Визит в мастерскую микробиологов

 

Поинтересуйтесь этими помещениями, так выразительно названными лабораториями [2]; требуйте их повсеместного создания и улучшения!

Л. Пастер

 

Как выглядит мастерская

 

Страж судебной палаты в Делфте был человеком чрезвычайно скрытным. Даже собственной жене он не позволял входить в «святая святых», где происходили его встречи с микроорганизмами. Но что сказал бы он, посетив современные лаборатории?

Его лупы увеличивали не более чем в 200 раз. Как бы обрадовался он, если бы ему представили правнука его «микроскопии» – современный световой микроскоп, увеличивающий клетку в 3000 раз. Мы сообщили бы ему также, что электронный микроскоп позволяет нам идти еще дальше – увеличивать объекты в сотни тысяч и миллионы раз и приподнимать завесы, скрывающие от нас тайны живой природы.

А Спалланцани увидел бы множество специальных сосудов – цилиндрических, граненых, шарообразных и плоских, больших и маленьких – для выращивания микроорганизмов. Некоторые сосуды названы по имени ученых, впервые применивших их в своей работе. Мы встретим здесь колбу Пастера, матрас Ру, сосуды Фрейденрайха и Ганзена, чашки Петри. Сосуды с культурами микробов находятся в специальных шкафах (термостатах), где можно обеспечить температуру, которая позволяет микробам наилучшим образом проявить свою жизненную активность. А вот и «тюрьма», где содержатся осужденные на смерть микроорганизмы…

Различные приборы, платиновые пластинки и иглы, стеклянные пипетки с ватными «пробками» на одном конце служат для переноса (пересева) микроорганизмов из сосуда в сосуд.

Черные, синие, зеленые, лиловые растворы в бутылочках – разнообразные красители, используемые для окраски микробов при изучении их под микроскопом.

Микробы, как правило, очень требовательны к пище, поэтому нужно иметь специальные «камеры» для хранения предназначенных для них пищевых запасов, из которых по рецептам «поваренной книги» приготовляются необходимые питательные среды.

 

Смерть микробам!

 

Еще Спалланцани доказал, что при длительном кипячении жидкостей находящиеся в них микробы погибают. В первой половине прошлого века немецкий естествоиспытатель Шванн, продолжив эти наблюдения, установил, что высокая температура убивает и микробы, находящиеся в воздухе.

Пастер также весьма остроумным методом доказал присутствие микроорганизмов в воздухе и возможность их умерщвления кипячением жидкости. В специально приготовленный круглый стеклянный сосуд (с горлышком, вытянутым в длинную S‑образную трубку) он налил питательный раствор и подверг его длительному кипячению. Затем у не остывшего еще сосуда запаял конец трубки.

При последующем охлаждении объем жидкости, естественно, уменьшился и в сосуде возникло пониженное давление. Жидкость оставалась чистой, живых микробов в ней не было. Но как только Пастер отламывал кончик запаянной трубки, в нее вследствие пониженного давления тотчас засасывалось небольшое количество воздуха, а с ним и микробы, которые, достигнув питательного раствора, начинали быстро размножаться.

Современник Пастера, английский физик Джон Тиндаль, показал, что микробы в жидкостях гибнут после нескольких повторных кипячений.

Все упомянутые методы уничтожения микробов воздействием высокой температуры мы объединяем под общим названием стерилизация. В лабораториях применяют несколько способов стерилизации.

Жидкости чаще всего стерилизуют при помощи водяного пара под давлением выше атмосферного. Аппарат, в котором проводится такая стерилизация, называется автоклавом. Первый автоклав был создан в Париже в 1885 году под руководством Пастера. Для стерилизации небольшого количества воды обычно достаточно ее нагревания в течение 20 мин при давлении пара в одну атмосферу. Увеличением давления еще на одну атмосферу можно достичь повышения точки кипения до 120 °C. Двадцатиминутного пребывания микробов в паре при такой температуре вполне достаточно, чтобы они погибли.

Повторное кратковременное нагревание жидкости до точки кипения, примененное Тиндалем, мы называем теперь тиндализацией. На предприятиях молочной промышленности для частичной стерилизации молока применяют пастеризацию – нагревание до 60 °C в течение 30 мин. В результате такой обработки уничтожается большинство вредных микробов, в том числе и возбудитель туберкулеза.

