В мире невидимок

С тех пор, как голландский торговец мануфактурой Антони ван Левенгук стал увлекаться шлифованием линз и открыл новый, дотоле неведомый никому мир микробов, прошло более трех столетий. И если с вершин современной микробиологии окинуть взглядом пространство, где простирается прошлое этой увлекательнейшей отрасли науки, то можно увидеть те уступы и террасы, поднимаясь на которые, она обогащалась новыми открытиями.

Основы микробиологии были заложены Луи Пастером, который первым проник в глубины жизни мира невидимых. Именно, он узнал, что микробы - виновники брожения и гниения. День и ночь микроскопические труженики завершают дело смерти, разлагая трупы животных и растений.

"Если бы микроскопические существа исчезли с Земли,- говорил Пастер, - она загромоздилась бы мертвыми органическими отбросами и всякого рода трупами животных и растений. Без микробов жизнь невозможна!"

Великому экспериментатору удалось раскрыть еще одну тайну невидимок - их роль в возникновении заразных болезней. В этом ему помог Роберт Кох, санитарный врач из города Познани.

Кох научился получать чистые культуры бактерий на плотных питательных средах. Это дало возможность выявить возбудителей большинства заразных болезней: сибирской язвы, проказы, гангрены, гонореи, туберкулеза, холеры, брюшного тифа, столбняка, бруцеллеза, коклюша, менингита, дифтерии, чумы...

Технический арсенал ученых обогащался по мере развития прогресса. От анилиновых красителей Коха до последних достижений оптики и электроники. Появился темнопольный конденсатор - и стало возможным даже без специальной обработки наблюдать жгутики, оболочку, капсулу бактерии. Создали люминесцентный микроскоп - и глаз исследователя радует рельефная цветная картина клетки. Ультразвук и другие дезинтеграторы позволили узнать детали химического строения микробов.

Перечень твердо установленных фактов о строении микробов теперь велик и надежен.

Бактерии - существа одноклеточные. Но это не значит" что они примитивны. Функции ничтожно малой клетки микроба чрезвычайно сложны. Необъятное число ферментных систем, исключительное разнообразие способов получения энергии, присутствие физиологически активных веществ, организация наследственного аппарата, сложная структура тела... Нет, бактерия отнюдь не примитивная структура жизни. И в этом мы еще много раз убедимся.

Однако не надо думать, что бактерии - единственные и монопольные обитатели мира невидимых. Специалисты делят этот мир на шесть групп: простейшие, грибки, спирохеты, бактерии, риккетсии, вирусы. Но самые щедрые дары генетике и молекулярной биологии принесли именно бактерии и их вирусы (бактериофаги), поэтому о них и пойдет речь.

Клетка бактерии может иметь форму шара (А), прямой или изогнутой палочки (Б, В), переплетенных нитей (мицелий) (Г). Размеры ее чрезвычайно малы: 2-3 микрона. По сути дела это предел разрешающей способности светового микроскопа. Только электронная техника помогла ученым узнать все топкости строения бактериальной клетки. Особенно, когда рассматривались ультратонкие срезы. Вот что было обнаружено. Тело клетки покрыто оболочками. Наружный ее слой - клеточная стенка - плотное блестящее образование. Это причудливая мозаика из полисахаридов, белков и липоидов. Клеточная стенка - защитный каркас, скелет бактерии. Думают, что биологически она ничем иным не помогает клетке. И, знаете, что подтверждает эту мысль? Бактерии прекрасно живут... без клеточной стенки. Бактерию можно "раздеть" в растворе лизоцима, тогда она из палочки превращается в шар, но шар - живой и функционирующий.

Формы бактерий

Вторая оболочка - внутренний слой. Это цитоплазматическая мембрана, структура нежная и легкопроницаемая, по сути дела дифференцированная поверхность цитоплазмы. Через нее в двух направлениях идет непрерывный поток вещества. Мембрана - вместилище активных ферментов, ведающих переносом веществ из среды в клетку и обратно. Мембрану легко отслоить от цитоплазмы, поместив бактерию в концентрированный раствор хлористого натрия. Тогда цитоплазма сжимается в комок и хорошо видно, как между ней, мембраной и клеточной стенкой появляются просветы.

Итак, для защиты от внешнего мира у бактерии есть панцирь - две оболочки. Но некоторые из них окутаны, как плащом, третьей оболочкой - капсулой; ее можно заметить без электронного микроскопа.

