Микробы
Жара. На столе бутылка с хлебным квасом. Жидкость пенится. И вдруг газ с оглушительным шумом выбрасывает пробку. Понять, почему образовался этот газ, можно, только зная свойства невидимых существ — микробов.
На руке мальчика ссадина. Он поленился смазать ранку иодом. Через несколько дней на руке образуется гнойная опухоль. И только нож хирурга сможет предотвратить опасные последствия. Дело в том, что вместе с соринкой в живую ткань попали микробы.
Что же такое микробы? Это мельчайшие живые существа, из которых каждое большей частью представляет собой всего лишь одну клетку. Многих из них можно увидеть в микроскоп только при увеличении не меньше чем в 300—500 раз. Микробы очень разнообразны. Наиболее известны из них бактерии, актиномицеты, плесени, дрожжи. Наука о микробах — микробиология изучает главным образом различные бактерии, актиномицеты, а также плесени и дрожжи, относящиеся к грибам.
Микроскопические растения — плесени, или плесневые грибы, причисляются к микробам, несмотря на их сравнительно большие размеры и сложное развитие. Плесень состоит из многочисленных тонких ветвящихся и переплетающихся нитей — гиф. Сплетение гиф образует мицелий; это и есть тело плесени, способное сильно разрастаться. В процессе развития в отдельных его местах появляются особые, растущие вертикально гифы — конидиеносцы, на которых образуются споры — конидии. Конидии разносятся, подобно семенам одуванчика, на значительные расстояния. Оседая на почву или на растения, они при благоприятных условиях прорастают: так начинает жить новая плесень.
Пачка дрожжей, которую покупают в магазине,— это огромное скопление живых клеток. Каждая отдельная клетка так мала, что ее можно разглядеть лишь в микроскоп. Чаще всего эти клетки округлые или овальные, диаметр их 8—10 мкм, т. е. 0,008— 0,01 мм. У многих видов дрожжей размножение происходит спорами. В этом случае внутри каждой клетки образуется 2 или 4, а у иных и до 12 плотных телец — спор. Из каждой споры в дальнейшем возникает новая молодая дрожжевая клетка. Размножаются дрожжи и более простым способом — почкованием: в клетке появляется небольшое выпячивание, оно быстро вырастает и образует почку. Минут через 20—30 почка отделяется от материнской клетки, и молодой дрожжевой грибок начинает жить самостоятельно.
Бактерии относят также к миру растений, хотя, за очень редким исключением, у них нет хлорофилла, характерного для большинства растений. Бактерии очень малы. На булавочной головке могут разместиться сотни и тысячи бактерий. Длина клетки большинства палочковидных бактерий — от 1 до 3 мкм, длина некоторых бактерий всего 0,4 мкм. Форма их разнообразна: шарики, запятые, палочки, некоторые имеют жгутики. Размножаются бактерии делением.
Шарообразные бактерии называют кокками. Если кокки располагаются разбросанно, поодиночке, их называют микрококками; если же они соединены попарно — диплококками. Кокки, собранные в цепочки, называются стрептококками; они напоминают бусинки, нанизанные на нитку. К стрептококкам относятся молочнокислые бактерии и бактерии, вызывающие нагноение.
Палочковидные бактерии также разнообразны. У одних концы клеток закругленные, у других — тупые или заостренные. Палочки, соединенные в цепочку, называются стрептобактериями. Слегка изогнутые палочки относятся к группе вибрионов, изогнутые более сильно — к спириллам.
Если соскоблить налет с зуба, поместить его на стеклышко и рассмотреть под микроскопом, то можно увидеть, как быстро проносятся, подобно змейкам, спирохеты — тонкие нити со множеством завитков. Эта спирохета довольно безобидна, но среди спирохет есть и очень вредные, например возбудитель возвратного тифа.
Своеобразную группу микробов представляют актиномицеты, или лучистые грибы, встречающиеся обычно в почве. Актиномицеты образуют длинный, иногда свыше 600 мкм, ветвистый, очень тонкий мицелий, ширина его не превышает 0,8 мкм. Актиномицеты на питательных средах образуют колонии, которые состоят из мицелия, растущего на поверхности среды. Кроме того, они образуют воздушный мицелий, на котором появляются конидиеспоры. При помощи их актиномицеты размножаются. Они могут размножаться и отдельными кусками мицелия.
Большинство микробов не переносят неблагоприятных условий внешней среды. Они гибнут от высокой температуры, ультрафиолетовых лучей, сильно действующих химических веществ. Но некоторые виды бактерий могут переносить и трудные условия жизни. У одних бактерий, например у туберкулезной палочки, оболочка тела пропитана изолирующим веществом, напоминающим воск, у других — оболочка покрывается слизью. У некоторых бактерий при неблагоприятных условиях часть содержимого клетки уплотняется, обезвоживается превращается в спору с плотной оболочкой, которая пропитана смолоподобными веществами, устойчива к внешним воздействиям и почти непроницаема для воды и кислот. Попадая в благоприятные условия, спора набухает, прорастает и превращается в обычную активную бактерию. Бактерии, образующие споры, называются бациллами.
