Живые организмы — спутники человека - Козлов М.А. 1976
«Невидимки» - знакомые и незнакомые
Бактерии
Микробам — этим бесконечно малым живым существам — принадлежит бесконечно большая роль в природе.
Луи Пастер
Есть существа, которые не гибнут, если их кипятить 100 часов.
Есть существа, которые выдерживают температуру, близкую к абсолютному нулю.
Есть существа, которые «едят» яды.
Есть существа, которые в сухой почве могут сохраняться до 1000 лет.
Есть существа, пробудившиеся из летаргического сна через 360—600 миллионов лет.
Есть существа, каждое из которых за сутки могло бы произвести на свет 272 потомков, а через неделю его потомство могло бы разрастись до массы, равной массе земного шара.
Есть существа, после исчезновения которых на Земле наступила бы чудовищная катастрофа. По расчетам ученых, жизнь замерла бы через 30 лет.
Есть существа, исчезновение одного из которых могло бы привести к колоссальному стихийному бедствию — плодородные долины превратились бы в безжизненные пустыни.
Эти существа — бактерии, работа которых носит поистине планетарный характер. Они сложнее устроены и крупнее по величине, чем вирусы. Их можно видеть в оптический микроскоп. Ими наводнены не только воздух, вода и почва; среди них немало форм, которые населяют наше тело.
Хотя бактерии крупнее вирусов, но они все таки настолько малы, что в одном кубическом сантиметре слюны их насчитываются миллионы. Какой они величины, вы можете судить сами, если на каждом квадратном сантиметре кожи человека комфортабельно живут примерно 40 000 микробов; если вы в ванне во время купания смываете с себя от 85 миллионов до полутора миллиардов бактерий.
Прав был первооткрыватель микроорганизмов, изобретатель микроскопа, дававшего увеличение до 250 раз, голландец Антонио Левенгук, который в XVII веке, увидев в капле слюны мириады микробов, воскликнул: «В моем рту их больше, чем людей в Соединенном королевстве!» «Когда бы бактерии размером были с карандаш, — пишет биолог И. Акимушкин, — человеку (если в том же масштабе увеличим и его рост) буквально море бы стало по колено. Без труда он шагал бы через горы, так как сам был бы вчетверо выше Эвереста».
В теле новорожденного младенца насчитывается примерно два биллиона клеток. Средняя масса одной клетки равна 0, 00000001 (108) грамма, а ее диаметр едва достигает 0,02 миллиметра. А ведь бактерии гораздо меньше клетки человека средней величины.
Средней величины кокк, например, с поперечником 1 микрометр имеет объем 5х10-10 кубических миллиметров, масса его составляет 5х10-13 грамма. Довольно крупная бацилла длиной 3 микрометра и с поперечником 1 микрометр имеет объем 10-8 кубического миллиметра, т. е. одну стомиллионную часть кубического миллиметра. Нам даже трудно представить столь мизерные величины.
Великий систематик XVIII века Карл Линней, описавший тысячи растений и еще больше животных, разделивший их на типы, классы, отряды, семейства, роды и виды, придумавший растениям и животным поразительно удачные названия, не сумел понять мир микробов и назвал его миром хаоса.
Мы привыкли думать, что бактерии — это растения.
Их включали, традиционно продолжают включать во все учебники ботаники, в монографии о жизни растений. Но существует противоположная точка зрения, утверждающая, что бактерии не растения, что они только условно могут быть отнесены к растениям.
В настоящее время бактерии выделены в специальное подцарство в надцарстве доядерных организмов, или прокариот.
По строению клетки весь мир живых существ распадается на две группы: доядерные организмы, или прокариоты, и ядерные организмы, или эукариоты.
Первая группа, включающая бактерии и сине-зеленые водоросли, характеризуется низкой организацией клетки и примитивным эквивалентом ядра без ядерной мембраны. У прокариот не обнаружены митохондрии.
Во многих отношениях бактерии как раз сходны с митохондриями, а не с самой клеткой эукариот. Дело в том, что в ядре клетки эукариот ДНК, как правило, связана с белками, в то время как в бактериях и митохондриях она свободна. Вторая группа — эукариоты — объединяет живые организмы, имеющие более высокий уровень организации клетки и ядро, окруженное ядерной мембраной. К этой группе относятся все остальные одноклеточные и многоклеточные растения, грибы и животные.
Что касается формы тела бактерий (рис. 5), то преобладают шаровидные, палочковидные и спиральные бактерии. Шаровидные бактерии называют кокками. Бывают разные кокки: монококки, когда это одиночные крупные бактерии; диплококки, когда они двойные; тетракокки, когда они соединены в группы по четыре; сарцины, если вместе связаны восемь или больше бактерий; стрептококки, когда они расположены в цепочку, и, наконец, стафилококки, когда их много и они образуют одну беспорядочную группу.
