Популярно о микробиологии

Михаил Бухар

Популярно о микробиологии

Памяти академика Георгия Константиновича Скрябина

© М. Бухар, 2012

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2012

© Электронное издание. ООО «Альпина Паблишер», 2013

Все права защищены. Никакая часть электронного экземпляра этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.

Предисловие к первому изданию

Роль и прямое участие микроорганизмов в нашей жизни трудно переоценить. Они поистине вездесущи, обладают огромной скоростью роста, могут существовать и размножаться на любых субстратах, в том числе и неорганических, способны давать астрономическое по численности потомство, а при неблагоприятных условиях впадают в анабиоз – удивительное состояние между жизнью и смертью. Микроорганизмы живут во льдах Антарктиды и в воде горячих источников, где температура достигает 100 °C. Они удивительные трансформаторы и аккумуляторы энергии, и именно благодаря этим мельчайшим существам продолжается величайшее чудо на Земле – жизнь.

Около 300 лет назад благодаря мастерству и любознательности Антони ван Левенгука человечество узнало о существовании микроорганизмов. И лишь еще через 100 лет, в результате гениальных открытий Луи Пастера стала проясняться их роль как действующего начала многих пищевых производств, история которых уходит в глубокую древность. На фоне впечатляющих достижений физики и химии первой половины ХХ в. успехи микробиологии в послепастеровский период выглядели более чем скромными. Между тем именно в это время была создана микробиологическая промышленность и освоено получение разнообразных веществ, в том числе и лекарственных препаратов – антибиотиков, стероидных гормонов и вакцин. Но только в настоящее время в результате использования современных физических и физико-химических методов, а также благодаря успехам смежных биологических дисциплин, таких как молекулярная биология и генетическая инженерия, наука о микробах взяла реванш и стала одной из бурно развивающихся областей естествознания.

Последние десятилетия характеризуются широким проникновением микробиологии во многие сферы человеческой деятельности. Взаимосвязь технической микробиологии с другими науками настолько глубока, что результатом этого стало рождение новых научных дисциплин и технологических подходов. Выявленные при этом возможности микробиологии и созданных на ее основе новых направлений позволяют говорить о наступлении новой технологической эры – эры биотехнологии. И хотя использование микроорганизмов – лишь одно из ее направлений, можно утверждать, что благодаря таким особенностям микроорганизмов, как широкий набор синтетических программ, высокая интенсивность обмена веществ и неприхотливость к питательным средам, именно микробиология возьмет на свои плечи основной груз будущих технологий.

Писать популярно о микробиологии непросто. Даже сегодня для неспециалиста знания о ней обычно ограничены сведениями о существовании болезнетворных микробов. Вот почему заслуживает поддержки замысел автора показать место и значение микробиологии в окружающей нас действительности, а также перспективы этой науки в ближайшем будущем в связи с глобальными задачами, стоящими перед человечеством.

Предлагаемая вниманию читателя книга состоит из трех частей, связанных в единое целое. Первая часть посвящена всевозможным проявлениям жизнедеятельности микроорганизмов, которые видны невооруженным глазом, однако их внутренняя микробиологическая сущность скрыта от неискушенного наблюдателя.

Собственно объекту микробиологии – микроорганизмам, истории их открытия, характерным особенностям, методам обнаружения и культивирования и, наконец, роли в поддержании жизни на Земле посвящена вторая часть.

В третьей части книги показана интеграция микробиологии с другими областями знания и перспективы, открывающиеся в результате ее «симбиоза» с другими науками. Надо заметить, что не все положения последней части книги могут быть приняты бесспорно. В особенности это касается глав, посвященных взаимосвязи микробиологии с энергетикой и кибернетикой. Однако это не умаляет достоинств книги, поскольку научно-популярная литература призвана знакомить читателя не только с достоверными фактами, но и с гипотезами и тенденциями, намечающимися в развитии той или иной науки, ошибочность или бесспорность которых определит время.

Академик Г. К. Скрябин

Предисловие ко второму изданию

Прежде всего, следует приветствовать второе издание книги, в которой четко определяется место микробиологии в современной системе знаний и ее перспективы в решении широкого спектра прикладных задач, стоящих перед обществом.

Как известно, микробиология занимает сегодня ведущее положение среди научных дисциплин, наиболее активно проявивших себя на стыке наук. Книга уводит нас от того представления о микробиологии, к которому нас приучали с детства, настойчиво заставляя мыть руки перед едой. Автор показал эту науку во всем ее многообразии, рассказывая в популярной форме о великих делах маленьких существ. Книга не перегружена биохимическими аспектами микробиологии, поскольку они воспринимались бы с трудом. Вместе с тем обстоятельно показано многообразие биохимических функций, которые способны осуществлять микроорганизмы, поскольку благодаря наличию большого числа ферментативных каталитических систем они внедрились в процессы органического синтеза, обогащения металлических руд и решения многих проблем экологии.