Спорообразующие микробы встречаются в почве часто. Во время одного опыта было обследовано 94 вида различных почвенных бацилл. Из общего числа выделенных бацилл 43% не погибли после пятичасового кипячения, 15% оставались живыми, пробыв 12 часов в кипятке, а 11% сохранили жизнь даже после тридцатичасового кипячения. Конечно, такое испытание выдерживали не сами бациллы, а только их споры.
Микробиолог должен знать потребности и свойства самых различных бактерий, дрожжей, плесеней. Сообразно с их свойствами приготовляют в лабораториях различные питательные смеси, на которых могут быть выращены отдельные виды микробов. Такая смесь называется питательной средой.
Ученые нашли приемы выращивания, или, как говорят, культивирования, микробов в лабораторных условиях, в том числе и наиболее вредных — возбудителей чумы, столбняка, холеры, дифтерии. Выращивают микробов в специальной питательной среде — на мясных и рыбных бульонах и отварах. В бульон добавляют желатин или агар-агар; в этом случае питательная среда приобретает вид студня. На поверхности студня тончайшим слоем размазывают каплю с разведенной в ней почвой или другим веществом, в котором обитают микробы. Этот этап опыта называют посевом.
Микробное население исследуемой капельки более или менее равномерно размещается на сравнительно большой площади. Каждый микроб размножается на том месте, где он осел. Уже через сутки вокруг этого места появляется его многочисленное потомство. Одну бактерию не увидишь без микроскопа, но миллиарды их, тесно прилегающие друг к другу, занимают площадь в несколько миллиметров. Такое скопление на поверхности плотной питательной среды однородных микробов называют колонией. Методом посева на жидкую или твердую питательную среду определяют степень заселенности микробами почвы, воды или пищевых продуктов.
Частичку отдельной колонии легко переселить в пробирку с питательной средой. Это уже будет разводка однородных микробов, которую называют чистой культурой.
Метод чистых культур широко используется в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Он позволяет не только обнаружить и выделить невидимого врага, но и приготовить против него защитные средства. Активные чистые культуры дрожжей используются на хлебозаводах, молочнокислых бактерий — для производства сыров, молочной кислоты, ацидофилина и многих других ценных продуктов.
Как дышат и питаются микробы
Для дыхания живым существам нужен воздух, точнее, содержащийся в нем кислород. Воздух необходим и большинству микробов. Таких микробов называют аэробами. Но есть бактерии, живущие без воздуха. Их называют анаэробами. Кислород воздуха для них — яд.
В природных условиях аэробы живут в поверхностных, рыхлых слоях почвы, на поверхности пищевых продуктов, в верхних слоях воды. Анаэробы обитают в более глубоких слоях почвы, в иле, в толще воды — там, где свободного кислорода нет совсем или же его недостаточно для других существ.
Многие микроорганизмы способны вызывать брожение. Брожение представляет собой особый вид дыхания, свойственный микробам. При сбраживании, особенно сахаристых веществ, высвобождается энергия, необходимая для существования микроорганизмов. Но в процессе брожения без доступа кислорода воздуха микроорганизмы используют только небольшую долю энергии, скрытой в веществах, которые они разлагают лишь частично. При дыхании сахар в организме используется полностью. В результате получается вода и углекислый газ. Во время брожения дрожжи разлагают сахар не полностью, превращая его в спирт и углекислый газ.
При брожении, вызванном дрожжами, жидкость пенится от энергично выделяемого углекислого газа. Пузырьки газа со дна бутылки с хлебным квасом свободно поднимаются к поверхности. Но в вязкой массе, например в тесте, они лишь с трудом и далеко не полностью выбираются на поверхность. Вот почему тесто поднимается на дрожжах, точнее говоря, его поднимают пузырьки углекислого газа. В брожении, происходящем в ржаном тесте, помимо дрожжей принимают большое участие молочнокислые бактерии. Они превращают сахаристые вещества теста в молочную кислоту. При изготовлении всевозможных молочных продуктов — сметаны, простокваши, варенца, кумыса, кефира, а также при сило¬ совании кормов тоже действуют различные молоч¬ нокислые бактерии.
Если в молоко проникнут гнилостные микробы, то через несколько часов оно приобретет неприятный запах и вкус. Микробы, разлагающие жиры, придают молоку или сливочному маслу прогорклый привкус. Маслянокислые бактерии превращают молоко в пенящуюся, взмученную массу с острым, неприятным запахом — они разлагают сахар с образованием дурнопахнущей масляной кислоты, водорода и углекислого газа. Молочнокислые бактерии убивают гнилостных, маслянокислых и разлагающих жиры микробов. Вызывая скисание молока, они тем самым предохраняют его от порчи.
