Михаил Бухар - Популярно о микробиологии
Учитывая огромную скорость размножения микробов и их относительную неприхотливость к питательным веществам, остается только удивляться, как до сих пор они не вытеснили всех других представителей флоры и фауны. Что же все-таки сдерживает их развитие? Прежде всего, нельзя забывать, что количество питательных веществ ограниченно. Кроме того, рост микроорганизмов тормозится продуктами обмена веществ, вызывающими самоотравление. В природной среде трудно обойти эти факторы. Но в условиях эксперимента можно обеспечить постоянный приток свежих питательных веществ и отток продуктов метаболизма, и тогда микроорганизмы смогут размножаться достаточно долго, оставаясь на стадии экспоненциального роста. Кстати, о стадиях развития микроорганизмов.
Помните загадку Сфинкса, которую тот задал Эдипу: «Скажи мне, кто ходит утром на четырех ногах, днем — на двух, а вечером — на трех?»
Ответ на эту загадку Сфинкса олицетворяет не только развитие человека, но и всего живого. В равной степени она относится и к развитию микроорганизмов. Однако в отличие от человека они в своем развитии проходят несколько большее число фаз. Так, различают лаг-фазу — период приспособления к среде; экспоненциальную фазу с высокой степенью увеличения числа клеток, когда их количество возрастает в геометрической прогрессии; фазу замедленного роста, во время которой скорость роста микроорганизмов уменьшается и их количество уже не возрастает, а остается на одном уровне; и, наконец, пятая стадия — фаза отмирания, когда количество клеток уменьшается.
Все эти фазы плавно переходят одна в другую, и четко установить границу между ними бывает достаточно трудно. Можно только утверждать, что в той или иной фазе развития находится достаточно большой процент клеточной популяции.
Каждая из фаз имеет определенную продолжительность, не одинаковую у различных культур, при этом любая из них, находясь в конкретной фазе развития, обладает неповторимыми особенностями, тщательное изучение которых представляет огромный интерес для микробиологов. Конечно, наибольшее внимание привлекает фаза, в которой происходит интенсивное увеличение числа клеток.
Однако как поддержать клеточную популяцию в этом нужном состоянии постоянной молодости? И здесь на помощь микробиологам приходит уже упомянутый метод непрерывного культивирования. На чем он основан, или в чем секрет вечной молодости микроорганизмов?
Метод заключается в том, что в ростовую среду постоянно вводятся свежие питательные вещества и выводится соответствующее количество микробных клеток и продуктов метаболизма. При хорошей согласованности этих двух потоков система находится в состоянии динамического равновесия, и непрерывное выращивание микроорганизмов может продолжаться достаточно долго, хотя не бесконечно, так как в конце концов начинают действовать и другие факторы, например вырождение культуры и т. п.
И тем не менее благодаря этому методу можно получать микробный белок, близкий по составу к белку пшеницы. Этот путь ведет не только к удовлетворению запросов легендарного изобретателя шахмат, но и к решению продовольственной проблемы для человечества в целом.
Глава 15
Всеядные
Робин Бобин Барабек
Скушал сорок человек,
И корову, и быка,
И кривого мясника,
И телегу, и дугу,
И метлу, и кочергу.
Скушал башню,
Скушал дом
И кузницу с кузнецом…
К. ЧуковскийОбычно под всеядностью подразумевают способность организма употреблять в пищу все окружающие его съедобные (и несъедобные!) вещества. В этом смысле каждый микроорганизм в отдельности отнюдь не является всеядным. Напротив, большинство микроорганизмов очень «привередливы» и употребляют в пищу довольно ограниченный набор питательных веществ, причем меню каждого микроба, как правило, сильно отличается от меню всех прочих микроорганизмов. В конце концов, как принято говорить, о вкусах не спорят. И именно на этом свойстве микроорганизмов — разнице во «вкусах» — основан наиболее употребляемый метод их идентификации. Перефразируя известную поговорку «Скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты», микробиологи с полным основанием могут заявить, обращаясь к неизвестному микробу: «Скажи мне, что ты ешь, и я скажу, кто ты!»