Автор с увлечением заглядывает в возможное недалекое завтра, когда роль микроорганизмов в повседневной жизни, промышленности и науке неизбежно возрастет. Вполне оправданно сравнение микроорганизмов с компьютерами, так как они являются самонастраивающимися системами, созданными природой. Пианисты любят повторять: «Как хорошо, что у нас есть Шопен». Генетики должны говорить: «Как хорошо, что у нас есть микробы». Перед ними (генетиками) еще стоят непредсказуемые возможности заняться тем, что представляет собой метагеном неизведанных микроорганизмов.

Помимо освещения специальных аспектов микробиологии, книга интересна тем, что отвечает на многие вопросы и объясняет явления, которые происходят вокруг нас благодаря присутствию микроорганизмов. Книга написана доступным, живым языком. Привлекают многочисленные тонко подобранные эпиграфы к каждой главе. Книгу необходимо прочитать тем, кто сегодня формирует экономический потенциал России и должен понимать, какое место занимает и будет занимать микробиология в жизни общества.

А. М. Безбородов,

заслуженный деятель науки РФ,

доктор биологических наук, профессор

Введение

Такой некультурный человек, что видел во сне бактерию в виде большой собаки.

И. Ильф

Своим рождением и существованием цивилизация во многом обязана умению человека создавать и сохранять излишки продуктов, используя их по мере потребности. Как только люди стали добывать пищи больше, чем нужно было для удовлетворения сиюминутного голода, возникла проблема сохранения запасов.

Многовековые наблюдения определили два пути: первый – защиту продуктов от порчи; второй – переработку их в другие, подверженные ей в меньшей степени. Оба пути, как мы теперь знаем, связаны с микроорганизмами: в первом случае это приемы, направленные на прекращение их деятельности, во втором – создание идеальных условий для развития.

Микробиология – наука о микроорганизмах – возникла не вчера. Она имеет солидный стаж, начало которой принято отсчитывать со времен Луи Пастера. Однако еще задолго до него человечество использовало микроорганизмы. В древности виноделы и сыровары не могли даже подозревать о существовании микробов, но это не мешало им варить сыры и делать вина. И долгое время человечество пребывало в счастливом неведении, что своими успехами в этой области оно обязано микроорганизмам.

Период неведения закончился в XIX в. благодаря работам Пастера.

В Париже, на здании, где он работал, висит мемориальная доска, на ней надпись:

«Здесь была лаборатория Пастера

1857 г. – Брожение

1860 г. – Самопроизвольное зарождение

1865 г. – Болезни пива и вина

1868 г. – Болезни шелковичных червей

1881 г. – Зараза и вакцина

1885 г. – Предохранение от бешенства».

Эти шесть открытий послужили фундаментом для дальнейшего развития микробиологии и биотехнологии.

Открытия возникают не вдруг и не на пустом месте. Даже закон всемирного тяготения, открытый якобы в результате падения яблока на голову Ньютона, потребовал на самом деле 20 лет работы! С явлениями, внутренняя сущность которых не бьет нас по голове, еще труднее. Процесс скисания молока был известен еще древним, но его микробиологическая сущность не могла быть объяснена на существовавшем в то время уровне знаний. До открытия законов строения и превращения веществ не могло быть даже правильного подхода к микробиологическим явлениям. Только на основе знания химических законов Луи Пастер (который, кстати, по образованию был химиком) дал объяснение процессам, используемым в виноделии, при получении сыров, пива и в других производствах.

Без преувеличения можно сказать, что микробиология создана Луи Пастером, и не только потому, что он вскрыл сущность микробиологических явлений, но и потому, что в своих работах ученый определил пути дальнейшего развития микробиологии и биотехнологии.

«Грядущие поколения, – писал К. А. Тимирязев, – конечно, дополнят дело Пастера, но… как бы далеко они не зашли вперед, они всегда будут идти по проложенному им пути».

Человечество можно сравнить с героем пьесы Мольера «Мещанин во дворянстве» господином Журденом, который не подозревал, что всю жизнь говорит прозой. Ставшую теперь общеизвестной истину о существовании микроорганизмов открыл Луи Пастер, и у благодарного человечества было не меньше оснований удивляться, чем у мольеровского героя.

Теперь мы с детства узнаем о существовании микробов. Из-за них нас заставляют мыть руки, смазывать зеленкой или йодом царапины, мыть фрукты (правда, в последние полвека из-за пестицидов тоже). Для большинства из нас это становится привычкой, и мы не задумываемся о значительно большей роли микроорганизмов в нашей жизни.

Рожденная, как Афина, дважды – опытом всего человечества и гением Луи Пастера, микробиология переживает сейчас период бурного расцвета. Перефразируя известное выражение М. В. Ломоносова, можно сказать: «Широко простирает микробиология руки свои в дела человеческие». И действительно, трудно назвать прямо или косвенно не связанную с ней область знаний.

