в колбах и засевали спорами гриба Peniclllium notatum. Споры прорастали, через неделю на поверхности жидкой среды разрастался мощный слой мицелия гриба, после чего жидкость фильтровали. Содержание пенициллина в фильтрате было чрезвычайно низким — на миллион частей жидкости приходилась одна часть антибиотика. Из 1 л культуральной жидкости можно было получать лишь 1 мг, а из 10 гл — 1 г пенициллина. Такие ничтожные количества вещества ограничивали перспективы использования антибиотика.

Позднее, уже в США, для культивирования гриба стали применять бутылки из-под молока. При этом появилась возможность использовать аппаратуру молочного производства для дозирования питательной среды, мытья и стерилизации посуды. На самом крупном предприятии использовали до 750 000 бутылок. Если считать, что каждая бутылка содержала пол-литра питательной среды, то после одного производственного цикла (375 000 л) можно было получить 375 г пенициллина. Но этого было недостаточно. Находясь в Соединенных Штатах Америки, Флори и Хитли предложили метод так называемого глубинного культивирования. По существу это был тот же самый метод, который использовался при производстве дрожжей. Большие сосуды наполняются стерилизованной жидкой средой, в которую засевают определенное количество культуры дрожжей. При постоянном перемешивании и в притоке стерильного воздуха происходит размножение дрожжей во всем объеме сосуда.

При аналогичном выращивании продуцента пенициллина необходимо было, однако, решить ряд технических вопросов. Пожалуй, самым важным из них был вопрос о том, как предотвратить проникновение в большие емкости, предназначенные для роста и размножения Peniclllium notatum, других, нежелательных микроорганизмов.

Эта проблема была решена в 1943 году. Главными поборниками внедрения новых методов в производстве пенициллина были Когхилл и его сотрудники; они нашли способ многократного увеличения продукции пенициллина. Для этого в питательную среду добавляли кукурузный экстракт, который являлся отходом при получении кукурузного крахмала и содержал вещества, не только ускорявшие рост гриба, но и стимулировавшие синтез пенициллина.

В марте 1942 года ученые располагали таким количеством пенициллина, которого было достаточно для лечения лишь одного человека. Им оказалась жена одного из профессоров университета. Пенициллин спас ей жизнь. До августа 1943 года в США уже могли лечить одновременно 500 больных. В марте того же года в Великобритании лечили 187 человек. Среди них был и пациент с тяжелым стафилококковым воспалением мозговых оболочек (менингитом), находившийся в 1942 году в больнице Св. Марии. Пенициллин был получен от Флори по просьбе Флемминга. Драматические обстоятельства, связанные с отсутствием этого препарата, и успешное излечение больного дали повод Флеммингу и Райстрику обратиться к правительству с просьбой о финансировании исследований, связанных с применением пенициллина.

Между тем производство первого антибиотика все более совершенствовалось. Микробиологи продолжали поиски наиболее продуктивных штаммов, которые выделяли бы большие количества пенициллина, чем штамм, полученный Флеммингом. Один из таких штаммов был выделен из заплесневевшей дыни, приобретенной на рынке в Пеории (штат Иллинойс) 6 июня 1944 года — в день высадки союзников в Нормандии. Из этой плесени был получен штамм гриба Penicillium chrysogenum, который стал «отцом» и «праотцем» штаммов, используемых ныне на заводах по производству пенициллина. Действием мутагенных факторов из этого штамма впоследствии получили мутанты, дававшие еще большие количества пенициллина. Это классический пример того, как теоретическое изучение мутаций микробов принесло практическую пользу в производстве пенициллина. Если первый штамм, выделенный Флеммингом и примененный затем в Оксфорде, давал 2 единицы пенициллина (приблизительно 0,001 мг) на 1 мл жидкой среды, то современные штаммы при усовершенствованных технических условиях глубинного выращивания дают не менее 10 000 единиц!

Несмотря на войну, сообщения о применении пенициллина дошли до ученых многих стран. В суровых условиях оккупации страны фашистскими захватчиками группа чешских ученых тайно вела работы по производству пенициллина. Они приготовили сырой концентрат, который под шифром Микоин-510 врачи испытывали на больных «под носом» у оккупантов. В Словакии производство пенициллина и других антибиотиков сосредоточено на оснащенной самым современным оборудованием фабрике (Biotia) в городе Словенска-Люпча (фото 60).

На этом, казалось бы, можно и закончить описание событий, связанных с получением пенициллина. Однако читателю будет интересно узнать, что трое ученых — Флемминг, Флори и Чейн — были удостоены высшей международной награды — Нобелевской премии за открытие, выделение и успешное лечебное применение пенициллина.

Ваксман идет иным путем

Эмигрант из Европы с аттестатом зрелости в кармане, направляющийся в Америку, — таким был в 1910 году, в начале своего жизненного пути, Селман Я. Ваксман. Профессор университета, открывший стрептомицин, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине — таким он стал к концу 1951 года. Между этими датами пролегли 40 лет. Годы учения и странствий по различным городам Соединенных Штатов Америки, и наконец — постоянное место в Государственном университете Ратджерс в городе Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси).

Все это время почти без перерыва Ваксман изучает мало известные почвенные микроорганизмы — актиномицеты, доказывает их участие в создании плодородия почвы и важное место, которое они занимают в почвенной микрофлоре.

В конце 30-х годов он начинает исследовать новое интересное свойство ак-тиномицетов — их способность синтезировать антибиотики. В решении этой проблемы Ваксман шел иным путем, чем Флемминг. Человек чрезвычайно целеустремленный, он хочет узнать, не производят ли актиномицеты антибиотики, которые можно было бы использовать в борьбе с «белой чумой», упорно сопротивлявшейся Эрлиху и Домагку, Он ищет антибиотик против туберкулеза.

В том же году, когда Флори прибыл в США и начал исследования по получению пенициллина, Ваксман публикует сообщение о своем первом антибиотике. Он назвал его актиномицином. Однако этот препарат — красное вещество, сильно токсичное и для микроорганизмов и для животных, — не стал лекарством от туберкулеза.

График открытий антибиотиков до 1960 года с названиями наиболее известных из них. В настоящее время число антибиотиков давно перевалило за тысячу.

Годом позднее Ваксман получает стрептомицин, уже значительно менее токсичный, но еще не обладающий всеми необходимыми свойствами. Только в сентябре 1943 года, когда Когхилл стал получать пенициллин методом глубинной ферментации, Ваксман добился долгожданного успеха — создал стрептомицин, отвечающий всем требованиям. Однако ученому миру об этом стало известно лишь в следующем году. Между тем Ваксман предлагает свое сотрудничество фирме «Мерк», которая охотно соглашается финансировать дальнейшие исследования, связанные со стрептомицином. Любопытно, что продуцентом стрептомицина был актиномицет Actinomyces griseus, известный Ваксману еще с 1915 года.

В 1943 году один из его учеников вновь выделил этот микроорганизм и вместе с Ваксманом установил, что именно он продуцирует антибиотик, подавляющий возбудителя туберкулеза. Ваксман переименовал открытый им микроб в Streptomyces griseus. Сразу же после окончания войны стрептомицин становится признанным и широко распространенным средством против туберкулеза. Через пять лет Ваксман удостаивается Нобелевской премии. При торжественном вручении награды в Стокгольме в его адрес прозвучали и такие слова признания:

«Профессор Ваксман, Нобелевская премия вам присуждается за ваше талантливое, систематическое и успешное изучение почвенных микроорганизмов, которое привело вас к открытию стрептомицина, первого антибиотического средства в борьбе против туберкулеза. Вы не физиолог, не врач, тем не менее ваше открытие исключительно важно для прогресса медицины. Стрептомицин уже спас тысячи человеческих жизней. Мы, врачи, высоко ценим вашу заслугу перед человечеством».

Ваксман открыл новый путь в исследованиях антибиотических средств. Начались интенсивные поиски новых антибиотиков. Их количество резко увеличилось. В этом смысле 30-е годы можно назвать переходными. Во второй половине 40-х годов началась новая фаза в исследовании антибиотиков, продолжавшаяся все 50-е и несколько замедлившаяся в 60-е годы. Но как раз в это время наступил «расцвет» производства полусинтетических пенициллинов.

После стрептомицина стали появляться так называемые «антибиотики широкого спектра действия». Пенициллин действовал преимущественно на грамположительные бактерии. Стрептомицин с большим успехом применялся в борьбе с грамотрицательными бактериями и возбудителем туберкулеза. 1945 год был ознаменован открытием хлорамфеникол а и хлортетрациклина. Оба антибиотика оказались эффективными в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, а первый, кроме того, еще и убивал два вида риккетсий — возбудителей сыпного тифа и лихорадки Скалистых гор. В декабре 1948 года в продажу поступил хлортетрациклин, а в январе 1949 года — хлорамфеникол. В марте 1950 года синтезировано производное хлортетрациклина — окситетрациклин, а через три года была установлена структура третьего члена «семьи» — тетрациклина. Хлорамфеникол по своему химическому строению не относится к группе тетрациклинов.

Поиски новых антибиотиков продолжаются. Стали широко известны эритромицин, затем новобиоцин, олеандомицин… Их число превысило уже несколько сотен. Открытие новых антибиотиков стало самостоятельной отраслью биохимии и микробиологии. Ученые ищут антибиотики для борьбы с бактериями, грибами, простейшими, вирусами, наконец, для борьбы с раковыми заболеваниями. Вак-сман как бы столкнул с горы снежный ком, который, катясь по склону, становится все больше и больше. Наше время не случайно называют веком антибиотиков.

Экспедиция за новыми антибиотиками

Такая экспедиция, безусловно, отличается от тех, что снаряжаются к вершинам Гималаев, переплывают океаны на плоту Кон-Тики или в лодке из папируса. Но и на ее пути встречаются опасности, сложности и всевозможные приключения. Кроме того, в такой экспедиции принимают участие сотни ученых из всех стран мира.

Первый этап поисков новых антибиотиков — это настоящая экспедиция, проходящая в поисках нужных нам микроорганизмов. Еще со времен Пастера известно, что в природе нет таких мест, где бы не было микробов и, применив тот или иной микробиологический метод, мы можем их найти, выделить и вырастить в чистых культурах уже в условиях лаборатории. На кафедре микробиологии и биохимии химического факультета Словацкой высшей технической школы в Братиславе собрана коллекция сотен культур различных микроорганизмов. Кроме местных микробов, здесь можно найти «уроженцев» Болгарии, Китая, Индонезии.

Следующие этапы нашей экспедиции за антибиотиками проходят в тени лабораторий. Здесь упорным и настойчивым трудом ученые стремятся проникнуть в тайны жизни собранных ими микробов. В небольших пробирках содержатся чистые культуры микроорганизмов, выделенных из природной среды. Из пробирок они пересеваются в чашки Петри с полусантиметровым слоем агаризованной питательной среды, приготовленной в соответствии с потребностями данного микроба. После посева микробов чашки Петри помещают в термостат, где в течение десяти дней выдерживают при температуре 25 °C. Там клетки микробов, потребляя питательные вещества, размножаются и разрастаются по поверхности агара. Через десять дней поверхность среды в чашках Петри представляет необыкновенно интересную картину.

Если среди выращиваемых микробов находятся продуценты антибиотиков, их легко узнать. Мы уже говорили, что антибиотики, выделяемые одними микроорганизмами, препятствуют развитию других. Как раз то, что они делают невозможным существование иных организмов, и помогает нам в поисках продуцентов антибиотиков.

Для этой цели берут несколько плоских стеклянных сосудов прямоугольной формы, в которые наливают тонкий слой агара, и, после того как он застынет, засевают его теми микробами, против которых требуется найти антибиотик. Из чашек Петри с уже выращенными колониями плесневых грибов вырезают маленькие цилиндры, диаметром около 1 см, и помещают их на поверхность агара, зараженного болезнетворными бактериями. Это сооружение с несколькими десятками разноцветных «грибных» цилиндров наверху напоминает вишневый пирог. «Пирог» помещают в термостат, в котором строго поддерживаются определенные температура и влажность. В этих условиях поверхность агара покрывается сплошным ковром разросшихся микробов, доходящих до самых краев «грибных» цилиндров.

Вокруг некоторых цилиндров можно наблюдать интересное явление (фото 61): они окружены пространством, свободным от развивающихся микробов. Что препятствовало росту микробов внутри этих мест? Антибиотики! Прозрачные пространства, так называемые зоны подавления роста, — это сферы действия антибиотиков. Каково же происхождение этих веществ? Они находились в агаровом цилиндре, на котором росли грибы, проникли в засеянный микробами слой агара и уничтожили микробы в радиусе своего распространения.

Итак, зоны подавления роста вокруг некоторых цилиндров служат доказательством того, что создающие их грибы являются продуцентами антибиотиков. Цилиндры, вокруг которых такие зоны не образуются, вырезаны из культур грибов, не обладающих антибиотическими свойствами.

Культуры микроскопических грибов, изображенные на фиг. IV (вверху справа), выделены в Индонезии. Профессор Н. Немец собрал в этой стране десятки образцов природного материала, из которого затем выделил культуры микроскопических грибов, обладающих антибиотическими свойствами.

Итак, мы уже продвинулись вперед, отделив микроскопические грибы с антибиотическим действием от прочих, не обладающих этим свойством. На следующем этапе нашей экспедиционной работы мы должны ближе познакомиться с выделенными антибиотиками. Среди изучавшихся ранее микроскопических грибов, собранных в окрестностях Братиславы, встречались и продуценты пенициллина. Но мы искали новые антибиотики. От выявления антибиотического действия грибов до получения чудодейственных кристаллов антибиотика проходит часто очень много времени. В арсенале наших методов немало различных химических процедур, помогающих прийти к радостному моменту открытия нового антибиотика.

В экспедициях за этими веществами приходится переживать минуты напряжений, разочарований и радостей, вызванных новыми открытиями. Но не всякий антибиотик можно использовать в лечебных целях. Из сотен открытых до сих пор антибиотиков лишь около тридцати нашли применение в медицине.

Каким образом антибиотики уничтожают микробы

Век антибиотиков поставил перед микробиологами целый ряд вопросов. Рассмотрим один из них. Каким образом антибиотик убивает чувствительные к нему микробы? Уже Эрлих показал, что существует тесная связь между химической структурой «волшебной пули» и ее действием. В химическом отношении антибиотики — вещества очень разнообразные, хотя некоторые из них и являются производными какого-нибудь одного химического соединения, например тетрациклина. Можно ли утверждать, что вещества, сходные по своей химической структуре, сходны и по характеру своего действия на клетки и, напротив, различиям в строении сопутствуют и различия в антибиотических свойствах? Данные, полученные к настоящему времени, позволяют нам дать ответ на этот вопрос.

Теперь уже доподлинно известно, что пенициллин действует на клеточную стенку бактерий и препятствует ее синтезу. Некоторое время бактерии еще размножаются, но, лишенные клеточной стенки, очень скоро погибают.

Стрептомицин, проникнув в клетку, достигает рибосом — места синтеза белков — и блокирует их деятельность. Несколько по-иному действуют на синтез белков тетрациклины, эритромицин, хлорамфеникол и многие другие антибиотики, но каждый своим, только ему свойственным способом, который определяется особенностями строения его молекул.

Актиномицин, первый антибиотик Ваксмана, действует на молекулу ДНК. В результате становится невозможным синтез информационной РНК, переносящей к рибосомам «приказы» ДНК о синтезе белков. Сходное действие проявляет и рифампицин, хотя и несколько иным способом — снижает активность ферментов полимеразы РНК, и РНК не может образоваться.

На ДНК действуют и молекулы противоопухолевого антибиотика митомицина С: прочно связываясь с ней, они препятствуют дальнейшему синтезу ДНК. Но все это лишь некоторые из наиболее известных и типичных механизмов действия антибиотиков на клетки микробов.

При повторных воздействиях молекул антибиотика клетка микроба погибает. Если же антибиотик вводится в малых количествах или поражает такую часть клетки, которая может быть легко восстановлена, микробы выживают.

Пенициллин и ряд других антибиотиков препятствуют образованию клеточных стенок у растущих бактерий (А). Лишенные стенок бактерии постепенно превращаются в протопласты. Другие антибиотики нарушают функции цитоплазматической мембраны бактерии (Б).

Исследователь Л. Эбрингер (естественный факультет в Братиславе) наблюдал интересные явления, изучая действие стрептомицина, эритромицина и многих других антибиотиков на клетки Euglena gracilis. Этот организм способен к фотосинтезу и поэтому на свету не нуждается в органическом питании. Если же на Е. gracilis подействовать упомянутыми антибиотиками, то фотосинтез прекращается. Процесс фотосинтеза происходит, как известно, в хлоропластах. Антибиотики полностью уничтожают хлоропласты эвглены, и дальнейшие ее генерации существуют уже без хлоропластов. Не будучи в состоянии осуществлять фотосинтез, они потребляют, естественно, лишь готовые органические соединения.

Действие антибиотиков на синтез нуклеиновых кислот и белков. Митомицин С (1), связываясь с молекулой ДНК, делает невозможным процесс ее редупликации под действием полимеразы ДНК и других ферментов. Актиномицин D (2), связываясь с молекулой ДНК, препятствует синтезу иРНК с помощью полимеразы РНК. Рифампицин (3) соединяется с полимеразой РНК и тоже предотвращает синтез иРНК- Вдоль молекулы иРНК группируются рибосомы, образуя полисомы, на которых возникают пептиды. Тетрациклин (4), связываясь с 30 S-субъединицами рибосом, лишает их возможности синтеза пептидов. Таким же образом связывается с ними и стрептомицин, вызывая «неправильное прочтение» генетических записей на иРНК, в результате чего возникают пептиды с аномальным распределением аминокислот. Фузидиновая кислота (5) препятствует перемещению рибосом по молекуле иРНК, делая невозможным добавление дальнейших аминокислот к «растущему» пептиду. Эритромицин и хлорамфеникол (6) связываются с 50 S-субъединицами рибосом и препятствуют деятельности тРНК, несущих с собой аминокислоты, которые необходимы для пополнения пептидов. Пуромицин (7) слишком рано отделяет пептиды от полисом, затрудняя тем самым синтез белков. Борелидин (8) препятствует присоединению «активированных» аминокислот к тРНК, что делает невозможным их перемещение к полисомам.

