Микробиология | Интересные факты

Микробиология

Найди Врача по Рекомендации: детский врач стоматолог. .

Основная химическая природа жизни может быть лучше всего понята, когда она не усложнена развитием формы и поведения. В XX веке биохимия начинает, наконец, раскрывать тайны жизни мельчайших организмов—бактерий, дрожжей и плесеней, и простейших животных—одноклеточных протозоа. Простота эта относится только к форме и структуре этих организмов; с точки зрения биохимии, как мы увидим, они, по меньшей мере, столь же (если не более) сложны, как и высшие организмы. Мощные побудительные стимулы к изучению этих организмов исходили как со стороны медицины, разрабатывающей методы лечения вызываемых ими болезней, так и со стороны промышленности в связи с вырабатываемыми ими химикалиями и лекарстсами, включая и важнейшее из них универсальное средство—спирт; они же и поддерживали такое изучение. Сейчас начинает изучаться и роль микроорганизмов в земледелии, ибо от них в значительной степени зависит плодородие почвы.

Биологическая война

За последние десять лет, однако, наиболее интенсивные и щедро финансируемые исследования в области микробиологии были направлены па подготовку к биологической войне—для чисто военных целей. Задача здесь состоит скорее в выращивании, чем уничтожении организмов, обладающих максимальной степенью токсичности, и в изыскании средств самого быстрого и широкого распространения заразы с помощью ли распылителей, насекомых или других ее переносчиков. Такие смертоносные микробы, как микробы сибирской язвы, сапа и бруцеллеза, уже получены в десятках тонн—количестве, достаточном при равномерном его распределении для того, чтобы умертвить весь род человеческий. Бактериологические яды являются еще более смертоносными, ибо достаточно менее одной унции некоторых из них, чтобы получить тот же чудовищный результат. Сами организмы бактерий, повидимому, находятся в привилегированном положении благодаря их способности размножаться в период эпидемии. Здесь, однако, кроется серьезная трудность. Сила микробов вызывать эпидемии может быть оценена только в боевой обстановке и только путем испытания его на человеческих существах. Именно это необходимое условие придает убедительность заявлениям корейских и китайских ученых о том, что в ходе корейской войны такие испытания уже фактически проводились. Самое нежелание английского и американского народов поверить этим обвинениям может служить мерилом того отвращения, какое вызывают в широких народных массах подобные методы ведения войны.

Тем не менее работа по исследованию и усовершенствованию этого оружия продолжается и даже ускоряется. Правительство Соединенных Штатов попрежнему упорствует в своем отказе ратифицировать Женевскую конвенцию 1925 года, запрещающую его использование, и совершенно ясно, что, разразись новая мировая война, единственное, что могло бы помешать биологической или газовой войне,—это страх перед возмездием. Многие ученые понимают, что такое положение нетерпимо, и некоторые научные организации, в том числе Международный конгресс микробиологов, состоявшийся в 1953 году в Риме, выдвинули следующую резолюцию:

«Шестой Международный конгресс микробиологов, уверенный, что правильно понимает мысли всех микробиологов, выражает свое мнение, что наука микробиологии должна иметь единственной своей целью благополучие и прогресс человечества; что все микробиологические исследования должны быть направлены на осуществление этой цели и что все страны должны присоединиться к Женевскому протоколу 1925 года».

Рано или поздно авторитет научного и общественного мнения сумеет положить конец этому самому вопиющему извращению целей науки и повернуть изучение микроорганизмов на выполнение его первоначальной задачи—на борьбу с болезнями и содействие развитию земледелия и промышленности.

