Наши невидимые союзники

Наши невидимые союзники

Наше знакомство с миром растений и животных уходит в далекое прошлое и тесно связано с тысячелетней историей развития человеческого общества. Но лишь немногим более трехсот лет назад люди узнали о бесчисленном множестве живых существ, поразительным образом приспособившихся к самым невероятным условиям обитания. Эти не видимые простым глазом существа живут на окружающих нас предметах, пищевых продуктах, их находят на поверхности тел насекомых, животных, птиц и людей, в горячих источниках, где температура воды приближается к ста градусам, и в слое вечной мерзлоты, и в залежах каменного угля на более чем тысячеметровой глубине, и на дне морей и океанов, и в стратосфере, и на бесплодных почвах великой пустыни Сахары, и в "черных песках" Каракумов, и на голых, неприступных скалах, и в сильнейших ядах, и в недрах атомных реакторов. В 1 кубическом метре пыльного воздуха их насчитывается десятки миллионов, а на поверхности тела мухи - до 6 миллионов.

Наука о микробах стала развиваться лишь с появлением микроскопа, хотя попытки комбинировать разнообразные увеличительные стекла для рассмотрения мелких предметов предпринимались учеными гораздо раньше. Уже в XIII веке Роджер Бэкон использовал с этой целью линзы очков, а через триста с лишним лет Галилео Галилей (1564-1642 гг.) случайно удлинил расстояние между двумя линзами в подзорной трубе на столько, что она стала сильно увеличивать предметы на близком расстоянии.

По-видимому, первым человеком, увидевшим микроорганизмы, был монах иезуитского ордена в Германии Афанасий Кирхнер, который в 1659 году сообщил о нахождении им при помощи "блошиного стекла" - лупы, через которую можно было видеть строение блохи, живых "червячков" в загнившем мясе, молоке, сыре, воде, почве. Однако это открытие осталось незамеченным и теперь большинство ученых считают первооткрывателем мира микробов нидерландского натуралиста Антони ван Левенгука (1632-1723 гг.), который не только разглядел их с помощью специальных линз, но и сделал подробное описание и зарисовки, которые направил в Лондонское королевское общество, являвшееся тогда высшим научным учреждением в мире.

В дальнейшем были сконструированы микроскопы различных типов. Наиболее интересным был микроскоп Роберта Гука (1635-1703 гг.) с искусственным освещением. Во второй половине XVIII века руководитель мастерской по изготовлению научных приборов при Российской Академии наук И. П. Кулибин (1735-1818 гг.) изготовил первый в мире ахроматический микроскоп.

С тех пор перед человеком открылся новый мир живых существ, сопровождающих людей в течение всей их жизни, началась новая эра, перевернувшая все существовавшие в науке представления и приведшая к потрясающим открытиям. По мере совершенствования оптики ученые старались разобраться в строении микроорганизмов и классифицировать неожиданно открытое царство живых форм, пытались уложить их представителей в уже известные систематические группы растений и животных.

Долгое время считалось, что микроорганизмы являются очень простыми существами и только спустя почти два столетия, после того как Левенгук изобрел свой микроскоп, ученые стали приходить к выводу, что это не совсем так. Среди бактерий были обнаружены представители, имеющие шаровидную, цилиндрическую, нитевидную и другие формы. Многие из них представляют собой палочку, например, живущая в нашем организме кишечная палочка (получившая свое название по имени немецкого врача Эшериха). Она существует за счет наличия пищи и других органических веществ и играет важную роль в жизни человека. Большинство палочковидных и спиралевидных бактерий снабжены особыми органами передвижения - жгутиками, очень тонкими волосками, диаметр которых не превышает 12 миллимикрон, а некоторые из бактерий-палочек в особых условиях образуют в своих клетках шаровидные или овальные тельца, называемые спорами, которые при нормальной температуре сохраняют жизнеспособность на протяжении нескольких лет.

Как и все клеточные организмы, бактерии содержат протоплазму, состоящую из цитоплазмы и ядра, и в среднем поверхность одной микробной клетки равна 0,0000000079 квадратного сантиметра, объем - 0,000000000000065 кубического сантиметра, а вес - 0,000000000000069 грамма, причем 75 процентов этого веса приходится на воду, в присутствии которой протекают почти все химические реакции, а 0,0000000000000172 грамма составляет сухое вещество, в состав которого входят разнообразные белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, макро- и микроэлементы и другие соединения.

Среди бактерий встречаются так называемые аэробы, потребляющие кислород из окружающей среды, и анаэробы - живые существа, обитающие в среде, крайне бедной кислородом или с полным его отсутствием.