Мы наблюдали интересное действие антибиотиков на грибы. Оказывается, цианеин, первый из полученных нами антибиотиков (фиг. VIII), влияет нарост гриба Paecilomyces viridis. Как мы уже рассказывали, Ж. Сегретен из Пастеровского института выделил этот гриб из организма больных хамелеонов и доказал, что именно он был причиной их болезни и гибели. В пробирке гриб образует волокнистый мицелий, а в теле хамелеона — дрожжеподобные комочки. При помощи цианеина нам удалось «принудить» гриб образовывать дрожжеподобные формы и в пробирке.

Мы испытывали также действие цианеина на гриб Botrytis cinerea, паразитирующий на виноградной лозе. Гифы этого гриба на агаровых пластинках растут довольно хорошо, а разветвляются очень редко. В присутствии цианеина их рост замедляется, но зато они начинают сильно ветвиться. На рост гиф этого гриба влияют также и некоторые другие антибиотики (фото 63).

Эти морфологические изменения имеют довольно глубокие причины. Антибиотики влияют на ход биохимических процессов в клетках грибов, что проявляется в изменении характера роста.

Революция в медицине

Для того чтобы антибиотик можно было использовать как лекарственное средство, он должен удовлетворять многим требованиям: действовать только на болезнетворные микроорганизмы, быть стабильным, легко усваиваться организмом, а после выполнения своей задачи так же легко выводиться из него; он не должен приносить вреда организму или по крайней мере не должен вызывать в нем побочных реакций.

Первыми вошедшими в широкую медицинскую практику антибиотиками, кроме пенициллина, были стрептомицин, дигидрострептомицин, хлорамфеникол (левомицетин) и вещества из группы тетрациклина — хлортетрациклин (ауреомицин), окситетрациклин и тетрациклин; несколько позднее к ним присоединился диметилхлортетрациклин. Из более «старых» антибиотиков следует упомянуть еще бацитрацин, полимиксин В и неомицин.

К «молодым» антибиотикам принадлежат группа эритромицина (эритромицин, олеандомицин и спиромицин), новобиоцин, канамицин, ванкомицин, ристоцетин. Недавно вошли в практику так называемые полусинтетические пенициллины и цефалоспорины.

Все упомянутые антибиотики используются в лечении инфекционных болезней, вызываемых бактериями и риккетсиями.

Против микроскопических патогенных грибов, вызывающих различные микозы, оказались эффективными антибиотики нистатин, трихомицин, амфотерицин В, а в лечении кожных микозов — гризеофульвин.

В борьбе с болезнями, возбудителями которых являются болезнетворные простейшие, успешно применяются уже упомянутые трихомицин, фумагиллин и амфотерицин В (фото 64).

Испытываются и возможности применения антибиотиков против злокачественных опухолей, в частности актиномицина или митомицина С. Обзор применения наиболее широко распространенных антибиотиков и их действия на отдельные группы микроорганизмов дан на прилагаемом рисунке.

Диапазон действия определенного антибиотика на различные группы микроорганизмов специалисты называют спектром его действия.

Результаты лечебного применения антибиотических средств на протяжении трех десятилетий можно считать чрезвычайно успешными. Смертность от многих инфекционных заболеваний значительно снизилась, в связи с чем повысилась и средняя продолжительность жизни человека. После введения пенициллина в практику лечения сифилиса частота заболеваний снизилась за 1946–1955 годы с 76 лишь до 8 случаев на 100 000 жителей. Такие же результаты были отмечены при лечении гонореи. Большие сдвиги произошли и в борьбе с туберкулезом, брюшным и сыпным тифом и многими бактериальными болезнями. Как видно из некоторых статистических данных, в период с 1937 по 1952 год благодаря применению сульфаниламидов и антибиотиков было спасено свыше полутора миллионов человек, включая страдающих туберкулезом, кишечными заболеваниями, вызываемыми риккетсиями.

Спектр действия наиболее распространенных антибиотиков. Над нижней аркой приведены отдельные группы микроорганизмов, над верхней цифрами обозначены характерные для каждой из этих групп болезни. 1 — полиомиелит. 2 — грипп; 3 — черная оспа; 4 — орнитоз; 5 — сыпной тиф; 6 — ку-лихорадка; 7 — лихорадка Скалистых гор; 8 —брюшной тиф; 9 —дизентерия; 10 — воспаление мочеполовых путей; 11 — коклюш; 12 —гонорея; 13 — ангина; 14 — скарлатина; 15 — воспаление легких; 16 — дифтерия; 17 — сепсис; 18 — сифилис; 19 — инфекционный гепатит; 20 — желтая лихорадка; 21 — актиномикозы; 22 — туберкулез; 23 — кожные микозы; 24 — легочные микозы; 25 — кишечные микозы; 26 — лейшманиоз; 27 — амебная дизентерия; 28 — сонная болезнь; 29 — малярия; 30 — болезнь Шагаса. В центре показан спектр действия антибиотиков.

Теневые стороны лечения антибиотиками

Нельзя, однако, не сказать несколько слов и о некоторых проблемах, связанных с массовым применением антибиотиков, в частности о злоупотреблении ими.

Известны случаи токсического действия антибиотиков на организм человека. Долголетнее лечение стрептомицином, неомицином или канамицином может вызвать нарушения в слуховом аппарате. Неомицин, бацитрацин и полимиксин В могут вредно подействовать на почки. Хлорамфеникол вызывает иногда серьезные изменения в составе крови.

Даже пенициллин, наименее токсичный из всех антибиотиков, не всегда безвреден. Некоторые больные обнаруживают повышенную чувствительность к нему, у таких людей он вызывает аллергические явления. Аллергия, вызванная пенициллином, проявляется в различных формах. Самой опасной из них считается так называемый анафилактический шок, который может привести к смерти. Рассмотрим следующие цифры. В 1955 году во всем мире было произведено 500 т пенициллина, лечению им подверглось 250 миллионов пациентов. За этот же год было зарегистрировано 560 случаев аллергических реакций (0,0002 % от общего числа пациентов) и 81 смертельный случай. Анафилактический шок можно снять инъекциями адреналина тотчас после появления первых симптомов. В 1958 году в Нью-Йорке зарегистрировано 30 смертельных случаев в результате шока при введении пенициллина. Впоследствии было установлено, что в 13 из них применение пенициллина не было необходимым, а в 5 вообще было неоправданным.

В США в 1969 году по требованию Федерального управления по вопросам питания и здравоохранения на все препараты новобиоцина были наклеены ярлычки с предупреждением, что существуют и другие, более эффективные и менее опасные антибиотики. Эта мера была вызвана тем, что новобиоцин вызывает нарушения в крови и печени человека. Несколько лет назад подобное предупреждение пришлось сделать и в отношении хлорамфеникола, не рекомендуемого детям.

Отрицательной стороной лечения антибиотиками являются также нарушения естественного равновесия микрофлоры в верхних дыхательных путях и кишечнике человека. Ведь антибиотик влияет не только на возбудителя, но нередко подавляет и нормальную микрофлору. А это может привести к вспышке размножения болезнетворных микробов, присутствующих иногда в организме в ничтожных количествах и не вызывающих заболевания, или же микробов, случайно попавших в организм и способных вызвать вторичную инфекцию. Вторичные инфекции возникают после применения антибиотиков с широким спектром действия, а вызывают их микробы, не чувствительные к этим веществам; ими бывают преимущественно устойчивые к антибиотикам стафилококки и патогенные микроскопические грибы.

Не менее важным вопросом является возникновение резистентности, или устойчивости, микробов к действию определенных антибиотиков. Некоторые микробы вначале очень чувствительны к тому или иному антибиотику, но после длительного его применения становятся невосприимчивыми к нему. Инфекционную болезнь, вызванную микробами, устойчивыми к пенициллину, уже невозможно вылечить данным антибиотиком. Сравнительно быстро приобретают устойчивость к антибиотикам стафилококки, возбудитель туберкулеза и кишечная палочка. Проблема устойчивости микробов к антибиотикам имеет особое значение в клинических условиях, где они наиболее широко применяются.

При назначении антибиотиков следует помнить о нежелательных последствиях, к которым может привести злоупотребление этими сильнодействующими препаратами[38].

Угроза резистентности

Успехи применения пенициллина (точнее, бензилпенициллина) в лечении болезней, вызываемых различными бактериями, вначале были поистине сенсационными. Чувствительными к нему оказались и стафилококки, являющиеся возбудителями подчас очень серьезных заболеваний. Известный английский микробиолог Г. Дж. Роджерс говорит об этом так: «Если бы стафилококками был заражен пациент, находящийся в больнице, его шансы на успешное излечение пенициллином выражались бы отношением 1: 3. Вне больницы надежда на успех действия пенициллина больше, так как в больницах широко распространились штаммы стафилококков, на которых это средство уже не действует…

Подобные случаи отмечены и с другими антибиотиками. По-видимому, бактерии всегда могут приспособиться к нежелательным факторам внешней среды и спастись от угрозы изобретаемых нами средств. Сейчас у нас еще есть преимущества перед патогенными микроорганизмами, но вечно это продолжаться не может…»

Почему же именно больницы стали рассадником стафилококков, сопротивляющихся действию пенициллина? Уже со времени первого применения пенициллина стало известно, что некоторые стафилококки невосприимчивы к нему. Естественно, что чувствительные к пенициллину штаммы подвергаются в больнице большей опасности, чем вне ее. Так, использование антибиотиков ведет к нарушению естественного равновесия между чувствительными и резистентными стафилококками, причем последние находятся в более выгодном положении.

Такому же натиску антибиотиков подвергаются стафилококки на заводах по производству антибиотиков и на фермах, где антибиотики добавляются в корма, предназначенные молодняку.

В 1965 году доктор М. Бетинова опубликовала результаты исследования встречаемости стафилококков в верхних дыхательных путях у самых разных групп людей. Тут и доноры крови из Братиславы, и жители нескольких хуторов в Словацких Рудных горах, и люди, работающие на предприятиях по производству антибиотиков, и рабочие ферм, где применяют подкормку антибиотическими препаратами, больные и медицинский персонал двух клиник.

Все штаммы стафилококков, выделенные из дыхательных путей у людей перечисленных групп, были испытаны на чувствительность к пяти наиболее часто применяемым антибиотикам — бензилпенициллину, стрептомицину, хлортет-рациклину, эритромицину и хлорамфениколу. На предлагаемой схеме показан процент резистентных стафилококков в отдельных группах. Как видно, устойчивость к антибиотикам сильнее всего в больничной среде, где стафилококки имеют постоянный контакт с антибиотиками. В этих условиях происходит снижение численности чувствительных и увеличение численности устойчивых бактерий. Такое же положение и на предприятиях по производству антибиотиков.

Еще ярче проявляется эта картина, если рассматривать влияние среды по каждому антибиотику отдельно, как это показано на другой схеме, заимствованной из той же работы М. Бетиновой. Какие выводы можно сделать из этих наблюдений?

Стафилококки, выделенные у людей, мало соприкасавшихся с антибиотиками, характеризуются своего рода равновесным состоянием, устанавливающимся между чувствительными и резистентными штаммами. Стафилококки, выделенные из дыхательных путей у служащих фермы, имеющих дело с хлортетрациклином, имеют большое число устойчивых к этому препарату бактерий (в обычной популяции резистентных к хлортетрациклину стафилококков вообще не обнаружено). Служащие предприятий, производящих пенициллин и хлортетрациклин (а ранее и стрептомицин), нередко являются носителями стафилококков, устойчивых к этим трем антибиотикам. В дыхательных путях пациентов и персонала клиник, где применялись все пять антибиотиков, очень часто встречались стафилококки, устойчивые к этим препаратам.

Распространение резистентности к антибиотикам у стафилококков, выделенных из верхних дыхательных путей людей, находившихся в различных условиях.

Каким же путем избегают гибели стафилококки, резистентные к пенициллину? Было установлено, что они способны обезвредить молекулу пенициллина, изменив ее структуру в самом слабом месте. Устойчивые стафилококки вырабатывают фермент, который может разрушить молекулу бензилпенициллина при добавлении к ней молекулы воды. При этом процессе, называемом гидролизом, образуется соединение, безвредное для микробов. Фермент, способствующий реакции «обезвреживания», называется пенициллиназой. Его возникновение вызывается присутствием в среде пенициллина. Таким образом, процесс образования стафилококками пенициллиназы может по потребности «включаться» и «выключаться». Бактерии не загружают свой биохимический аппарат производством фермента, необходимого лишь при появлении опасного для них пенициллина[39].

Резистентность стафилококков к пяти антибиотикам

Нечто подобное мы уже описывали в 12-й главе, когда рассказывали об образовании ферментов, необходимых для использования лактозы. С 1969 года нам известна и химическая структура пенициллиназы, вырабатываемой стафилококками. В построении ее молекулы участвуют 257 структурных единиц двадцати аминокислот, соединенных в различной последовательности. Другие бактерии образуют ферменты, которые разрывают связь между основным ядром молекулы бензилпенициллина и ее боковой цепочкой, в результате чего молекула распадается на две части.

Действие микробных ферментов на молекулу пенициллина. Пенициллиназа раскрывает β-лактамное кольцо, вследствие чего пенициллин теряет дееспособность. Ацилаза отщепляет боковую цепочку молекулы, оставляя лишь 6-аминопенициллановую кислоту. Из нее и получают в настоящее время полусинтетические пенициллины.

Трудно сказать, имеет ли это расщепление молекулы пенициллина защитный характер, поскольку одна из полученных частей не совсем безвредна для бактерии.

Ученые используют это расщепление молекулы в собственных целях: изменяют молекулу пенициллина таким образом, чтобы пенициллиназа не смогла подвергнуть ее гидролизу. Отделяя боковую цепочку молекулы от ее ядра, получают так называемую 6-аминопенициллановую кислоту. Это вещество само по себе является слабым антибиотиком, но, поскольку оно образовалось за счет потери боковой цепочки бензилпенициллина, есть возможность путем обратного синтеза получить пенициллины с другими боковыми цепочками, в том числе и такие, которые противостоят действию пенициллиназы.

Схема получения 6-аминопенициллановой кислоты и структура наиболее известных полусинтетических пенициллинов.

Это открытие было сделано группой английских исследователей, работавших в сотрудничестве с Чейном. Они присоединили к 6-аминопенициллановой кислоте вместо радикала бензила группу диметоксибензила и таким образом получили новый пенициллин, отлично противостоящий действию пенициллиназы. Этот первый полусинтетический пенициллин известен в медицине под названием метициллина. Его применяют против стафилококков, резистентных к бензилпенициллину.

К ядру молекулы пенициллина можно присоединять и многие другие боковые группы. Таким путем был получен препарат оксациллин, успешно заменивший своего предшественника. Оксациллин можно принимать в таблетках, тогда как метициллин вводится в организм исключительно путем инъекции. Первые сообщения о новых пенициллинах появились на страницах научных журналов в 1959 году, а через несколько лет фирмы, вырабатывающие антибиотики, буквально наводнили печать сведениями о сотнях новых препаратов, лучшие из которых появились в продаже. Среди них стоит упомянуть хотя бы один — ампициллин. Этот препарат, также лишь незначительно отличающийся строением своей боковой группы от бензилпенициллина, обладает существенно новым свойством — он эффективен против грамотрицательных бактерий,

Сейчас имеются уже многие производные ампициллина, также действующие на грамотрицательные бактерии. Хотелось бы привести хотя бы один пример их использования. Когда в 1967 году чехословацкий самолет потерпел аварию в Канаде, четыре пассажира с тяжелыми ожогами оказались зараженными бактериями Pseudomonas aeruginosa. Против инфекции были бессильны девять различных антибиотиков, среди них и три новых пенициллина. Потерпевших вылечили карбенициллином.

Инфекционная резистентность

Резистентность, или устойчивость, к антибиотикам — явление наследственное. Из устойчивой клетки стафилококка возникает устойчивое к ним потомство. В 1959 году была открыта особая форма резистентности, передаваемая другим микроорганизмам и как бы «заражавшая» их.

Выяснилось, что некоторые бактерии обладают способностью чрезвычайно быстро передавать устойчивость к антибиотикам нерезистентным бактериям, причем иногда даже принадлежащим к совсем иному виду. Японские микробиологи К. Т. Осяи и Т. Акиба, открывшие этот новый тип устойчивости, назвали ее инфекционной резистентностью. Они выращивали резистентную форму возбудителя дизентерии в одной и той же жидкой питательной среде с чувствительной к антибиотикам культурой Escherichia coli. Большая часть клеток последней стала также резистентной. Таким же образом устойчивая Е. coli повлияла на чувствительные бактерии дизентерии, превратив их в резистентные. Казалось, что чувствительный организм был как бы «заражен» генетическим материалом, контролирующим резистентность к антибиотикам, и перенял это свойство.

Теперь мы уже знаем, что этот «инфекционный» перенос резистентности на чувствительные бактериальные клетки и на их потомство совершается при помощи конъюгации и трансдукции. Конъюгация возможна и между бактериями, принадлежащими к разным видам. Японские микробиологи доказали, что свойство устойчивости «записано» в автономных генетических элементах, присутствующих в клетках наряду с хромосомами и называющихся эписомами. Как и для хромосом, носителем этой генетической «записи» является ДНК. Эписомы образуются в клетках независимо от хромосом и, как правило, быстрее последних. Кроме того, они могут перемещаться из одной клетки в другую. Эписомы, определяющие устойчивость к антибиотикам, называются факторами Rtf (факторами, детерминирующими перенос устойчивости). Они могут переноситься по типу конъюгации или трансдукции в чувствительные клетки, превращая их в резистентные. Инфекционная резистентность распространяется особенно интенсивно среди кишечных бактерий, к которым относятся возбудители дизентерии (Shigella dysentenae), брюшного тифа (Salmonella typhi) и другие бактерии. Существование инфекционной резистентности приводит к нежелательным для человека последствиям. Устойчивость к антибиотикам у микробов может распространяться не только в организме одного больного, но и передаваться от больного к больному.

Интересно, что факторы Rtf могут передавать устойчивость одновременно к нескольким лекарственным средствам. Часто один и тот же микроорганизм устойчив и к сульфаниламидам, и к хлорамфениколу, и к стрептомицину, и к тетра-циклинам.

Резистентные кишечные бактерии продуцируют ферменты, при помощи которых обезвреживают антибиотики. Например, они могут обезвредить пенициллин, хлорамфеникол, стрептомицин и канамицин. Поистине пророческими оказались слова Левенгука: «Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!»

