Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов
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.