Однако путь новой науки микробиологии к истине был очень сложным и на этом пути у многих ученых возникали серьезные трудности, заставлявшие их совершать грубые ошибки.

На протяжении веков неискушенный ум человека допускал, что "черви" (личинки мух) появляются в гниющем мясе из какого-то мертвого материала, и даже такой гениальный мыслитель, как Аристотель, считал, что гусеницы зарождаются в результате гниения земли или растений. Голландский естествоиспытатель Гельмонт (1579-1644 гг.) утверждал, что наблюдал зарождение мышей в горшке с зерном, заткнутым грязной рубашкой. Еще раньше естествоиспытатель Парацельс (1493-1541 гг.) даже брал на себя смелость изготовить в колбе "гомункулуса" - маленького человечка.

В борьбу с учением самозарождения включились многие ученые XVII века - Франческо Реди, Антонио Валлиснери, Вильям Гарвей и др. Первую серьзную брешь в этом учении пробил выдающийся итальянский натуралист Ладзаро Спалланцани (1729-1799 гг.), сумевший отсадить в отдельную капельку воды одного микроба и доказавший, что микроорганизмы, так же как и все живое, родятся от себе подобных. Опыты Спалланцани были подтверждены русским врачом М. М. Тереховским (1740-1796 гг.), известным французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778- 1850 гг.) и другими учеными.

Постепенно с развитием естествознания представления о возникновении микробов "из ничего" отходили в область исторических курьезов, но учение о самопроизвольном зарождении оказалось очень живучим и приобретало различные, порой самые неожиданные формы. Лишь великий Луи Пастер (1822-1895 гг.) лишил всякой доказательной силы подобные утверждения, применив гениальный по своей простоте способ. Ученый бросил в колбу со стерильным мясным настоем ватную пробку, через которую пропускал атмосферный воздух, содержащий, как известно, микроорганизмы, от чего эта питательная среда проросла.

Пастер открыл механизм спиртового брожения, разработал способ "пастеризации", широко применяемый в настоящее время в виноделии, пивоварении, молочной промышленности, расшифровал тайну инфекционных болезней и доказал, что они возникают вследствие проникновения в организм человека и животных болезнетворных микроорганизмов. Пастер нашел эффективные способы борьбы с сибирской язвой - "священным огнем", поражавшим огромные стада овец, обнаружил возбудителя пебрины и фляшерии - массовых заболеваний шелковичных червей, разорявших фермеров. Он перенес медицину из области случайных находок в область настоящей экспериментальной науки. Блестящим открытием Пастера было создание им вакцины против бешенства - болезни, упоминания о которой содержатся уже в "Илиаде" Гомера, в трудах Демокрита, Аристотеля, Корнелия, Цельзия и других мыслителей древности. Но до Пастера бешенство было неизлечимо и люди погибали в страшных муках. Не помогало ни прижигание раскаленным железом, ни отсасывание крови из ран. О жуткой участи таких больных говорит в своем рассказе "Волк" А. П. Чехов: "Нет болезни ужасней и мучительней, как водобоязнь. Когда мне впервые довелось увидеть бешенство человека, я пять дней потом ходил, как шальной, и возненавидел тогда всех в мире собачников и собак".

Работы Пастера открыли широкую дорогу другим "охотникам за микробами" и в течение относительно короткого времени были разгаданы тайны бруцеллеза (лихорадка острова Мальты), сонной болезни, дифтерии, столбняка, малярии, ботулизма, туберкулеза, чумы...

Чума! Одно это слово вселяло ужас в людей во все времена. "Черная смерть" опустошала города и целые страны, не щадя ни мужчин, ни женщин, ни стариков, ни детей, ни бедняков, ни богачей. В старинной андалузской песне говорится о том, что когда в борьбе с испанцами маврам пришлось покинуть Кордову, правитель города Альмансор пришел во вражеский лагерь и сдался на милость победителей. Однако гордый мавр оказался смертельным трофеем, поскольку он предварительно заразился нарочно чумой, чтобы истребить испанское войско и отомстить завоевателям.

Своеобразный прием бактериологической войны был использован в XIV веке татарами, осаждавшими Каффу (ныне Феодосия). Когда в их стане появилась чума, они при помощи метательных машин стали забрасывать в город трупы умерших воинов. И результаты не замедлили сказаться. Среди осажденных вспыхнула эпидемия чумы, от которой уцелели лишь немногие жители.