Оборотная сторона медали

Устойчивость, и в частности инфекционная резистентность, конечно, является для микробов очень выгодным свойством. Особенно это касается инфекционной резистентности, при которой большое количество бактерий может быстро обеспечить себе более или менее постоянную устойчивость к антибиотикам и хи-миотерапевтическим средствам. Но следует заметить, что устойчивости, переносимой эписомами, бактерии могут сравнительно скоро лишиться. Кроме того, некоторыми соединениями можно уничтожить эписомы бактерий. Это невыгодное для бактерий обстоятельство исследователи еще не научились использовать, поскольку не найдены химические средства, лишающие бактерий их эписом непосредственно в организме человека, чтобы потом уничтожить бактерии антибиотиками. Недавно появилось сообщение о том, что антибиотик клиндамицин препятствует переносу фактора Rtf на чувствительные бактерии. Однако результаты, полученные в лабораторных условиях, не всегда идентичны тем, которые наблюдаются в природе.

Свойство устойчивости имеет и свою оборотную сторону. Именно устойчивость клеток человеческого организма позволяет применять антибиотики и другие терапевтические средства. Вещество, предназначенное для уничтожения болезнетворных бактерий, должно четко «отличать» клетку патогенных микроорганизмов от клетки их носителя, то есть больного человека. Тут стоит вспомнить требования, которые в начале нашего века Эрлих предъявлял к «волшебным пулям»: они должны поражать клетку болезнетворного микроба, не нанося вреда клеткам человеческого тела. Не каждый из применяемых ныне антибиотиков отвечает этим требованиям, но идеальные препараты нам еще не известны. Даже один из самых, казалось бы, безопасных — пенициллин — может стать причиной смерти.

В английском журнале Nature в конце 1969 года было опубликовано сообщение о результатах деятельности комиссии, которая давала оценку применения антибиотиков в Великобритании. В нем в ироническом тоне говорилось, что «население Британских островов представляет собой некое тело весом 3 310 000 тонн… Благодаря фармацевтической промышленности и, более того, благодаря врачам это тело (все население) получает в год дозу в 240 тонн антибиотиков… 240 тонн! Эта цифра предостерегает…»

Как говорится, комментарии излишни.

Медицина получила в руки «волшебные пули», но должна мудро их применять, извлекая из них пользу и избегая возможного вреда.

20. Борьба на других фронтах

Когда персидский царь отправлялся на войну, он вез с собой из дому не только пищу и скот, но и воду из реки Хаоспес, протекающей у Сузы. Ни один царь Персии не станет пить воду из незнакомого источника. И куда бы царь ни отправлялся, за ним всюду следовал длинный караван из четырехколесных повозок, запряженных мулами, на которых везли серебряные сосуды с кипяченой водой.

Геродот «О Кире Персидском»

Гигиена и борьба с микробами

Большую роль в борьбе с микроорганизмами играет личная гигиена. Давно известно, что на чистых руках находится значительно меньше микробов. Пот, пыль, грязь — хорошие убежища и питательная среда для микроорганизмов. Многие древние народы свято соблюдали чистоту жилищ. Руины древних индийских городов, возраст которых исчисляется тысячелетиями, сохранили следы канализации, что свидетельствует о бесспорно высоком уровне гигиены быта. Напротив, купание в «святых» водах Ганга, предписываемое индийскими религиями, носит антисанитарный характер. Строгие гигиенические предписания имелись и у других древних народов (иудеев, римлян и др.).

В Средние века и в начале Новой истории гигиена в Европе была на более низком уровне, чем в Древнем Риме. Король Франции Людовик XV, как говорили, за 26 лет своей жизни искупался всего 43 раза — меньше двух раз в год. Канализации в городах не существовало, и все нечистоты выливались прямо на улицы. В свое время в Париже было издано распоряжение, чтобы жители, выливая помои из окон, предупреждали прохожих окриком: «Берегись, вода!». Насекомые как бы принадлежали к законному населению домов, и не удивительно, что в подобных условиях эпидемии распространялись необычайно быстро.

Теперь все, к счастью, обстоит иначе. Но нарушения правил гигиены случаются и в наши дни, что часто служит причиной распространения серьезных заболеваний.

Дезинфекция спасает матерей и помогает хирургам

Еще до того, как Пастер и Кох доказали, что бактерии являются возбудителями многих инфекционных болезней, главный врач родильного дома в Вене Игнац Земмельвейс объявил войну неизвестным врагам жизни. В этом родильном доме смертность рожениц была очень высокой, гораздо выше, чем в родильном доме, где рожениц обслуживали сестры-монашки. Земмельвейс пришел к убеждению, что в смерти рожениц повинны невымытые руки врачей. И он ввел новый порядок. После каждой операции врач должен был тщательно мыть руки в растворе хлорной извести и лишь после этого отправляться в родильное отделение. Результаты не замедлили сказаться — смертность значительно снизилась. Поль де Крайф в своей книге «Охотники за микробами» хорошо описал все затруднения и обиды, которые пришлось претерпеть Земмельвейсу в связи с его нововведениями. Он родился слишком рано… Если бы он жил во времена Пастера, признание пришло бы к нему еще при жизни. Этот знаменитый венгерский акушер отмечен в истории медицины как спаситель матерей.

Но и после Пастера, доказавшего микробное происхождение инфекционных болезней, среди медиков продолжали царить старые привычки. Смертность после операций была такова, что человек, лежащий на операционном столе, подвергался большей опасности умереть, чем солдаты на поле боя под Ватерлоо. Это натолкнуло английского хирурга Дж. Листера на следующие рассуждения. Если микробы являются возбудителями гниения, то не они ли вызывают столь частое нагноение ран после операции? Тем более что бактерии из воздуха тоже охотно поселяются на ранах. Он начал искать средства, препятствующие проникновению микробов из воздуха или с рук и инструментов хирурга. С этой целью он стал оперировать своих пациентов «под постоянным душем карболовой кислоты». Это было лучше, чем сулема, применявшаяся Кохом для мытья рук, так как последняя оставляла на руках черный налет. Карболовая кислота (раствор фенола), стала широко применяться в качестве эффективного дезинфицирующего средства.

Во времена Листера от этих средств ожидали большего. Надеялись, что они смогут стать хорошими лекарствами, убивающими микробов и в организме человека. Но надежды скоро развеялись. Вот что писал по этому поводу немецкий бактериолог Эмиль Беринг: «Можно считать законом, что ткани людей и животных более чувствительны к токсическому действию дезинфицирующих средств, чем любая из ныне известных бактерий. Еще до того, как антисептик убьет бактерии или подавит их рост в крови или органах человеческого тела, может пострадать сам зараженный ими организм».

К подобному же выводу пришли А. Райт и А. Флемминг, работавшие в полевых лазаретах во время первой мировой войны. Однако дезинфицирующие средства благодаря Листеру навсегда утвердились в медицине. Самое распространенное из них — настойка йода, получаемая растворением йода в спирте. Впервые ее применил Стреттон в 1909 году. Во время первой мировой войны военные врачи имели возможность убедиться в высокой эффективности йода.

Химические дезинфицирующие средства применяются во многих областях медицины. Часто возникает необходимость уничтожить болезнетворные микробы в выделениях человека и животных, в трупах, в жилых помещениях и т. д. Дезинфекция — одно из важнейших средств в борьбе с распространением заразы; как профилактическому средству ей придается особое значение.

Листер ввел в практику и дезинфекцию воздуха в операционных. Раствор карболовой кислоты распыляется в воздухе, очищая его таким образом от микробов. Теперь этот метод уже не применяется, поскольку оказалось, что карболовая кислота вредно сказывается на здоровье людей. Более целесообразной была признана дезинфекция ультрафиолетовым облучением. В последнее время ультрафиолетовые лучи используются и при дезинфекции воздуха в общественных местах. Воздух из театральных залов отсасывается сильными вентиляторами и пропускается через трубы-туннели, в которых сильные ультрафиолетовые лампы убивают находящиеся в воздушном потоке микробы. После такой биологической очистки и соответствующей обработки воздух снова возвращается в залы. Самый простой способ дезинфекции воздуха в жилых помещениях — тщательное проветривание. Ранее с успехом применялись и пары некоторых соединений, например молочной кислоты или триэтиленгликоля, которые уничтожают микробы. Различные методы дезинфекции воздуха устраняют до 90 % присутствующих в нем микроорганизмов. С введением дезинфекции воздуха в операционных помещениях удалось значительно снизить число случаев гнойных инфекций после операций.

Немаловажное значение имеет очистка воздуха от пыли. На ее частичках обычно удерживаются микробы. Устраняя из воздуха пыль, мы тем самым очищаем его от большей части микроорганизмов.

Не менее важна и дезинфекция воды. Многие эпидемии, распространявшиеся в прошлом городским водопроводом, заставили ученых серьезно заняться проблемой очистки питьевой воды от микробов. Чаще всего для дезинфекции воды применяется хлор и его соединения.

Если химиотерапевтические и антибиотические средства используются в борьбе с болезнями, то дезинфекционные предназначены для предупреждения инфекций.

Дезинсекция и дератизация

Дезинфекция является непосредственным средством борьбы с микробами, тогда как дезинсекция и дератизация направлены против их переносчиков. Самые распространенные в мире болезни переносятся насекомыми: сыпной тиф — вшами; малярия, лейшманиоз и желтая лихорадка — комарами. Мухи и клопы являются распространителями болезнетворных трипаносом. Борьба с насекомыми, или дезинсекция, имеет огромное профилактическое значение. После того как стали применять контактные (непосредственно действующие) яды, в этой борьбе были достигнуты значительные успехи. Наиболее известный из контактных ядов — ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан). Во время второй мировой войны благодаря применению ДДТ почти не было заболеваний сыпным тифом.

Этот препарат дал также прекрасные результаты в борьбе с комарами и их личинками. Другой инсектицидный препарат, тоже контактный яд, — гексахло-рциклогексан (ГХЦГ) — в последние годы широко применяется в Чехословакии под названием «димогам». ДДТ, ГХЦГ, а также схожий с нафталином препарат диэльдрин — самые распространенные инсектициды. Их общим признаком является наличие в молекулах нескольких атомов хлора.

Не меньшее значение имеет и борьба с грызунами — естественными носителями, а иногда и переносчиками инфекций. Мы хорошо знаем, что такие болезни, как туляремия или чума, распространяются главным образом грызунами. При дератизации применяют многие химические, механические и биологические средства в борьбе с нежелательными и опасными животными.

Удастся ли уничтожить инфекционные болезни?

Когда-то Эрлих под впечатлением успешного действия сальварсана предсказал ликвидацию всех инфекционных заболеваний и даже наметил ее сроки — пять лет. Однако его пророчество не сбылось.

Почти пятнадцать лет спустя, уже после открытия стрептомицина, в научных кругах появилось такое высказывание, принадлежащее Л. Даблину:

«Равновесие между туберкулезной палочкой и организмом человека наконец нарушено — оно сместилось в пользу человека, о чем свидетельствует уменьшение числа заболеваний, острых случаев и смертности. Сохранение этой тенденции и все возрастающий размах борьбы позволяют заключить, что нарушение «баланса» приведет к полному контролю над болезнями… Когда наступит этот момент, трудно сказать, но по многим данным можно считать, что это случится в ближайшие двадцать лет».

В ноябрьском номере журнала Всемирной организации здравоохранения за 1959 год говорится:

«С появлением эффективных противотуберкулезных средств — сначала стрептомицина в 1944 году, а затем ПАСК и ИНА — положение изменилось к лучшему. Миллионы людей во всем мире получили надежду на излечение, на что раньше не могли и рассчитывать. Врачи подошли к коренному пересмотру методов лечения и предупреждения туберкулеза, что открывает новые пути к контролированию и ликвидации болезни».

Та же Всемирная организация здравоохранения, а за ней и другие международные медицинские учреждения уже в 50-х годах объявили о всемирных мероприятиях по ликвидации малярии. Непосредственная борьба против возбудителей болезни ведется с помощью противомалярийных средств, о которых мы рассказывали в 18-й главе. Параллельно идет и борьба против комаров, являющихся ее переносчиками. Немалую помощь оказывают инсектициды. В зараженных районах ими опрыскивают все жилые помещения. Вплоть до 1951 года нигде в мире не было зарегистрировано случая устойчивости комаров к этим препаратам. Но затем из Греции, а через несколько лет и из многих районов Азии стали поступать сведения об устойчивости комаров к ДДТ и диэльдрину. Такие же сведения были получены из Латинской Америки, США, Африки и с острова Явы. Проблема оказалась очень сложной, но ее нельзя считать безнадежной.

Как же обстоит дело с другими болезнями? Все государства Западного полушария в 50-х годах объявили о всесторонней борьбе с переносчиками желтой лихорадки — комарами вида Aedes aegypti. В Бразилии, Боливии, Перу и других странах почти полностью истребили этого комара. В некоторых государствах успех этих мер был затруднен тем, что естественным носителем микроба оказались и обезьяны. Несмотря на определенные трудности, борьба с переносчиками интенсивно продолжается, а достигнутый в настоящее время успех можно охарактеризовать так: в городах ликвидирована желтая лихорадка, а в природных ландшафтах — комар.

Идеальны условия для уничтожения очагов инфекционных болезней на изолированных островах. В Англии уже ликвидированы оспа и бешенство, а тиф, чума, малярия, холера исчезли благодаря хорошо поставленной службе гигиены. На острове Цейлон (ныне Шри Ланка) в течение 40—50-х годов были искоренены оспа, чума и холера. В США желтая лихорадка была ликвидирована в сравнительно короткий срок после того, как открыли ее переносчика.

Итак, достигнуты немалые успехи, но до окончательной ликвидации инфекционных болезней в мировом масштабе говорить пока слишком рано.

В четвертой части нашего путешествия по стране микробов мы узнали о том, что эти организмы сеют болезни и смерть не только среди людей — многие из них пагубны для животных и растений. Почему же не объявить беспощадную войну всем микробам? Разве это не было бы лучшим способом искоренения болезней?

Современная наука внесла много ценного в борьбу с вредными микробами. Но она старается и поддерживать жизнестойкость и активность полезных микробов. На предложение уничтожить все микроорганизмы, независимо от степени их вреда или пользы, микробиолог мог бы ответить так:

«Если бы какая-нибудь катастрофа уничтожила на нашей планете человечество, постепенно исчезло бы все, что создал человек, но природа продолжала бы существовать. Всю планету заполнила бы богатая флора и фауна. Но если бы катастрофа коснулась только бактерий, постепенно стали бы увядать и отмирать растения. А вслед за ними погибли бы животные, включая и человека, и Земля превратилась бы в бесплодную пустыню».

О значении полезных микробов мы уже кое-что узнали. Человек научил «хорошие» микробы работать на себя. Без них не было бы пенициллина. И не только пенициллина… Последняя часть нашего путешествия в страну микробов раскроет нам еще одну сторону их деятельности и познакомит с этими верными помощниками.

Часть шестая. Наши мельчайшие помощники

Мы часто делим микробы на хороших и плохих полезных и вредных. Мне как-то пришлось выступать перед одной из сенатских комиссий, которой было поручено изучить документы об основных принципах развития науки. И когда меня отрекомендовали как человека, занимающегося микробами, председатель комиссии заметил, что все мы, вероятно, должны чувствовать ненависть к этим ужасным созданиям. Я ответил, что занимаюсь преимущественно хорошими микробами, на что сенатор возразил: «Никогда не слышал, что существуют и хорошие микробы, но если это действительно так, то я, во всяком случае, встречался только с плохими!»

С. Я. Ваксман

21. Микробы на службе здоровья

Господа, за микробами последнее слово!

Л. Пастер

Лицевая и оборотная стороны пенициллиназы

С пенициллиназой мы уже познакомились в 19-й главе. Этот фермент — щит бактерий, отражающий губительные для них стрелы в виде молекул пенициллина. Сколько неприятностей доставила она врачам, которые с разочарованием должны были отказываться от пенициллина как бесполезного препарата. Но все же пригодилась и пенициллиназа! На этот раз она оказала услуги не ее производителям, бактериям, а человеку, познавшему теневые стороны применения пенициллина — вызываемые им аллергические реакции и анафилактические шоки. И когда они проявляются (хоть и очень редко), на помощь человеку приходит пенициллиназа.

Сегодня микробиологи умеют получать не только пенициллин, но и пенициллиназу. При аллергической реакции на пенициллин желательно прежде всего полностью удалить его из организма. Для этой цели в организм вводят пенициллиназу. Она отыскивает молекулы пенициллина и уже известным нам способом разрушает их. Химическое изменение пенициллина сразу же облегчает состояние слишком чувствительного больного, и аллергическая реакция проходит.

Пенициллиназа не единственный фермент микробов, который можно применять для лечения. Специалистам известны и другие ферменты болезнетворных бактерий, например стрептокиназа, полученная из гемолитических стрептококков. Это вещество, примененное в соответствующих дозах, может устранять нежелательное свертывание крови.

На VI Международном конгрессе по химиотерапии в августе 1969 года в Токио на повестке дня стоял вопрос об L-аспарагиназе — ферменте, полученном из кишечных бактерий. Как показали исследования японских, американских и других ученых, L-аспарагиназа эффективна в борьбе против лейкоза у детей[40], и одна из японских компаний в 1970 году начала производство этого препарата.

Таким образом, эти мельчайшие микроскопические существа поставляют нам не только антибиотики, но и соединения, которые могут быть использованы для защиты здоровья человека.

Микробы — производители витаминов

Мы уже знаем, что витамины — важные компоненты ферментов, без которых последние не могли бы выполнять свои биохимические функции. Поэтому каждая клетка, каждый организм нуждаются в витаминах. Нуждаемся в них и мы. Отсутствие в пище хотя бы одного из витаминов приводит к нежелательным расстройствам организма, как это видно из таблицы 13.

Всем известно, что витамины находятся в различных пищевых продуктах, но мало кто знает, что некоторые витамины (С, D, группы В) получают в настоящее время заводским путем с помощью микробов.

Витамин В_2 (рибофлавин) получают из продуктов жизнедеятельности дрожжей. Кроме них, для этой цели используются также грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossypii, паразиты хлопчатника и других растений. За свою «вредительскую» деятельность они расплачиваются с нами, производя столь необходимый нам рибофлавин.

