Строение и жизнь микробов

Итак, микробами называются мельчайшие живые организмы, невидимые простым глазом. Как мы узнали из предыдущей главы, к микробам относятся разнообразные формы живой материи, имеющие как клеточную, так и неклеточную организацию.

Различают следующие основные группы микробов: простейшие, микроскопические грибки и дрожжи, актиномицеты, бактерии и спирохеты, риккетсии, фильтрующиеся вирусы.

Каждая группа обладает более или менее характерными для всех представителей группы свойствами, указывающими на общность их происхождения, и различной сложностью организации.

Наиболее высокую степень организации мы находим среди представителей группы простейших. Это одноклеточные организмы животного происхождения. Они обладают сравнительно крупной величиной – до 40–50 микрон (микрон равен одной тысячной доле миллиметра). Их‑то в основном и наблюдали в свои лупы первые микроскописты XVII и XVIII веков. Клетка некоторых простейших чрезвычайно сложно устроена. Рассмотрим в качестве примера строение инфузории – одного из наиболее распространённых в природе представителей простейших животных, которого можно найти почти в любой луже (рис. 10). Здесь в одной и той же клетке мы находим и ядро с ядрышком, и многочисленные органы движения – реснички, окружающие толстую клеточную оболочку, и ротовое отверстие с глоткой, и выделительные органы – порошицу, и так называемые сократительные вакуоли, и сложную сеть мельчайших мышечных волоконец, позволяющих инфузории активно изгибаться.

Рис. 10. Простейшие. Инфузория:

Я – ядро; Г – глотка; ПВ – пищеварительная вакуоль; СВ – сократительная вакуоль; П – порошица

Еще более сложно строение некоторых простейших – радиолярий (рис. 11). К этой же группе принадлежит и относительно просто устроенная амёба – голый комок протоплазмы с ядром (рис. 12). Все эти организмы обладают животным типом питания – многие из них типичные хищники и поедают более мелких микробов; многие, перейдя на паразитический образ жизни, питаются красными кровяными клетками (эритроцитами) человека и животных или продуктами их распада. Среди простейших имеются и возбудители сонной болезни, дизентерии и некоторых других болезней.

Рис. 11. Простейшие. Радиолярия

Рис. 12. Простейшие. Амёба

Более однотипно строение следующей группы микробов – грибков, принадлежащих вместе с актиномицетами и бактериями уже к растительным организмам. Это или одноклеточные или многоклеточные организмы. Клетка состоит из протоплазмы с ядром, окружённой более толстой оболочкой. Тело некоторых микроскопических грибков состоит из многих клеток, соединённых в переплетающиеся нити. Это так называемые плесневые грибки или плесени (рис. 13). Они могут питаться самыми разнообразными органическими веществами и при достаточном количестве влаги часто развиваются на хлебе, крупе, кожаных изделиях, чернилах и других объектах. Хотя плесени состоят из многих клеток, но каждая отдельная клетка способна прорастать в целый организм. Некоторые плесневые грибки имеют большое практическое значение: из них добывают замечательные лекарства, например пенициллин.

Рис. 13. Плесневой грибок пенициллиум:

А – плодовые тела грибка – конидии, сидящие на конидиеносце (Б ); В – нить грибка, так называемая «гифа»

Другие виды микроскопических грибков существуют в виде отдельных овальных или округлых клеток. Это дрожжи. Некоторые виды дрожжей применяются в пищевой промышленности (рис. 14). Среди грибков встречаются и возбудители заразных болезней человека, животных и растений. Особенно часто грибки вызывают различные кожные заболевания: паршу, стригущий лишай, молочницу, эпидермофитию.

Рис. 14. Дрожжи:

А – дрожжевая клетка; Б – клетка в процессе почкования; В – клетка в процессе быстрого почкования и роста; Г – образование спор внутри клетки; Д – прорастание споры

Актиномицеты – группа, промежуточная между грибками и бактериями. Они походят на грибки тем, что тело их также состоит из многих клеток и образует ветвящиеся, переплетающиеся нити, только нити эти гораздо тоньше, чем нити грибков, и приближаются по толщине к бактериям (рис. 15). Сближает их с бактериями также отсутствие обособленных ядер в клетках. Ядерное вещество у актиномицетов и бактерий распределено по всей протоплазме клетки. Эти бактериоподобные грибы чрезвычайно нетребовательны к выбору пищи и питаются такими веществами, которые негодны для питания большинства других организмов. Поэтому актиномицеты очень широко распространены в природе.