Уксуснокислые бактерии окисляют спирт, в результате образуются уксусная кислота и углекислый газ.
Многие микробы питаются преимущественно органическими веществами. В живую ткань они не вторгаются и потому не вызывают заболеваний живых существ. Эти микробы называют сапрофитами. Среди них есть и злостные вредители, разлагающие пищевые продукты. Некоторые сапрофиты (различные бактерии, дрожжи, плесени), как мы уже знаем, используются в пищевой промышленности. Они вызывают брожение сахаров, из которых они черпают необходимую для своей жизнедеятельности энергию, а также получают необходимое питание (углеводы, азотистые вещества и минеральные соли).
Очень большую роль в природе играют гнилостные бактерии, или аммонификаторы. Они разлагают белковые вещества остатков растений и животных и превращают их в аммиак, воду, сероводород и углекислый газ. Без них жизнь на Земле стала бы невозможной. Ведь эти бактерии разлагают сложное органическое вещество на простые минеральные соединения, которыми питаются зеленые растения. Образовавшийся аммиак непосредственно используется зеленым растением или подвергается процессу нитрификации (окислению с образованием солей азотной кислоты) особыми бактериями-нитрификаторами, о которых мы расскажем позже.
Для большинства животных и растений нефть вредна. Нефть, растворенная в воде, вызывает у рыб отравление. Между тем в почвах нефтеносных районов обнаружено значительное количество микробов, способных использовать для своего питания различные вещества, составляющие нефть,— керосин, парафин и др. В результате их деятельности через 7— 10 дней в водоемах слой нефти толщиной в миллиметр почти целиком исчезает.
Советские микробиологи предложили использовать таких микробов как разведчиков нефти. Обычно из глубины залежей нефти просачиваются на поверхность Земли нефтяные газы. При малейших следах подобных газов микробы-разведчики, помещенные в специальные колбочки с питательной средой, начинают быстро размножаться. В колбе на поверхности жидкости появляется пленка, а питательный раствор сильно мутнеет. Следовательно, в этом месте можно искать нефть.
Промышленное значение приобретает вскармливание особых микроорганизмов углеводородами нефти, горючих газов для получения дешевых белковых кормов.
Микробы, способные разлагать нефть, каучук, бетон, клетчатку, вызывать коррозию металлических труб, приносят неисчислимые убытки. Установлено, что одна из причин мелких трещин на асфальтовых покрытиях дорог — разрушительное действие микроорганизмов. Приходится изыскивать противомикробные вещества, которые могли бы защищать эти покрытия.
В бензине, в дизельном топливе вследствие жизнедеятельности особых микроорганизмов возникают осадки, которые могут привести к порче топливных двигателей, баков и насосов. Достаточно добавить в топливо небольшое количество специальных химических препаратов, чтобы подавить развитие этих микроорганизмов.
В борьбе с подобными микроорганизмами все большее значение приобретает широкое применение синтетических полимерных материалов. Многие из них оказываются «не по зубам» даже самым изощренным микробам-разрушителям. Тысячи километров кабеля одевают легкие и бактериоустойчивые полиэтиленовые и хлорвиниловые «рубашки». Созданы волокна со специальными свойствами. Они не только устойчивы к гниению, но и обладают бактериоубивающим свойством.
Основная масса растения состоит из вещества, называемого клетчаткой или целлюлозой. В ее разложении главную роль играют особые целлюлозоразрушающие микробы. В иле, в почве, особенно лесной, в навозе — повсюду, где скопляются растительные остатки, появляется несметное количество этих микробов. Весьма полезна и даже жизненно необходима деятельность таких микробов в кишечнике травоядных животных: разлагая там клетчатку, они способствуют перевариванию растительной массы.
Но иногда эти бактерии и грибы вредят хозяйству человека, например они разрушают рыболовные сети, шпалы. Для предохранения от порчи сети пропитывают особым противомикробным составом. В последнее время стали применять капроновые сети: целлюлозоразрушающие бактерии на них не действуют. Если не принять защитных мер, книги и старинные редчайшие рукописи могут быть изъедены целлюлозоразрушающими бактериями и плесневыми грибами. Поэтому книгохранилища и архивы, где хранятся ценные рукописи, время от времени подвергают окуриванию сернистым газом.
В прошлом веке биологи заинтересовались странными свойствами одной группы микробов: внутри клеток этих бактерий были обнаружены кристаллики серы. Русский ученый С. Н. Виноградский в 1887 г. доказал, что подобные бактерии, окисляя сероводород, используют образующуюся при этом энергию на построение органических соединений из углекислого газа и воды. В результате такого окисления сероводорода получается серная кислота или сера, кристаллики которой и обнаруживаются в клетке.