В 1 л жидкой культуральной среды, в которой выращиваются эти микроскопические грибы, содержится около 1 г рибофлавина, столько же, сколько в 500 л коровьего молока. Теперь эти микробы — продуценты витамина В_2 выращиваются в огромных 100 000-литровых емкостях, откуда через каждые 4–5 дней выделяют по 100 кг витамина. Достаточно сказать, что такое количество рибофлавина содержится в 50 миллионах литров молока.

Накопление новых данных о витаминах сопровождалось и расширением наших сведений об их влиянии на микроорганизмы. Во многих случаях микробы оказали помощь в выделении витаминов и в их химическом изучении. Приведем пример из недавнего прошлого, показывающий, каким образом микробы способствовали решению загадки, связанной со злокачественнным малокровием.

Злокачественное малокровие — болезнь, выражающаяся в пониженной выработке организмом красных кровяных телец (эритроцитов). Уже давно при лечении этой болезни применяли препараты, выделяемые из печени и содержащие химически неизвестное в те времена вещество. В 1948 году было обнаружено, что это вещество влияет на рост молочнокислых бактерий Lactobacillus lactis. Их размножение зависело от присутствия в питательной среде какого-то стимулирующего вещества. Констатация этого факта была первым шагом к тому, чтобы при помощи бактерий выделить из печени это вещество в чистом виде. Теперь-то мы знаем, что этим стимулятором является витамин В_12.

Сведения о новом витамине постепенно пополнялись. Оказалось, что его продуцентами являются многие бактерии и актиномицеты; некоторые из них (как, например, упомянутые молочнокислые бактерии) должны получать его для своего роста и развития в уже готовом виде. Микробы, обитающие в одном из отделов желудка жвачных (в рубце), как нам уже известно, сами вырабатывают витамин В_12.

Дальнейшие исследования показали, что некоторые актиномицеты — продуценты антибиотиков — образуют значительные количества этого витамина. В настоящее время в промышленном масштабе витамин В_12 вырабатывается в основном при помощи этих микроорганизмов. Для его получения используют также микроорганизмы, живущие в осадках сточных вод.

Ученым удалось установить химический состав нового витамина. Строение его молекулы имеет много общего со структурой красящего вещества крови (гемоглобина) и хлорофилла. В состав молекул этих веществ входят атомы металлов: в молекуле гемоглобина содержится атом железа, в молекуле хлорофилла — атом магния, а в молекуле витамина В_12 — атом кобальта (этот витамин иногда называют цианокобал амином).

Витамин В_12 используется для приготовления чистого медицинского препарата, а в неочищенном виде его вместе с некоторыми антибиотиками добавляют к кормам домашних животных.

Микробы, вырабатывающие витамин В_12, однако, не столь усердны, как продуценты рибофлавина. Но химикам стоит поработать над усовершенствованием метода выделения витамина В_12 даже в том случае, если на миллион частей культуральной среды будет получено лишь пять частей витамина. Ведь важность витамина огромна: суточной его дозы (1 миллионная часть грамма) вполне хватает для обновления крови при некоторых видах малокровия, вызванных недостатком этого витамина или неспособностью организма получать его из пищи.

В последние годы началось промышленное производство еще одного витамина — биотина. Вырабатывают это вещество дрожжи из рода Sporobolo-myces. Биотин используется в медицине, а в неочищенном виде добавляется в корма.

Дрожжи Saccharomyces carlspergensis используются в биологическом производстве эргостерина, из которого при помощи ультрафиолетовых лучей получают витамин D. Эргостерин, как мы помним, был выделен еще в прошлом веке из зерен злаков, пораженных спорыньей. В 1927 году было установлено, что эргостерин под действием ультрафиолетовых лучей преобразуется в витамин D и приобретает свойства, очень важные для лечения рахита.

Образование подобных веществ характерно и для бактерий. Так, уксуснокислые бактерии применяются при производстве витамина С. Основным сырьем для его получения служит глюкоза, которая химическим путем превращается в соединение, называемое сорбитом. Затем сорбит при помощи уксуснокислых бактерий превращается в сорбозу, а из нее уже химическим путем получают витамин G.

Редкие стероиды

Эргостерин принадлежит к группе химически сходных веществ, называемых стероидами. К ним относятся и некоторые важные гормоны. В организме человека и животных гормоны образуются в железах внутренней секреции, из которых они переносятся к месту действия циркулирующими в теле жидкостями. Недостаточное или чрезмерное образование гормонов в организме всегда ведет к различным нарушениям физиологических процессов. Познав природу и функцию гормонов, человек стал применять их в качестве лекарственных препаратов.

В 50-х годах значительно увеличился спрос на стероидные гормоны из коры надпочечников, которые применяются при ревматических заболеваниях суставов, а также при различных воспалительных процессах, аллергиях, кожных и глазных болезнях. Кроме того, они используются в качестве анестезирующих средств и противозачаточных препаратов. Некоторые половые гормоны применяются и при лечении рака.

Спрос на стероидные гормоны постоянно возрастал. Только в США за 1961 год их было продано на 150 миллионов долларов. Но получать их приходилось из органов животных и при этом очень трудоемким способом. Поскольку в природе существуют более дешевые химически близкие стероиды, ученые пытались использовать эти источники для получения редких лекарств. Основной проблемой было изменение молекулы более доступного природного сырья: в положение, обозначаемое химиками цифрой 11, необходимо ввести еще один атом кислорода. А это оказалось нелегким делом.

Американский химик Л. Саррет в 1946 году опубликовал сообщение о результатах своих исследований. Он хотел получить гормон кортизон из дезоксихеловой кислоты, содержащейся в желчи. Для «перемещения» атома кислорода из положения 12 в положение 11 ему потребовалось осуществить более десяти сложных химических операций. Кроме того, для преобразования молекулы дезоксихеловой кислоты в молекулу кортизона требовалось провести тридцать две химические реакции, причем каждая из них влекла за собой потерю половины предшествующего промежуточного продукта. В результате из 600 кг исходного сырья — сравнительно дорогой дезоксихеловой кислоты — он получил всего 938 г кортизона, то есть выход конечного продукта составлял менее двух десятых процента.

Гидроксильная группа, присоединяемая микробами в положение 11 при получении гидрокортизона

На помощь пришли микробиологи. Им уже давно были известны микроорганизмы, изменяющие стероидные соединения. Некоторые из них могут ввести в молекулу стероида атом кислорода как раз в положение И, то есть осуществляют процесс «11-бета-гидроксилирования». Химики с большой радостью приняли помощь микробиологов. Вместо 32 химических операций для получения гидрокортизона теперь достаточно всего нескольких стадий. При этом одну из важнейших для преобразования молекул реакций осуществляют микроорганизмы.

Лекарство из яда

Еще на клинописных табличках, относящихся к 600 году до н. э. (Ассирия), было записано, что хлебные зерна бывают заражены каким-то ядом. В Средние века в Европе было несколько вспышек загадочных эпидемий, которые унесли тысячи человеческих жизней. В одну из эпидемий эрготизма в 994 году во Франции погибло около 40 000 человек. Через сто лет после этого был основан монашеский орден, члены которого обязаны были заботиться о больных эрготизмом… Вернемся еще раз к знаменитому Парацельсу, провозгласившему, что «все есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна только доза делает яд незаметным». Спорынья появляется в результате поражения хлебных злаков грибом Claviceps purpurea. В продолговатых черных зернах таится и смерть и спасение!

Немецкий врач Лоницер уже в конце XVI века упоминал о том, что повивальные бабки применяли «эргот» как средство, ускоряющее роды… Но это было единственным лечебным использованием спорыньи. В XIX веке врачи применили ее и в других целях. Чем же объясняется, что иногда спорынья бывает причиной смерти, а иногда излечивает?

Химики сделали целый ряд открытий. Они постепенно выделили из зерен спорыньи загадочные соединения, относившиеся к обширной семье веществ растительного происхождения, известных под общим названием алкалоидов. Оказалось, что спорынья содержит пеструю смесь алкалоидов, которые химики по мере выделения называли эрготоксином, эрготинином, эрготамином, эргоновином…

Среди ученых, занимавшихся исследованием алкалоидов, выделялась группа щвейцарских химиков во главе с Штоллем. Они доказали, что алкалоиды спорыньи имеют общий «химический знаменатель»: в основе их структуры лежит вещество, названное ими лизергиновой кислотой. Оно являлось таким же «ядром молекулы», как и 6-аминопенициллановая кислота, используемая в настоящее время для получения полусинтетических пенициллинов.

Таким «ядром», к которому химики стали присоединять самые различные «радикалы», стала илизергиновая кислота. При этом были получены новые алкалоиды, отличающиеся разнообразным биологическим действием.

Гофман, один из коллег Штолля, пережил приключение с невеселым началом, но, к счастью, благополучно закончившееся. Работая с одним из «искусственных» производных лизергиновой кислоты, зарегистрированным в дневниках лаборатории под шифром ЛСД-25, он случайно лизнул капельку препарата… Через несколько часов его отвезли в психиатрическое отделение больницы, так как, по мнению близких, Гофман сошел с ума. Врачи констатировали симптомы, схожие с теми, которые появляются при шизофрении… Через несколько дней Гофман вернулся в лабораторию вполне здоровым.

На собственном опыте он убедился, что ЛСД-25 вызывает галлюцинации. Американский ученый Корнфелд, также изучавший производные лизергиновой кислоты, позднее писал: «… меньше чем четверти килограмма соответственно дозированного ЛСД-25 было бы достаточно для временного превращения всех восьми миллионов жителей Нью-Йорка в шизофреников».

Препарат ЛСД-25, который сейчас, помимо всего прочего, применяется и при лечении алкоголизма, оказывает сильное и глубокое действие на центральную нервную систему. Некоторые люди, и таких немало, тайно «поклоняются» этому наркотику, занимаясь по существу самоубийством. Круг замкнут! Из яда (спорыньи) мы получили ценнейшие лекарственные средства (алкалоиды), которые в руках безответственных торгашей становятся источником баснословных прибылей, а в руках людей слабых и развращенных — средством собственной гибели.

Между тем исследование алкалоидов спорыньи продолжалось. Микробиологи «научили» их продуцента, Claviceps purpurea, расти и в лабораторных условиях, так же как когда-то заставили продуцентов антибиотиков вырабатывать эти ценные лечебные препараты в промышленных масштабах. Лизергиновую кислоту в настоящее время можно получить и из другого вида гриба — С. paspali, который обладает еще большими потенциальными возможностями, чтобы стать «промышленным микробом».

Интересна история алкалоида эфедрина. Вначале его получали из китайского кустарника ма хуанг (эфедры, хвойника), о лечебных свойствах которого китайцы знали уже тысячи лет. Но после первой мировой войны немецкий биохимик К. Нёйберг при помощи дрожжей преобразовал бензальдегид в соединение фенилгидроксипропанон, из которого позднее, применив всего одну-единственную химическую реакцию, химики получили эфедрин. Так из дешевого бензальдегида фармацевтическая промышленность получает теперь ценный алкалоид. Процесс может быть выражен такой упрощенной схемой:

Этот рассказ можно было бы продолжить, ведь теперь известны и другие алкалоиды, полученные из микробов. Возможно, что во многих лабораториях нас ждут новые неожиданности…

В производстве алкалоидов микроорганизмы могут быть использованы и как косвенные помощники. Например, выход алкалоидов из головок мака можно увеличить, если головки предварительно инфицировать некоторыми микроскопическими грибами, частично их разлагающими. При этом лучшие результаты даст химическая экстракция алкалоидов.

22. Микробы, пиво и вино

Я пью шампанское из этого бокала

За тех, чьи кости от Ла-Манша до Байкала

Покоятся в земле, чтоб больше не восстать.

Ночей не хватит мне над ними причитать.

Я пью шампанское — не кровь, как пьют иные;

Я верю в красоту, как в брюхо остальные.

Посмей не утверждать, что не пророк поэт,

Я пью шампанское, и смех — мой вам ответ.

Ян Смрек «Шампанское»

Дрожжи и виноделие

История виноделия своими корнями уходит в глубокую древность. По библейским сказаниям, праотцем всех виноделов был Ной, вырастивший большой виноградник. Косточки культурного винограда находят в египетских гробницах, хотя египтяне делали вино и из фиников, и из ячменя. Кстати, последнее было напитком простого люда, им омывали также тела умерших перед бальзамированием. В Грецию опыт виноделия пришел, по-видимому, из Малой Азии. Согласно мифу, с виноградной лозой Грецию познакомил бог вина Дионис. В «Илиаде» Гомер говорит, что на щите, который Гефест выковал для Ахиллеса, был изображен весь мир и дела человеческие. Не был забыт и виноград:

Сделал на нем отягченный гроздием сад виноградный,

Весь золотой, лишь одни виноградные кисти чернелись;

И стоял он на сребряных, рядом вонзенных подпорах.

Около саду и ров темно-синий, и белую стену

Вывел из олова; к саду одна пролегала тропина,

Коей носильщики ходят, когда виноград собирают.

Там и девицы и юноши, с детской веселостью сердца,

Сладостный плод носили в прекрасных плетеных корзинах.[41]

О роли дрожжей в получении вина долгое время ничего не было известно. Муть, осаждавшуюся в конце брожения на дне сосудов и состоявшую, как мы знаем, в значительной мере из клеток дрожжей, немецкий монах и алхимик XV века Базилиус Валентинус считал за faeces vini (выделения, облагораживающие вино). У французских вин очень давние традиции. Говорят, что бургундские виноградники были заложены 2000 лет назад. Когда в 600 году финикийцы основали портовый город Марсель, там уже якобы пили славное бургундское вино.

Луи Пастер, раскрывший сущность брожения, научил своих соотечественников «излечивать» болезни вин отбором качественных дрожжевых культур и пастеризацией готового продукта. Лучшими винными дрожжами являются Saccharomyces cerevisiae elipsoideus.

В Словакии виноделием славится область Малых Карпат, а также районы на юге и востоке страны. Центр виноделия на склонах Малых Карпат — старинный городок Модра, в гербе которого изображена веточка лозы с гроздьями винограда.

Как получают пиво

Пивоварение — один из самых древних производственных процессов — применяется человеком уже 5000 лет. Основателями пивоварения считают древних египтян. Согласно мифологии, бог Озирис научил человека варить пиво, чтобы облегчить ему тяготы жизни. В легендах северных народов хранителем и покровителем бродильных чанов был бог Химер.

В ассирийских табличках 2000 года до н. э. упоминается, что Утнапиштим (ассирийское имя Ноя) взял в свой ковчег среди прочих продуктов и пиво. Еще более древние сведения мы находим в шумерском рельефе древнего Ура (около 2600 лет до н. э., в эпоху, царствования царицы Шуб-ад). На нем изображены две женщины, потягивающие пиво через тонкие соломины (такой способ питья отнюдь не является достижением нашего века!). Приблизительно к тому же периоду относятся египетские папирусы четвертой династии, в которых описывается приготовление солода из ячменя (фото 65). Древние китайцы пили киу — напиток типа пива, получаемый из риса, — уже в 2300 году до н. э. Высадившийся в Центральной Америке Колумб обнаружил у индейцев пиво, приготовляемое из кукурузы.

На научную основу пивоварение было поставлено лишь Пастером, который на протяжении нескольких лет изучал «болезни» пива. В результате он получил точное представление о деятельности дрожжевых грибов и о влиянии посторонних микроорганизмов на процессы брожения. Свои наблюдения и рекомендации пивоварам ученый обобщил в 1876 году в книге «Исследования о пиве». Датский исследователь Эмиль Христиан Ганзен, изучавший микробиологические процессы, ввел в производство пива чистые культуры дрожжей. По названию Карлсбергской лаборатории в Копенгагене, рассылавшей пивные дрожжи во все страны мира, они получили название Saccharomyces carlsbergensis (фото 66).

В Европе основным сырьем для пивоварения служит ячмень. Зерна высококачественного ячменя насыпают слоем в несколько сантиметров, увлажняют и проращивают. Эти искусственно проращенные зерна называются солодом. Во время прорастания в зернах образуются ферменты, используемые в дальнейших процессах.

Солод высушивают, перемалывают и смешивают в определенной пропорции с водой. При постепенно повышаемой температуре (от 40 до 70 °C) в действие вступают ферменты, разлагающие крахмал на сахара, которые переходят затем в водный раствор. Кроме сахаров, в раствор попадают компоненты белков и минеральные соли. Полученную смесь подвергают кратковременному кипячению, после чего твердые частицы (дробину) отфильтровывают, а в оставшуюся чистую жидкость, называемую суслом, кладут шишки хмеля и снова варят. Из хмеля выделяются различные соединения, они придают жидкости особый аромат и обладают бактерицидными свойствами. При кипячении жидкость стерилизуется. Затем ее фильтруют, в результате получается раствор, содержащий различные сахара (преимущественно глюкозу), аминокислоты, минеральные соли и другие вещества. Он служит питательной средой для дрожжевых грибов, которые засевают в большие бродильные чаны. Брожение протекает при температуре около 10 °C и продолжается 10 дней, а при более высокой температуре (15–23 °C) — около недели. На поверхности бродящей жидкости в результате освобождения углекислого газа образуется пена.

Перебродившее таким образом пиво еще непригодно к употреблению и после отделения дрожжей должно в течение нескольких недель дозревать в больших сосудах при температуре около 0 °C. За это время процесс брожения постепенно заканчивается, некоторые вещества осаждаются. После их устранения в пиво вводят под давлением углекислый газ, способствующий образованию пены и обеспечивающий более длительную сохранность. Затем пиво разливают в бутылки, где оно подвергается пастеризации.

На дрожжевом заводе

Под старым замком Матуша Чака на левом берегу реки Ваг на скале выбита надпись, свидетельствующая о пребывании в конце II века легии римского императора Марка Аврелия на территории теперешней Словакии. Скала и развалины замка на ней — свидетели древней славы города Тренчин. На правом берегу реки расположен небольшой завод, принесший известность городу и в наше время. Ежедневно с его конвейера сходят деревянные ящики с надписью «Тренчинские дрожжи». Проследим их путь, начиная с заводской лаборатории.