Рис. 15. Сравнительная величина нитей актиномицета и плесневого грибка:

а – актиномицета; б – плесневой грибок (увеличение – 500^×)

Еще проще строение бактерий (рис. 16). Большинство бактерий – одноклеточные организмы величиной от 1 до 5 микрон. По форме своего тела бактерии различаются мало. Известны только три основные формы: шарообразная, палочковидная и извитая. Бактерии, имеющие шарообразную форму, называются кокками, палочковидную – бактериями и бациллами, а извитую – вибрионами и спириллами. Некоторые виды бактерий имеют жгутики, с помощью которых они передвигаются (рис. 17).

Рис. 16. Бактерии:

1–6 – различные виды шарообразных бактерий; 7–9 – палочковидные бактерии; 10–12 – извитые формы бактерий

Рис. 17. Органы движения бактерий – жгутики

При относительном однообразии своей формы бактерии чрезвычайно разнообразны по своим жизненным проявлениям. Многие из них являются возбудителями ряда заразных заболеваний человека – чумы, холеры, брюшного тифа, дизентерии и др. Многие вызывают заразные заболевания животных и растений. Размножаются бактерии поперечным делением на две части. Почти все известные бактерии можно выращивать на искусственных питательных средах.

Следующая группа – риккетсии – является как бы переходной между бактериями и вирусами. По некоторым своим свойствам риккетсии походят на бактерии, а по некоторым – на вирусы. Так же, как бактерии, они имеют клеточное строение, но размеры их клеток чрезвычайно малы – значительно меньше 1 микрона. Они едва видны при рассматривании в микроскоп с увеличением в 1500–2000 раз, но не проходят через фильтры, пропускающие вирусы, чем и отличаются от вирусов.

Главное отличие риккетсий от бактерий, сближающее риккетсии с вирусами, это то, что они не растут на искусственных питательных средах. Для своего развития они требуют живых или в крайнем случае так называемых переживающих тканей животного; они поддерживают свою жизнедеятельность, проникая внутрь клеток и размножаясь в них. Риккетсии являются, таким образом, абсолютными внутриклеточными паразитами и могут жить только используя живые клетки организма‑хозяина. К риккетсиям относятся возбудители сыпного тифа и ряда других заболеваний, передающихся кровососущими насекомыми.

Внутриклеточный паразитизм – свойство, присущее также и вирусам. Так же, как и риккетсии, вирусы способны размножаться только в живых клетках. Но, как мы уже говорили, вирусы не имеют даже подобия клеточного строения. Все тело вирусов – это крошечный белковый комочек, в основном состоящий из сложного белка – нуклеопротеида (соединение белка с нуклеиновой кислотой). Некоторые вирусы, поражающие растения, способны даже к кристаллизации. По некоторым своим свойствам вирусы приближаются к неживой материи. Вирус, извлечённый из живой клетки, в которой он паразитирует, не проявляет свойств живой материи: в нём нельзя найти даже следов обмена веществ, многие вирусы в таком состоянии можно осаждать, растворять, кристаллизовать, т. е. обращаться с ними не как с живым существом, а как с химическим веществом. Но стоит вирусу после всех этих манипуляций попасть в восприимчивую к нему живую клетку, как он снова начинает интенсивно размножаться, образуя новые, подобные себе частицы. Следовательно, вирус обладает наследственностью. При изменении условий существования вирус изменяется и передает при размножении эти изменения своим потомкам. Следовательно, наследственность вируса может быть изменена под влиянием условий жизни. Некоторые вирусы обладают очень тонкими и целесообразными приспособлениями, обеспечивающими их распространение в природе. Ясно, что такие приспособления возникли в процессе долгой эволюции вирусов.

Все эти свойства – размножение, наследственность, изменчивость, способность к приспособлению и эволюции – присущи только живой материи. Поэтому мы и считаем вирусы живыми.

Итак, мы кратко познакомились со строением основных групп микробов. Оказалось, что в этом мире мельчайших живых тел наблюдается не меньшее разнообразие строения, чем среди видимых невооружённым глазом многоклеточных животных и растений – от нескольких молекул вирусного белка, стоящего на грани неживой материи, но все же обладающего всеми важнейшими свойствами живого, до сложнейшей клетки инфузории.

В одной из следующих глав мы узнаем, как произошли современные микробы. Мы узнаем, что жизнь, эта высшая форма существования материи, возникла не сразу в виде готовой клетки, а через ряд все более и более сложных неклеточных ступеней развития белка. «Прошли, вероятно, тысячелетия, – писал Энгельс, – пока создались условия, при которых стал возможен следующий шаг вперед и из этого бесформенного белка возникла благодаря образованию ядра и оболочки первая клетка» (Ф. Энгельс , Диалектика природы, 1950, стр. 13).

