Часть вторая. Микробы вокруг нас

 

Меня посетили благородные дамы, которым очень хотелось посмотреть на маленьких змеек в капле уксуса. Однако некоторым из них эти змейки показались настолько отталкивающими, что они поклялись никогда больше не брать уксуса в рот. Но что бы сказали эти дамы, узнав, что в налете только одного их зуба таких существ больше, чем людей в целом королевстве?

А. ван Левенгук

 

Где живут микроорганизмы?

 

Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду…

В. Л. Омелянский

 

Биосфера и микроорганизмы

 

Все пространство на земном шаре, населенное живыми организмами, мы называем биосферой. Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры, воды рек, озер, морей, океанов и нижнюю часть атмосферы. В воде она достигает глубины 10 000 м. В почву дальше всех организмов проникают растения азиатских пустынь, их корни доходят почти до тридцатиметровой глубины[9]. Высшие растения встречаются в горах на высоте нескольких тысяч метров. Мощность всего пояса биосферы достигает, по‑видимому, 12 000 м, что составляет, однако, меньше 0,2 % радиуса Земли. Выдающийся советский ученый В. И. Вернадский подсчитал, что общий вес живого вещества, то есть всех живых организмов нашей планеты, должен быть не менее 200 биллионов тонн, что приблизительно соответствует 0,0033 % всей массы земного шара (5974 триллиона тонн). Как же распределены в биосфере микроорганизмы?

Они встречаются в морских пучинах и на заснеженных вершинах гор, в тропических и полярных областях, в верхних и нижних слоях почвы, в воздухе[10], на растениях и на животных. Человек сталкивается с ними уже в день своего рождения, и они сопровождают его до могилы, где кончают свою миссию, превращая мертвое тело в «прах», в минеральные вещества Земли. Такую же роль играют микробы и в жизни других высших животных и растений.

Если взглянуть вокруг себя глазами микробиолога, ю очень скоро можно убедиться в вездесущности микроорганизмов. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал о них так: «Миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе, они окружают нас повсюду. Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела – все это буквально «кишит» микробами…»

 

Микроорганизмы в воде

 

Мы находим их в различных водоемах – стоячих и проточных, мелких и глубоких, горячих и ледяных, соленых и пресных, чистых и загрязненных, в озерах, болотах, морях и океанах. Прибрежные и придонные илы водоемов также богаты микроорганизмами.

В морской воде у островов Шпицбергена бактерии были найдены на глубине 2700 м. Океанографические исследования Тихого океана у берегов Филиппинских островов обнаружили бактерии на глубине 10 462 м, в одной из самых глубоких впадин Мирового океана.

Во время работы океанографической экспедиции Додо в 1964 году микробиолог К. Зобелл обнаружил на различных глубинах и в донных отложениях Тихого океана большое количество микроорганизмов (фото 33). При культивировании этих организмов были созданы условия, господствующие на глубине свыше 10 000 м – температура 2,5 °C и давление 1000 атм. Оказалось, что при таком высоком давлении размножение бактерий происходило в десятки и тысячи раз интенсивнее, чем при атмосферном давлении.

Сравнивая реакцию различных бактерий на высокое давление, Зобелл установил, что наземные бактерии под давлением 600 атм не растут или гибнут, тогда как морские, взятые с глубины 6000 м, чувствуют себя в этих условиях нормально. Тот же исследователь сообщил, что термофильные бактерии, прекращающие свой рост при нормальном атмосферном давлении уже при температуре несколько выше 85 °C, при давлении 1000 атм способны расти и размножаться даже при 104 °C. Это считается наивысшей известной до сих пор температурой, при которой возможен рост бактерий.

Известно, что свечение моря, часто наблюдаемое ночью, вызывают микроорганизмы. Эти светящиеся существа принадлежат в основном к жгутиковым организмам; среди них есть род, названный Noctiluca, что означает «ночной светлячок». В своей книге «Дневник изысканий по естественной истории и геологии» Ч. Дарвин так писал о свечении моря: «…море светилось вспышками. Явление было очень сходно с тем, чего можно было бы ожидать, если бы большая рыба быстро двигалась сквозь светящуюся жидкость»[11].

Одноклеточные зеленые водоросли в фитопланктоне океанов составляют 80 % всех органических веществ, образовавшихся на нашей планете путем фотосинтеза. Есть в морских водах и микроорганизмы, которые минерализуют органические вещества отмирающих существ и таким путем возвращают их в круговорот природы. Зеленые водоросли вырабатывают желтые пигменты, очень напоминающие по цвету окраску воды в некоторых прудах, в связи с чем предполагают, что желтые вещества[12], встречающиеся в природных водоемах, могут быть продуктами жизнедеятельности водорослей.