К микробам, использующим энергию, освобожденную при окислении минеральных веществ, относятся также бактерии-нитрификаторы. Они способны превращать аммиак в селитру. Эти бактерии, как и зеленые растения, создают органические вещества из воды, углекислого газа и минеральных солей. Но, в отличие от зеленых растений, нитрификаторы, как и серобактерии, не нуждаются в солнечной энергии. Их можно встретить даже в бесплодных песках, в трещинах скал, в темных ущельях, лишенных каких-либо признаков жизни. В природных условиях они образуют огромное количество селитры из аммиака, выделяющегося при разложении животных и растительных остатков. В хорошо проветриваемой почве за год может быть образовано на гектаре более четверти тонны селитры — ценного азотного удобрения. В некоторых местах, где растительность скудна или ее совсем нет, а дождей почти не бывает, накапливающаяся селитра не вымывается из почвы. Здесь образуются залежи селитры.
В районе Бухары почва глинистых пустынь нередко содержит до 2% селитры. Особенно много ее на местах старых городищ, древних караван-сараев, кладбищ. И это не случайно: скопление органических остатков в этих районах послужило для микробов сырьем при образовании селитры.
Свободный атмосферный азот растения усваивать не могут: он им недоступен. Но во многих почвах поселяются особые бактерии, а также мельчайшие синезеленые водоросли-азотоусвоители, которые усваивают азот из воздуха. И там, где условия для развития таких микробов благоприятны, растения не испытывают азотного голодания. Впервые эти бактерии-азотоусвоители были открыты С. Н. Вино¬ градским в 1893 г.
Голландский ученый Бейеринк выделил из садовой почвы микроб азотобактер. При благоприятных условиях микробы этого вида за лето накапливают в почве на одном гектаре 30—70 кг азота, частично возмещая его убыль после уборки урожая. Азотобактер — свободноживущий азотоусвоитель. Его существование не зависит от какого-либо растения — он вольный житель почвы. Есть и другие азото- усвоители, жизнь которых, в отличие от азотобактера, теснейшим образом связана с растением. Уже давно известно, что бобовые растения — вика, клевер, горох, фасоль, люцерна — обогащают почву азотом. Если выдернуть из почвы бобовое растение, нетрудно заметить на его корнях клубеньки. В них-то и живут микробы-азотоусвоители. Азот они усваивают из воздуха и частично отдают его растениям. После отмирания бактерий накопленный в клубеньках азот остается в почве в виде солей и легко усваивается любыми растениями, посеянными на этом поле.
Некоторые синезеленые водоросли также являются азотоусвоителями. Размножаясь в огромном количестве на рисовых полях, они обогащают почву азотом, соперничая даже с азотобактером.
В наше время широко применяются искусственные живые удобрения — нитрагин, состоящий из живых клубеньковых бактерий, и азотобактерин, представляющий собой живую массу азотобактера.
Изменчивость микробов
Микробы очень изменчивы. Например, под влиянием некоторых воздействий бактерия, имеющая форму длинной палочки, может превратиться в шарик. Но для нас важно, что изменение внешнего вида, формы мельчайших существ иногда под влиянием облучения сопровождается наследственными изменениями их свойств.
В лаборатории удается «приручить» полезных микробов, производящих, например, антибиотики, или даже изменить их свойства так, что они будут производить полезные продукты в еще большем количестве. Так, удалось вывести культуру плесневого гриба, дающего пенициллин, производительность которого выше обычного в 200 раз. В природных условиях был обнаружен микроб, способный в заметных количествах синтезировать ценную аминокислоту — лизин. В результате примененного воздействия была получена измененная форма этого микроорганизма, которая синтезирует лизин в 400 раз интенсивнее, чем «дикарь». Добавка дешевого лизина в корм для птиц и животных резко повышает его питательность.
Можно лишить болезнетворные микробы вредоносных свойств, воздействуя на них, например, рентгеновыми лучами или радием. Такие обезвреженные микробы из врагов превращаются в наших друзей. С большим успехом они используются для получения лечебных вакцин.
Для успешной борьбы с вредными микробами нужно учитывать их особенности. Зная свойства микробов, можно создать условия, которые будут благоприятны для развития полезных видов и затруднят развитие вредных.
Микробы в воздухе
При малейшем дуновении ветра поднимается в воздух масса мелких пылинок, а вместе с ними и микробы. Воздушный океан для микроорганизмов — бесплодная пустыня: им там нечем питаться. Кроме того, для многих микробов лучи солнца смертельны. Обычно пребывание микробов в воздухе кратковременно. На малейших пылинках, точно на парашютиках, они оседают на землю. Для некоторых бактерий и грибов воздушные потоки — основной путь распространения. Споры плесеней нередко разносятся по воздуху на очень большие расстояния.