Вот этому проникновению микробиологии во многие отрасли науки, техники и промышленности, ее взаимосвязи с другими биологическими и небиологическими дисциплинами, а также ключевой роли в становлении биотехнологии как технологии ХХI в. и посвящена эта книга.

Часть I

Были и небылицы

Но дней минувших анекдоты

От Ромула до наших дней

Хранил он в памяти своей.

А. С. Пушкин

Несведущие люди, как правило, знают лишь о негативной стороне деятельности микроорганизмов. В самом деле, микробы вызывают болезни растений, животных и самого человека. Более того, в некоторых случаях они могут оказаться вредителями и в промышленности.

Людям более сведущим известно, что «простую» простоквашу и благоухающий рокфор, кефир и ряженку, масло и сметану, так сильно отличающиеся друг от друга по вкусовым и физико-химическим свойствам, получают из молока с помощью микроорганизмов.

Но даже и эти люди могут не знать, что молоко – далеко не единственный продукт, на который способны воздействовать микробы, и тем более не подозревать о великом многообразии химических превращений, которые могут осуществлять микроорганизмы с различными продуктами и веществами.

Трудно даже перечислить все виды таких превращений, вызываемых микробами, но мы попытаемся рассказать читателю о некоторых из них, чтобы из приведенных примеров стало понятно значение микроорганизмов.

Глава 1

Как украли железную дорогу

А отчего, по-твоему, происходят крушения поездов? Отвинти две-три гайки, вот тебе и крушение!

А. П. Чехов

У Максима Горького есть притча о двух ворах: один украл доллар – его посадили в тюрьму; другой украл железную дорогу – его избрали в сенат. Некоторых представителей царства микробов можно «заслуженно» выбирать в сенат – они ежегодно крадут не одну железную дорогу. Правда, для осуществления своих планов сенаторы используют коррупцию, а микроорганизмы – коррозию. Из-за нее только в нашей стране пропадает около трети выплавляемого черного металла. При этом более половины, а по некоторым данным более трех четвертей коррозионных потерь может быть отнесено за счет микроорганизмов.

Как может украсть железную дорогу будущий сенатор, мы читали, но как это делают микроорганизмы? Ведь нужно не только украсть, но и спрятать похищенное. Известный датский физик Нильс Бор во время вторжения немцев в Данию не захотел отдавать свою золотую медаль лауреата Нобелевской премии и спрятал ее. Причем очень надежно, растворив в склянке с царской водкой. Микробы способны не только украсть целиком железную дорогу, но и скрыть ее от посторонних глаз так же искусно, как Нильс Бор. И действительно, они превращают сотни тонн металла в окислы или соли, почти повторяя, по сути, то, что сделал Бор. Конечно, украденную таким образом железную дорогу можно найти, но, увы, использовать ее по прямому назначению уже нельзя. Железные дороги, нефтепроводы, мосты превращаются в кучи ржавчины. Однако не является ли расточительством платить этим пожирателям металла такую дань? И не пора ли отказаться от нее? Эти вопросы возникли сравнительно недавно, когда рост промышленного производства и истощение месторождений полезных ископаемых поставили перед человечеством проблему максимального сокращения потерь металла в процессе долговременной эксплуатации.

Открытие новых месторождений нефти и газа, удаленных от промышленных центров, привело к росту протяженности нефте– и газопроводов, что в свою очередь усилило внимание к процессам биокоррозии. Почему это произошло? Дело в том, что нефть и газ представляют собой отличную среду для обитания микроорганизмов, и вполне естественно, что на богатых питательных средах коррозирующее действие микроорганизмов проявляется значительно сильнее. Механизм коррозирующего действия микроорганизмов заключается в следующем. В результате их жизнедеятельности образуются органические и неорганические кислоты, щелочи, аммиак, сульфиды и другие продукты, усиливающие «агрессивные» свойства среды. Кроме того, метаболический цикл, или совокупность реакций жизнедеятельности того или иного микроорганизма может включать в себя коррозионную реакцию, и таким образом коррозия, так же, как и дыхание, сопутствует функционированию микроорганизмов. Собственно говоря, некоторые из них и осуществляют процесс дыхания за счет реакции корродирования, извлекая при этом энергию для своей жизнедеятельности.

Но самый сильный коррозионный эффект микроорганизмы оказывают тогда, когда и сама реакция, и ее продукты способствуют коррозии. Так, подкисление среды тионовыми бактериями способствовало быстрой коррозии железных болтов, скреплявших тюбинги Киевского метрополитена. Всего за несколько месяцев коррозия составила почти 40 %. При этом тионовые бактерии окисляют закисное железо FeSO₄ до окисного Fe₂(SO₄)₃. Окисное железо, являясь окислителем, окисляет чистое железо до закисного, которое в свою очередь вновь вступает во взаимодействие с металлическим железом. Получается замкнутый цикл, который не может быть разорван до тех пор, пока в среде будет находиться металлическое железо.