Рис. 5. Бактерии:
1 — стрептококки; 2 — палочковидные; 3 — вибрионы; 4 — спириллы; 5 — неспороносные; б — спороносные; 7 — слияние двух бактерий кишечной палочки (виден мостик, по которому следует хромосома).
Среди палочковидных бактерий различают обычных бактерий и бацилл. Из них только бациллы способны образовывать споры, чтобы пережить неблагоприятные внешние условия.
Проследим образование споры. Вот содержимое клетки бациллы сжалось, приняло округлую форму и выделило на своей поверхности новую, более плотную оболочку. После созревания споры клеточная стенка материнской клетки разрушилась, растворилась и спора вышла в окружающую среду. Спора гораздо выносливее материнской клетки. Она одета в надежный панцирь, предохраняющий ее от сокрушительных ударов враждебных стихий. Спора максимально обезвожена, в ней замерли почти все жизненные процессы, прекратился обмен с внешним миром, но все таки в ней теплится жизнь будущей бациллы.
Ей теперь не страшны ни давление в 20 тысяч атмосфер, ни космический холод в — 270 градусов, ни жара до 90-140 градусов. Пусть пройдут дни, недели, месяцы, годы. На спору это не влияет. Она, словно простейшее законсервированное семя жизни, воскреснет, если случайно попадет в благоприятные условия.
Вот она пробудилась и начала плодиться с такой скоростью, что могла бы через день другой наполнить все океаны и моря. Но этому никогда не бывать.
Большинство новорожденных микробов быстро погибает, так как они не находят подходящих условий.
В семью спиральных бактерий входят вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы лишь слегка изогнуты, спириллы закручены один или даже несколько раз, а спирохеты образуют мелкоизвитые тонкие живые спирали.
Вспомним, как устроены бактерии. Большинство бактерий снаружи одеты в капсулу, чтобы спасаться от пагубных влияний высыхания. Ведь они — существа, зародившиеся в воде. Вода — та среда, тот «питательный бульон», в котором возникли и развились первые живые существа. Жизнь зародилась в воде, вода — ее растворитель и среда. Она является «матрицей жизни» — вот этим значением воды можно объяснить любовь бактерий к ней, которую они унаследовали от своих предков, и их боязнь высыхания.
Следующий слой бактерий — клеточная стенка, которая тоньше капсулы, но плотнее ее. Клеточная стенка определяет физический тип бактерий, придавая им формы шариков, палочек и спиралей. Через нее в клетку поступают питательные вещества и выходят продукты распада.
Содержимое бактериальной клетки, за исключением ядерного вещества и клеточной стенки, принято называть цитоплазмой. Цитоплазма снаружи окружена цитоплазматической мембраной, регулирующей поступление веществ в клетку и выделение наружу продуктов обмена веществ. Следует отметить, что в цитоплазматической мембране осуществляется синтез некоторых частей клетки, как правило, составных элементов клеточной стенки и капсулы. Здесь же расположены важнейшие ферменты.
Советский микробиолог В. И. Дуда замечает, что «цитоплазматическая мембрана — это та нить жизни, разрыв которой приводит к гибели клетки, организма.
Вот почему существуют микроорганизмы без клеточных стенок, но не существует клеток без цитоплазматической мембраны».
В цитоплазме находятся рибосомы — частицы диаметром 200 ангстрем, синтезирующие белок; в ней же встречаются гранулы различной формы и величины — запасные вещества, источник энергии и углерода.
В центре бактериальной клетки расположено ядерное вещество — ДНК, аналог ядра эукариот — нуклеоид. Этот ядерный эквивалент бактерий «обнажен», не окружен мембраной, не связан с основными белками, не обладает ядрышком и набором хромосом.
На поверхности некоторых бактерий имеются жгутики — органы движения.
Преобладающее большинство бактерий — одноклеточные организмы, но в природе известны также нитчатые многоклеточные бактерии.
Как размножаются бактерии?
— Поперечным делением, — ответите вы уверенно.
Действительно, это наиболее распространенный способ размножения бактерий. Однако надо иметь в виду, что бесполое размножение бактерий может осуществляться отпочкованием от материнской клетки дочерних особей, а иногда образованием особых спор. Кроме того, у бактерий выявлен другой способ размножения.
Речь идет о существовании у них процесса, напоминающего половой и называемого парасексуальным. Во время этого процесса происходит лишь обмен генетическим материалом, он никогда не ведет к слиянию нуклеоидов. У эукариот же, как правило, есть типичный половой процесс, который сопровождается слиянием ядер.