Чем выше и дальше от земли, тем микробов меньше. В горном воздухе их не так много, как в воздухе узких и пыльных улиц. Очень мало микробов над морем, вдали от берегов. Участникам арктических и антарктических экспедиций приходится иногда работать по колено в ледяной воде, но обычно никто из них не заболевает заразными болезнями, связанными с простудой. Объясняется это тем, что воздух в полярной зоне почти свободен от микроорганизмов, в том числе и от возбудителей болезней.
Ученые выяснили, что над Москвой на высоте 500 м в 1 м3 воздуха содержится около 3 тыс. микробов, на высоте 1000 м — уже 1700, а на высоте 2 тыс. м — всего 700—800 микробов. При сильном ветре, когда над городом серой дымкой стелется пыль, число микробов на высоте 500 м возрастает до 8 тыс. Микробы обнаруживались и на высоте 6 км. Даже на высоте 23 км, где атмосфера пронизана космическими лучами, были уловлены с помощью шаров-зондов бактерии и плесневые грибы.
В воздухе промышленных городов вместе с пылью носятся миллионы микроорганизмов. В литре воздуха жилой плохо проветриваемой комнаты содержится около 500 тыс. пылинок. За сутки человек вдыхает около 10 тыс. л воздуха. Большинство микробов мы поглощаем без каких-либо дурных последствий. Но в воздухе, особенно в закрытых помещениях, могут появиться и возбудители заразных болезней.
Некоторые микробы (возбудители чумы, коклюша) в воздухе быстро погибают. Но туберкулезная палочка и микробы, вызывающие нагноение, долго переносят высушивание. Туберкулезные палочки остаются жизнеспособными в пыли до 3 месяцев. Вместе с частицами пыли они разносятся по воздуху на большие расстояния.
Зараза может распространяться не только с пылью. Когда больной чихает или кашляет, вместе с капельками влаги в воздух попадают возбудители заболевания. В каждой капельке брызг от кашля туберкулезных больных обнаружено до 40 тыс. туберкулезных палочек. С мельчайшими брызгами мокроты микробы отлетают при кашле на 2—3 м, а при сильном кашле и до 9 м.
Чем чище воздух в общественных местах, вокруг человеческого жилья и в комнатах, тем меньше люди болеют. Подсчитано, что, если провести щеткой пылесоса по поверхности предмета четыре раза, удаляется до 50 % микробов, а если двенадцать раз — почти 100%. Большое значение в борьбе за чистоту воздуха имеют леса и парки. Зеленые насаждения осаждают, поглощают пыль и выделяют фитонциды, убивающие микробов.
Микробы приносят вред не только здоровью человека. По воздуху распространяются также и возбудители болезней животных и растений. Микроорганизмы вместе с пылью оседают на пищевые продукты, вызывают их скисание, гнилостное разложение.
Микробы в воде
Пока микробы в воздухе, они бездеятельны, хотя и сохраняют жизнеспособность. Активными они становятся, лишь попав во влажную среду либо непосредственно в воду. Бактерии, как и другие живые существа, на 60, а иногда и на 90% состоят из воды. Все вещества, в том числе и питательные, могут проникать в клетку живой бактерии только в растворенном виде через ее оболочку. Любой водоем — лужица, озеро, океан — для микробов не только место обитания, но и источник питания, поле бурной деятельности.
Микробы встречаются и в замерзшей воде. Чем больше загрязнена вода, тем больше будет микробов и во льду, образовавшемся из нее. Микробов находили даже в крупинках града.
На глубине 3500 м в толще воды Атлантического океана были обнаружены живые бактерии. Советские ученые нашли живых микробов в придонном иле на десятикилометровой океанской глубине.
Еще в старину во многих местах нашей страны добывалась со дна озер железная руда. Извлекут из такого озера руду полностью, а через некоторое время она появляется вновь. В 1888 г. С. Н. Виноградский высказал смелую мысль: «Колоссальные отложения железных руд, известных под названием болотной, озерной, луговой, дерновой и т. д., весьма вероятно, должны быть приписаны деятельности особых бактерий, так называемых железобактерий».
Железобактерии находятся повсюду: в подземных и поверхностных водах, в колодцах и родниках. Ржавая масса на дне и берегах ручьев также образована железобактериями. Они обладают исключительной способностью извлекать и поглощать закисные соли железа, растворенные в водоемах, и превращать их в окисные соединения, легко выпадающие в осадок.
Железобактерии были обнаружены в большом количестве на дне Черного, Карского, Балтийского и Баренцева морей.
В реках, морях и океанах бактерии производят глубокие изменения. Питаясь остатками умерших растений и животных, они разлагают сложные соединения азота, фосфора, серы и других веществ.
Бактерии служат пищей для многих простейших микроскопических животных, обитающих в морях. Простейших в свою очередь поедают ракообразные, моллюски, которыми питаются рыбы. Бактерии в этой пищевой цепи — первое звено.