Остановиться этот процесс может только тогда, когда все железо окислится или когда условия изменятся так, что жизнедеятельность тионовых бактерий прекратится и разорвется наконец этот порочный цикл.

Даже в простых водопроводных трубах, где нет благоприятных питательных сред, все равно обнаруживается коррозионный эффект железобактерий.

Если в первом примере коррозионный процесс осуществляется за счет изменения химического состава среды продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, то во втором случае они сами способствуют возникновению электрохимической коррозии.

Железобактерии поселяются на неровностях внутренней поверхности труб, образуя скопления (колонии), окруженные оболочками и нитевидными волокнами из гидрата окиси железа. Поверхность труб под этими колониями в меньшей степени омывается водой и растворенным в ней кислородом, чем в свободных зонах. Это приводит к образованию разности потенциалов между участками поверхности, покрытыми колониями и свободными от них; в местах с более положительными значениями потенциала железо теряет электроны, образуя трехвалентный ион, который в присутствии воды превращается в ржавчину – Fe(OH)₃. Таким образом, микроорганизмы вызывают не только биокоррозию, но и, как в данном примере, могут способствовать возникновению процесса электрохимической коррозии.

Глава 2

Потомки луддитов

Со времен луддитов (особенно после принятия английским парламентом в 1811 г. специального закона, предписывающего карать их смертной казнью) никому не приходит в голову бороться с машинами. И все же иногда нам приходится сталкиваться с такими смельчаками. Вот пример: посланные в тропики трактора через некоторое время вышли из строя – разрушились детали из закаленной стали, которые обычно оставались целыми даже тогда, когда трактора сдавали на переплавку! Естественно – рекламации, комиссии, выговоры… Начали искать злоумышленников. Не нашли. Стали разыскивать более тщательно. И виновников обнаружили. Ими оказались микроорганизмы, которые аккуратнейшим образом «съели» на трущихся деталях всю смазку, включая и запрессованную в подшипники. Без нее, как известно, быстро выходят из строя подшипники самого лучшего качества, а без них не сможет работать ни один из механизмов, которыми мы пользуемся. Ну чем микробы не луддиты? Эти современные разрушители машин даже умнее людей, так как не тратят энергию на то, чтобы сломать их целиком, а только чуть-чуть увеличивают коэффициент трения между трущимися деталями, после чего механизм уже сам себя «доламывает». Идеальным вариантом борьбы с микробами-луддитами было бы введение для них смертельной казни, как в свое время для английских рабочих, чей протест против внедрения машин выражался в разрушении станков и оборудования. Однако с тех далеких времен человечество накопило некоторый (зачастую печальный) опыт применения радикальных средств борьбы с теми или иными вредителями. Помимо хрестоматийного примера с завезенными в Австралию кроликами появились новые случаи неудачного вмешательства человека в жизнь природы. В той же Австралии завезенные для борьбы с насекомыми-вредителями американские жабы-аги стали бедствием, по сравнению с которым кроличье нашествие можно считать мелкой неприятностью. В живой природе все так взаимосвязано, что неизвестно, не обернется ли победа над микробами-луддитами поражением в других сферах человеческой деятельности. Вот почему вопрос состоит не в том, чтобы уничтожить микроорганизмы, а в том, чтобы максимально снизить их вредоносный эффект в определенной сфере человеческой деятельности.

Глава 3

Секреты самурайских мечей

Отделкой золотой блистает мой кинжал;

Клинок надежный, без порока;

Булат его хранит таинственный закал —

Наследье бранного востока.

М. Ю. Лермонтов

Наши предки, даже не подозревая о существовании микроорганизмов, успешно использовали их в различных технологических процессах. Действительно, переработка продуктов питания, пивоварение, виноделие, хлебопечение, дубление кож… Этот список можно продолжать и продолжать.

Использование микроорганизмов в металлургии на первый взгляд кажется невозможным, и тем не менее есть гипотезы о том, что они сыграли немалую роль при производстве самурайских мечей. Самурайские мечи – особый тип холодного оружия, настолько отличающийся по качеству от остальных, что им можно легко перерубить другой меч или стальные доспехи.

Гипотеза использования микроорганизмов в технологическом процессе создания уникального оружия основана на их способности окислять железо. Здесь следует обратить внимание на тот факт, что железные руды, из которых в Японии выплавляли исходное железо, содержат небольшое количество хрома, молибдена и ванадия. Микропримеси этих элементов придают железу уникальные свойства, создавая так называемую легированную сталь. Для ее получения использовали разнообразные приемы. На одном из них, включенных в старинную технологическую схему, мы и остановимся.