Не раз посещала чума нашу страну. Ужасающие размеры приняла эпидемия чумы 1352 года в Пскове, Новгороде, Суздале, Смоленске, Москве. О печальной участи жителей этих русских городов в период "черной смерти" рассказывается в так называемой Никоновской летописи: "Сица же смерть была скора: хракнет человек кровию и в третий день умираше". В 1387 году в Смоленске в живых после эпидемии чумы осталось 5 жителей, летом 1654 года вымерла большая часть жителей столицы, от чумы страдали Тула и Ржев, Калуга и Казань, города Украины и Прибалтики.

Долгое время основным средством борьбы с чумой становятся карантинные мероприятия. Широко применялось окуривание вещей серой, дымом хвои можжевельника, вымачивание их в воде, уничтожение собак и кошек, которые считались разносчиками заразы.

Благодаря самоотверженности многих ученых, в том числе русских врачей Д. Самойловича, Д. К. Заболотного, И. А. Деминского и других, стало известно, что чума является острым инфекционным заболеванием, протекающим в виде бубонной, септической и легочной форм. Бактерии чумы имеют вид палочки длиной 1-2 микрона и шириной 0,3- 0,5 микрона. Носителями этой страшной болезни являются крысы, сурки-тарбаганы, суслики и другие грызуны, а переносчиками инфекции от грызуна к человеку - блохи, которые заражаются при сосании крови больного грызуна. В настоящее время лечение больных чумой осуществляют в специальных стационарах с соблюдением особых мер предосторожности. Наиболее действенными средствами лечения являются противочумная сыворотка, которую вводят в возможно ранние сроки, антибиотики - стрептомицин и левомицетин и другие средства.

Огромное значение приобретают профилактические мероприятия - наблюдение за природными очагами чумы, своевременное обнаружение эпизоотий среди грызунов, истребление их газовым, приманочным и механическим методами, вакцинация населения.

Прав оказался Луи Пастер, утверждая, что за микробами будет "последнее слово". Великий полководец медицины, всю свою жизнь посвятивший беззаветному служению науке, призывал учеников и последователей развивать начатое им дело. "Я заклинаю вас,- говорил Пастер,- всегда помнить о тех священных обителях, которым дано выразительное название: лаборатории. Это храмы будущего, храмы благоденствия и счастья. В них человечество становится более совершенным, великим и сильным". Последовав за своим гениальным учителем, ученые ввели в развивающуюся науку микробиологию экспериментальный подход, узнав с его помощью о микробах много нового и сумев превратить их из опасных врагов в своих верных союзников.

Сегодня специалисты различных отраслей народного хозяйства, которым в той или иной степени приходится сталкиваться с микроорганизмами, могут нарисовать свои портреты микробной клетки, похожие друг на друга не более, чем фотографический и рентгеновский снимки. С появлением светового микроскопа бактерии предстали перед исследователями как крошечные сгустки вещества с примитивным видом движения. Когда появился электронный микроскоп, портрет клетки изменился и она стала выглядеть как развитая инфраструктура. С позиций молекулярной биологии и кибернетики клетка может быть представлена, как молекулярно-вычислительная машина, которая в отличие от ЭВМ работает исключительно на тепловом движении молекул. В плане практического использования микробная клетка является сложнейшим природным биохимическим реактором, в котором переплелись разветвленные цепи и циклы химических превращений.

Сейчас мы уже не представляем себе, как можно обходиться без микробов. Они все шире используются в самых различных сферах хозяйственной деятельности человека. Микробы необходимы в текстильной промышленности для устранения крахмальной шлихты с тканей, в производстве бумаги, моющих средств, спирта и других органических растворителей, для обеззараживания сточных вод, в качестве "живых инсектицидов" для борьбы с различными вредителями сельскохозяйственных культур, кустарников и деревьев. Бактерии применяют для повышения плодородия почвы, "облагораживания" кормов, в кожевенном производстве в процессе удаления шерсти со шкур, для повышения производительности нефтяных скважин в них заливают культуру микроорганизмов, выделяющих углекислоту: газ облегчает отделение нефти от породы и подает "черное золото" под давлением на поверхность.

Мы знаем, что кормление силосом улучшает пищеварение животных и поедаемость других кормов, входящих в рацион, повышает мясную и молочную продуктивность крупного рогатого скота, способствует развитию молодняка. А ведь силосование - сложный микробиологический процесс, поскольку с растительной массой в силосохранилище попадает огромное количество разнообразных микроорганизмов - до двух биллионов в одном грамме.