Различные микробы обладают различными размерами. В этом мире невидимых есть и великаны и карлики. По сравнению с частицей вируса полиомиелита (возбудителя, поражающего нервную систему человека) диаметром в 10 тысячных микрона дрожжевая клетка, имеющая в поперечнике 10 микрон, является гигантом, превышающим по своей величине вирус в 1000 раз. А дрожжевая клетка еще не самый крупный микроб. Есть и бактерии‑гиганты, например, серная бактерия, так называемая беггиатоа, диаметр ее клетки равен 40 микронам. Но при сравнении величин микробов следует учитывать не только диаметр, а их объёмные размеры. Мелкая бактерия шарообразной формы, называемая стафилококком и вызывающая гноеродные заболевания человека, имеет диаметр, равный 1 микрону. Диаметр шарообразного вируса гриппа равен ¹/₁₀ микрона. Как будто бы разница не так велика, всего в 10 раз. Но подсчитайте, сколько шариков с диаметром в ¹/₁₀ микрона можно уложить в шарик диаметром в 1 микрон!

Невольно возникает вопрос: неужели при столь ничтожных величинах микробы могут играть большую роль в природе? Что может сделать тельце, имеющее размеры в тысячи и десятки тысяч раз меньшие, чем песчинка?

Действительно, одна микробная особь слишком мала, чтобы проявить ощутимое действие, но вследствие способности к чрезвычайно быстрому размножению микробы всегда производят работу большими скоплениями, насчитывающими миллиарды отдельных особей.

Средняя скорость деления бактерии, помещённой в искусственную питательную среду, равна 20 минутам. Поэтому одна бактерия уже через 10 часов может дать потомство, насчитывающее до миллиарда и более особей. Правда, по мере размножения в одном и том же объёме питательной среды в ней накапливаются вредные продукты обмена веществ, истощаются и пищевые ресурсы. Поэтому скорость размножения несколько замедляется, а через сутки и почти совсем приостанавливается. Но все же в суточной культуре количество бактерий может дойти до одного‑полутора миллиардов в 1 миллилитре питательного мясного бульона. При такой густоте культуры составляющая её масса бактерий становится видимой уже невооружённым глазом: прозрачный при засеве бульон становится мутным.

В естественных условиях существования микробы размножаются также чрезвычайно быстро и образуют большие массы особей в малых объемах. В одной капельке гноя из нарыва можно найти миллионы гноеродных бактерий.

На старых сахарных заводах, где производство не было механизировано, нередко сладкий свекловичный сок, находившийся (в огромных чанах, за 10–12 часов превращался в вязкую слизистую массу, почти целиком состоящую из бактерий, которые превращают свекловичный сахар в вискозу, уже непригодную для сахарного производства. Бактерии эти, называемые лейконостоками, попадают в чан вместе с землёй, пристающей к поверхности свёклы. В почве же число микробов нередко исчисляется десятками миллионов в 1 грамме.

Ещё более удивительна быстрота размножения и накопления живой массы у многих вирусов: одна частица бактериофага – вируса бактерий, паразитирующего внутри бактериальной клетки, – уже через 13–15 минут после проникновения в живую клетку вызывает её распад, причём образуется больше сотни новых частиц бактериофага. Таким образом, в одной пробирке, содержащей 5 миллилитров бульона, после распада бактерий, первоначально заражённых одной частицей бактериофага, может накопиться до 500 миллиардов особей его.

Другим свойством микробов, способствующим сохранению и выживанию их в природе, является исключительная стойкость к вредным воздействиям окружающей среды – температурному воздействию, высушиванию, атмосферному давлению, ядовитым веществам. По своей выносливости многие микробы превосходят в этом отношении все известные нам живые существа. Можно ли себе представить организм, выдерживающий многочасовое пребывание в кипящей воде?

Оказывается, что некоторые бактерии, способные образовывать так называемые споры – тельца с толстой оболочкой и сгущённой, обезвоженной протоплазмой (рис. 18), – в этом состоянии сохраняют жизнеспособность даже после нескольких часов кипячения. Убить такие споры бактерий можно только после прогрева их при температуре 115–125°^[2]. Для этого используют специальные приборы, так называемые автоклавы (рис. 19). Эти автоклавы и применяются в лабораториях, хирургических отделениях больниц, на фабриках перевязочных материалов, на консервных заводах – везде, где требуется уничтожить всех (в том числе и наиболее стойких – спорообразующих) бактерий. Процесс этот называется обеспложиванием, или стерилизацией.