После многократной ковки полосу стали закапывали на достаточно долгий срок в болотистую почву или просто в болото. И вот тут-то и вступали в дело микроорганизмы. Дело в том, что болотистые почвы содержат культуры микроорганизмов, способные использовать железо в качестве источника энергии. «Поедая» его, микроорганизмы увеличивают относительную концентрацию или мольную долю других металлов, создавая таким образом новые типы легированной стали. Эта технология напоминает современные методы ее получения. Отличие только в том, что нужные концентрации легирующих металлов в нынешнем варианте достигаются добавлением их к железу, а в старинном варианте такие концентрации получались за счет уменьшения содержания железа, «поедаемого» микроорганизмами, что также приводило к увеличению содержания легирующих элементов. Очевидно, что, варьируя время пребывания меча (или заготовки для него) в болотистой почве, можно создавать различные соотношения между железом и присадками. Многократное повторение этого этапа приводит к тому, что меч словно одевается в своеобразный «чехол» из легированной стали, благодаря чему формируются уникальные свойства самурайских мечей. Прочность на разрыв стали, используемой в Средние века оружейниками Японии, Дамаска и Испании, так и удалось никому превзойти в течение последующих веков. Кроме того, избирательное «выедание» микроорганизмами атомов железа или их кристаллов приводило к образованию на кромке лезвия резко выраженной неоднородной структуры, так называемой «микропилы», обладающей значительно большей режущей способностью по сравнению с обычными лезвиями.

В заключение главы следует отметить, что описанная технология – не более, чем предположение, а современные металлурги пытаются объяснить уникальные свойства самурайских мечей наличием в структуре металла нанотрубочек, что, впрочем, тоже можно считать очередной рабочей гипотезой для объяснения замечательных свойств этого оружия, созданного много веков назад.

Глава 4

Микробы и… Бермудский треугольник

Говорил, ломая руки,

Краснобай и баламут

Про бессилие науки

Перед тайною Бермуд.

В. Высоцкий

Две трети земной поверхности занимает вода. Моря и океаны, разделяя страны и народы, в то же время служат наиболее дешевыми транспортными магистралями. Тысячи судов различной грузоподъемности бороздят водную поверхность. Однако, несмотря на развитие средств навигации и возросшую энерговооруженность морского транспорта, судоходство по-прежнему представляет собой отнюдь не безопасное мероприятие. И по сей день корабли гибнут из-за туманов, штормов, тайфунов, ураганов, цунами; гибнут, посылая в эфир SOS – призыв о помощи. По сообщениям с потерпевшего крушение корабля можно восстановить всю картину бедствия и в будущих моделях судов учесть выявленные в экстремальных условиях конструктивные недостатки. Но бывают случаи, когда корабли исчезают, не успев подать никаких сигналов. И тогда рождаются легенды, иногда очень интересные и волнующие, о гигантских морских змеях, заглатывающих целые суда, или китах, ударом исполинского хвоста переворачивающих корабли, или об удивительных свойствах некоторых районов океана, например о так называемом Бермудском треугольнике.

Так называется область Атлантического океана между Пуэрто-Рико, Флоридой и Бермудскими островами, в которой, согласно мнению многих исследователей, происходит масса необъяснимых явлений. За последние 50 лет в Бермудском треугольнике произошло более 1000 загадочных событий. Для их объяснения используются различные теории, а когда их не хватает, появляются легенды. Но, как правило, они весьма далеки от истинной причины катастрофы, которую пытаются найти моряки и кораблестроители.

А истина иногда может быть довольно простой. Но сначала немного теории. С тех пор как человек впервые попытался протащить по земле тяжелый предмет, он поневоле столкнулся с проблемой трения, и в частности с трением сыпучих тел. Когда мы тянем по земле достаточно тяжелый груз, то перемещается не только он сам – движутся и верхние слои почвы относительно друг друга. Коэффициент трения между этими пластами определяется состоянием трущихся поверхностей, их шероховатостью, величиной удельного давления, временем подвижного контакта, физико-механическими и химическими свойствами, но главным образом вязкостью, скоростью движения слоев относительно друг друга и смазкой.

А теперь вообразите себе гигантский сухогруз, груженный рудой. Ее слои благодаря трению крепко «держатся» друг за друга, и она становится почти неподвижным монолитом. Представьте, что коэффициент трения резко уменьшился, и слои «поплыли» относительно друг друга. Добавьте к этому небольшую качку, и вы увидите, как сотни тонн руды начинают перемещаться и с огромной силой ударять в борт судна. В результате оно, расколовшись пополам, тонет. Даже не проломив борт, а только сместившись, огромная масса руды так меняет положение центра тяжести корабля, что он может тут же перевернуться и затонуть, даже не успев послать сигнал SOS[1]

Как же мог так быстро измениться коэффициент трения?[2] здесь злоумышленниками могут оказаться микроорганизмы. Поселившись на поверхности руды и размножаясь в огромных количествах, они образуют пленку, значительно снижающую коэффициент трения. В этом случае микроорганизмы играют роль смазочных масел, с той лишь разницей, что снижение коэффициента трения приводит отнюдь не к положительным результатам, как это обычно бывает в технике, а к трагическим последствиям.