Различные стеклянные предметы и сосуды без жидкостей стерилизуются горячим воздухом в течение полутора часов при температуре 170 °C. Стерилизуемые предметы помещают в жестяные ящики или заворачивают в бумагу, которая предохраняет их от загрязнения микробами после стерилизации. Сосуды с питательными жидкостями при подготовке к стерилизации паром затыкают комочками ваты. Через вату микробы из воздуха не могут проникнуть в сосуд, и жидкость долгое время остается стерильной.

Для улавливания микробов из жидкостей и газов употребляют бактериальные фильтры; в настоящее время для этой цели чаще всего используют так называемые мембранные фильтры из нитроцеллюлозы. Все виды применяемых фильтров имеют настолько мелкие поры, что сквозь них бактерии не проникают. О том, что в мире микроорганизмов существуют формы, которые могут проскочить и через эти мелкие поры, долгое время не было известно. С этими организмами мы еще встретимся в дальнейших главах.

 

Чистые культуры и г‑жа Гессе

 

В 70‑х годах прошлого столетия два известных «охотника за микробами» – Антон де Бари и Оскар Брефельд выделили из природных материалов целый ряд различных микроскопических грибов и, выращивая в чистых культурах, изучили их свойства.

Их коллега X. Шредер использовал при исследовании бактерий не только вареный картофель, как это делал Кон, но и белок вареного яйца, крахмал и другие питательные среды, на которых появлялись различно окрашенные колонии бактерий. Каждая из этих колоний вырастала из одной‑единственной клетки, порождавшей в благоприятной среде многочисленное потомство.

Учитывая эти обстоятельства, Кох попытался получить и чистые культуры болезнетворных бактерий на стерилизованном картофеле. Однако картофель как питательная среда имел свои недостатки: многие виды бактерий на нем вообще не росли.

Поэтому нужно было найти такое вещество, которое способствовало бы превращению питательной жидкости в твердый субстрат. Кох начал добавлять в питательные растворы (еще не остывшие) желатину, превращающую жидкость в подобие фруктового желе. На поверхности такого желе, разлитого в небольшие стеклянные сосуды, ученый выращивал культуры бактерий, образующих мелкие колонии.

Желатина – вещество белковой природы и как таковое подвергается разложению микроорганизмами, в результате чего разжижается. Да и желе само по себе начинает превращаться в жидкость уже при температуре выше 28 °C.

Для нормальной жизнедеятельности болезнетворных микробов требуется не менее 37 °C, поэтому выращивать их нужно лишь при такой температуре. В. Гессе, ассистент Коха, как‑то пожаловался своей жене на неудачные опыты с желатиной. Она вспомнила в связи с этим, что во время своего пребывания на Дальнем Востоке видела, как для приготовления многих блюд использовали в качестве желатиноподобного вещества агар, получаемый из некоторых видов морских водорослей.

А что, если попробовать агар в качестве питательной среды для микробов? И агар оправдал их надежды. Работать с ним в микробиологической лаборатории оказалось очень удобно. Он разжижается при температуре выше 100 °C, и его нужно добавить к жидкости всего лишь в количестве полутора‑двух процентов, чтобы при охлаждении до 40–50 °C она начала сгущаться и затвердевать.

Другой сотрудник Коха, Роберт Петри, стал выращивать микробы на твердых культуральных средах в специальных плоских стеклянных чашках с крышками, известных теперь всем микробиологам как «чашки Петри». Без этих атрибутов выращивания чистых культур нельзя сейчас представить себе работу микробиологов, и все это – заслуга Коха и его школы (фото 1).

 

«Меню» микробов

 

Различные микробы предъявляют далеко не одинаковые требования к пище. Одни из них удовлетворяются более чем скромным питанием, другие чрезвычайно требовательны.

Мы знаем, что люди, страдающие сахарным диабетом, не переносят пищу, содержащую много сахаров, и в их питании количество сахара стараются снизить до минимально возможного предела. В 90‑х годах прошлого столетия знаменитый русский микробиолог С. Н. Виноградский и в царстве микробов открыл настоящих «диабетиков» – группу микроорганизмов, не переносящих присутствия сахаров в питательной среде, а иногда и вовсе не нуждающихся в каких‑либо готовых органических соединениях. Виноградский вначале порядком намучился с бактериями, которые не желали расти на питательных средах с агаром, содержащим углерод, связанный в органических соединениях. Для приготовления твердых питательных сред он несколько позже стал применять неорганическое вещество силикагель.

Для других микробов совсем не обязательно присутствие азотных соединений в среде, поскольку они поглощают азот непосредственно из атмосферы, в которой этот элемент всегда в избытке (в воздухе содержится около 80 % азота). Однако таких нетребовательных микробов в природе немного. Большинство же из них – виды, разборчивые в еде и необычайно капризные, есть и такие «лакомки», которые не могут обойтись без витаминов и даже без крови животных.