Допустим, что в нашем теле встретились две бактерии — кишечные палочки, они вошли в контакт, коснулись друг друга. Началось слияние (рис. 5). Что передается от бактерии отца в бактерию мать? Во-первых, нечто такое, что похоже на вирусоподобное существо, — половая эписома, или фактор пола. Она обычно находится поблизости от оболочки клетки и легко передается спутнице. Во-вторых, из бактерии отца в бактерию мать переносится не старая хромосома, а ее новорожденный двойник, точь-в-точь повторяющий облик и строение уже имеющейся хромосомы.
Вот почему передача даже целой хромосомы материнской клетке не влияет на здоровье бактерии отца. Ведь старая хромосома никуда не делась, осталась в клетке.
Бактерии питаются разнообразными органическими и неорганическими веществами. Эти безротые существа, не имеющие ничего такого, что напоминало бы органы пищеварения, способны есть все, даже грызть камень и металл. Одни из них — автотрофы — питают сами себя. Из неорганических веществ (например, из углекислого газа, аммиака и различных солей) они создают органические, а необходимую при этом энергию извлекают, словно волшебники, из солнечных лучей или же путем химических реакций, окисляя железо, марганец, молибден, серу и кремний. Помогают им в этом нелегком деле ферменты, так называемые биокатализаторы — ускорители химических реакций, не убывающие в количестве, сколько бы они ни работали. От набора ферментов зависит не только скорость «пищеварения» микробов, но и способ их питания.
За какие-нибудь полчаса бактерия из отдельных кирпичиков неорганической природы создает белок, который больше первоначальных кирпичиков в десятки миллионов раз.
Другие бактерии — гетеротрофы — питаются органическими веществами. Они выделяют из клетки ферменты, разлагают ими сложные органические соединения на более простые составные части, которые, попадая внутрь бактерий, идут на поддержание их жизнедеятельности и на строительство их тела. Не было бы этих бактерий, наша планета превратилась бы в огромное кладбище и не было бы на ней места для живых. Своим титаническим трудом бактерии гетеротрофы освобождают нашу Землю от растений и животных, в которых угасла жизнь. Они зорко следят за чистотой почвы и воды. Есть, однако, среди гетеротрофов микробы, питающиеся полуфабрикатами — готовыми продуктами живых организмов. Некоторые из них разрушают ткани растений и животных, вызывая разного рода заболевания. Эти бактерии получили название патогенных.
Таким образом, микробы непрерывно работают в «котлах» всемирной кухни созидания и разрушения живого, прилагая немало усилий, чтобы не остановилось колесо круговорота жизни и смерти.
Теперь о бактериях нашего тела. Человек рождается без микробов, новорожденный обычно стерилен.
Но сделал он первый вдох, открыл рот, чтобы закричать, чтобы известить о своем появлении, — бактерии тут как тут, они без его разрешения «получают постоянную прописку» в его организме. К концу первых суток новорожденный уже заселен 12 видами бактерий, а к десятому дню жизни его микробное население увеличивается до 21 вида. На 3-7-й день жизни ребенка микробы заселяют его кишечник.
Население бактерий взрослого человека насчитывает уже сотни видов, количество которых исчисляется астрономическими цифрами. Если бы мы посмотрели на них глазами, увеличивающими в 600—800 раз, то перед нами раскрылся бы удивительный микробный пейзаж. В нашей слюне кишмя кишели бы миллиарды кокковых, палочковидных, нитчатых и извитых форм бактерий, а мешочки десен выглядели бы как корзины, переполненные копошащимися микробами. На коже махровым цветом расцвели бы несметные полчища золотистых и лимонно-желтых стафилококков, причудливых сарцин, спороносных и неспороносных палочек. На одном квадратном сантиметре кожи лица мужчины паслось бы не менее 70 тысяч микробов, а на такой же площади лица женщины их было бы примерно в 7 раз меньше. Не обошлось бы здесь и без парадоксов. Мы узнали бы, что если мыть руки каждые 3—5 минут, то количество микробов уменьшилось бы примерно в 10 раз, в то время как после непрерывного 15 минутного мытья их стало бы даже больше, чем до мытья. При длительном мытье водой микробы вынеслись бы из глубины кожи, где они хранятся, как в кладовой. В одном кубическом сантиметре содержимого желудка обнаружилось бы только 25 тысяч микробов, несравнимо меньше, чем на коже.
Их в желудке губит кислота. В таком же объеме содержимого тонких кишок их совсем ничтожное количество — около 5 тысяч. Но зато толстые кишки человека по содержанию микробов побили бы все рекорды. В одном грамме содержимого толстых кишок можно было бы насчитать 30—40 миллиардов микробов, принадлежащих примерно к 240 видам.
Не пугайтесь такого обилия микроорганизмов. Это нормальная микробная флора организма человека.