Правда, здесь следует оговориться. Привередливость иных микроорганизмов исчезает вместе с исчезновением их излюбленного блюда. И тогда они хотя и не становятся всеядными, но, во всяком случае, пытаются приспособиться и к другой пище, которую раньше не использовали в своем рационе. Это умение приспосабливаться к изменяющимся условиям питания определяет живучесть микроорганизмов. И такая их способность создала в последние десятилетия целую проблему. Дело не только в том, что затрудняется идентификация микроорганизмов, но и в том, что некоторые болезнетворные микробы сумели приспособиться к антибиотикам, созданным против них, поэтому врачи вынуждены постоянно разрабатывать новые препараты, к которым данный микроб еще не приспособился, т. е. не адаптировался.
Но вернемся к названию этой главы. Когда говорят о всеядности микроорганизмов, то имеют в виду не каждый из них в отдельности, а все царство микроорганизмов в целом. И в этом смысле микроорганизмы действительно всеядны. Благодаря этому свойству их можно обнаружить на всех окружающих нас веществах и предметах, иными словами, всеядность микроорганизмов объясняет их повсеместную распространенность, о которой мы уже говорили в главе 12.
Хлеб, молоко, мясо, овощи, или, выражаясь языком органической химии, белки, жиры и углеводы — весь этот спектр всеядности животных и человека характерен и для микроорганизмов. При более детальном анализе пищевых возможностей микроорганизмов открывается поистине удивительная картина. Оказывается, многие из них могут использовать в качестве пищевых субстратов вещества, не относящиеся к перечисленным выше трем классам органических соединений, олицетворяющим пищу как таковую. Некоторые микроорганизмы способны потреблять такие инертные в химическом отношении вещества, как парафины, выделенные из нефти. Другие «питаются» даже веществами, обладающими бактерицидными свойствами, в частности фенолами. Вообще, мы не ошибемся, если все вещества, перечисленные в оглавлении толстого учебника органической химии, отнесем к пищевым субстратам микроорганизмов. При этом помимо простых веществ они способны использовать для своих пищевых потребностей и сложные. Разложение биополимеров проводится не одним микробом, а целым комплексом микроорганизмов, работающих как бы «в единой бригаде» и по «единому наряду». Так, сложный полимер хитин одни микроорганизмы расщепляют до мономеров, из большого количества которых он состоит, а другие способствуют дальнейшему разложению образовавшихся мономеров.
В настоящее время в мире насчитывается около 2,5 млн органических и неорганических соединений, и большая часть этих веществ — отнюдь не естественного происхождения. Более того, ежедневно поступают сведения о появлении все новых веществ и материалов, синтезированных в химических лабораториях всего мира. Причем надо сказать, что современные химики синтезируют вещества не только для удовлетворения собственного тщеславия, а выполняя «социальный заказ» тех или иных отраслей промышленности и экономики. Некоторые из этих вновь синтезированных веществ выпускаются миллионами тонн!
И если до сих пор, несмотря на астрономические цифры производства новых веществ, наша планета еще не превратилась в бесполезный склад однажды использованных и навсегда исключенных из круговорота веществ, то основная заслуга в этом всеядных микроорганизмов.
Спектр их всеядности охватывает, как выяснилось, не только органические вещества, но и неорганические. Есть микроорганизмы, способные использовать в качестве пищи аммиак, нитриты, сероводород, железо, водород.
Однако у читателя есть все основания удивиться: как же можно железо, а тем более аммиак или сероводород считать пищей? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно прежде всего задаться другим: что же такое пища вообще, и для чего она нужна любому живому организму? Пища должна снабжать организм строительными материалами для построения тела и энергией для осуществления всевозможных жизненных отправлений, будь то синтез различных веществ и структур, движение или размножение. Большинство микроорганизмов, подобно животным и человеку, получают углерод для построения своих тканей и энергию из готовых органических соединений. Это так называемый гетеротрофный тип питания. Существуют микроорганизмы, которые не нуждаются в органических соединениях. В качестве источника углерода они используют углекислый газ из воздуха и, таким образом, по сравнению с вышеупомянутыми микроорганизмами обладают куда большей независимостью. Такой тип питания называется автотрофным. Что касается источника энергии, то некоторые микроорганизмы используют, как и растения, энергию солнечного света (фототрофы), другие потребляют энергию химических связей, причем как органических веществ (органотрофы), так и неорганических (литотрофы, т. е. питающиеся камнем!) Вот, оказывается, для чего иным микроорганизмам нужны железо, аммиак и тому подобные несъедобные вещества. Таким образом, всеядность микроорганизмов объясняется, кроме всего прочего, и разнообразием типов их питания.