В своем питании человек использует вареные, жареные и реже сырые продукты. Микроорганизмы в естественных условиях потребляют обычно сырые продукты, в которых находят подходящие для себя вещества. Микробиологи, готовя пищу для микробов, обязательно подвергают ее стерилизации. Этой процедурой они уничтожают все микроорганизмы, находящиеся в питательных средах и сосудах, с тем чтобы микробы, которыми заражают среду, попали на абсолютно стерильный субстрат. Такие же стерильные питательные среды применяются и при выделении микроорганизмов из природных объектов.

 

Охота на микробов

 

Славных микробиологов прошлого часто называли охотниками за микробами. И не без основания. Ведь им приходилось по‑настоящему охотиться, чтобы найти и выделить микробы из природной среды, в которой те обычно живут. Собираясь на охоту за куропатками, охотник берет с собой ружье, рыбак ловит рыбу удочкой с наживкой на крючке. И у микробиолога есть свое охотничье снаряжение, а в качестве приманки он использует подходящую питательную среду.

Как‑то в летние каникулы Пастер собрался на такую охоту с большим запасом сосудов, уже заполненных питательной жидкостью. Для того чтобы определить состав микробов в том или ином месте, он всегда использовал 20 сосудов. У каждого из них он отламывал кончик запаянной трубочки, через которую в сосуд тотчас проникал воздух. И если жидкость через некоторое время мутнела, значит, в ней появились микробы и охота прошла успешно. Во дворе Парижской обсерватории микробы были обнаружены во всех 20 сосудах; на улице селения, расположенного в предгорьях Юры, микробы были найдены лишь в восьми; в горах на высоте 850 м над уровнем моря – только в пяти; на леднике Мер‑де‑Глас, лежащем на высоте 2000 м под вершиной Монблана, микроорганизмы были обнаружены только в одном из 20 сосудов. Установленный Пастером факт постепенного уменьшения количества микробов с высотой впоследствии неоднократно подтверждался.

Находящиеся в воздухе микробы можно обнаружить и другим способом. Приготовим несколько стерильных чашек Петри с тонким слоем питательной среды из агара. В нужном нам месте приоткроем на несколько минут крышки у этих чашек, затем снова их закроем и поместим в термостат, где поддерживается температура около 30 °C. Уже на второй или третий день мы обнаружим в чашках мелкие, различно окрашенные колонии. В каждой из таких колоний величиной до 3 мм в диаметре будет находиться по нескольку миллиардов бактериальных клеток. Все они – потомство той единственной клетки, которая проникла в сосуд из воздуха (фиг. I, вверху слева).

Опытный микробиолог умеет выделять микробы из самых разнообразных природных источников: из пахотной земли, воды, молока, мяса и даже с поверхности собственной кожи или из слюны, в которой их впервые увидел и описал Левенгук. Чаще всего выделенные микробы выращиваются на агаре в чашках Петри.

Колонии, полученные в чашках Петри, недолго сохраняют свою самостоятельность. Постепенно разрастаясь, они могут соприкасаться, наползать одна на другую. Чтобы сохранить чистоту колоний, надо, не дожидаясь этого момента, пересеять микробы на так называемый косой агар. Это стерилизованная питательная среда с агаром в пробирках, закрытых ватными пробками. Пробирки остаются в наклонном положении, пока субстрат не затвердеет. Микробы переносятся из каждой маленькой колонии в одну из пробирок с косым агаром. Пробирка нумеруется, ставится в штатив и помещается в термостат. Через несколько дней на косом агаре вырастает новая колония в виде полоски в том месте, где игла касалась агара при пересеве.

 

Микробы в плену

 

Представьте себе обширный участок на левом берегу Дуная с грядками цветов, пальмами в оранжереях, с цветущей королевской викторией на глади небольшого озера. Это Братиславский ботанический сад. «Ботанический сад» микробиологов выглядит иначе: холодные помещения, уставленные множеством полок с бесконечными рядами штативов, заполненных пробирками с находящимися в них колониями микроорганизмов. Такие коллекции мы найдем в каждом микробиологическом институте, в лабораториях больниц, на заводах, производящих антибиотики. В микробиологических коллекциях больниц так содержатся культуры болезнетворных микробов, на промышленных предприятиях и в научно‑исследовательских институтах – культуры микроорганизмов, используемых в народном хозяйстве (фиг. I).