Живут микроорганизмы и в горячих источниках. Микроскопические водоросли были обнаружены в воде, вытекающей из купален курорта Пьештяни (Западная Словакия), температура которой достигает 90 °C. В горячих источниках Балканского полуострова живут бактерии, выдерживающие температуру 83 °C. При изучении фотосинтетической активности водорослей из горячих источников Йеллоустонского национального парка (США) было установлено, что процесс фотосинтеза происходил при 75 °C. Некоторые бактерии были обнаружены в источнике, вода которого имела температуру 91,5 °C – всего лишь на 2° ниже точки кипения, регистрируемой в условиях данного района. В канале, по которому вода вытекает из источника, температура доходит до 88 °C, но и здесь бактерий такое множество, что они окрашивают стенки канала в розовый цвет. Американские микробиологи Т. Брок и Дж. Дарланд сообщили о результатах исследований бактерий в 300 горячих источниках, находящихся в США, Новой Зеландии и Исландии. Они установили, что в умеренно кислых водах бактерии живут при температурах свыше 90 °C, а в щелочных выдерживают даже 100 °C!

Из водоемов с высоким содержанием солей (Мертвое море, Большое Соленое озеро) выделили бактерии, продуцирующие желтые и красные пигменты (с некоторыми из них связывают окраску рыб, живущих в соленой воде). Жизнь в воде с высокой концентрацией солей для большинства организмов невозможна. Однако в Большом Соленом озере обнаружили 30 видов организмов, в основном бактерий, а также несколько видов сине‑зеленых и зеленых водорослей, простейших, два вида членистоногих и два вида пресмыкающихся. Еще более суровые условия в Мертвом море. Но и тут найдено восемь видов бактерий и два вида сине‑зеленых водорослей.

Рекорд поставили микроорганизмы, обнаруженные в небольшом антарктическом озере Дон‑Жуан, воды которого отличаются высокой концентрацией солей и низкой температурой. Члены американской экспедиции, проводившие исследования, с удивлением констатировали, что вода в нем не замерзает даже при температуре –24 °C, что объясняется высоким содержанием солей – в 13 раз большим, чем в морской воде. Но и из этого озера были выделены бактерии и дрожжи, приспособившиеся к столь неблагоприятным условиям среды.

Патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут расти даже в дистиллированной воде. В журнале Science в 1971 году было опубликовано сообщение четырех микробиологов, которые подвергли анализу 50 проб дистиллированной воды. В 20 из них были обнаружены эти бактерии. Вода была взята из запасов, предназначенных для аэрозольной терапии в двух детских больницах. Бактерии интенсивно размножались, и за 24 ч при температуре 25 °C количество их увеличилось в 250 раз!

 

В стране вечных льдов

 

Исследования условий жизни в Антарктиде, проводимые экспедициями многих государств, принесли новые сведения о жизни микроорганизмов.

Более 50 лет назад недалеко от Южного полюса на поверхности снега и льда вместе с замороженными водорослями были найдены и бактерии. Из образцов почвы, льда и различных органических остатков в Антарктиде удалось выделить многие виды психрофильных (холодостойких) микроорганизмов. На 1 г почвы получали от ста до нескольких тысяч клеток, даже на ледниках в 1 г льда обнаруживали до ста бактерий. В 1 г помета различных антарктических животных насчитывали от 3000 до 60 000 000 психрофильных бактерий.

Микробиологов Сиднейского университета, специализировавшихся на изучении водорослей, заинтересовали коричневые полосы в толщах морского льда. Оказалось, что их создают мельчайшие диатомовые водоросли. Неподалеку от одной из антарктических станций диатомовые были найдены на нижней поверхности льда, толщина которого достигала полутора метров. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы удовлетворялись тем слабым светом, который пробивался сквозь столь мощный слой. Позднее они были обнаружены в нижних слоях почти трехметрового льда. Эти слои менее плотны, чем наружные, и кристаллы льда чередуются здесь с капельками воды. В них‑то и приютились диатомовые водоросли. Их количество учитывалось прямым подсчетом клеток, а также измерением содержания хлорофилла в биомассе организмов. В начале января 1963 года, то есть в середине антарктического лета, ученые установили присутствие 250 мг хлорофилла в 1 м³ льда. Таким образом, общая продукция хлорофилла в антарктических льдах достигает 300–600 тысяч тонн в год.