Микробиологи и санитарные врачи тщательно исследуют воду на водопроводных станциях и на предприятиях пищевой промышленности. Для улавливания болезнетворных микробов применяют специальные методы.
Микробы в почве
В обломках мертвых скал, в сыпучих песках выжженных солнцем пустынь — везде и всюду первые вестники жизни — микробы. Они живут, размножаются, гибнут, выделяют вещества, разрушающие горную породу, заселяют постепенно поверхность Земли и за тысячелетия превращают бесплодные горные породы в плодородную почву.
По всему земному шару каждое мгновение умирают животные и растительные организмы. На смену им рождаются новые. Трупы животных, остатки растений разлагаются, сгнивают, истлевают и под влиянием особых бактерий, синтезирующих органическое вещество, становятся составной частью почвы — перегноем. Почти всю эту колоссальную работу осуществляют микробы, расчищая дорогу новой жизни.
Плодородие почвы теснейшим образом связано с деятельностью почвенных микробов. Они не только приготовляют пищу растениям, но и участвуют в создании структуры почвы — ее пористого строения, от чего зависит плодородие почвы.
Микробы вызывают гниение и брожение. При этом выделяется в огромном количестве углекислый газ. Его поглощают из воздуха своими листьями зеленые растения и используют для своего углеродного питания.
Микробы распространены на нашей планете повсюду. В сухих пустынных районах Памира на высоте 4 тыс. м в каждом кусочке почвы величиной с наперсток насчитывается до 500 тыс. микробов, а в том же объеме огородной поливной почвы — уже несколько миллиардов. Общий вес микробов в пахотном слое гектара достигает 4—5 т! Любой комочек почвы, богатой перегноем,— это крохотный мир деятельных микробов. Глубже пахотного слоя микробов становится все меньше и меньше.
Академик Н. Г. Холодный сконструировал камеру, позволяющую наблюдать жизнь микроорганизмов непосредственно в почве. В камере созданы необходимые условия: почва пористая, воды и воздуха в ее порах достаточно. В камере хорошо видно, что микробы располагаются главным образом не в порах, а на поверхности почвенных частиц. С места на место они разносятся током воды. Многие из них передвигаются самостоятельно, хотя и очень медленно, с помощью жгутиков.
Микробы хорошо приспособляются к самым различным условиям. Большая часть почвенных микробов хорошо развивается при температуре 15—35°, но некоторые из них предпочитают холод. Особые холодолюбивые микробы приспособились к низким температурам почвы. При их участии разложение органических веществ может идти при температуре и ниже нуля, хотя и не столь энергично.
Микробы-поджигатели
Изменения и превращения веществ в живом организме связаны с потреблением энергии, при этом часть ее теряется. Энергия, не усвоенная организмом, выделяется в виде тепла. Все без исключения живые существа непрерывно «самонагреваются» и выделяют тепло, в том числе и микроорганизмы. Особенно ярко это проявляется там, где есть благоприятные условия для массового развития микроорганизмов и затруднен отток тепла.
В стогах влажного сена или в штабелях недостаточно просушенного торфа возникают даже пожары. Виновники этих чрезвычайных происшествий — микробы. Хлопок, торф и сено при длительном самонагревании обугливаются, и в них возникают легко воспламеняющиеся вещества. Достаточно небольшого притока воздуха, чтобы эти вещества сами собой воспламенились. Однажды большой океанский пароход шел из Египта в Англию. Его трюмы были наполнены тюками хлопка. В пути из-за бурной деятельности микробов влажный хлопок стал постепенно нагреваться и затем воспламенился.
Самонагревание, вызванное микроорганизмами, не всегда приносит вред. С незапамятных времен оно используется в оранжереях, теплицах и парниках. Ранней весной парники и гряды в оранжереях и теплицах устилают навозом, преимущественно конским, а сверху насыпают слой почвы. Под воздействием микроорганизмов навоз разогревается и утепляет лежащий сверху слой почвы, кроме того, повышается выделение из почвы углекислого газа. Все это способствует раннему развитию огородных культур.
Самонагреванием пользуются не только люди, но и птицы. Австралийские сорные куры, например, кладут яйца в кучу гниющих листьев и веточек. Эта куча самонагревается, и яйца находятся как бы в инкубаторе. Птице остается только следить за тем, чтобы «инкубатор» работал исправно.
Необходимое условие самонагревания — влажность. Если влаги недостаточно, деятельность микробов затруднена. Влажное сено подвержено самонагреванию, а совершенно сухое само по себе не нагревается; хорошо высушенная рыба не разлагается; сушеные фрукты не гниют долгое время. Однако влажность — лишь одно из условий, необходимых для энергичного развития микроорганизмов, вызывающих самонагревание. Плотно уложенный навоз, в котором микробиологические процессы протекают не так интенсивно, нагревается значительно слабее рыхлого. Если тепло не выделяется наружу, оно накопляется в разлагающейся массе и вызывает в ней самонагревание до 60—70°, а иногда даже до 80°. Торф, сено, навоз нагреваются не только потому, что их разлагают микробы, но и потому, что они нетеплопроводны.