Химическое непостоянство и приспособляемость простых организмов

Мы только сейчас начинаем получать некоторое представление о том, какие возможности таит в себе микробиология, если подходить к ней химическими методами. Многое можно узнать о нормальных и анормальных жизненных процессах этих мельчайших организмов, выращивая их в растворах, содержащих самые различные вещества. Можно изучать воздействие этих веществ на рост микробов и собирать сведения о тех превращениях, которым они подвергаются в организме, путем исследования выделяемых ими в окружающую среду продуктов. Такое изучение показывает, что простейшие в морфологическом отношении организмы “являются химически в высшей степени сложными. Оии поистине способны выполнять любой процесс, осуществляемый высшими организмами, а часто и значительно больше. Они, повидимому, подобны крошечным химическим заводам, где молекулы передаются по линии от одного энзима к другому, чтобы включить их в организм в форме роста, чтобы заставить их выделить энергию и, наконец, чтобы извергнуть их наружу в виде бесполезных остатков. Различные организмы специализируются в различных процессах, однако, несколько неожиданно, оказывается, что такая специализация ни в коей мере не является жесткой. Метаболизм простых организмов обладает, повидимому, исключительно высокой приспособляемостью. Если отсутствует одна пищевая молекула, они быстро переходят к использованию другой, для чего изменяют многие из своих химических процессов. Эта изменчивость часто оказывается очень досадной для нас, поскольку она распространяется также и на антибактериологические яды, причем многие разновидности привыкли теперь к сульфамидным препаратам, а некоторые даже и к пенициллину.

По своей форме это своего рода химическое обучение, и как только мы познаем его механизм, мы сможем учить эти организмы делать то, чего мы от них хотим. Все это показывает наличие в примитивных организмах выносливости и гибкости, позволивших им выжить и эволюционизировать в таких процессах.

Вирусы

Плесени и протозоа представляют собой относительно сложные организмы, внутренняя структура которых может быть рассмотрена под микроскопом. Даже более простые бактерии имеют свои характерные формы, и электронный микроскоп начинает раскрывать нам их внутреннюю структуру. Будучи помещены в соответствующую среду, все они проявляют вполне разработанный метаболизм. Существуют еще более мелкие и простые организмы—вирусы, у которых отсутствует даже и это. Среди вирусов встречаются как сравнительно крупные и сложные живые вирусы, вызывающие такие заболевания, как корь и оспа, так и очень маленькие растительные вирусы, вызывающие многочисленные заболевания растений. Существуют вирусы даже самих бактерий, бактериофаги—последнее звено, которое мы можем себе представить в цепи «более крупных блох, на спине которых сидят более мелкие, чтобы кусать их». В способности вызывать болезни, которые могут переноситься с одного организма на другой и даже приводить к эпидемиям, вирусы не отличаются сколько-нибудь существенно от бактерий; фактически они отличаются от них только тем, что проходят через бактериальные фильтры и невидимы под обычным микроскопом. Сейчас, когда у нас есть электронный микроскоп, вирусы можно увидеть; в большинстве своем они выглядят маленькими круглыми тельцами значительно меньших размеров, чем бактерии, и, за исключением небольшого числа животных вирусов, без видимой внутренней структуры.

Кристаллизующиеся вирусы

Как было обнаружено Боуденом и Пири, а также Стенли, более мелкие вирусы растений имеют удивительные для живого организма свойства: они способны кристаллизоваться. Это обстоятельство было подтверждено также путем их изучения с помощью рентгеновских лучей, показавшего, что большинство атомов в вирусах расположено в определенном порядке, как, например, в белковых молекулах. Иными словами, вирус представляет собой химическую молекулу, одновременно обладающую многими свойствами живых организмов.

Недавние исследования Уилсона, Франклина и других открыли кое-что о структуре вирусов. Оказывается, что они состоят из двух частей: из каркаса, образованного молекулами белка, расположенными в форме геометрической фигуры—геликоидальной или полиэдрической, — и из нитей нуклеиновой кислоты, прикрепленных к нему в определенных местах. Далее оказывается, что между растительными и животными вирусами нет принципиального различия, кроме как в количестве белка, определяющего их размеры. Встречающиеся в здоровых клетках микросомы, повидимому, имеют подобную же структуру.