Некоторые водоросли живут на поверхности снега, покрывающего горные вершины. Они окрашивают его в красный цвет. Среди них часто встречается вид Chlamydomonas nivalis, клетки которого содержат красные каротиноиды – пигмент, входящий в состав клеток моркови. В упомянутом выше труде Дарвина мы находим описание окрашенного водорослями снега на вершинах и гребнях Кордильер: «На нескольких покрытых снегом участках я нашел Protococcus nivalis – красный снег, так хорошо известный по описаниям арктических мореплавателей. Я обратил на него внимание, глядя на оставляемые мулами следы бледно‑красного цвета, как будто копыта их были слегка окровавлены»[13].

 

Микробы в воздухе

 

Воздух мы обычно считаем стихией птиц. Правда, существуют и другие животные, которые проводят в этой среде какое‑то время. Например, летучие рыбы поднимаются над водой и пролетают по воздуху значительное расстояние, не имея даже крыльев. Однако воздух не является их жизненной средой.

Зато в воздушной среде чрезвычайно распространены бактерии, водоросли, дрожжи и споры многих грибов. Больше всего микроорганизмов мы найдем над городами, значительно меньше их над вершинами высоких гор, ледниками и морями. Туда микробы попадают с восходящими потоками воздуха или с частицами пыли и часто преодолевают при этом огромные расстояния.

Над Москвой на высоте 1000 м в одном литре воздуха обнаружили пять бактерий. По маршруту самолета, летящего из Монреаля в Лондон, на высоте 2400–2700 м над Атлантическим океаном в пробах воздуха микробиологический анализ выявил дрожжи и споры некоторых микроскопических грибов.

Бактерии удалось обнаружить даже на высоте 12 000 м, хотя там они встречаются чрезвычайно редко. В воздухе, загрязненном вредными газами, сравнительно мало живых бактерий. Так, в 1 см³ воздуха лондонских улиц содержится 300 000–500 000 частичек пыли, однако на 38 200 000 таких пылинок приходится всего один живой микроорганизм.

С удалением от поверхности земли количество микробов в атмосфере закономерно уменьшается. У вершины башни английского парламента обнаружили лишь одну треть того количества микробов, которое содержится в приземном слое воздуха. Разные количества микробов содержат воздух закрытых помещений и воздух улиц. В 1 м³ воздуха, взятого с парижских улиц, было найдено 3480 бактерий, из лаборатории – 7420, а из старых домов – до 79 000 бактерий.

Воздушным путем могут расселяться и некоторые вредные микробы, вызывающие болезни растений. В Северной Америке распространена стеблевая ржавчина пшеницы, вызываемая грибом Puccinia graminis triticina. На 1 акре (около 0,4 га) посевов пшеницы, умеренно пораженных этим грибом, созревает в период жатвы до 10 биллионов спор. При сборе урожая сильно пораженной пшеницы над полями поднимаются красные облака «споровой пыли», причем почва, люди и машины – все покрывается красным налетом бесчисленного множества рассеянных спор. Подобное явление наблюдали в США в 1925 году. В начале июня распространение ржавчины ограничивалось районом, где выращивалась пшеница, – до 40° с. ш. В первую неделю июля поднялся сильный южный ветер, который перенес споры гриба на север на расстояние до 800 км и покрыл ими поля на площади свыше 500000 км². Подобный «дождь» из грибных спор выпал в 1929 году в Канаде в результате воздушного переноса спор ржавчины из долины реки Миссисипи на расстояние 900 км в течение только одной недели. Не исключена возможность такого «перелета» грибных спор и через океаны, с одного материка на другой.

 

Почва и микроорганизмы

 

Почва населена самыми разнообразными обитателями. Зеленые растения своими корнями черпают из почвы минеральные соли. Трудолюбивый крот роет в ней многочисленные туннели, в почве находят приют множество различных червей и насекомых. Широко представлен здесь и мир микроорганизмов. Бактерии, грибы, водоросли и простейшие – постоянные обитатели почвы, причем обработанная почва значительно богаче микроорганизмами, чем необработанная. В 1 г пахотной почвы находят от 1 до 20 миллиардов микробов. По предварительным сведениям, 1 га почвы населяют 4 ц бактерий, 2–3 ц грибов, водорослей и простейших, но есть данные, свидетельствующие о том, что обрабатываемый слой почвы на площади 1 га содержит 2–5 т микроорганизмов.