Кстати сказать, в пресловутом Бермудском треугольнике, где таинственным образом исчезают корабли, идеальные условия для развития микроорганизмов: высокие температура и влажность воздуха. И как знать, не являются ли в некоторых случаях виновниками таинственного исчезновения судов не космические пришельцы и не удивительные свойства некоторых участков морской поверхности, а всего-навсего вездесущие микроорганизмы?

Глава 5

Микробы и землетрясения

Даже если все микробы разом подпрыгнут, вряд ли это приведет к землетрясению.

В. Шинкаревский

Население Земли в 2012 г. составляет около 7 млрд. К 2050 г. нас будет 12 млрд, из них 9 млрд будут жить в городах.

Исторически сложилось, что большинство городов расположены в устьях рек и на побережьях морей и океанов, где преобладают песчаные почвы или просто даже пески. Возведение многоэтажных зданий, особенно на таких почвах, сопряжено с определенными сложностями, особенно в зонах, где сейсмическая подвижность грунтов доставляет дополнительные трудности или значительно удорожает строительство.

Сопоставляя размеры микроорганизмов с размером строительных объектов, трудно даже представить себе, что такие маленькие по всем параметрам существа могут оказывать какое-то влияние на такое масштабное явление, как градостроительство. Конечно, микроорганизмы не могут остановить землетрясения или препятствовать их возникновению, но они способны снизить разрушающий эффект этого природного явления, в результате которого страдают дамбы, здания и другие сооружения.

Каждый, кто бывал на пляже, наверняка видел «строительство» замков на песке и из песка и знает, насколько непрочны эти сооружения. Их зыбкость и недолговечность объясняется слабым взаимодействием между частицами песка или низким коэффициентом трения.

В предыдущей главе мы уже писали, как микробы могут уменьшить трение между слоями сыпучих веществ и к чему это может привести. В данной главе речь тоже пойдет о трении, но на этот раз будут рассмотрены возможности микроорганизмов, связанные с его увеличением. Действительно, увеличить трение можно, даже если слегка смочить песок водой. Но она испаряется, и замки, рассыпаясь, разрушаются. В строительстве вместо воды используют цемент – вещество, содержащее углекислый кальций.

Культура Bacillus pasteurii (продуктом ее метаболизма является все тот же углекислый кальций), внесенная в грунт, как бы цементирует частицы песка друг с другом, увеличивая возможность песчаной почвы противостоять разрушающим силам сдвига, возникающим при землетрясениях.

Теоретически возможны два варианта использования этого микроорганизма: первый – внедрение культуры Bacillus pasteurii в объем дамбы или фундамента, или, если она в них уже присутствует, – в грунт питательной среды, стимулирующей рост бактерий. Проницаемость песка достаточна велика: в обоих вариантах и бактерии, и питательная среда легко проникают во весь объем грунта, обеспечивая необходимое цементирование. Регулируя количество введенных микроорганизмов и массу питательной среды, можно изменять качество цементирования в зависимости от требований, предъявляемых строительством.

Такие приемы могли бы предотвратить и провалы, и вымывание грунтов, и оползни, придавая даже уже построенным сооружениям бoльшую устойчивость к землетрясениям.

Следует также упомянуть о способности микроорганизмов создавать колонии в виде пленок, которые образуются практически везде, где поверхности соприкасаются с водой и воздухом. Бактериальные пленки состоят из миллиардов клеток, склеивающихся с поверхностью и между собой. Они широко представлены в природе, к тому же достаточно и механически, и химически устойчивы. С негативным эффектом увеличения поверхностного слоя бактерий на наших зубах мы сталкиваемся ежедневно утром и вечером, снимая этот налет зубной щеткой. Образующиеся на зубах бляшки, представляющие собой скопление бактерий, достаточно прочно связаны с их поверхностью, и чтобы избавиться от них, иногда приходится прибегать к помощи стоматолога и целого арсенала средств, включая обработку ультразвуком. Изучение образования и роста микробных популяций в виде пленок выявило некоторые механизмы управления поверхностным ростом. Выяснилось, что микроорганизмы выделяют специальные белки, способствующие взаимодействию миллионов бактерий друг с другом, результатом которого и является пленочный рост. Нельзя ли найти полезное применение механической прочности и химической устойчивости микроорганизмов? Такие попытки уже есть. Поверхностные микробные пленки способны служить непроницаемым барьером, препятствующим распространению загрязнений. Значит, можно, например, с их помощью блокировать утечку нефти из поврежденных подземных хранилищ. Такие пленки эластичны и не разрушаются даже при землетрясениях. Причем при их использовании и затраты ниже, и экологическое воздействие на окружающую среду более щадящее, чем при применении для этих же целей эпоксидных смол, а также акриламидных или силикатных пленок.

Глава 6

Фонтаны, монеты и… микробы

Обычай – деспот меж людей.