В небольшом сосуде Ганзена в жидкой питательной среде находится культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В каждой капельке среды видны под микроскопом тысячи овальных клеток. Из этого сосуда постепенным пересевом во все большие и большие сосуды дрожжи наконец попадают в большие цилиндрические емкости, называемые в производстве бродильными чанами. Там также находится питательная среда. Главный ее компонент — патока, получаемая с сахарных заводов. В патоке много примесей (до 50 %), так что добывание из нее сахара себя не оправдывает.

Кроме патоки, разведенной водой, питательная среда содержит фосфорнокислые соли, аммиак и другие необходимые для жизнедеятельности дрожжей вещества. После стерилизации жидкость в чанах охлаждают до 28 °C и засевают культурой дрожжей. При постоянно поддерживаемой температуре, непрерывном перемешивании и подаче стерильного воздуха дрожжи начинают усваивать подготовленную для них пищу. Содержащиеся в патоке сахара они разлагают на спирт и углекислый газ, вспенивающий жидкость в чанах и уходящий в атмосферу. При этом они получают энергию. Азот из аммиака, фосфор из солей фосфорной кислоты и углерод из сахаров — главные биогенные элементы, из которых клетки дрожжей образуют новую живую массу. Эта биомасса постепенно увеличивается, клетки, размножаясь, делятся на новые и новые, и по прошествии 12 ч брожение заканчивается. Дрожжи вместе с жидкостью поступают по трубам в сепараторы, где происходит их разделение — кашеобразная масса с дрожжами уходит в одном направлении, а жидкость — в другом. Из дрожжей под прессом удаляют воду и получают пекарские дрожжи — всем хорошо известную плотную, бесструктурную светлую массу.

Производство спирта

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae применяются и в производстве спирта. Кроме приготовления напитков, спирт используется также в качестве ценного сырья в химической промышленности. Применяется он и в медицине.

Производственный процесс получения спирта очень схож с производством пекарских дрожжей. Основное различие — в интенсивности снабжения питательной среды воздухом. При поступлении в бродящую жидкость достаточного количества воздуха происходит полное разложение сахаров на углекислый газ и воду, причем образуется обильная масса дрожжевых клеток. Если же поступление воздуха в период брожения ограничено, разложение сахаров задерживается на стадии образования спирта. Чтобы лучше уяснить себе различие между производством дрожжей и спирта, попробуем кратко охарактеризовать происходящие при этом процессы.

Патока содержит углевод сахарозу, который под влиянием ферментов дрожжей разлагается на более простые соединения — глюкозу и фруктозу. Разложение этих сахаров происходит одинаково вплоть до важного промежуточного продукта, называемого пировиноградной кислотой. Вот тут-то и появляются существенные различия в производстве дрожжей и спирта. Если в питательную среду кислород поступает в достаточном количестве, то пировиноградная кислота включается в серию химических реакций, заканчивающихся ее разложением на углекислый газ и воду, причем освобождается химическая энергия, необходимая для образования белков в клетках, — так получают дрожжи.

За исследование процесса биохимических реакций от пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды двум английским биохимикам, Кребсу и Липмену, была присуждена Нобелевская премия. Кребс в то время заведовал кафедрой биохимии Оксфордского университета. Его коллеге Липмену мы обязаны открытием важного соединения — кофермента А, играющего решающую роль во многих жизненных процессах.

Вернемся, однако, к нашей пировиноградной кислоте и проследим ее судьбу в условиях недостатка кислорода. При помощи ферментов дрожжи прежде всего укорачивают ее молекулу до промежуточного продукта ацетальдегида, из которого далее образуется этиловый спирт. При этом освобождается значительно меньшее количество энергии, чем в производстве дрожжей. Возникает и значительно меньше дрожжевых клеток, которые вынуждены разложить большее количество сахаров. В результате образуется спирт,

Хлеб и дрожжи

В древних писаниях мы находим немало сведений о том, что люди ели хлеб, приготовленный из кислого (дрожжевого) теста, пили вино и пиво. Все это отражено и в мифологии. Греки и римляне поклонялись богу вина Дионису (Вакху), и в его честь устраивались знаменитые вакханалии. Из санскритской литературы мы знаем, что древние арийцы приготовляли пьянящий ритуальный напиток сома из перебродивших соков, а напиток сура, очень похожий на наше пиво, из пшеницы и ячменя. Греческий историк Геродот 2500 лет назад приписывал пиву божественное происхождение. Знаем мы и о том, что древние славяне варили пиво и мед.

По некоторым данным, дрожжи приготовляли и торговали ими в русских монастырях уже в XIV и XV веках. В конце XVIII века стали употреблять спрессованные дрожжи.

Жители древней Палестины имели рецепт приготовления хлеба из кислого и пресного теста.

Нужное количество дрожжей разводят в воде или молоке до белой кашицы — закваски, на которой и замешивают тесто. Клетки дрожжей преобразуют бродящие вещества в спирт и углекислый газ. Выход газов из теста затруднен; они вздувают его пузырями, и оно «поднимается». Поднявшееся тесто ставят в печь при температуре несколько сотен градусов. Газы, расширяясь в объеме, увеличивают размеры хлеба, который постепенно растет и покрывается коркой, сохраняющей его вздутую форму. От пузырьков углекислого газа и спирта в сердцевине хлеба остаются пустоты, которые делают мякиш пористым. Дрожжи в процессе выпечки разлагают часть крахмалистых и белковых веществ, делая их более доступными для ферментов, содержащихся в желудочном соке человека. Поры в сердцевине обеспечивают хорошую выпечку хлеба.

Итак, дрожжи являются одним из самых древних помощников человека в мире микробов. Хлеб, спирт, вино, пиво, белковые и витаминные препараты — все это широко известные продукты их жизнедеятельности.

Мы не упомянули здесь еще множество иных напитков, получению которых обязаны не только дрожжам, но и целому ряду других микроорганизмов. Но нельзя закончить эту главу, не подчеркнув, что использование этих продуктов жизнедеятельности микробов имеет и свою оборотную сторону, омрачающую жизнь человека.

Мы говорим об алкоголизме и его страшных последствиях. Как здесь снова не вспомнить слова Парацельса о том, что все есть яд и только доза делает яд незаметным!

23. Микробы и наше питание

В своем стремлении восполнить недостаток белковых веществ человек неоднократно обращался к микроорганизмам, которые могут получать белки из других азотсодержащих веществ и дешевых источников углерода.

П. Н. Хобсон

Бактерии и наше меню

В предыдущей главе мы воздали должное дрожжам, обеспечивающим нас и вкусным хлебом на столе, и приятными напитками. Еще раньше мы говорили о других грибах — богатых источниках, витаминов. А что же бактерии? Неужели они не принимают никакого участия в нашем питании?

Начнем с уксуснокислых бактерий. Прежде всего эти бактерии дают нам уксус.

Не было бы в нашем рационе ни кислой капусты, ни соленых огурцов или маринованных маслин, если бы не существовали молочнокислые бактерии. Эти бактерии живут не только в молоке. Есть среди них и специалисты по растительной пище. Сахара они преобразуют в молочную кислоту, предохраняющую маринованные овощи от действия гнилостных бактерий.

Любители югурта[42] и других напитков, приготовляемых из молока, должны с благодарностью вспоминать о бактериях. Молочнокислые бактерии превращают молочный сахар — лактозу — в молочную кислоту, придающую приятный кислый вкус напиткам и предохраняющую их от разложения. Хорошая хозяйка знает, что из кислого молока можно получить творог — концентрат молочных белков.

Мечников придавал молочнокислым бактериям огромное значение в охране здоровья и обеспечении долголетия. Основываясь во многом на богатом опыте болгар-долгожителей, у которых югурт является широко распространенным молочным продуктом, он разработал учение о продлении жизни, в котором немалую роль отводил молочнокислым бактериям. Все известные данные и собственные взгляды и соображения он изложил в книге «Этюды оптимизма» (1907), в которой подчеркивал важность питания молочнокислыми продуктами.

На Кавказе с незапамятных времен из молока приготовляли кефир, широко распространенный сейчас в Советском Союзе. В молоко вносят так называемые кефирные «зерна», содержащие молочнокислые бактерии и дрожжи. Они сбраживают сахара в молоке, преобразуя их в молочную кислоту и спирт.

На юге РСФСР и в Средней Азии распространен напиток из кобыльего молока, называемый кумысом. Он также содержит молочную кислоту и спирт, образующиеся в результате жизнедеятельности микробов.

В Восточной Азии из коровьего молока приготовляют напиток курунга, напоминающий кефир, а так называемый лебен уже сотни лет распространен в Египте, Сирии, Алжире и на острове Сардиния.

В пастушеских становищах

Жинчица, брынза, ощепки и пареницы[43] — всей этой пищи, без которой немыслим пастушеский быт в горах, не существовало бы, не будь у человека помощников из мира микробов.

Основа почти всех продуктов, приготовляемых в пастушеских становищах («кошах») Словакии, — овечье молоко. «Закваской» служит кусок желудка теленка. Он содержит ферменты, при помощи которых из молока осаждаются белки в виде сладковатого сыра. Отцеженная жидкость — жинчица — отличный напиток, играющий важную роль в повседневном рационе обитателей коша и столь любимый горожанами. Створоженное молоко, являющееся исходным продуктом для изготовления сыра, длительное время «выдерживают»; в этот период в нем протекают процессы, придающие сыру специфические качества и обеспечивающие длительную сохранность. В этих процессах главную роль играют молочнокислые бактерии. Вслед за ними вступают в действие пропионовокислые бактерии, превращающие молочную кислоту в пропионовую с выделением углекислого газа. В результате сыр приобретает пористость, а его белки преобразуются в аминокислоты.

Самым важным ферментом в закваске молока является реннин, который находили лишь в желудке телят, вскармливаемых молоком. Но недавно японские исследователи из Токийского университета открыли микроскопический гриб Mucor pusillusy вырабатывающий реннин, неотличимый от животного. Таким образом, появились перспективы более рационального приготовления молочнокислых продуктов.

Обработка сыра для получения брынзы также происходит при участии микробов. Но эти химические изменения тормозятся добавлением в качестве консервирующего вещества большого количества соли.

Сыры можно приготовлять из молока и другими способами. В Европе и Азии они были известны за несколько столетий до нашей эры. Греческий поэт Гомер в поэме «Одиссея» рассказывает, как одноглазый циклоп Полифем приготовлял сыр, добавляя в молоко соки кислых трав.

Самый простой из коровьих сыров — творог. Его получают из кислого молока, в котором в результате жизнедеятельности бактерий образуется молочная кислота, а из белков (казеина) выделяется кальций. Казеин, лишенный кальция, при умеренном нагревании отделяется от сыворотки.

Из творога изготовляют различные виды сыров. В их дозревании активное участие принимают микробы. Вкусовые качества сыров как раз и зависят от того, какие микроорганизмы играют ведущую роль при их созревании. Почти в каждой стране имеется свой специфический сыр. Родина эмментальского сыра — Швейцария, в Голландии изготовляют известный эдамский сыр, Италия славится своим пармезаном, в Болгарии производят знаменитый кашкавал.

Франция — производитель известных сыров, получаемых при помощи микроскопических грибов. На юге страны уже почти 1000 лет изготовляют из овечьего молока сыр рокфор. В районе Рокфора разводят высокоудойных овец, а сыр производят на небольших местных заводах. Предварительно выращивают хорошо растущий на хлебе плесневый гриб Penicillium roqueforti. Хлеб размельчают и хранят во влажном и холодном месте. Творог закладывают в формы и посыпают крошками такого хлеба. В сыре, который выдерживают в высеченных в скалах погребах, гриб разрастается и проникает до самой его сердцевины. Другой известный французский сыр — камамбер. Для его созревания используется гриб Penicillium camemberti. Французы — большие знатоки и любители сыров. Президенту Ш. де Голлю приписывают такие слова: «Трудно управлять страной, в которой потребляется свыше трехсот разных сортов сыра!» (фиг. IX).

Угроза голода

В начале нашей эры на Земле насчитывалось около 250 миллионов человек. За последующие 1600 лет число их приблизительно удвоилось. Дальнейшее удвоение населения наступило спустя всего лишь 200 лет. Начиная с 1800 года только за 150 лет количество людей ра планете увеличилось втрое. Для увеличения нынешнего населения в 2 раза потребуется, по некоторым расчетам, неполных 40 лет.

В связи с этим возникает серьезный вопрос — будет ли обеспечено продуктами питания все увеличивающееся население Земли? Не следует забывать, что сегодня 2/3 человечества терпит недостаток в тех или иных продуктах питания.

Важную роль в борьбе с голодом играет и будет играть микробиология, поскольку микробы можно использовать для получения дешевых кормов и продуктов питания для человека. Многие микроорганизмы очень неприхотливы в питании, для их промышленного выращивания могут быть использованы отходы сельского хозяйства и промышленности. Поскольку микроорганизмы размножаются очень быстро, с их помощью можно получать белки, жиры и витамины за значительно более короткий срок, чем при выращивании сельскохозяйственных растений или разведении домашних животных.

Вот уже несколько десятилетий известен дрожжевой организм Torulopsis atills (фото 70). Для его промышленного выращивания могут быть использованы патока, сульфитные щелока с целлюлозных заводов и другие отходы микробиологической промышленности. При росте и размножении в клетках Т. utilis накапливаются белки и витамины, полученные из очень дешевых питательных веществ. Каждый килограмм сухой биомассы этого гриба содержит 500 г белков, 50 г жиров и 0,5 г витаминов. До сих пор на целлюлозных предприятиях мы теряем огромное количество питательных веществ в сульфитных щелоках, спускаемых чаще всего в реки, где они, кстати, отнюдь не благоприятствуют ведению рыбного хозяйства. В мировом масштабе из сульфитных щелоков можно было бы при помощи гриба Т. utills получать по крайней мере миллион тонн высококачественных кормов.

В Финляндии белки получают из сульфитных щелоков так называемым методом «пекило», который заключается в непрерывном выращивании микроскопических грибов в специальных ферментёрах. Получаемый продукт чрезвычайно ценен по своему составу, поскольку содержит аминокислоты и витамины. Используется как высококачественная замена импортируемой соевой и рыбной муки и как отличная добавка к кормам в животноводстве.

Сульфитные щелока могут быть использованы и при микробиологическом получении жиров. Некоторые микроорганизмы откладывают в своих клетках большое количество жиров, иногда до четверти веса сухой массы. Эти жиры по качеству сравнимы с лучшими растительными маслами, что позволяет использовать их в пищевой промышленности.

Микробиологи предпринимают попытки пополнить нашу пищу грибами, которые мы могли бы получать не только в лесах. Некоторые грибы удается культивировать промышленным способом, сходным с производством дрожжей. По внешнему виду искусственно выращиваемые грибы отличаются от лесных, но по своей питательной ценности не уступают последним. В некоторых странах уже выращивают таким образом шампиньоны и пытаются наладить производство и других грибов.

Не менее ценным источником пищевых продуктов и кормов в будущем должны стать зеленые водоросли. Из них будут получать дешевые белки, жиры и витамины. Для их выращивания можно использовать водохранилища, а неплодородные участки, годные к затоплению, превратить в «водорослевые нивы». Выход белка из водоросли хлореллы (Chlorella vulgaris), которую выращивали в водоемах Японии, достиг 15 725 кг на 1 га в год. Такая же площадь травяного покрова дает лишь 673 кг белков, посевы арахиса — 471 кг, а при скармливании скоту трав с 1 га получают 101 кг белков в молоке и 61 кг в мясе.

Кроме сельскохозяйственного способа культивирования водорослей, распространено и их промышленное производство. С этой целью они выращиваются в больших емкостях, снабженных необходимыми источниками света и устройствами для подведения углекислого газа, который обеспечивает процесс фотосинтеза.

Возможно и другое использование водорослей. Советский ученый В. Н. Грезе из Института биологии южных морей в Севастополе подсчитал, что из Черного моря ежегодно можно добывать до 800 000 т красных водорослей для получения агара и других веществ, необходимых в медицинской и пищевой промышленности.

Корма из сырой нефти

Уже долгое время обсуждался вопрос о том, как использовать микроорганизмы, питающиеся составными частями нефти. Известно, что клетки этих микробов содержат, помимо белков, витамины из группы В и каротины, преобразующиеся в организме животных в витамин А. Группа микробиологов из одной английской нефтяной компании выделила культуру микробов, использующих в качестве источника углеродного питания некоторые компоненты сырой нефти и синтезирующих при этом большое количество белков. Если применять питательную среду, которая содержит, помимо соответствующего компонента сырой нефти, еще и азотные вещества с минеральными солями, необходимыми для питания микробов, то выращиваемые в ней микробы будут очень интенсивно разлагать нефтяные продукты и синтезировать белки. По имеющимся данным, с каждой тонны углеводородов можно получать таким путем до тонны белков. Интересно, что эти микробы потребляют как раз такие составные части сырой нефти, которые до сих пор практически не использовались и являются очень дешевым сырьем. По некоторым расчетам, менее 1 % обрабатываемой в настоящее время в мире сырой нефти хватило бы на возмещение недостатка пищевых продуктов на всей планете. Исследователи сравнивали кормовые дрожжи, полученные таким способом, с рыбной и соевой мукой, скармливаемыми домашней птице, и получили очень обнадеживающие результаты. Дрожжи из углеводородов получаются на французских заводах недалеко от Марселя, где размещаются предприятия по очистке нефти. По официальным данным, в Японии за одно полугодие 1970 года намечалось получить из углеводородов четыре с половиной миллиона тонн белковых кормовых веществ. Очень интенсивные опыты в этом направлении проводятся в Чехословакии.

Бактерии, вырабатывающие аминокислоты

Японские микробиологи в 50-е годы обратили внимание на другую важную роль бактерий. Они выделили микробы, продуцирующие аминокислоты, которые можно было бы использовать для повышения качества пищевых продуктов или как добавку к кормам домашних животных. Первой аминокислотой, которую стали получать таким путем в промышленном масштабе, была глютаминовая кислота. Несколько позднее началось производство лизина, принадлежащего к группе так называемых незаменимых аминокислот. Эти аминокислоты — совершенно необходимые, действительно незаменимые компоненты в питании человека. Лизин, вырабатываемый при помощи микробов, может быть использован для повышения качества менее ценных белков. Его получают и на чехословацких предприятиях микробиологической промышленности. Число получаемых с помощью микробов незаменимых аминокислот все время растет. Так, в Японии уже в 1970 году планировалось производство ряда аминокислот (таблица 14).