Вирусы—не примитивные организмы

На первый взгляд—но только на первый—может показаться, что вирусы образуют связующее звено между миром живого и неживого. На самом же деле химический анализ вируса рассеивает это впечатление, поскольку доказано, что вирусы—это белки, и притом не простые, а нуклеопротеиды. Эти последние представляют собой белки, присоединившие к себе нуклеиновую кислоту, которая сама является соединением групп, содержащих пурины, сахара и фосфорную кислоту, что уже было рассмотрено выше в связи с метаболизмом. Нуклеиновая кислота, как показывает ее название, находится в ядрах всех клеток, и не только там; она, повидимому, встречается также в особом изобилии всюду, где осуществляется быстрый синтез белка, в частности в связи с делением и размножением клеток. Между тем и белки и нуклеиновые кислоты являются очень сложными органическими веществами, поэтому вирусы никак не могут быть примитивными организмами; скорее они кажутся выродившимися. Тем не менее тот самый факт, что вирусы могут существовать и размножаться, хотя бы только в других клетках, показывает, что минимальные функции жизни, роста и размножения, к которым сводится вся их деятельность, не нуждаются в более развитой структуре, чем некий биохимический минимум. Это, далее, означает, что другие, более физические функции, которыми характеризуются известные нам высшие организмы, такие, как движение и раздражимость, являются второстепенными и, вероятно, были развиты позже. Вирусы, отбросившие такие функции, если они когда-нибудь ими обладали, повидимому, довольствуются самой строжайшей структурной экономией: они совершенно лишены всяких органов н образованы только одним видом химического вещества. Они могут только размножаться—что является единственной формой их «жизни»—фактически в клетках других животных и растений. Они не могут питаться менее сложно организованными веществами.

Действительно ли вирус является таким простым, как кажется,—это уже совершенно другой вопрос. Не исключена возможность, что вирусы могут оказаться не самостоятельными организмами, а отклоняющимися от нормального типа элементами клеток высших организмов, действующими неуправляемо, поскольку находятся в незнакомой среде.

Теперь как будто выясняется, что функциональным элементом вируса является главным образом, если не целиком, та его часть, которая представляет собой нуклеиновую кислоту. Оказывается, что частицы вирусов, не содержащие нуклеиновой кислоты, не инфекционны, в то время как Френкель Конрат утверждает, что препараты, в которых отсутствует белок, хотя они и очень неустойчивы, могут их вырабатывать. При нормальной инфекции нуклеиновая кислота, повидимому, как-то выходит из своей белковой оболочки, входит в клетку хозяина и воспроизводится либо до того, как начнет вырабатывать новые белковые оболочки, либо в процессе такой выработки. Тот факт, что каждый тип или даже штамм вируса вырабатывает свою собственную различимую форму белка, усиливает аналогию между вирусами и микросомами здоровой клетки, функцией которой также является образование белка. Существует аналогия также и между процессом образования вирусов и оплодотворением, при котором в яйцеклетку входит, повидимому, лишь содержащая нуклеиновую кислоту часть спермы. Основное различие состоит здесь в том, что взаимодействие с нуклеиновой кислотой яйца необходимо при оплодотворении, но не для воспроизводства вируса. Процесс размножения проходит в бактериальных вирусах, пли бактериофагах, повидимому, очень быстро; для того чтобы превратить живую бактерию в массу частиц бактериофага, нужно всего несколько минут. С этой точки зрения то, что мы изучаем как вирусовые препараты,—всего-навсего сухие споры или покоящиеся стадии вирусов. Они не представляют собой самостоятельных организмов в собственном смысле этого слова. Некоторые данные свидетельствуют о том, что, когда вирус попадает внутрь клетки, он развертывается так, что его уже не видно в электронный микроскоп, а затем он организует вокруг себя некоторое количество вещества клетки, подобно ядру, окруженному цитоплазмой.

В самом деле, вполне может “оказаться, что изучаемое нами как вирусы представляет собой всего-навсего сухие споры или остаточные стадии вирусов и что их инертность и простота являются только кажущимися.