Важную роль играют микроорганизмы и в пищевой промышленности. Возьмем, к примеру, хлебопечение. Жизнедеятельность микроорганизмов играет решающую роль в приготовлении хлеба. Практика хлебопечения издавна использует закваски, способствующие поднятию теста, а в XIX веке стали применять прессованные дрожжи, которые принимают активное участие в образовании пористости пшеничного и ржаного хлеба, улучшении его усвояемости. В настоящее время на специальных заводах производят так называемые пекарские дрожжи, представляющие собой расы спиртовых дрожжевых грибов. Размножение их идет такими темпами, что заложенная в бродильные чаны масса дрожжевых клеток в течение суток увеличивается в тысячу раз.

Издавна микроорганизмы используются человеком в виноделии и пивоварении, для приготовления кваса и уксуса, для биологического консервирования различных продуктов питания. Путем молочно-кислого брожения мы получаем хорошо заквашенную капусту, твердые, хрустящие соленые огурцы, аппетитные моченые яблоки.

Кисломолочные продукты, которые человек научился готовить еще на заре развития скотоводства, и в наши дни пользуются большим спросом. Одним из наиболее распространенных напитков является простокваша. В зависимости от использованного молока - пастеризованного или стерилизованного - и вида молочно-кислых бактерий и дрожжей ее подразделяют на несколько видов. Для получения обычной простокваши (самокваши) используют молочнокислый стрептококк, мечниковской простокваши-молочнокислый стрептококк и болгарскую палочку. Для приготовления украинской простокваши (ряженки) стрептококк вводят в стерилизованное молоко жирностью 6 %, а варенца - в стерилизованное молоко обычной жирности добавляют молочно-кислый стрептококк и болгарскую палочку.

Тувинцы и буряты получают путем брожения из коровьего молока курунгу, напоминающую жидкий кефир, а из нее - молочное вино тарасун и полужидкий питательный продукт арсу. В Узбекистане кислое молоко разводят кипяченой холодной водой и разливают в стаканы со льдом, получая вкусный прохладительный напиток айран. Среди таджикских молочных продуктов большой популярностью пользуется каймак, в Армении готовят освежающий напиток мацун из кислого коровьего, овечьего или буйволиного молока. В Чувашии в почете турах, который заготавливают в домашнем хозяйстве впрок, заквашивая пастеризованное цельное или обезжиренное молоко культурами молочнокислого стрептококка, болгарской палочки и дрожжей.

Национальным продуктом народов Северной Осетии является кефир. Горцы-мусульмане долго хранили тайну приготовления живительного напитка из "пшена пророка" или "священных зерен Магомета", и только в 1866 году врач Г. Джогин с большим трудом раздобыл кефирные грибки у знакомых кабардинцев и передал их Кавказскому медицинскому обществу, которое через два года наладило выпуск кефира. Получаемый с помощью закваски на основе молочно-кислого стрептококка, молочно-кислых палочек, уксусно-кислых и ароматообразующих бактерий и дрожжей кефир содержит 0,2-0,6 % спирта, а также углекислоту и является тонизирующим и целебным напитком. Врачи рекомендуют кефир при малокровии, болезнях печени, легких, при сахарном диабете, подагре, нарушении обмена веществ, для искусственного вскармливания детей и в ряде других случаев.

Среди разнообразных кисломолочных продуктов большим почетом пользуется кумыс - напиток из кобыльего молока, который был известен еще скифам, а от них перешел ко многим кочевым народам - казахам, киргизам, башкирам, татарам, монголам. Европейцы узнали о кумысе в XIII веке после путешествия в 1253 году по Татарии французского монаха Вильгельма Рубритуса, а затем из записок знаменитого Марко Поло, который восхищался "кемызом", - называл его "белым вином".

Под влиянием закваски кобылье молоко превращается в пенящийся, кисловатого вкуса продукт, обладающий замечательными лечебно-диетическими свойствами. В народной медицине кумыс употребляли при лечении заболеваний органов дыхания, при цинге, малокровии.

Видный клиницист Н. В. Склифосовский давал кумысу такую чисто научную оценку: "Кумыс представляет могущественное средство не только при грудных болезнях, но должен приносить огромную пользу и в тех случаях, когда расстройство питания является результатом тяжелой болезни и сочетается с малокровием".

Молочно-кислые бактерии используют для производства молочной кислоты, которая находит широкое применение в пищевой промышленности, для отделки натурального и искусственного шелка, крашения шерсти, борьбы с грызунами в сельском хозяйстве.

Использование микроорганизмов в медицине с каждым годом приобретает все более широкий размах. В настоящее время исследователи научились получать биологически активные вещества различной химической природы из многих видов бактерий и микроскопических грибов. Так, например, фермент стрептокиназа, выделяемый из гемолитического стрептококка, в соответствующих дозах оказывается полезным в качестве средства, препятствующего свертыванию крови, а другой фермент - аспарагиназа весьма эффективен в борьбе с лейкозом у детей.