Самые большие коллекции микроскопических грибов находятся в Баарне (Нидерланды), где было создано Центральное бюро чистых культур. Там собраны многие тысячи видов почти со всего земного шара.

В коллекции микроорганизмов помещаются только чистые культуры, а получить их не так‑то легко. Еще со времен Коха были известны более или менее сложные методы их получения. Самым надежным, но и самым сложным аппаратом для этой цели служит микроманипулятор. Механизм этого аппарата настолько тонок, что позволяет передвигать его детали на тысячные доли миллиметра. Он соединен с микроскопом, в который можно наблюдать живые клетки микробов. Мы выбираем в видимом поле место, где находится один‑единственный микроб. Поймав при помощи микроманипулятора эту клетку, переносим ее на приготовленную питательную среду. Из изолированной таким образом клетки и вырастает чистая культура.

Питательные вещества в пробирках, где содержатся культуры микробов, не неисчерпаемы. Они постепенно используются микробами, а в среде накапливаются продукты их жизнедеятельности. Оба эти процесса неблагоприятно влияют на состояние культуры, и поэтому через определенное время ее нужно пересевать на свежие питательные среды. Для больших микробиологических коллекций это очень трудоемкая работа, и чтобы избежать ее, мы «консервируем» микробы, стараясь тем или иным способом задержать или совсем приостановить на некоторое время их жизненные процессы. Наиболее простой метод консервации состоит в помещении культуры микробов в холодильник при температуре около 0 °C. Так хранятся культуры грибов. Более совершенный, но и более трудоемкий способ – лиофилизация культур[3] – применяется при хранении бактерий.

Наш предварительный осмотр микробиологической лаборатории подходит к концу. В дальнейшем, при более тщательном знакомстве с работой микробиологов, мы убедимся, что она необыкновенно интересна, но требует большого напряжения и внимания, а порой бывает и небезопасна. Многим исследователям стоила она здоровья и даже жизни.

 

 

Микробы вблизи

 

Если бы мы смогли рассмотреть человека под микроскопом, он показался бы нам огромным, как Монблан или Чимборасо. Но мелкие бактерии при таком колоссальном увеличении выглядят не больше точки или запятой.

Ф. Кон, 1872

 

Omnis cellula e cellula

 

В 1665 году Роберт Гук издал свой эпохальный труд «Микрография, или некоторые физиологические описания мелких телец, сделанные при помощи увеличительных стекол…» В нем, как мы уже знаем, он описал микроскопическую структуру пробковой ткани, назвав ее ячейки, расположенные правильными рядами, клетками. Дальнейшие исследования установили поразительное сходство формы клеток у растений и животных. Оказалось, что это не пустые ячейки, а основные структурные единицы всякой живой материи. Новейшие данные биологической науки подтверждают этот важный постулат прошлого века. Старая формулировка Гарвея «Все живое – из яйца» понемногу «модернизировалась» в другую: «Каждая клетка происходит от клетки» (Omnis cellula e cellula).

Но вернемся к микроорганизмам и посмотрим, есть ли у них клетки. За исключением некоторых вирусов и бактериофагов (подробнее мы познакомимся с ними в третьей части нашей книги), все микробы представляют собой одноклеточные организмы. Уже со времен Спалланцани мы знаем, что каждая микробная клетка происходит от себе подобной. Значит, и здесь можно говорить о родителях и их потомстве (в отношении бактерий принято использовать термины «материнские» и «дочерние» клетки).

Растения, животные и микроорганизмы имеют одну очень важную общую черту строения – клеточную организацию. Клетка – это наименьшая форма организованной живой материи, способная в подходящих для нее среде и условиях существовать самостоятельно.

Наш организм состоит из многих миллиардов клеток, объединенных в более крупные элементы – ткани. Последние составляют еще более высокие по уровню (имеется в виду строение и функция) единицы – органы, связанные в свою очередь многими сложными взаимоотношениями в одно целое – организм. В настоящее время биологам уже хорошо известно, как «приучать к самостоятельности» и некоторые клетки человеческого, животного или растительного организма (фото 2).

В мире микробов мы найдем множество фактов, говорящих о способности отдельных клеток выполнять основные жизненные функции: движение, обмен веществ, размножение, реакции на раздражение и пр. Если животные и растения в громадном большинстве являются многоклеточными организмами, мир микробов представлен, как правило, одноклеточными существами. Бактерии, дрожжи, некоторые микроскопические грибы, простейшие и многие водоросли – все это одноклеточные представители мира микроорганизмов (фото 3).