Болезнетворные микробы
В XVII в. голландский ученый Антони ван Левенгук открыл при помощи собственноручно сделанного микроскопа мир невидимых существ. Но еще долго после этого замечательного открытия никому и в голову не приходило связать существование ничтожно малых существ — микробов — с заразными заболеваниями. Знания о болезнях, о причинах эпидемий и мерах борьбы с ними накапливались медленно и постепенно.
Одним из основателей науки о микробах (микробиологии) был великий французский ученый Луи Пастер. Он и немецкий ученый Роберт Кох в конце XIX в. разработали методы культуры бактерий и стерилизации сред. Пастер открыл научные способы предохранительных прививок, а Кох открыл возбудителя туберкулеза и холеры.
Русский ученый И. И. Мечников внес огромный вклад в учение об иммунитете у животных и человека.
$IMAGE15$
В нашем теле много микробов: в полости рта и носа, в глотке, в кишечнике. Разрушение зубов — результат вредного действия микробов. Толстые кишки — рассадник гнилостных бактерий. По учению И. И. Мечникова, они отравляют нас медленно, но неуклонно, способствуя преждевременной старости. Мечников советовал есть простоквашу и таким образом заселять кишечник молочнокислыми бактериями. В дальнейшем было выяснено, что благотворное действие молочнокислых бактерий простокваши кратковременно. Они плохо приживаются в кишечнике человека. Значительно лучше приживаются молочнокислые бактерии, принадлежащие к виду ацидофильной палочки, содержащейся в ацидофилине.
Из микробов, живущих в кишечнике, полезны не только молочнокислые бактерии. Некоторые микробы оказывают благотворное действие на организм, обогащая его витаминами.
Пребывание бактерий в венах, артериях, легких, почках или в других внутренних полостях организма человека или животного безусловно вредно.
Болезнетворные микробы приспособились к существованию в живой ткани. Проникнув в организм, они начинают там размножаться. Так возникает инфекционное заболевание.
Если болезнь, которая передается от одного человека к другому, вызывает заболевание многих людей, то это уже эпидемия. Массовые инфекционные болезни среди животных называют эпизоотиями, а среди растений — эпифитотиями.
Такими кишечными болезнями, как холера, дизентерия, брюшной тиф, человек заражается не только непосредственно от заболевшего. Возбудители этих болезней могут попасть от больного человека тем или иным путем в воду или в пищу. Поэтому в Советском Союзе существовал строгий врачебный надзор за водой и пищевыми продуктами.
На водопроводных станциях воду сначала направляют в отстойники, а потом пропускают через фильтры из гальки и песка. Чтобы уничтожить микробов, воду хлорируют или обрабатывают ее ультрафиолетовыми лучами.
Холерный вибрион сохраняется в почве около 25 дней, а брюшнотифозная палочка — до 3 месяцев. Споры бациллы сибирской язвы, попав в благоприятные условия, не гибнут в почве годами. Один из самых опасных микробов — возбудитель столбняка — гнездится иногда в удобренной навозом почве. Если в рану или царапину вместе с загрязнением попадает несколько его бацилл, то человеку грозит мучительная смерть. Спасти его может только своевременно сделанная противостолбнячная прививка.
В распространении некоторых заразных заболеваний участвуют многие насекомые и грызуны. Болезни передаются человеку и от животных. В районах, где скот болеет туберкулезом и бруцеллезом, возбудители этих заболеваний могут распространиться среди людей через сырое молоко.
В распространении заразных заболеваний может невольно принять участие и сам человек. Больной дизентерией, брюшным тифом, дифтерией, туберкулезом при малейшей небрежности становится распространителем болезни.
Можно заразиться и от здорового человека. Бывает так: человек заболел брюшным тифом, выздоровел, но в его организме где-то еще сохранились тифозные бактерии. Время от времени они выделяются наружу, и здоровый человек становится невольным сеятелем заразы — бациллоносителем. В
истории человеческого общества немало было эпидемий чумы, холеры, сыпного тифа, оспы. Случалось, и не раз, особенно в старину, что от эпидемий чумы вымирало почти все население страны. Может возникнуть вопрос: почему же в ту пору, когда люди были еще беспомощны в борьбе с разрушительной микробной стихией, не погиб весь род людской? Одна из существенных причин этого заключается в следующем счастливом обстоятельстве, которое позднее установила наука. Оказывается, в организме человека, переболевшего заразной болезнью, возникают особые защитные вещества и образуется иммунитет, т. е. невосприимчивость к этой болезни. Невосприимчивость к какому-либо заразному заболеванию зависит и от так называемого врожденного иммунитета.