Рис. 18. Споры бактерий

Рис. 19. Автоклав

А многие микробы не только переносят, но даже предпочитают высокие температуры. Эти теплолюбивые бактерии прекрасно развиваются и размножаются при температуре 60–70°, т. е. при той температуре, при которой свёртываются и разрушаются белки других организмов. Такие бактерии живут обычно в горячих источниках, в прогреваемых солнцем поверхностных слоях почвы, в гниющем навозе и т. д.

Еще менее чувствительны бактерии к низким температурам, при которых они впадают в состояние оцепенения, но не погибают. Бактерии выдерживают многочасовое пребывание при температуре жидкого водорода –253°. Зимние морозы легко переносят даже такие нежные, не имеющие спор бактерии, как холерный вибрион. Советский микробиолог проф. В. О. Таусон находил в вечно мёрзлой почве Памира на высоте 4000 метров над уровнем моря вполне жизнеспособных бактерий, которые развивались при 0°. А некоторые холодолюбивые микробы развиваются и при температуре –2° – –4°. Они, между прочим, часто являются причиной порчи продуктов в холодильниках. При 40° мороза вирусы сохраняются годами, не теряя заразительности для человека или животных. Некоторые микробы хорошо переносят и высушивание.

Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в высушенном состоянии в комках земли десятки лет. В высохшей мокроте больного туберкулёзная палочка сохраняется до 10 месяцев.

Эти два свойства микробов – способность к очень быстрому размножению и устойчивость к вредному действию температуры и высушиванию – дают им возможность выживать в разнообразных условиях существования и, несмотря на свою ничтожную величину, играть большую роль в общем круговороте веществ в природе.

Каким же образом участвуют микробы в круговороте веществ?

Нет места на поверхности нашей планеты, где бы не было микробов. И на Крайнем Севере, и в знойной пустыне, в луже воды и на дне морей и океанов, в стратосфере и на глубине сотен метров под землей – везде можно найти микробов. Множество микробов обитает в почве, на поверхности тела здоровых животных и человека, в его кишечнике и полости рта, в пищевых продуктах. Поверхность тела и кишечник новорожденного уже через несколько часов после рождения заселяются микробами. Можно сказать, что вся жизнь человека, животных и растений проходит в постоянном общении с микробами.

Если мы простерилизуем, т. е. освободим от микробов путём нагревания при 120° какой‑нибудь предмет, например кусок бинта, и положим его на стол в комнате, то уже через несколько минут на поверхности бинта окажутся десятки и даже сотни этих невидимых существ, осевших на бинт из воздуха. Бинт станет нестерильным и негодным для перевязки раны. Откуда в воздухе появились микробы? Оказывается, микробы вследствие своего чрезвычайно малого веса могут очень долгое время находиться во взвешенном состоянии в воздухе. А вес микробов так мал, что на 1 грамм приходится 100 миллиардов бактерий! При самых мелких, незаметных для нас движениях воздуха высохшие микробы поднимаются с почвы, с подсохших пищевых продуктов и других мест их обитания и часами плавают в воздухе. Эта способность находиться длительное время во взвешенном состоянии позволяет микробам передвигаться вместе с токами воздуха на громадные расстояния и широко расселяться во внешней среде.

Если микробная клетка в конце концов осядет на благоприятную для ее развития среду, то она выходит из оцепенения и начинает быстро размножаться.

Какие же условия являются благоприятными для жизни микробов? «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой » (Ф. Энгельс , Диалектика природы, 1950, стр. 244).

Для того, чтобы жить, развиваться, размножаться, микроб должен питаться – он должен перерабатывать вещества внешней среды в вещества собственного тела, т. е. усваивать различные химические соединения.

При росте и развитии микробной клетки совершается большая работа. Энергия для этой работы образуется при разложении химических соединений. Это разложение и сопровождается выделением свободной энергии. Обычно свободная энергия выделяется при окислении (соединении с кислородом) различных веществ. Вещества при окислении сгорают. Этот процесс лежит в основе акта дыхания.

Таким образом, микробы, как и все другие живые существа, должны питаться и дышать.

Кроме питания – ассимиляции, в живой клетке идут и процессы обратного порядка – частицы живого тела распадаются и заменяются новыми. В ещё большем количестве распадаются в микробной клетке те химические соединения, которые освобождают необходимую для работы энергию или служат для построения других веществ клеточного тела. Эти два взаимосвязанных процесса – процесс построения вещества своего тела (ассимиляция) и процесс распада (диссимиляция) – и составляют основу обмена веществ, основу жизнедеятельности всего живого.

Возвращаясь к ранее поставленному вопросу о том, какие же условия являются благоприятными для жизнедеятельности микроба, мы можем ответить теперь, что эти условия должны прежде всего предоставлять микробу возможность питаться и получать энергию для работы.