Автотрофные бактерии

Противоположную крайность—абсолютную самостоятельность по сравнению с полной паразитической зависимостью, представляют автотрофные бактерии, подобные живущим в почве и в горячих источниках, которые могут удовлетворить все свои потребности такими простыми солями, как нитраты и сульфаты. Некоторые из них не нуждаются для своей жизни даже в кислороде, компенсируя его недостаток путем окисления и восстановления соединений железа и серы. Они имеют серьезное экономическое значение, поскольку ими образовано большинство серных отложений. Их исключительная неприхотливость показывает, что они должны стоять значительно ближе к действительно примитивным организмам, чем вирусы. И тем не менее они не могут быть действительно примитивными, ибо совершенно лишены простоты в своем внутреннем химическом составе, поскольку содержат не только все энзимы, имеющиеся у других организмов, но еще и ряд других, необходимых для усвоения простых веществ, которыми они питаются.

Создается впечатление, что примитивные бактерии развились в другие организмы, которые, будучи взяты порознь, имеют скорее меньшую, чем большую химическую приспособленность. Автотрофная бактерия может жить в целиком неорганической среде. Все животные и многие растения утратили некоторые из этих механизмов и в смысле получения органически уже приготовленной пищи или вспомогательных питательных веществ, подобных витаминам®¹⁰⁰, зависят от окружающей среды. Наиболее примитивные из этих организмов живут просто за счет продуктов распада или выделений других организмов, которые они впитывают через свою клеточную оболочку. Одни несколько более высокоразвитые организмы нашли способ передвижения с помощью подвижных нитей, называемых ресничками или жгутиками, в зоны, где имеется больше пищи. Другие, также все еще одноклеточные, такие, как амеба, сделали следующий решающий шаг, фактически вбирая в себя куски пищи—либо живой, либо мертвой материи; то есть они действительно ведут паразитическую жизнь, питаясь другими организмами. А эта тенденция имеет двоякие результаты.

Во-первых, самое наличие пищи, которая берется из тела других организмов и содержит множество уже сформированных существенно важных веществ, устраняет необходимость во многих биохимических процессах, требующихся для более примитивных организмов. Они поэтому делаются более простыми в химическом отношении, одновременно становясь организационно и функционально более сложными. Такие организмы должны быть способны реагировать на условия питания, а не просто расти; они должны быть способны передвигаться туда, где имеется больше пищи, и обладать какими-то средствами для ее захвата.

Важность размеров

Важным фактором в этом отношении являются размеры. Маленькие одноклеточные животные могут достаточно хорошо устраиваться в непосредственном своем окружении—они не нуждаются в органах движения для того, чтобы передвигаться с места на место. С другой стороны, если они становятся крупнее, усилие, требующееся для их передвижения, и в еще большей степени задача вбирания пищи через один рот для всего организма весьма затрудняются. Существует два решения этой проблемы, в принципе довольно различных. Одно из них заключается в том, что организм остается неподвижным и втягивает в себя проносящуюся мимо пищу; примитивным способом это делают губки, более сложным—устрицы и морские уточки²³ Второе решение—это самому отправиться па поиски пищи; так поступают рыбы, пресмыкающиеся и, наконец, мы сами. Мы сделали еще один шаг вперед в этом отношении, фактически заставляя другие организмы вырабатывать для нас пищу посредством сельскохозяйственных процессов. Общая тенденция эволюции идет в направлении от чисто химического существования микроскопических организмов к возрастающей организации, координации и рациональности.

Биохимическая зволюция и происхождение жизни

Все эти факты указывают на крайнюю важность, равно как и на крайнюю древность, химической организации живых вещей, а также на существование химической эволюции организмов, которая должна была предшествовать эволюции структурной, хотя, быть может, и не была столь продолжительной. Для того чтобы определить, сколько времени она заняла, потребуется дальнейшее развитие геохимии. Пока у нас есть некоторые данные, которые показывают, исходя из соотношении распределения изотопов серы, что в период, предшествовавший верхнему докембрию, около 800 млн. лет назад, биохимической жизни, связанной с восстановлением серы, еще не существовало. В начале кембрийской эры, 500 млн. лет тому назад, жизнь в биохимическом отношении была, очевидно, весьма близка к тому, чем она является сейчас; промежуток в 300 млн. лет должен был включать как биохимическую, так и морфологическую эволюцию. Это, однако, весьма приблизительные цифры, нуждающиеся в достаточно обоснованном подтверждении. Мы никогда не будем иметь прямых данных о такой эволюции. Косвенное же свидетельство можно фактически найти в химическом составе и функционировании существующих растений и животных, и весьма возможно, что оно будет раскрыто при разработке содержащихся в них биохимических цепей реакции и при определении путем логического рассуждения того порядка, в котором они должны были формироваться в эволюционном процессе. Поэтому биохимия дает нам ключ к происхождению жизни. И, наоборот, изучение происхождения жизни представляет собой руководящую нить в биохимии, подобно тому как в XIX веке изучение эволюции явилось руководящей нитью в морфологии.