А. С. Пушкин

Считается, что каждый человек, посетивший Рим, обязательно должен побывать на площади Навона, где расположен один из красивейших фонтанов в мире – Треви. Почти все туристы бросают в воду монеты: существует поверье, что тот, кто это сделает, обязательно вернется в Рим еще раз. Желающих повторно попасть в «столицу мира» достаточно: ежегодно из фонтана Треви извлекается монет на сумму около $600 000.

К сожалению, история не сохранила причину происхождения этого поверья, но мы знаем, что во многих странах, в том числе и на Руси, тоже существовал обычай при освящении бросать серебряную монету во вновь отрытый колодец.

Мы знаем также, что никаких знаний о микробах у наших древних предков не было (да и не могло быть). Но в силу своего опыта они предполагали существование «миазмов» – некой субстанции, которая присутствует в затхлой воде и в воздухе заболоченных мест, имеет неприятный запах и вызывает различные заболевания.

Не исключено, что нашим предкам только эмпирическим путем удалось найти связь между серебряной монетой, опущенной в воду, и снижением уровня миазмов, или заболеваемости после питья такой, обработанной серебром, воды. Возможно, подобного рода связи отмечались неоднократно и постепенно вошли в обиход. Если к этому добавить, что монеты в те времена чеканились не из медно-никелевых сплавов, как сегодня, а из золота и серебра – металлов, как теперь известно, обладающих сильным бактерицидным действием (чтобы обезвредить литр воды, достаточно несколько миллиардных долей грамма), то можно предположить, что бросание серебряной монеты – способ обеззараживания воды, эмпирически найденный древними. А сохранившийся до наших дней обычай – всего лишь атавизм.

Разумеется, антибактериальные свойства серебра находят применение и в наше время. Его преимущество перед другими антибиотиками заключается в том, что оно не действует на клетки человека. Серебро добавляют к изделиям из пластмассы и получают контейнеры, в которых пищевые продукты не портятся неделями. Фильтры для систем кондиционирования воздуха и очистки воды, бактерицидная краска для стен и потолков операционных, перевязочные и текстильные материалы, а также просто одежда, поверхности клавиатур и телефонов – вот далеко не полный перечень областей, где используются свойства серебра, открытые много веков тому назад.

Глава 7

Расхитители музейных ценностей

Какое нам, в сущности, дело,

Что все превращается в прах.

А. Ахматова

В этой главе речь пойдет не о хитроумных уловках музейных воров, не об отмычках и других «инструментах», с помощью которых они вскрывают сейфы или проникают в бронированные хранилища, где находятся сокровища мировой культуры. Останется в стороне и вопрос о баснословных ценах, по которым продаются украденные шедевры. И тем не менее речь пойдет о расхитителях музейных ценностей, которыми оказываются… все те же микробы. Редко кто задумывается, почему в каждом музее имеется гардероб, само существование которого поневоле уменьшает число посетителей, и для чего в каждом зале висят на стене термометр и психрометр для измерения, соответственно, температуры и влажности воздуха. Все это делается для того, чтобы ограничить проникновение в залы музеев и в запасники невидимых расхитителей музейных ценностей – микробов и создать для них крайне неблагоприятные условия.

Недавно в одном из тибетских монастырей было обнаружено удивительное собрание рукописей, возраст которых превышает сотни лет. Выполненные на пергаменте, представляющем собой отличный объект для атаки микроорганизмов, рукописи тем не менее хорошо сохранились. Каким же образом?

Посетивший монастырь журналист был удивлен предосторожностями, которые соблюдались при посещении хранилища рукописей. Вход в него состоял из нескольких тамбуров, в каждом из которых надо было прочесть молитву, чтобы очиститься от греховных мыслей и заодно сменить бренную верхнюю одежду. Все это напоминает применение мер предосторожности перед хирургической операцией, когда необходима максимальная стерильность. Именно уменьшение количества микроорганизмов (о полном избавлении от них в этих условиях не может быть и речи) позволило сохранить рукописи для потомков.

Картины великих мастеров прошлого, написанные красками, составленными на основе растительных и животных жиров, тоже подвергаются атаке и разрушаются. Ведь составные части лаков и красок служат благоприятной питательной средой для развития микроорганизмов. Пострадавшими могут оказаться не только картины. Микробной атаке подвергаются, к сожалению, все музейные ценности, а также изделия из дерева, текстиля, металла и памятники архитектуры. Все они нуждаются в защите от микроорганизмов. На сырых стенах зданий известный русский микробиолог Б. Л. Исаченко обнаружил тионовые бактерии и высказал предположение (впоследствии подтвердившееся) об их возможной роли в гибели архитектурных сооружений. С деятельностью бактерий английские микробиологи связывают разрушение стен шедевра английской архитектуры – Вестминстерского аббатства. Плесень уничтожает фрески и витражи знаменитого Кентерберийского собора, созданные в XII–XV вв.

Крупнейшее в мире собрание чертежей, рисунков и рукописей Леонардо да Винчи в Милане поражено грибком. Шедеврам доисторической живописи – росписям пещеры Ласко в южной Франции, датируемым XV тысячелетием до новой эры, угрожает грибок Fusarium solani.