Бактерии вырабатывают аминокислоты очень эффективным методом. Своеобразный синтез этих веществ происходит в желудке жвачных, если в корм добавить сравнительно дешевое химическое соединение — мочевину (или карбамид).

Бактерии освобождают из этого вещества аммиак, необходимый другим бактериям для получения аминокислот из соединений, образующихся из целлюлозы в желудке хозяина.

В Великобритании пытались выделить бактерии из организма жвачных и культивировать их в лаборатории, с тем чтобы найти пути получения других белков или аминокислот. Но оказалось, что подкормка скота мочевиной — значительно более эффективный способ. Руководивший этими экспериментами П. Н. Хобсон, один из ведущих микробиологов, так оценивает эту работу: «Можно прислушиваться к различным точкам зрения, однако рациональнее всего оставить бактерии в рубце жвачных, где они служат источником белков для питания человека».

Антибиотики в борьбе с голодом

Антибиотики являются одним из важных средств для создания пищевых запасов. Некоторые из них оказывают важные услуги в борьбе с микробами — вредителями растений. В животноводстве они служат лечебными средствами при инфекционных болезнях домашних животных и, таким образом, косвенно способствуют более полному обеспечению человека продуктами питания.

Кроме того, антибиотики применяются и как средство, повышающее качество кормов. Несколько граммов хлортетрациклина (в Чехословакии используют препарат ауреовит) на 1 т кормов повышает у молодых животных вес до 20 %. Добавление антибиотиков способствует лучшему усвоению кормов, что лает возможность снизить рацион животных на 1 кг живого веса. Ауреовит содержит, помимо всего прочего, и витамин В_12.

Хорошую службу оказывают антибиотики и при кратковременной консервации некоторых продуктов. Антибиотик низин применяется при хранении молока в сыродельной промышленности. Замораживая рыбу, достаточно добавить 2–8 мг хлортетрациклина на 1 кг льда (всего несколько тысячных долей процента), чтобы рыба сохранялась на 7—10 дней дольше. Антибиотики помогают сохранять свиное, говяжье и птичье мясо.

Многие ученые считают, однако, что в подобных случаях следует использовать лишь такие виды антибиотиков, которые не применяются в медицине. К этому их побуждает опасение возможного распространения устойчивых к антибиотикам микробов.

Живые инсектициды

В пятой части нашего путешествия в страну микробов мы познакомились с инсектицидами, при помощи которых человек ведет борьбу с насекомыми — переносчиками болезнетворных микробов, а также с вредителями культурных растений. Но у насекомых есть враги и из мира микробов. Ученых давно привлекала мысль использовать эти «живые инсектициды» для борьбы с вредными насекомыми.

Мечников в 1879 году провел очень интересный эксперимент. Введя в почву споры болезнетворных микробов, он инфицировал личинки насекомых-вредителей (опыт проводился в цветочном горшке). Успешные результаты навели на мысль о широком использовании этих микробов. Через некоторое время И. М. Красильщик основал при Одесском университете специальную лабораторию для выращивания микроскопических грибов, которые могут уничтожать личинки вредителей пшеницы. Так началась история «живых инсектицидов».

В первой половине нашего века эти интересные исследования продолжили другие ученые. При этом были открыты несколько видов микроорганизмов, вызывающих инфекционные заболевания и гибель вредных и опасных насекомых.

Эксперименты по искусственному заражению личинок вредителей давали, как правило, прекрасные результаты. Но при проведении полевых опытов и внедрении метода живых инсектицидов в широкую практику пришлось столкнуться с большими трудностями. Полевые условия предъявили к такого рода живым инсектицидам ряд строгих требований. Культура микроба должна быть высоковирулентной, иначе говоря, даже очень малое число индивидов должно вызывать в теле насекомого инфекцию. Микроорганизм должен иметь в своем жизненном цикле период покоя, когда он не размножается и, не теряя своих вирулентных свойств, хорошо переносит неблагоприятные условия внешней среды (действие ультрафиолетовых лучей, низкую влажность и др.). С такими условиями микроорганизму приходится сталкиваться, например, при опрыскивании микробами деревьев или полевых культур.

Несмотря на эти трудности, были достигнуты определенные успехи. О некоторых случаях применения живых инсектицидов хотелось бы рассказать.

У японского жука (Popillia japonica) известна молочная болезнь, вызываемая бактерией Bacillus popilliae. Для жизненного цикла этой бациллы, как и других бацилл, характерен период спорообразования. Споры хорошо переносят некоторые неблагоприятные внешние условия и через определенный промежуток времени прорастают, превратившись в растущие и размножающиеся вегетативные клетки. Споры микробов В. popilliae распространены в почве, оттуда с пищей они попадают в пищеварительный тракт личинок японского жука. Там споры прорастают, вегетативные клетки бактерий распространяются по всему организму, и личинка через некоторое время погибает. Но в мертвом насекомом снова начинается спорообразование бациллы, и тела личинок становятся опасным источником инфекции. В довоенные годы в США, Австралии и Новой Зеландии благодаря живым инсектицидам были достигнуты хорошие результаты[44].

К числу опасных вредителей полевых культур в Калифорнии относится гусеница, уничтожающая урожай люцерны. Группе сотрудников Калифорнийского университета удалось получить вирус, вызывающий инфекционное заболевание гусениц. В природе этот вирус проявляет свое губительное действие лишь в конце лета, когда гусеницы уже завершают свою вредоносную деятельность. Опрыскивая посевы люцерны вирусной культурой еще в весенние месяцы, можно своевременно уничтожить опасного вредителя и сохранить урожай.

Вирус легко размножается в организме гусениц, образуя множество телец кристаллического типа. После размножения вируса гусеница погибает. Мертвых гусениц высушивают и сохраняют до момента применения; тогда их растирают в порошок и засыпают в сосуд с водой. По имеющимся данным, на 1 га посевов достаточно вирусов, полученных из 12 гусениц. Небезынтересно отметить, что если порошок высушенной гусеницы развести 40 л воды, то в одной чайной ложке суспензии будет содержаться до 20 миллионов кристалликов, а в каждом из них — по нескольку сотен вирусных частиц. Опрыскивание посевов люцерны такой суспензией очень эффективно.

В последние годы немало надежд возлагали на другой живой инсектицид, известный в Чехословакии как турицид. Название этого организма — Bacillus thuringiensis — происходит от названия области (Земля Тюрингия, где 50 лет назад микробиолог Берлинер открыл эту бактерию). Родовое название Bacillus показывает, что мы и здесь имеем дело с микробом, образующим споры. Любопытным свойством этого микроба является то, что одновременно со спорами в его клетках возникают и кристаллические образования (так называемые параспоры), содержащие очень ядовитый токсин (фото 71). Такая клетка с параспорами, попав в пищеварительный тракт насекомого, вызывает его немедленную гибель. Этот токсин белковой природы, в нем обнаружили 17 аминокислот.

Препарат турицид получают, культивируя в промышленном масштабе В. thuringiensis. Микробы быстро размножаются в жидкой питательной среде, и на определенной стадии начинается спорообразование. При этом в клетках продуцируются кристаллы токсина. Питательная среда вместе с культурой микроба и его спорами соответствующим способом концентрируется до известного уровня, и препарат готов к употреблению. Он применяется в виде суспензии, которой опрыскивают полевые культуры, защищая их таким путем от насекомых-вредителей. Токсин действует на слизистую оболочку пищеварительного тракта личинки насекомого. Если вместе с кристалликами токсина личинка проглотит и споры В. thuringiensis, то последние начнут прорастать на поврежденной слизистой оболочке, продуцируя вегетативные клетки, которые быстро размножаются в теле жертвы, и личинка погибает.

В Чехословакии турицид вырабатывается в количествах, достаточных для его применения в промышленных масштабах. Много работают над внедрением этого препарата в практику и в других странах. На фото 72 представлены результаты применения турицида в овощеводстве.

24. На службе химии, и не только химии

Среди микробиологов не так уж много ученых, которые, проявляя интерес к тому, что делают полезные микробы, контролировали бы и направляли их деятельность на пользу человека.

С. Я. Ваксман

Микробы — продуценты ферментов

Мы уже знаем, что ферменты — это биологические катализаторы, то есть вещества, способствующие осуществлению многих химических реакций, которые-происходят в живой клетке и необходимы для получения питательных веществ и построения ее составных частей. Микробы тоже образуют ферменты. Все продукты жизнедеятельности микробов, о которых здесь говорилось, могут возникать только при непосредственном участии ферментов. По данным энзимологии — науки, изучающей ферменты, — эти биокатализаторы можно различными методами выделять из клеток, причем они не теряют своей химической активности. Мы знаем также, что их действие строго специфично, то есть при одинаковых условиях определенный фермент будет вызывать всегда одну и ту же химическую реакцию.

Было высказано предположение, что определенного фермента у некоторых микробов выделяется больше, чем у других, соответствующие исследования подтвердили справедливость этого предположения. Ферменты, полученные из микробов, используются в практике уже давно — почти с тех пор, как стало известно об их природе и назначении. Восточные народы издавна употребляли ферменты микробов для различных целей, в частности для приготовления спиртных напитков.

Примеры использования ферментов из микроорганизмов в современном здравоохранении приведены в 21-й главе. Однако это далеко не все.

Японский ученый Такамине (конец XIX — начало XX века) был пионером в получении ферментов из микроскопических грибов и указывал на возможность их промышленного производства. Несколько позднее производством бактериальных ферментов занялись французские исследователи. Ферменты, полученные из растений и животных, уже тогда применяли в самых различных отраслях промышленности. Так, например, из растений добывали амилазу, образующуюся в прорастающем семени ячменя и способствующую разложению крахмала на простые углеводы. Ферменты микробного происхождения постепенно вытеснили растительные и животные ферменты, поскольку их получение оказалось более выгодным. В наше время многие ферменты бактерий, дрожжей и микроскопических грибов получают в промышленных масштабах. Они все чаще используются в пищевой и фармацевтической промышленности, в медицине, а также в производстве тканей, бумаги и при выделке кож.

Амилазы, разлагающие сложный полисахарид крахмал на более простые вещества — декстрины, мальтозу и глюкозу, можно использовать в процессах, где необходимо разложение крахмала. В частности, бактериальные амилазы применяются в текстильной промышленности для устранения крахмальной шлихты с тканей, в бумажной промышленности они идут на приготовление крахмальных растворов для окрашивания. В последнее время их используют и в пивоварении, в связи с чем отпадает процесс приготовления солода, поскольку крахмал из ячменных зерен превращается в сусло при помощи бактериальных амилаз. Амилазы из микроскопических грибов применяются для получения спирта при осахаривании крахмала, выделяемого из картофеля или зерна. Охотно используют их в хлебопекарном деле и на сахарных заводах, а также в производстве шоколада и ликеров.

Лактаза, выделяемая из дрожжей, разлагает углевод лактозу на глюкозу и галактозу. Она применяется в изготовлении консервированного молока — благодаря частичному разложению лактозы предотвращается образование нежелательных кристалликов.

Протеазы микробного происхождения вызывают разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазы из плесневых грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. Соевые бобы после обработки инфицируют спорами гриба Aspergillus flavus-oryzae. Разрастаясь, гриб выделяет протеазы, растворяющие белок бобов, что позволяет получать полужидкий соус.

При консервировании фруктовых соков применяется фермент пектиназа, выделяемый из микроорганизмов.

Протеазы с успехом используют при изготовлении моющих средств. Хотя новейшие стиральные порошки, так называемые детергенты, очень эффективно устраняют самые разнообразные виды загрязнений, они часто не действуют на вещества белковой природы, такие, как кровь, молоко, белок яйца и т. д. Молекулы белков очень прочно закрепляются на тканях и противостоят действию детергентов. В 1960 году в Дании стали применять протеолитический (растворяющий белки) фермент алкалазу, продуцируемый бактерией Bacillus subtilis. Спустя три года в Голландии выпустили стиральный порошок биотекс, содержащий алкалазу. С тех пор во многих странах в моющие средства стали добавлять протеолитические ферменты. Полностью очистить ткань от белковых веществ детергенту помогают ферменты, получаемые из микробов.

Это только несколько примеров применения ферментов микробного происхождения. Специалисты предсказывают еще более широкое использование их в различных отраслях хозяйства.

Микроорганизмы на службе химии

Мы уже знаем о многих областях применения микробов в химии. Знаем, что осуществляемые микробами реакции синтеза превосходят чисто химические реакции. Клетки микроорганизмов создают сложнейшие соединения, о получении которых химики зачастую и не мечтают. Изготовление некоторых из этих веществ химическим путем нередко является очень дорогостоящим и трудоемким предприятием.

Вспомним антибиотики, витамины, ферменты, стероиды, алкалоиды, а также микробные токсины (самые ядовитые из всех ядов) или нуклеиновые кислоты. Какими неисчерпаемыми возможностями синтеза обладают клетки микробов!

Некоторые уксуснокислые бактерии способны образовывать пленки из чистой целлюлозы. На сахарной свекле встречаются бактерии, особым способом преобразующие находящуюся в ней сахарозу. Из каждой ее молекулы они берут только глюкозную половину и из тысяч таких фрагментов синтезируют полисахарид декстран. На сахарных заводах очень не любят эти бактерии, так как они снижают выход сахаров из свеклы. Но химики с помощью микробиологов разгадали «производственные тайны» микробов, синтезирующих декстран, и заставили их вырабатывать это вещество в промышленных условиях, как это в свое время было сделано с продуцентами антибиотиков. Производство декстрана пока не очень распространено, но имеет большое значение, так как особым способом обработанный декстран может служить заменителем кровяной плазмы. Из декстрана получают также очень ценное соединение, используемое в биохимических исследованиях при очистке и анализах сложных веществ.

При помощи микробов получают красящее вещество индиго. Химики с удивлением и даже с чувством зависти наблюдают за синтетической активностью микробов, стараясь использовать ее для своих целей.

Но мы не раз встречались и с разлагающей химической деятельностью микробов. Тут имеется в виду не только изготовление спиртных напитков. Одна из первых научных работ Пастера посвящена наблюдениям над грибом Penicillium glaucum, способным участвовать в разделении оптически активных веществ. Пастер доказал существование в выделяемой грибом винной кислоте кристаллов, по-разному преломляющих поляризованный свет (правовращающих и левовращающих), что связано с различным расположением атомов в их молекулах. Пастер предсказал и значение микроскопических грибов в будущем: придет день, говорил он, когда их будут использовать в разнообразнейших промышленных процессах, так как они способны разлагать органические вещества.

Ван Тигем, ученик Пастера, был одним из первых, кто доказал справедливость этого предсказания. Он установил, что гриб Aspergillusniger усваивает галловую кислоту, необходимую для приготовления некоторых красящих веществ. Из нее же можно получить и дерматол, заменитель йодоформа.

В начале первой мировой войны химики попытались получить лимонную кислоту с помощью микробов. Когда-то ее получали только из лимонов, хотя встречается она и в соке других плодов. В 1922 году Италия производила 90 % мировой продукции этой кислоты. Но начиная с 1927 года экспорт лимонной кислоты из Италии стал резко сокращаться. Виной тому были микробиологи, которые совместно с химиками установили, что хорошим производителем лимонной кислоты может быть гриб A. niger. В 1923 году было пущено первое предприятие по производству лимонной кислоты при помощи гриба, в связи с чем цены на нее упали на 75 %. Современный завод по производству лимонной кислоты без преувеличения можно назвать самой крупной «плантацией цитрусовых». Чтобы дать столько кислоты, сколько получают сегодня из дешевой мелассы при помощи столь «покладистого» помощника, каким является гриб A. niger, потребовались бы тысячи гектаров плантаций лимонов.

Интенсивно выделяется многими микроскопическими грибами, особенно A. niger, и другое важное вещество — глюконовая кислота. Мы знаем, что кальций является важным структурным элементом нашего организма. Его недостаток отмечается обычно у детей и беременных женщин. В соединении с глюконовой кислотой кальций легко усваивается организмом, поэтому применяется как лечебный препарат.

Итаконовая кислота, также вырабатываемая микроскопическими грибами, находит широкое применение в производстве пластмасс.

На разлагающей способности бактерий основаны также производства многих других химических продуктов. Молочнокислые бактерии используются не только при обработке молока. Их применяют также в промышленном производстве молочной кислоты из менее ценного сырья — мелассы, сыворотки, сульфитных щелоков. Молочная кислота применяется в пищевой и медицинской промышленности, а также в одной из новейших отраслей химической промышленности — в производстве пластмасс.

Маслянокислые бактерии, присутствие которых в несвежем масле или сырах можно установить по неприятному запаху, используются в промышленном производстве масляной кислоты. Кроме того, они применяются и в микробиологическом производстве редких растворителей: этилового, бутилового и амилового спиртов. Все эти вещества играют важную роль в производстве синтетического каучука. Бутиловый спирт служит основой при получении октана — очень ценного вещества, повышающего качество бензина. В современных самолетах используется лишь этот высококачественный бензин.

Во время первой мировой войны Великобритания ощущала недостаток ацетона для производства взрывчатых веществ. И только новый метод его получения вывел страну из критического положения. Бактерии вида Aerobacter aerogenes помогли некоторым странам создать новые отрасли промышленности, вырабатывающей вещество под названием «бутиленгликоль». Сравнительно простым химическим превращением из бутиленгликоля получают диацетат. И уже из него при нагревании до 600 °C образуется бутадиен, являющийся основным сырьем для производства синтетического каучука.

Аналитическая химия использует ценные свойства микроорганизмов при определении различных соединений. Один из самых старых методов — метод определения мышьяка. Еще в начале нашего века отмечались смертельные случаи отравления в помещениях, в которых чувствовался сильный запах чеснока. Все это объяснялось тем, что обои в этих комнатах были окрашены красками, содержащими мышьяк, а по их поверхности распространялась плесень. Как показали опыты, проведенные в 1891 году Госсио, отравления были вызваны именно этой плесенью, которая получила название Penicillium brevicaule, Госсио доказал, что из краски, покрывающей обои, под влиянием плесени выделяется содержащийся в ней мышьяк, который при этом превращается в летучее соединение с запахом чеснока. Позднее было установлено, что «газ Госсио», как было названо это летучее вещество, является органическим соединением триметиларсин.