Мир до появления жизни

Можно, конечно, подойти к проблеме происхождения жизни и с другого конца, то есть исходя из характера мира до появления жизни. Это—дело астрономии, геологии и в особенности геохимии. Эта новая наука выросла в ответ на значительно более широкие потребности промышленности XX века в редких металлах, ибо даже еще до открытая значения урана уже существовал спрос на другие редкие металлы, такие, как ванадий и германий, и распределение их в природе явилось проблемой, возникшей перед такими изобретательными и выдающимися геологами и химиками, как В. М. Гольдшмидт в Норвегии и Вернадский в Советском Союзе.

В процессе физической эволюции остывающей планеты неизбежно должна была образоваться гидросфера, состоящая из рек и морей. Первые явления жизни должны были возникнуть в этой гидросфере, где вода и ил испытывали воздействие солнечного света. Именно в этот период должны были накапливаться простые соединения углерода и азота, из которых образованы организмы. Быть может, никакого точного начала жизни не было вообще. В состоянии активного равновесия, вызванного превращениями, непрерывно происходившими между теми или другими химическими веществами, могли установиться известные циклы, которые были самовоспроизводящимися, то есть молекула А производила молекулу В, и так далее до тех пор, пока молекула Z снова не производила молекулу А. На этой стадии всю среду можно было бы назвать живой в биохимическом смысле, хотя ни одного организма еще несуществовало. Однако такая жизнь, очевидно, всегда должна была подлежать распаду. Только когда образовались крупные полимерные молекулы—белки или их предшественники,—эти маленькие миры химических процессов смогли собраться воедино, порвать с окружающей их водой и стать первыми организмами, один из которых послужил источником всей последующей жизни. Это могло произойти одним из тех путей, которые тридцать лет тому назад указали Опарин и Холдейн.

Самопроизвольное зарождение

Любопытным комментарием к изменению умонастроений в последнем столетии может служить тот факт, что в то время, как 100 лет тому назад казалось насущно важным доказать наличие или отсутствие самопроизвольного зарождения жизни, сейчас самозарождение жизни на пашей планете принимается как нечто само собой разумеющееся и не вызывает особых эмоций. Сейчас мы знаем, что идеи тех, кто 100 лет тому назад хотел доказать самопроизвольное зарождение жизни, были фактически гораздо более абсурдными, чем мечты алхимиков. В то же время мы знаем и то, что проблема эта не является неразрешимой. Просто решение ее является значительно более трудным, чем мы себе представляли, и подходить к нему придется совершенно иным путем.

Использование биохимических процессов

Маловероятно, конечно, чтобы мы когда-нибудь смогли искусственно создавать жизнь. Что значительно более вероятно и даже может быть достигнуто всего через несколько лет,—это успешное выполнение в наших собственных интересах и с помощью чисто искусственных средств многих функций жизни и, в частности, существеннейшей функции—фотосинтеза органической материи. Если бы мы могли использовать падающий сегодня на землю солнечный свет и непосредственно обратить его в пищу человека, без посредничества растении, была бы разом решена важнейшая проблема, лежащая в основе мировой экономики, и обеспечена возможность безграничного роста человеческой расы. Здесь опять-таки мы можем увидеть связь между приобретением знаний и созданием возможностей для их претворения на практике. Прежде чем мы можем надеяться воспроизвести какие-либо характерные черты живых организмов, мы должны сначала понять, как сам живой организм управляет собой: а это будет означать огромную исследовательскую работу, причем большая часть ее будет направлена не на решение этой проблемы, а просто на обнаружение связей, которые позднее смогут быть использованы для ее разрешения.