Большое значение имеют нуклеодеполимеразы - группа ферментов, расщепляющих клеточные стенки дрожжей. В нашей стране освоен промышленный выпуск фермента террилитина, обладающего тромболитическим и противовоспалительным действием. Террилитин успешно применяется при трахеитах, бронхитах, пневмониях, абсцессах легких, трофических язвах, пролежнях, а также для диагностики легочных форм туберкулеза.

Среди физиологически активных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов важное место занимают протеолитические ферменты. Некоторые из них, например, продуцируемые микроскопическими грибами рода Аспергиллус, способны растворять тромбы и используются при лечении атеросклероза, инфаркта миокарда, другие оказывают противоположное действие - коагулируют кровь человека и применяются для остановки опасных для жизни кровотечений.

У различных таксономических групп микроорганизмов выявлена способность продуцировать фермент лизоцим, являющийся эффективным природным антисептиком. Лизоцим используют при лечении заболеваний, вызываемых стафилококками, стрептококками, кишечной палочкой и другими патогенными микробами.

Некоторые анаэробные бесспоровые микроорганизмы образуют метан и широко применяются в производстве важных физиологически активных соединений, в том числе витамина В₁₂, дефицит которого в организме приводит к возникновению злокачественного малокровия. В СССР из отходов спиртовых производств на Ефремовском биохимическом заводе (Тульская область) ежегодно вырабатывают до 1500 кг витамина В₁₂.

Микроорганизмы используют и для промышленного производства другого витамина - биотина, а также различных аминокислот, находящих применение в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

В дальнейшем мы будем говорить о замечательных стимуляторах многих жизненных процессов - гормонах. Долгое время синтез этих соединений представлялся делом чрезвычайно сложным и был очень дорогим. Чтобы выделить всего один грамм гормонального вещества из желез внутренней секреции, требовалось забить несколько тысяч голов скота. И опять на помощь пришли микробиологи. Они предложили химикам ряд микроорганизмов, которые позволили во много раз ускорить процесс производства гормональных препаратов и снизить их стоимость. Теперь микробиологическим путем получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и другие так называемые стероидные гормоны, находящие широкое применение при лечении ревматизма, подагры, артритов, бронхиальной астмы, лейкозов, глазных болезней и т. п.

Аналогичные примеры можно было бы привести и в отношении получения при помощи микробов различных алкалоидов, незаменимых при лечении многих тяжких недугов. Ранее считалось, что алкалоиды являются специфическими продуктами обмена, свойственными главным образом растениям, и на 1980 год было зарегистрировано более 10 ООО растительных алкалоидов. Однако в последние годы удалось установить, что эти вещества содержатся и в микробных клетках. Наиболее активными продуцентами алкалоидов оказались представители родов Аспергиллус и Пенициллиум.

Большой интерес вызывают эргоалкалоиды, обладающие способностью сокращать гладкую мускулатуру и воздействовать на центральную нервную систему. Выделенные из микроскопических грибов фестуклавин, фумигаклавины А и В, костаклавин, агроклавин, циклоклавин, ругловазин, эргозин и др. напоминают по своему строению алкалоиды спорыньи - паразитного гриба злаковых культур.

Синтезируемые микроорганизмами соединения широко используются в качестве моющих средств, для стимуляции роста и развития животных и растений, для активации отдельных физиологических процессов. Значительные успехи достигнуты, например, в борьбе с фитофторой картофеля, совершающей опустошающие набеги на главные районы возделывания этой культуры (так, в 1845 году в Ирландии, где жители питались в основном картофелем, все посадки его погибли от фитофторы, и свирепствующий почти три года голод погубил около полутора миллионов человек). Ученые научились бороться с виноградной плесенью, или пепелицей (такое название дано потому, что плоды, на которых развивается паразитный грибок, как будто посыпаны пеплом), с бичом пчеловодов - гнильцом, уничтожающим пчелиных личинок и т. п. Образуемые микроорганизмами ферменты используют и в научных лабораториях при выделении чистых культур отдельных бактерий, для расшифровки ряда сложных биохимических и генетических процессов. Микробы активно участвуют в очистке сточных вод, разлагая вредные промышленные отходы, и находят все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

Теперь мы видим, сколько чудес таят в себе эти крохотные создания. И то, что научная мысль никогда не останавливается на достигнутом, а всегда ищет новые пути развития, хорошо иллюстрирует совсем молодая наука - вирусология.

О некоторых интересных проблемах этой науки пойдет разговор в следующей главе нашей книги.