Госсио разработал очень тонкий метод определения присутствия мышьяка в различных материалах. Исследуемый материал обрабатывался разбавленной кислотой, что позволяло получить концентрированную вытяжку. Несколько капель этого экстракта наносили на стерилизованный кусочек картофельного клубня с выращенным на нем грибом P. brevicaule. Присутствие мышьяка обнаруживали по характерному чесночному запаху, который издает триметиларсин. Так этот ранее опасный микроскопический гриб превратился в помощника химика.

В 1935 году исследователь Шопфер показал, что гриб Phycomyces blakes-leeanus требует для своего роста и размножения витамина В_1. Ученый разработал метод определения этого витамина в различных биологических материалах при помощи вышеупомянутого гриба. Содержание витамина находится в прямой зависимости от количества живой массы гриба и поэтому довольно легко определяется. В настоящее время при помощи микробов обнаруживают содержание и ряда других витаминов. В таблице 15 приведено несколько самых известных «помощников» в аналитической химии. В ней указаны и микроорганизмы, используемые для определения аминокислот и микроэлементов.

Во всех случаях для определения отдельных соединений применяются микробы, жизнедеятельность которых находится в прямой зависимости от концентрации определяемых соединений в питательной среде.

К другим важным «услугам» микробов, используемых в аналитической химии, следует отнести помощь в определении антибиотиков. Но тут можно использовать только такие микроорганизмы, которые под действием данного антибиотика или погибают, или прекращают свой рост. Этот метод был предложен Н. Г. Хитли, занимавшимся получением пенициллина. Естественно, что он пытался определить пенициллин в фильтратах культуры гриба Peniclllium notation.

Помощь текстильной промышленности

Микробы находились и у самой колыбели текстильной промышленности. Замоченные волокна прядильных растений (лен, конопля, джут и др.) очищали с помощью бактерий и грибов, которые разлагали пектиновые вещества.

Замачивание и росяная мочка прядильных растений были известны еще древним народам. Египтяне замачивали растения в теплой воде Нила. В Европе применяли два метода: коноплю замачивали в стоячей воде в специальных корытах, а лен расстилали на лугу, где он увлажнялся росой.

Какова же роль микробов в этих процессах? При замачивании в стоячей воде, с очень малым притоком кислорода, пектин и клетчатку разлагают различные анаэробные бактерии. При росяной мочке льна с открытым доступом кислорода главную роль в разложении играют микроскопические грибы.

Эти древние народные методы в настоящее время заменяют промышленной обработкой прядильных растений. Стебли лубяных растений замачивают при оптимальной температуре в больших чанах, куда добавляют культуры бактерий Clostridium felsineum или Plectridium pectinovorum. При температуре около 37 °C процесс вымачивания заканчивается уже через 50 ч — значительно более короткий срок, чем при росяной мочке. Но как бы этот процесс ни осуществлялся, он не обходится без деятельного участия микробов.

На страже здоровья

С развитием цивилизации и прогрессом связано много серьезных проблем. Водопровод стал неотъемлемым атрибутом нашего повседневного быта, способствующим не только удобству жизни, но и охране здоровья. Благодаря ему мы получаем воду для домашних нужд, он же помогает освободиться от продуктов отхода. Но именно сточные воды и являются одной из серьезнейших проблем современной жизни, не всюду рационально решенных. Если принять во внимание, сколько сточных вод сбрасывают только промышленные предприятия, то можно понять ту серьезную озабоченность, которую проявляют работники водного хозяйства. Без помощи микроорганизмов едва ли удастся решить проблему сточных вод.

Разложение органических соединений в сточных водах могли бы обеспечить бактерии, которые служат пищей для простейших и микроскопических организмов. Разложившейся органической массой в сточных водах питаются водоросли. Сами водоросли и простейшие — пища веслоногих и других мелких животных, а те в свою очередь служат пищей для рыб. Все это представляет собой единый непрерывный биологический цикл.

Микробы активно содействуют очистке вод. Но их можно использовать и более эффективно. Сточные воды содержат вещества, которые в процессе разложения микробами дают ценное сырье. Одно из таких веществ — метан. Метан-образующие бактерии постоянно обитают в сточных водах. В больших бассейнах, где осуществляется разложение органических соединений сточных вод и образуется метан, его можно улавливать и использовать в качестве высококалорийного топлива.

Микробы хорошо разлагают и промышленные отходы, часто загрязняющие реки в результате неправильной организации производства. Сульфитные щелока, огромное количество которых сбрасывается в реки целлюлозоперерабатывающими предприятиями и отравляет жизненную среду обитателей вод, могут служить и уже служат дешевым сырьем для производства кормовых дрожжей и спирта.

Микробы в роли стражей здоровья устраняют из сточных вод большие количества вредных органических соединений, из которых, как мы видели, в процессе разложения возникают многие ценные вещества, такие, как, например, метан. Попутно при разложении освобождается и водород, который может быть использован как источник калорийного топлива. Использование промышленных отходов при помощи микроорганизмов имеет в наше время большое народнохозяйственное значение, которое, несомненно, еще больше возрастет в будущем.

Эпилог

Наше путешествие в страну микробов заканчивается, и мы должны расстаться с читателем. Но перед расставанием окинем взглядом пройденный путь.

Мы познакомились с микроорганизмами, которые сопровождают нас на протяжении всей жизни. Узнали их «хорошие» и «плохие» качества. Попутно мы встретились с учеными, которые открывали все новые тайны удивительного мира микробов. Одним мы уделили больше внимания, другим — меньше. На тех открытиях, которые в трехсотлетней истории микробиологии явились наиболее значительными вехами, мы останавливались подольше. Такой вехой был памятный день 1676 года, когда Левенгук впервые увидел в микроскопе бактерии. Мы услышали последнее решительное слово Пастера в диспуте о самозарождении. Узнали неутомимого Коха, его открытия болезнетворных микробов, познакомились с Виноградским и Бейеринком, изучавшими почвенные микробы, а также их продолжателем Ваксманом, который всю жизнь посвятил почвенным актиномицетам и своими открытиями ускорил наступление эры антибиотиков. Но еще до них мы встретились с Дженнером, страстным пропагандистом созданной им оспенной вакцины, познакомились с пастеровскими прививками против бешенства, узнали о настойчивых поисках синтеза химических веществ Эрлихом, который открыл эпоху химиотерапии, стали свидетелями событий в жизни Домагка, которые ускорили внедрение сульфамидных препаратов в лечебную практику, узнали об открытии Флеммингом пенициллина и о дальнейшей судьбе этого препарата во время второй мировой войны.

В галерее вирусологов мы познакомились с Ивановским, открывшим вирус табачной мозаики, со Стэнли и первым кристаллическим вирусом, со Шраммом и Френкель-Конратом и их новым химическим подходом к изучению вирусов, с Дельбрюком и его коллегами, изучавшими наследственные свойства вирусов. Мы проследили путь открытия Гриффитом сущности трансформации, что позволило Уотсону и Крику создать теорию строения нуклеиновых кислот и подтвердить смелые гипотезы Жакоба и Моно.

После исследования вредной деятельности болезнетворных микробов и способов природной и искусственной защиты от них мы перешли к знакомству с полезными микробами, помощниками человека, который использовал их с глубокой древности до наших дней. Без полезных микробов трудно представить себе многие отрасли человеческой деятельности.

Мы узнали об ошибках исследователей, познакомились с теми учеными, которые собственной жизнью заплатили за открытия тайн природы: Тюиллье, Ногучи, Риккетсе, Провацеке.

Мы стали свидетелями споров и взаимного непонимания в объяснении многих животрепещущих вопросов микробиологии. Но научные исследования продолжаются.

Одним из мотивов нашего совместного с читателем путешествия по стране микробов было желание пережить радость приключений, состоящих в познании нового.

Мы убедились, что и микробиология способствует осуществлению назначения человеческого рода, кратко сформулированного в известном лозунге «Покорить Землю!»

Иллюстрации

Фото 1. Работа с микробами в лабораторных условиях.

а — отбор суспензии микробов из пробирки; б — посев на пластинку агара; в — просмотр под микроскопом выросшей колонии.

Фото 2. Фотографии некоторых клеток.

а — клетки HeLa, выделенные из опухоли матки женщины и выращенные на искусственной питательной среде (световой микроскоп), б — красные кровяные тельца (электронный микроскоп)

Фото 3. Бактериальные клетки на электронной микрофотографии.

В нижнем левом углу — те же клетки в световом микроскопе.

Фото 4. Срез четырех клеток Sarclna maxima, образующих «пакет» (тетраду) (электронная микрофотография). Отрезок прямой соответствует 0,001 мм (1 мкм).

Фото 5. Клетки стрептококков в цепочках. Величина одной клетки 1 мкм.

Фото 6. Палочковидные бактерии Bacillus mycoides, соединенные в короткие цепочки. Величина каждой клетки около 2 мкм

Фото 7. Жгутики бактерии Achromobacter, край которой виден в верхней части фотографии

Фото 8. Извитая спиралевидная клетка Leptospira. Микробы этого рода — возбудители многих болезней. Их величина около 8 мкм.

Фото 9. Coxiella burnetii, вызывающая ку-лихорадку а — препарат, приготовленный напылением металла, б — срез клетки при более сильном увеличении

Фото 10. Клетки дрожжей

а — Saccharomyces cerevislae var. ellipsoldeus, б — S ludwigii, в — S tubiformis, г — Hansenula anomala

Фото 11. Микроскопические грибы из рода Penicillium размножаются шаровидными или эллипсоидными спорами (конидиями). Диаметр их около 10 мкм.

Фото 12. Споры микроскопического гриба из рода Aspergillus образуются на веточках, которые вырастают из пузырьков, напоминающих миниатюрные соцветия подсолнечника

Фото 13. Сине-зеленые водоросли различной формы.

Фото 14. Самые различные по форме диатомовые водоросли с кремнёвыми панцирями

Фото. 15. Кремневый панцирь диатомовой водоросли при большом увеличении в интерференционном микроскопе

Фото 16. Trypanosoma brucci, выделенная из простейших

Фото 17. Институт электронной микроскопии в Тулузе (Франция). а — в большом металлическом шаре находится электронный микроскоп; б — внутренняя поверхность металлического шара и часть изоляционного устройства, предназначенного для защиты от высокого напряжения; в — просмотр объекта под микроскопом.

Фото 18. Живые бактерии из рода Corynebacterium.

Фото 19. Клеточные стенки Mycobacterium butyricum.

Фото 20. Клетки диатомовой водоросли. а — поверхность клетки; б — продольный разрез (N — ядро клетки).

Фото 21. Пустые панцири диатомовых водорослей.

Фото 22. Разрез клетки простейшего Paramecium bursaria. Темные овальные тельца в клетке — симбиотические водоросли Chlorella

Фото 23. Поверхность споры гриба Penicillium herquei.

Фото 24. Поверхность гриба Cunninghamella elegans с шиповатыми выростами.

Фото 25. Клеточные стенки Saccharomyces cerevisiae под электронным микроскопом.

а — клеточная стенка механически разрушенной клетки; б — группа клеточных стенок; в — клеточная стенка с неотделившимися остатками цитоплазмы, г — клеточная стенка, на которой слева виден рубец. Отрезки прямой соответствуют 1 мкм.

Фото 26. Протопласты клеток дрожжей.

а — протопласты после удаления клеточных стенок при помощи ферментов; б — срез протопласта, имеющего на своей поверхности только цитоплазматическую мембрану; в — продольные бороздки и возвышения на поверхности цитоплазматической мембраны; г — волокнистая структура при образовании новой клеточной стенки; д — постепенное превращение протопластов в нормальные клетки; е — ультратонкий срез протопласта с восстановленной клеточной стенкой.

Фото 27. Деление бактериальных клеток, наблюдаемое под электронным микроскопом.

Фото 28. Последовательные фазы деления одноклеточных водорослей.

Фото 29. Размножение дрожжей почкованием.

а — Saccharomyces cerevisiae с круговыми рубцами (из клетки слева «отпочковывается» сестринская клетка); б — S. ludwigii с рубцами на полюсах; в — Schizosaccharomyces pombe размножаются поперечным делением, о чем свидетельствуют рубцы на клетке; г — половое размножение S. cerevisiae, видны так называемые диплоидные рубцы.

Фото 30. Образование конидий на конидиеносце Trichothecium roseum Фотографии сделаны с интервалом: А — 0 мин; Б — 15 мин; В — 60 мин; Г — 90 мин, Д — 12 ч 45 мин.

Фото 31. Периферическая часть растущей колонии дрожжей Torulopsis pintolopesii Видны отдельные клетки, которые, размножаясь, постепенно увеличивают колонию.

Фото 32. Крупные колонии дрожжей на агаре. а — Saccharomyces pastorianus, б — S. uvarum; в — S. rouxii; г — Candida humicola; д — С. humicola, другой штамм; е — С. brumptii.

Фото 33. Клетка бактерии, выделенной из морских глубин. Величина клетки 2 мкм.

Фото 34. Ультратонкий срез клубенька с корешка сои под электронным микроскопом. Видны фрагменты трех клеток корня, в которых находятся овальные-азотфиксирующие бактерии Rhizobium japonicum.

Фото 35. Частицы вируса табачной мозаики (а) и вируса, вызывающего заболевание растений семейства брусничных (б). Увеличение на микрофотографии а в два раза большее, чем на микрофотографии б. Длина частиц вируса табачной мозаики в действительности равна 0,3 мкм.

Фото 36. Бактериофаги.

а — стафилофаг, уничтожающий стафилококки; б — бактериофаг Р18, поселяющийся в бактериях из рода Azotobacter.

Фото 37. Негативно окрашенные частицы бактериофага К1 70/71.

Фото 38. Кристаллы вируса табачной мозаики.

Фото 39. Ультратонкий срез клетки HeLa, инфицированной вирусом, вызывающим болезнь брусничных. Мелкие темные образования — частицы вируса.

Фото 40. Ультратонкий срез кристалла обезьяньего вируса SV15 в ядре клетки из почечной ткани обезьяны. Темные точки — частицы вируса, из которых сложен кристалл.

Фото 41. Вирус полиомиелита.

Кристалл (а) с правильно расположенными вирусными частицами [видны на сколе кристалла (в)]; каждая вирусная частица имеет сложную структуру, изображенную на модели б.

Фото 42. Кристаллы вируса Коксаки.

Фото 43. Частицы вируса табачной мозаики. Белковый цилиндр кое-где удален, и можно видеть молекулу РНК.

Фото 44. Модель частицы вируса табачной мозаики.

Внутренняя темная спираль — РНК вируса. Белые тельца на внешней стороне — субъединицы белкового цилиндра В левом нижнем углу даны размеры структурных частиц.

Фото 45. Модели структуры вирусов. а — палочковидный вирус табачной мозаики, б — икосаэдр (основа, на которой построены модели с икосаэдрической симметрией), в — икосаэдрическая частица вируса с 60 поверхностными субъединицами белков, г — миксовирус

Фото 46. Колонии пневмококков. а — S-формы, б — R-формы.

Фото 47. Ультратонкий срез бактериальной клетки, позволяющий видеть ее ядро (в центре).

Фото 48. Хромосомы мухи Drosophila.

Фото 49. Три поврежденных осмотическим шоком бактериофага Т4, из которых освободились длинные цепочки ДНК-Каждая частица фага (объем его головки — 20 биллпонных частей кубического миллиметра) содержит 1 молекулу ДНК, длина которой 65 им.

Фото 50. Последовательные стадии инфицирования клеток Escherichia coli бактериофагом Т2. а — нормальная клетка; б — через 4 мин после внесения инфекции; в — через 10 мин после внесения инфекции, г — через 14 мин после внесения инфекции; д — через 30 мин после внесения инфекции. Темные точки в двух последних стадиях — заканчивающие свое развитие бактериофаги.

Фото 51. Темные пятна на сплошном слое бактерий — следы деятельности бактериофагов.

Фото 52. Конъюгация двух бактерий.

Фото 53. Изменения белкового компонента ВТМ в процессах деполимеризации, денатурации и реконструкции. а — частица ВТМ перед опытом; б — денатурированный белок ВТМ (белые кусочки); в — тот же белок после реконструкции и полимеризации; г — восстановленные белковые цилиндры ВТМ; д — восстановленный и деполимеризованный белок другого штамма ВТМ с каналами, из которых РНК удалена химической обработкой.

Фото 54. Частицы вируса гриппа А_2.

Фото 55. На египетском барельефе изображен мужчина, пораженный полиомиелитом.

Фото 56. Частицы вируса лейкоза птиц в клетке куриного эмбриона.

Фото 57. Клетки болезнетворных бактерий. а — возбудитель столбняка Clostridium tetani; б — делящиеся клетки возбудителя ботулизма С. botulinum, в — споры и остатки клеточных стенок бациллы сибирской язвы; г — возбудитель туберкулеза Mycobacterium tuberculosis (стрелка показывает на делящиеся клетки), д — деление клетки возбудителя воспаления легких Diplococcus pneumoniae, e — возбудитель холеры Vibrio cholerae со жгутиком.

Фото 58. Клетки дрожжей из рода Candida, вызывающие кандидамикозы. а — клетки С. albicans, б — псевдомицелий С. krusei с овальными бластоспорами.

Фото 59. Вирусы — возбудители болезней растений.

а — вирус полосатости лугового клевера, б — вирус филлодиев гороха (шаровидные частицы) и вирус табачной мозаики (палочковидные частицы). в — вирус некроза табака.

Фото 60. Верхняя часть ферментационного котла, в котором Penicillium chrysogenum продуцирует пенициллин

Фото 61. Зоны подавления роста микробов вокруг кусочков агара — свидетельство выделения антибиотиков.

Фото 62. Кружки из фильтровальной бумаги, пропитанной определенными дозами антибиотиков. Круговые зоны подавления роста микробов и их диаметр характеризуют степень чувствительности посеянной культуры.

Фото 63. Антибиотик рамигифин А вызывает интенсивное ветвление гиф микроскопического гриба Botrytis cinerca. Цифры в кружках обозначают длительность воздействия (в часах). В отсутствие антибиотика гифы растут медленно; антибиотик вызывает ветвление через 4 часа, его действие проявляется дольше. Через 24 часа густое и частое ветвление создает формы, напоминающие соцветия высших растений

Фото 64. Проявления лейшманиоза. Болезнь лечится амфотерицином Б. Вверху — больной в начале лечения; внизу — его окончания.