Мы знаем, что для человека и животных эти условия относительно ограничены: для дыхания человеку и животным необходим свободный кислород воздуха, а для питания – сложные готовые органические вещества, обязательно содержащие белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли и воду. Для животных и человека важно еще, чтобы эти вещества были в усвояемой форме, так как не каждый белок, углевод или жир может быть ассимилирован и превращён в вещества, из которых состоит их собственное тело.

Многие микробы в этом отношении значительно менее притязательны. Любое живое тело состоит из кислорода, водорода, азота, углерода и некоторых простейших минеральных солей. Свою потребность в кислороде и водороде, которые идут на построение их тела, микробы покрывают за счёт воды. В воде всегда находятся и необходимые им минеральные соли, содержащие фосфор, серу, железо и некоторые другие элементы. Потребление же остальных, особенно важных для построения тела элементов – углерода и азота – многие микробы осуществляют не только за счёт белков, жиров и углеводов, но и за счёт почти всех химических соединений, содержащих эти два элемента. Даже свободный азот атмосферы усваивается некоторыми микробами и переводится ими в содержащие азот белковые соединения их тела.

Не следует думать, что все микробы в одинаковой степени способны к утилизации любых соединений, содержащих азот и углерод. Наоборот, в этом отношении у разных групп микробов наблюдаются поразительное разнообразие и специализация. Некоторые микробы усваивают эти соединения из простейших неорганических соединений, например, азот из аммиака, а углерод из углекислого газа. Другие микробы потребляют углерод и азот только из сложных органических веществ, например, углерод из сахара, крахмала, клетчатки, а азот из белковых соединений погибших клеток животных и растений. Наконец, есть микробы, а к ним принадлежат почти все болезнетворные возбудители, которые используют соединения, входящие в состав тела живых растений, животных и человека. Это микробы‑паразиты.

Что же касается выработки энергии, то здесь микробы отличаются еще большим разнообразием. Процесс дыхания человека, животных и растений сводится к окислению – сжиганию свободным кислородом воздуха углеводов (сахара и др.), в результате чего углевод распадается на углекислоту и воду, с выделением значительной тепловой энергии. Микробы могут окислять не только сахара, но и различные другие органические (спирты, аминокислоты) и даже минеральные соединения, например, сероводород, аммиак, соли железа, а также нефть, парафин, воск. Все эти микробы называются аэробами (от греческого слова «аэр» – воздух).

Особенно удивительно, что некоторые микробы могут получать нужную им энергию не только путём окисления питательных веществ свободным кислородом воздуха, но и путём бескислородного распада сложных соединений. При этом окисление (а следовательно, и выделение энергии) происходит за счёт кислорода, который уже находился в связанном состоянии в молекуле расщепляемого сложного соединения. Такие микробы называются анаэробами, они не нуждаются в свободном кислороде воздуха, наоборот, для многих анаэробов кислород является ядовитым веществом. Анаэробный распад безазотистых соединений называется брожением. Брожение виноградного сока при его превращении в вино, скисание молока в простоквашу – все это примеры анаэробного безазотистого распада, производимого микробами.

Ясно, что при таком чрезвычайном разнообразии способов питания и дыхания условия, благоприятствующие жизнедеятельности микробов, оказываются значительно более широкими, чем для человека, животных и высших растений. Становится понятным широчайшее распространение микробов на поверхности нашей земли.

Попав в пищевые продукты, столь богатые высокопитательными соединениями, микробы очень быстро здесь размножаются. На поверхности человеческого тела микробы питаются пóтом, клетками эпителия и выделениями сальных желез. В ротовой полости, кишечнике микробы находят просто роскошные условия жизни – тепло, влагу, остатки пищи – и размножаются здесь не хуже, чем в лабораторном бульоне. Некоторым микробам удаётся пробраться и в кровь человека и во внутренние органы его. Преодолевая защитные силы организма, такие болезнетворные микробы быстро здесь размножаются, вызывая в таких случаях заболевания человека.

В почве, воде, на поверхности скал и в глубинах морей и океанов микробы также находят для себя необходимое количество пищи. Некоторые виды микробов способны довольствоваться самыми простейшими соединениями, содержащими углерод и азот, или усваивать такие несъедобные вещества, как каменный уголь, нефть, керосин, нафталин, бензол и даже ядовитую карболовую кислоту, если она даётся в небольших концентрациях (0,05 процента). Ясно поэтому, что развитие микробов нередко совершается в самых трудных для жизни условиях.

Вот эта‑то исключительная способность микробов использовать самые различные соединения и определяет их огромную роль в общем круговороте веществ в природе.