Различаются по количеству населяющих их микробов и слои почвы. Больше всего микробов в поверхностном слое. На глубине 1–2 см микробов в 10–20 раз больше, чем на глубине 25 см. Наиболее богаты микроорганизмами поверхностные слои достаточно увлажненных почв. В сухие почвы микробы проникают глубже – в Средней Азии, например, их обнаруживают на глубине 10 м и более.

В песках Каракумов в поверхностном слое бактерии почти полностью отсутствуют; на глубине 25–50 см в 1 г почвы было найдено 1700 особей, а на глубине 90 см – до 26 000 бактерий. На богатых аллювиальных почвах Урала на глубине 1,5 м нашли 18 000 000, а на глубине 17,5 м – 3 000 000 бактерий в 1 г почвы.

Населенность почвы микроорганизмами зависит от ряда факторов. В одной почве число их невелико, в другой достигает огромных цифр. Больше всего микробов содержится в почвах умеренных зон, но немало их бывает в тропических и полярных областях. В промерзающих почвах Сибири бактерии переносят неблагоприятный период низких температур, переходя в состояние анабиоза, а с оттепелью возобновляют свою активную жизнедеятельность. На Шпицбергене бактерий находят в почве, во льдах и на снегу.

Почвенные микроорганизмы имеют огромное значение. Большинство их питается отмершими остатками растений и животных, которые они постепенно перерабатывают вплоть до минеральных соединений. Таким образом, они постоянно восполняют запасы питательных веществ, необходимых для жизни растений. В этих процессах особую роль играют бактерии, способные усваивать азот из воздуха и связывать его в химические соединения, обогащая тем самым почву элементом, столь необходимым для питания всех живых организмов. Но некоторые почвенные микроорганизмы наносят вред растениям, а встречаются и такие, которые вызывают заболевания животных и человека.

Многие микробы из тех, что живут в почве или на ее поверхности, распространены, казалось бы, в самых неблагоприятных условиях. Так называемые нитрифицирующие бактерии живут на голых скалах, где отсутствуют высшие растения. Минеральные вещества они получают непосредственно из камня, на поверхности которого обитают, или с пылью, приносимой ветром. Важный для жизни азот они получают в форме аммиака и его соединений, образующихся в атмосфере при электрических разрядах и попадающих на скалу с росой или каплями дождя.

 

Микробы и история Земли

 

«День рождения» нашей планеты отделен от нас несколькими миллиардами лет. Вначале Земля была лишена жизни, и лишь много позднее ее стали заселять живые существа, а затем появился и человек. И этот любознательный человек, перелистывая древние «архивы» Земли, пытается узнать ее прошлое. Возникают такие области знаний, как геология и палеонтология. Первая из них имеет целью воссоздать историю изменения лика Земли от ее зарождения до наших дней, вторая разыскивает в этой истории следы жизни. И находит их в окаменел остях, костных остатках и других свидетельствах жизни в прошлом. Что же в истории нашей планеты можно узнать о микроорганизмах? И вообще можно ли найти следы их жизнедеятельности? Есть ли надежда встретиться в толще Земли с вездесущими клетками микробов?

Профессор Г. Й. Домбровский из Фрейбургского университета отвечает на эти вопросы положительно. Более того, он представляет нам как результат своих исследований живые бактерии, существующие уже сотни миллионов лет. Впервые эти бактерии были найдены им в соляных копях, возраст которых исчислялся 180–200 миллионами лет. Позже ученый перенес свои поиски в соляные копи Нового Света. И там он обнаружил бактерий в возрасте 260–360 миллионов лет (Канада) и 450 миллионов лет (США). Наиболее древними залежами соли считаются залежи в Иркутской области, их возраст 500–600 миллионов лет. Как утверждает Домбровский, точный микробиологический анализ образцов из всех этих месторождений позволяет считать, что найденные живые бактерии действительно относятся ко времени формирования залежей соли. Бактерии были как бы «законсервированы» солью и после перенесения в благоприятную среду ожили. Если исключить возможность их заноса из других источников, мы действительно имеем дело с живыми свидетелями глубокой древности нашей планеты. Домбровский уже давно культивирует потомство этих древних бактерий, сотни миллионов лет ожидавших в укромных убежищах своего «воскресителя».

Но микробиологи на этом не останавливаются. Несколько лет назад группа ученых Гарвардского университета исследовала отложения в южной части озера Онтарио, возраст которых исчисляется двумя миллиардами лет. Здесь сохранились самые древние доказательства жизни на Земле. В этих отложениях с помощью электронного микроскопа обнаружили вполне сохранившиеся мертвые клетки бактерий[14].