Возьмите культуру пневмококка (обитатель слизистой носа и зева), размешайте ее на предметном стекле в капле туши и, высушив, окрасьте фуксином. Под линзой микроскопа раскинется темное, как августовское небо, поле с рубиновыми звездочками - бактериями, окруженными прозрачным ореолом. Ореол - капсула. Она не окрашивается ни тушью, ни фуксином и вдвое толще самой клетки. И это не предел. Капсула может развиться до такой степени, что вся жидкость, где живут бактерии, превратится в "студень". Состоит капсула из углеводов, полипептидов и полисахаридов. Так называемых капсульных микробов много. Среди них есть и болезнетворные-палочка сибирской язвы, чумы и др., но нас будет интересовать только один-пневмококк.

Цитоплазма бактерии - вязкая жидкость, в которой растворены белки, рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, минеральные соли. Ее состав меняется в зависимости от возраста клетки. В цитоплазме бактерий можно увидеть вакуоли (питательные пузырьки), полярные зерна - валютин, мембранные образования, похожие на митохондрии, можно увидеть и... ядро (однако о нем лучше рассказать позднее).

Разнообразны вкусы микробов. Они всеядны так, как никакие иные существа на свете. Одни бактерии усваивают азот из минеральных солей и самостоятельно синтезируют белки, другие извлекают углерод, подобно растениям, из угольной кислоты и даже имеют пигменты типа хлорофилла. Это бактерии-созидатели.

На большинство бактерий - разрушители жизни. Они предпочитают получать азот и углерод из готовых белков и углеводов, и в этом сказывается их особая роль в кругообороте веществ. Но даже здесь проявляется их всеядность. Микробы могут извлечь нужные им питательные вещества из любого органического отброса: когти животных, кости, кожа, клетчатка растений, древесина...

Неприхотливость - вот их могущество. Что же дает им такую неслыханную силу? Ферменты. Набор этих биологических катализаторов в мире невидимых колоссален, число их доходит до десяти тысяч(!). Часть ферментов (экзоферменты) микробы выделяют во внешнюю среду и с их помощью "готовят" себе пищу, разлагая сложные органические соединения на более простые; остальные (эндоферменты) ютятся в клетке, участвуя во внутриклеточном обмене веществ и энергии.

Размножение микроорганизмов происходит поистине с чудовищной быстротой. Через 5 часов одна бактерия плодит 1024 потомка, а через сутки их количество исчисляется сотнями миллиардов и вес достигает 80 миллиграммов. По подсчетам академика В. И. Вернадского, одна бактерия в течение полутора суток могла бы образовать пленку из живых микроорганизмов, которая покрыла бы весь земной шар. Но, к счастью, этого не происходит, потому что многие микроорганизмы гибнут из-за недостатка питательных веществ.

Попробуйте регулярно считать число бактерий, растущих в бульоне, и вы убедитесь в этом. В первые часы микробы приспосабливаются к новым условиям и их число увеличивается незначительно. Затем следует взрыв размножения - количество бактерий возрастает в геометрической прогрессии. Но пройдет еще несколько часов, и бурный рост сменится спадом. Виной тому - уменьшение в среде питательных веществ и накопление продуктов обмена. Рождение и смерть клеток пойдут рука об руку, а затем смерть возьмет верх - число живых микробов резко сократится.

Такова жизнь бактерий не только в пробирках, но и в природе. И уж там им приходится много хуже. Губительная сила солнечных лучей в почве и в водоемах, продукты обмена микробов-антагонистов, защитные силы в организме больных животных и растений, высыхание, нехватка питательных веществ - всех бед не перечислишь.

В лаборатории ученые размножают микробов на специальной питательной среде - бульоне. Для изучения потомства одной клетки бактерии высевают на плотные среды. Для этого к бульону добавляют 1-2 процента морской травы - агар-агара. Такой бульон уподобляется студню. Каждая клетка дает на нем начало многочисленному потомству, образуя колонию.

Между прочим, засевая определенный объем бактерий на такую среду, можно подсчитать количество жизнеспособных клеток. Их будет столько же, сколько колоний вырастет на поверхности агара (надо лишь развести их так, чтобы на чашку Петри попало менее 100, иначе колонии сольются в бархатисто-матовый газон).