Фото 65. Пивовар отцеживает сусло — древнеегипетская скульптура (2560–2420 лет до н. э.).

Фото 66. Клетки Saccharomyces carlsbergensls, применяющиеся в пивоварении.

Фото 67. Бродильный цех на пивоваренном заводе в Хурбанове (Словакия). Молодое пиво дозревает в баках в течение 7—13 дней

Фото 68. Разлив готового пива.

Фото 69. Сыр «ощепки» и форма, в которой он изготовляется.

Фото 70. Клетки Torulopsis utilis.

Фото 71. Bacillus thuringiensis с кристаллами токсина, убивающего насекомых.

Фото 72. Цветная капуста, обработанная (а) и необработанная (б) турицидом.

Фиг. I. Колонии микробов на агаре. Вверху. слева — микробы, обнаруженные в воздухе, справа — Aspergillus niger Внизу слева — Penicillium citrinum, справа — Trichoderma viridae.

Фиг. II. Смешанная культура дрожжей.

Фиг. III. Крупная клетка зеленой водоросли.

Фиг. IV. Пигментные формы микроорганизмов.

Вверху слева — дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Rhodotoiula glutinis и бактерии Staphylococcus aureus, справа — различные культуры микроскопических грибов, вывезенные из Индонезии. Внизу слева — Staphylococcus aureus на кровяном агаре, справа — Saccharomyces cerevisiae на солодовом агаре

Фиг. V. Хромосомы в клетках кончика корня растения.

Фиг. VI. Хромосомы, окрашенные фиолетовой краской в клетках кончика корня.

Фиг. VII. Вошедшая в историю заплесневевшая дыня. Она лежит на газете, сообщающей об открытии второго фронта.

Фиг. VIII. Колонии Penicillium simplicissimum, из которых был получен первый словацкий антибиотик — цианеин.

Фиг. IX. Наиболее известные сорта французских сыров.

1 — мимолет, 2 — булет д'авен; 3 — бэби Гуда; 4 — багет д'авен; 5 — маруаль, 6 —бодон, 7 — кёр-де-брэ, 8 — пти-сюис; 9 — карре деми-сель (полусоленые квадратики), 10 — молодой сыр, 11 — ароматизированный молодой сыр, 12 — бри, 13, 14 — сен-полен, 15, 16—пон л'эвек, 17 — малый камамбер, 18 — камамбер; 19 — ливаро, 20 — сент-мор, 21 — куломье, 22 — шаурс; 23 — плавленый сыр, 24 — карре д'эст, 25 — мюнстер, 26 — малый мюнстер, 27 — сен-флорантен; 28 — сенгорлон; 29 — эпуасс, 30 — лангр, 31 — сансеруа, 32 — конте, 33 — голубой бресский; 34 — кротен-де-шавиньоль, 35 — сельсюр-шер; 36 — Балансе, 37 — кюре нанте, 38 — сен-нектэр, 39 — пирамида пуату, 40 — гаперон, 41 — канталь, 42 — фурм д'амбэр, 43 — шабишу, 44 — том-де-савуа, 45 — эмментальский, 46 — бофор, 47 — сен-марселен; 48 — реблошон, 49 — голубой оверньский, 50 — голубой косский, 51, 52 — рокфор, 53 — пти сен-полен; 54 — пиренейский, 55 — ригот-де-кондриё, 56 — плавленый сыр с изюмом, 57 — провансальский банон, 58 — ослиный перец, 59 — ниоло, 60 — аско

Примечания

1

Л. Пастер, Избранные груды, Изд-во АН СССР, М., 1960, т. II, стр. 144. — Прим. ред.

2

Слово «лаборатория» происходит от латинского laborare — работать. — Прим. перев.

3

Лиофилизация — высушивание клеток микроорганизмов при замораживании с целью их длительного хранения. — Прим. ред.

4

Наивысшая горная вершина в хребте Татры (Чехословакия) высотой 2655 м. — Прим. перев.

5

Протопластом называют протоплазму, ограниченную цитоплазматической мембраной. Сферопласты отличаются от протопластов тем, что они, помимо цитоплазматической мембраны, несут на себе остатки клеточной стенки. — Прим. ред.

6

Международной биохимической комиссией по терминологии недавно был принят сокращенный химический символ для дезоксирибонуклеиновой кислоты DNA, для рибонуклеиновой — RNA (на основе английских терминов). Из чисто практических соображений мы оставляем прежние символы (ДНК и РНК).

7

Советские ученые установили, что некоторые микроорганизмы не теряют своей жизнеспособности после семидесятидвухчасового пребывания в вакууме 10-8—10-10 мм. рт. ст. (А. А. Имшенецкий, С. В. Лысенко, в сб. «Жизнь вне Земли и методы ее обнаружения», М., изд-во «Наука», 1970). — Прим. ред.

8

Наибольшим бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 2537 А» Однако, если организм покрыт защитной пленкой (например, пленкой хрома толщиной 800 А), то после воздействия дозы, равной 7,8х10^7 эрг/см^2, споры микробов остаются жизнеспособными (Р. И. Федорова, в сб. «Жизнь вне Земли и методы ее обнаружения», М., изд-во «Наука», 1970). — Прим. ред.

9

В 1951 году академик Б. Л. Исаченко сообщил об обнаруженных им пурпурных бактериях в нефтеносных слоях Земли на глубине 1700 м (Исаченко Б. Л., Избран. труды, т. 2, М., Изд-во АН СССР, 1951). — Прим. ред.

10

В 1975 году появилось сообщение об обнаружении с помощью геофизических ракет некоторых микроорганизмов на высоте 61 000 — 77 000 м (Имшенецкий А. А., Лысенко С. В., Казаков Г. А., О микроорганизмах стратосферы, ДАН СССР, 224, № 1, М., 1975). — Прим. ред.

11

Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 201. — Прим. ред.

12

Растворимые в воде гумусовые вещества (фульвокислоты) сложной химической природы; встречаются в почве и природных водоемах. — Прим. ред.

13

Ч. Дарвин, Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль», М., Географгиз, 1955, стр. 356–357. — Прим. ред.

14

Сообщения о способности микроорганизмов, находящихся в соляных копях, оживать при их перенесении в благоприятные условия были опубликованы и в СССР. Однако специально проведенные микробиологические исследования не подтвердили этих данных (Абызов С. С, Заварзив Г. А., Иванов М. В., Серегин В. И., Широков О. Г., Микробиология, т. XXXV, в. 5, стр. 885, 1966.) — Прим. ред.

15

Отравление рожками спорыньи, наблюдаемое при употреблении в пищу муки, содержащей примесь спорыньи. Теперь встречается редко. Имеются две формы эрготизма — гангренозная и конвульсивная («злая корча»). В основе заболевания лежат дегенеративные процессы, развивающиеся в задних корешках спинного мозга. — Прим. ред.

16

Фунгициды — неорганические и органические ядовитые химические вещества, применяемые для борьбы с грибными заболеваниями растений. — Прим. ред.

17

В соответствии с данными, полученными советскими автоматическими станциями «Венера-9» и «Венера-10», запущенными в 1975 году, температура на солнечной стороне Венеры достигает 465 °C, а давление свыше 90 атм. — Прим. ред.

18

В настоящее время ведутся исследования по созданию химических катализаторов, подобных азотфиксирующим комплексам микроорганизмов, которые могли бы применяться для получения азотных удобрений из атмосферного азота. — Прим. ред.

19

На сегодняшний день известно уже около 30 веществ типа гиббереллина. — Прим. ред.

20

Рубец жвачных можно сравнить с ферментёром, в котором происходит размножение микроорганизмов, являющихся дополнительным (до 30 %) источником белка для животных. — Прим. ред.

21

В кишечнике человека, так же как и в пищеварительном тракте травоядных животных, разложение целлюлозы происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов, образующих фермент целлюлазу. — Прим. ред.

22

Информационную РНК (иРНК) называют также матричной и обозначают мРНК — Прим. ред.

23

Представление о переносе информации от ДНК к РНК и далее на белок называют основным постулатом, или центральной догмой, молекулярной биологии. — Прим. ред.

24

Лизогенные — несущие в себе возможности растворения клеток, их лизиса. — Прим. перев.

25

То есть способность вызывать образование антител при введении в организм. — Прим. ред.

26

Дж. Боккаччо, «Декамерон», М., Изд-во художественной литературы, 1970, стр. 41. — Прим. ред.

27

В дальнейшем было установлено, что ДДТ не безвреден для людей. Попадая в организм человека, он вызывает ослабление деятельности микроорганизмов, дающих человеку витамины, незаменимые аминокислоты, ферменты. Во многих странах ДДТ заменен другими пестицидами. — Прим. ред.

28

В Европе случаи заболевания сифилисом стали известны в 1494 году во время франко-итальянской войны. В связи с тем, что в армии французского короля Карла VIII были члены экипажа X. Колумба, возвратившиеся из Америки, некоторые стали считать, что сифилис был завезен с этого континента. Во всяком случае, после окончания войны и роспуска армий сифилис распространился по всей Европе, при этом французы называли эту болезнь «итальянской», а итальянцы, естественно, «французской». — Прим. ред.

29

Низинная область между Дунаем и одним из его рукавов, лежащая к юго-востоку от Братиславы. — Прим. перев.

30

С. Льюис, Собр. соч., т. 3, М., изд-во «Правда», 1965, стр. 44. — Прим. ред.

31

Они называются теперь эпифитотиями. — Прим. перев.

32

Этот гриб имеет сложный цикл развития: часть его жизни проходит на соснах (кедровой, веймутовой), а другая часть — на смородине. — Прим. перев.

33

Различают несколько видов лейкоцитов: зернистых (нейтрофилы, эозинофилы и базофилы) и беззернистых (лимфоциты и моноциты). — Прим. ред.

34

Если говорить точнее, то в эксперименте участвовало 48 овец, 2 козла и несколько голов крупного рогатого скота. — Прим. ред.

35

По другим данным вице-королева Перу Эль-Цинхона была вылечена корой хинного дерева в 1638 году (П. Каррер, Курс органической химии, Л., Гос. н.-т. изд-во хим. лит., 1962, стр. 1084). — Прим. ред.

36

В 1816 году русский ученый Ф. И. Гизе впервые получил хинин в кристаллическом виде. — Прим. ред

37

По-видимому, у автора ошибка. Синтез сальварсана был осуществлен Эрлихом совместно с Бертхеймом, а не Хатой, который приступил к совместной работе с Эрлихом позже и проводил эксперименты над животными. — Прим. ред.

38

Чрезмерное применение антибиотиков, помимо всего прочего, может привести к частичной или полной стерилизации организма, в результате чего погибают многие полезные микроорганизмы, дающие человеку витамины, ферменты, незаменимые аминокислоты. — Прим. ред.

39

Ферменты, которые вырабатываются клетками лишь в ответ на действие того или иного фактора, носят название индуцированных, или адаптивных, в отличие от конститутивных ферментов, всегда содержащихся в клетке или вырабатываемых ею. — Прим. ред.

40

Многие вопросы применения L-аспарагиназы для лечения подобных заболеваний не ясны и требуют дальнейших исследований. — Прим. ред.

41

Гомер, «Илиада», изд-во «Художественная литература», М., 1967, стр. 321.— Прим. ред.

42

Югурт — похожий на кефир молочнокислый напиток. — Прим. перев.

43

Жинчица — напиток из овечьего молока, напоминает кавказский айран; ощепки — вид копченого сыра, по форме напоминающий небольшую дыню; пареницы — плавленый сыр, изготовляющийся в виде толстых макарон, часто сплетаемых в «косички». Все это характерно для горных мест Словакии. — Прим. перев.

44

Биологическим методам борьбы с вредными насекомыми, несомненно, принадлежит будущее, поскольку микробиологические препараты не нарушают естественные биоценозы, не загрязняют биосферу и не представляют опасности для человека. — Прим. ред.

Content

Бетина Владимир Путешествие в страну микробов

Предисловие

Предисловие автора к русскому изданию

Пролог

Часть первая. Знакомство с микроорганизмами

1. Путешествие в страну микробов

Неизвестные сожители

На заре

Страж судебной палаты

Учение о самозарождении и микробы

Рождение новой науки

Кох присоединяется к «охотникам за микробами»

2. Визит в мастерскую микробиологов

Как выглядит мастерская

Смерть микробам!

Чистые культуры и г-жа Гессе

«Меню» микробов

Охота на микробов

Микробы в плену

3. Микробы вблизи

Omnis cellula e cellula

Микробиологические меры длины и веса

Хаос и наведение в нем порядка

Бактерии под микроскопом

Опасные спутники

Желанные и нежеланные гости

О водорослях и простейших

4. Заглянем внутрь микробной клетки

Проникновение в субмикрокосмос

Анатомия бактериальной клетки

Разделение труда в клетке

Химия и микроорганизмы

Бактериальная клетка в цифрах

5. Микробы в действии

Самая маленькая химическая фабрика

Ферменты служат клетке

О питании микробов

Растения вырабатывают пищу

Углерод и энергия жизни

Чем питаются автотрофные микроорганизмы?

Жизненная энергия

Микробы и брожение

Микробы и гниение

Живой свет

Микробы вырабатывают красящие вещества

Бактерии в истории человечества

Микробы и витамины

Запахи, издаваемые микроорганизмами

6. Жизнь и смерть микроорганизмов

Микробы в движении

Рост и размножение микроорганизмов

Моно прибегает к помощи математики

Верно ли, что микробы бессмертны?

Пределы жизни микроорганизмов

Свет убивает бактерии

Предел выносливости микроорганизмов

Часть вторая. Микробы вокруг нас

7. Где живут микроорганизмы?

Биосфера и микроорганизмы

Микроорганизмы в воде

В стране вечных льдов

Микробы в воздухе

Почва и микроорганизмы

Микробы и история Земли

Микробы в месторождениях нефти

Человек и микроорганизмы

Микробы в продуктах и кормах

Микробы — вредители

Космическая микробиология

8. Микроорганизмы и сельское хозяйство

Неизвестные сотрудники

Круговорот углерода в природе

Потребность в азоте

Бактерии, открытые Виноградским

Независимые растения

Другие фиксаторы азота

Биогенные элементы в движении

Микробы ускоряют рост растений

9. Взаимоотношения микробов

Союз с растениями

Дружба с животными

Симбиоз насекомых и микробов

Маленькие «фермеры»

Услуги насекомых

Хищные микроскопические грибы

Дружба микроорганизмов

Сражающиеся микробы

Враги здоровья

Часть третья. Вирусы и молекулы наследственности

10. Человек знакомится с вирусами

Contagium vivum fluidum

Бактериофаги, или «пожиратели бактерий»

Электронный микроскоп и вирусы

«Живые кристаллы», открытые Стэнли

Живые или неживые?

11. Нас подстерегают неожиданности

Еще о «живых кристаллах»

Строение ВТМ

Геометрия и вирусы

12. Молекулы наследственности и микробы

Диссоциация и трансформация

Поиск и изучение нуклеиновых кислот

ДНК в роли диктатора

Генетический алфавит

Жакоб и Моно обдумывают генетический код

Дальнейшие предсказания Жакоба и Моно

13. Микробы изменяют свой облик

Трансформация и трансформационное начало

Бактериофаги в действии

Вирусологи ищут доказательства

Бактериофаг как переносчик информации

Могут ли бактерии конъюгировать?

Микробы и мутации

ВТМ помогает изучать мутации

Инфекционная РНК и реконструкция вирусов

Мутации вирусов в лаборатории

Часть четвертая. Наши враги в царстве микробов

14. Происхождение заразных болезней

Невидимые враги

Оружие микробов

Пути распространения инфекций

Опасные пищевые продукты

Вода — распространитель заразы

Из искры — пожар

Невольные помощники инфекций

15. Микробы атакуют

Грипп в наступлении

Угроза вирусов

Рак и вирусы

Деятельность риккетсий

Самый сильный яд

Черная смерть

Белый мор

Болезнь, вызываемая спирохетой

Жертвы холеры

Что такое микозы?

Таинственная болезнь

Носители смерти

Черное страдание

16. О больных животных и растениях

Вирусы атакуют

Болезни животных, вызываемые микробами

Тюльпаны Рембрандта

Загадочные опухоли

Грибы-разрушители

Болезни атакуют мир растений

Часть пятая. Борьба с микробами

17. Контратака

Микробам вход воспрещен!

Встреча

Об антигенах и антителах

Защита и контратака

Слово имеет профессор Спейрс

Что такое иммунитет?

Дженнер создает вакцины

Пастер — укротитель микробов

Вакцина Сейбина

Интерферон и его предназначение

Вакцина с шифром БЦЖ

Анатоксин Беринга

Средства прививки и иммунизация

18. «Волшебные пули»

Поиски

Соединение № 606

Интермеццо

Сульфаниламиды спасают жизнь человеку

Как достигают цели «волшебные пули»

Разочарование

Борьба с «белой чумой» продолжается

Можно ли искоренить малярию?

Младшие члены семейства

19. Век антибиотиков

Пролог

Пенициллин Флемминга

Дело продолжается в Оксфорде

Рождение новой промышленности

Ваксман идет иным путем

Экспедиция за новыми антибиотиками

Каким образом антибиотики уничтожают микробы

Революция в медицине

Теневые стороны лечения антибиотиками

Угроза резистентности

Инфекционная резистентность

Оборотная сторона медали

20. Борьба на других фронтах

Гигиена и борьба с микробами

Дезинфекция спасает матерей и помогает хирургам

Дезинсекция и дератизация

Удастся ли уничтожить инфекционные болезни?

Часть шестая. Наши мельчайшие помощники

21. Микробы на службе здоровья

Лицевая и оборотная стороны пенициллиназы

Микробы — производители витаминов

Редкие стероиды

Лекарство из яда

22. Микробы, пиво и вино

Дрожжи и виноделие

Как получают пиво

На дрожжевом заводе

Производство спирта

Хлеб и дрожжи

23. Микробы и наше питание

Бактерии и наше меню

В пастушеских становищах

Угроза голода

Корма из сырой нефти

Бактерии, вырабатывающие аминокислоты

Антибиотики в борьбе с голодом

Живые инсектициды

24. На службе химии, и не только химии

Микробы — продуценты ферментов

Микроорганизмы на службе химии

Помощь текстильной промышленности

На страже здоровья

Эпилог

Иллюстрации

Примечания