Прошли времена, когда говорили о вреде и ненужности невидимых наших сожителей. Они не причиняют нам заметного вреда. Наоборот, эти завсегдатаи помогают нам отразить нашествия других микробов — случайных посетителей, среди которых могут быть враги нашего здоровья. «Природа пользуется конкуренцией безобидных микробов, чтобы помешать поселению патогенных микробов», — говорил знаменитый русский микробиолог Илья Ильич Мечников. Уберите постоянных жителей нашего тела, нарушится установившееся между микробами равновесие, соотношение полезных и вредных бактерий. И тогда не миновать беды. Чаще это случается, когда человек без совета врачей, не зная меры, при любом недомогании глотает антибиотики, которые пагубно влияют не только на заносных микробов врагов, но заодно губят почти всех бактерий друзей. В изменившейся ситуации выживают преимущественно вредные микроорганизмы. Не встречая со стороны полезных микробов должного отпора, они теперь начинают бурно размножаться. И вот результат — возникают осложнения, иногда превосходящие по тяжести основное заболевание.
Не следует бояться микробов, получивших «постоянную прописку» в человеческом организме. Они, не причиняя ему особого вреда, подавляют развитие дизентерийных, брюшнотифозных и гнилостных бактерий; некоторые из наших кишечных бактерий создают необходимые для нас витамины и аминокислоты.
В настоящее время известно около 6 тысяч видов бактерий, из них 69 считаются заклятыми врагами человечества. А с бациллой чумы по «кровожадности» не может соперничать никто из живых существ.
«Ни одна болезнь не вписала в историю эпидемий так много трагических глав, как это сделала чума, которая своими нашествиями не только уничтожала большую часть населения городов и деревень, но и влекла за собой упадок культуры в Европе. Хроника чумы, без сомнения, одна из самых мрачных книг в истории человеческой культуры», — говорит известный австрийский ученый и общественный деятель профессор Гуго Глязер. Эта хроника такова. Первое упоминание об эпидемии чумы относится к 1320 году до нашей эры. Как в огне сгорали люди тогда от бацилл чумы. Особенно пострадали филистимляне и древние евреи.
В 542 году зашевелились бациллы чумы в Центральной Африке и с быстротой огня охватили за пять лет пространство глобального масштаба, распространились, по меткому выражению летописцев, «до грани обитаемого мира». Тогда чума унесла около 100 миллионов жертв, способствовала упадку Византийской империи и возрождению дикости нравов, погасив проблески древней греческой культуры.
В 1348—1350 годах прокатилась новая волна смерти от чумы. Родилась она в Индии и за три года обошла страны Среднего и Ближнего Востока, север Африки, Испанию, Францию, Италию, Балканы, Центральную и Северную Европу… Сотни покойников лежали на улицах и в домах, где, кроме плача, ничего другого нельзя было услышать, где мертвецов сваливали в огромные ямы, «нагромождая их рядами, как товар на корабле». За три года бациллы чумы погубили 75 миллионов человек, в том числе 25 миллионов европейцев, т. е. почти половину населения Старого Света. А потом год за годом, вплоть до 1894 года, волны чумы постепенно угасали, но все-таки в их пучинах погибали не сотни, а миллионы людей.
В 1894 году в Гонконге начинается следующая волна чумы. За десять лет семена смерти — бациллы чумы — были завезены в 87 портовых городов Азии, Африки, Европы, Северной и Южной Америки и Австралии. В это же время объявляется научно обоснованное наступление на чуму. В 1894 году был открыт и описан самый жестокий враг человечества — бацилла чумы — крохотная палочка длиной 1—2 и толщиной 0, 3—0,7 микрометра. Затем возбудителей чумы обнаружили в крысах. Эти грызуны представляют собой бегающие резервуары, в которых хранятся палочки смерти. В 1897—1898 годах было доказано, что передача чумных бацилл от больной крысы здоровой и от крысы человеку осуществляется блохами. Потом пришли триумфы и победы над чумой. Началась эра целенаправленной войны против грызунов и блох.
Чума причислена к карантинным болезням. Проводится планомерная вакцинация населения против чумы.
Результаты борьбы уже налицо. В 1963 году, например, на нашей планете зарегистрировано лишь 862 случая заболевания чумой.
А ведь были времена, средние века, например, когда люди верили, что чума в скрытой форме присутствует в крови «язычников». Находились даже «ученые», убежденные в том, что, какие бы меры ни принимались против чумы, ее нельзя предотвратить.
В настоящее время почти все болезнетворные бактерии укрощены, но полностью не ликвидированы. Вот почему микробиологи и врачи ведут за ними постоянный надзор, а в случае необходимости эффективно борются.