В тех случаях, когда эти защитные свойства оказываются недостаточными, можно заставить организм производить эти защитные вещества, не подвергая человека или животного заболеванию. Для этого достаточно ввести в его организм мертвые болезнетворные бактерии или живые, но сильно ослабленные. Еще с большим успехом можно использовать для этого микробов, свойства которых искусственным способом изменены.
Из убитых или измененных культур — возбудителей холеры, чумы, брюшного тифа, дизентерии, туляремии — приготовляют замечательные защитные препараты — вакцины. Метод применения вакцин особенно плодотворен.
Организм приобретает невосприимчивость лишь спустя несколько дней после того, как в него введена вакцина. Но при некоторых заразных заболеваниях необходима немедленная помощь. В таких случаях применяется лечебная сыворотка, получаемая из крови животного, в которой после введения болезнетворных микробов образуются антитела — особые вещества, подавляющие деятельность возбудителя болезни.
В 1871—1872 гг. русские ученые А. Г. Полотебнов и В. А. Манассеин опубликовали исследования о целебных свойствах плесеней. В 1929 г. английский бактериолог А. Флеминг выделил из мицелия особой плесени пеницилла желтые микроскопические кристаллики. Вещество, состоящее из этих кристалликов, было названо пенициллином. Пенициллин способствует быстрому заживлению гноящихся язв и ран. Пенициллином успешно лечат воспаление легких и другие болезни людей, осложнения после ранения, различные заболевания домашних животных.
Вещества, защищающие от невидимых врагов, выделяет не только плесень пеницилл. Различные микроорганизмы, в частности актиномицеты, вырабатывают вещества, угнетающие и даже уничтожающие вредных микробов, не причиняя вреда организму больного. Такие целебные вещества получили общее название антибиотиков. Чудесная аптечка антибиотиков все пополняется.
Обработка антибиотиками пищевых продуктов — рыбы, мяса, фруктов — предохраняет их от порчи.
Несмотря на многочисленные исследования по микробиологии водоемов, илов, почв, горных пород, наши сведения о свободноживущей микрофлоре все еще остаются неполными и противоречивыми. Слишком многообразен мир микробов, и многие из них очень требовательны к условиям своего существования. С помощью светового микроскопа подсчитали число микроорганизмов, взятых из ила озера Коломенское: в 1 г сырого ила оказалось 205 000 000 микробов. (Электронный микроскоп позволяет обнаружить в 10—100 раз больше микробов.) Когда попытались высеять эти микробы на питательной среде, их выжило только 300, т. е. в 735 тыс. раз меньше.
Коренное усовершенствование способов обнаружения и изучения микроорганизмов предложено в труде Б. В. Перфильева и Д. Р. Габе, за который авторы удостоены Ленинской премии в 1964 г. Б. В. Перфильев еще в 1941 г. выдвинул положение, что, создав капиллярные системы с медленно протекающим в них естественным субстратом, мы сможем «обмануть» даже самых привередливых микробов и они будут развиваться в этих стеклянных системах «как у себя дома». С помощью изумительной стеклотехники были созданы самые различные конструкции капилляров с плоскими стенками. Стало возможным выращивать микроорганизмы что называется «не спуская с них глаз», при очень больших увеличениях микроскопа. Капиллярная методика привела к открытию множества новых микроорганизмов, и список их беспрестанно растет.
Трудно отыскать такую точку на нашей планете, где бы не было микроорганизмов. Они деятельно участвовали в грандиозных геологических превращениях. Огромные подземные скопления горючего газа в Узбекистане, несметные залежи нефти в Татарии, горючие сланцы в Эстонии, напластования угля, толщи торфа, подводные горючие сапропели, залежи серы, селитры, клады железа — все это результат деятельности мельчайших живых существ.
География микробов весьма поучительна и увлекательна. Они встречаются на глубине 10—11 тыс. м под толщей океанических вод и в воздушном океане на высоте свыше 20 км.
Ну а выше? Неизмеримо выше — в астрономических далях космоса? Существуют ли в действительности какие-либо простейшие существа на Марсе, Венере, вообще где-нибудь, помимо нашей густо заселенной планеты? Многих ученых XIX и начала XX в. интересовали эти проблемы. В наше время космических полетов этот вопрос приобрел особую злободневность. Можно считать вероятным, что благодаря давлению света мельчайшие, высушенные, но жизнеспособные микроорганизмы перемещаются в космическом пространстве на большие расстояния, преодолевая барьеры ультрафиолетовой радиации, зоны высоких и низких температур. Но прежде чем допускать перелеты микробов, надо знать, существуют ли они на других планетах. Это одна из проблем, которые решает космическая биология.
|