От обычных воров есть защита: сейфы и сигнализационные системы различной степени надежности. Абсолютной защиты от микроорганизмов нет. Самым надежным средством было бы их устранение, но чаще всего такая задача практически невыполнима. И это объясняется не только вездесущностью микробов, но и тем, что не все предметы искусства могут быть подвергнуты жесткой бактерицидной обработке. Поэтому единственное, что в этом случае остается на вооружении в борьбе с этими расхитителями музейных ценностей, – максимальная изоляция предметов искусства, включая их покрытие непроницаемым для микроорганизмов барьером. И чем она надежнее, тем больше шансов на сохранение шедевров мирового искусства для будущих поколений. Вот почему одеваются в стекло и пластик уникальные скульптуры Летнего сада в Санкт-Петербурге и мраморные львы Воронцовского дворца в Алупке. Вот почему серьезно стоит вопрос о сокращении числа посетителей музеев, чтобы сохранить для потомков шедевры ушедших веков.

Глава 8

Геология рядом с нами

На дне лесных озер, на болотах и речных плесах порой можно заметить рыхлый осадок цвета ржавчины. Если осторожно извлечь этот осадок, не нарушив его структуры, то даже при небольшом увеличении, под лупой можно различить тончайшие нитевидные образования различных оттенков, от желтого до темно-коричневого, причудливым образом переплетенные в комки, напоминающие вату. На первый взгляд может показаться, что ржавчина образовалась из случайно попавшего сюда куска железа. Однако это не так. Рассматривая комочки при бoльшем увеличении, мы заметим множество палочковидных клеток, из которых состоят нити. Клетки покрыты слоем гидрата окиси железа, который и придает им цвет ржавчины. Откуда же взялось в воде такое его количество?

Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Оно встречается в виде окисных и закисных соединений, причем закисные значительно лучше растворяются в воде, чем окисные. Таким образом, наличие в воде растворимых соединений легко объяснить. Они попадают в нее, вымываясь из различных железосодержащих минералов. Но откуда в воде берутся нерастворимые окисные формы железа, непонятно. Тем более что переход закисных форм в окисные происходит очень медленно и в экспериментальных условиях в растворе двухвалентного железа осадок трехвалентного железа если и образуется, то в очень небольших количествах. Следовательно, в природной среде что-то ускоряет процесс окисления железа и его переход в нерастворимые соединения. Этим ускорителем оказались микроорганизмы.

Рассматривая под микроскопом уже упомянутые нами нити железистой ваты, можно разглядеть внутри них живые клетки, которые в процессе роста покрываются слоем окислов железа. Одеваясь в такую железную броню, микроорганизмы сами себе прекращают доступ кислорода и в погоне за лучшими условиями жизни как бы вылезают из брони, оставляя наблюдателю рыхлые осадки окислов железа. Со временем эти осадки накапливаются на дне водоемов и, уплотняясь под тяжестью собственного веса и давления воды, образуют месторождение бурого железняка. Еще в XVIII в. шведский ученый Э. Сведенборг отмечал удивительный факт регенерации месторождений железной руды на уже выработанных участках через 24 года. Действительно, для образования промышленного месторождения нужно очень много лет. Однако в микроколичествах образование «месторождения» может наблюдать каждый, у кого есть немного терпения и наблюдательности. Вот вам и геологические процессы на дому.

Глава 9

Пятью хлебами

Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли, помимо обычной культуры, то есть на особых фабриках и заводах.

Д. И. Менделеев

Проблема питания – одна из самых острых, которые стояли и стоят перед человечеством. Среднесуточное потребление белка – главнейшего компонента пищи – в различных странах колеблется от 50 до 100 г на душу населения. Всего на земном шаре живут около 7 млрд человек. Простое арифметическое действие – умножение – дает астрономическую цифру ежедневной потребности в белке. Уже сейчас 400 млн людей голодает, дефицит белка в мире составляет миллионы тонн и продолжает расти.

Синтез белка растениями находится в зависимости от погодных условий и качества посевных площадей. Можно, конечно, их увеличить и добиться повышения урожайности для повышения сборов растительного белка. Однако в настоящее время лучшие почвы в основном уже освоены, и расширение пахотных земель если еще и возможно, то лишь за счет освоения менее плодородных почв, где урожаи будут значительно ниже. Все это говорит о том, что даже само по себе увеличение посевных площадей в настоящее время не приведет к решению проблемы питания. Необходимо использовать новые подходы.

С детства мы знаем легенды, герои которых удивительным образом справляются с этой задачей. Все, наверное, помнят сказку братьев Гримм о волшебном горшочке. Девочке из бедной семье его подарила старушка, которую она повстречала в лесу. Стоило только сказать: «Раз, два, три, горшочек, вари», как он начинал варить вкусную сладкую кашу. Или не менее удивительный вариант, описанный в Евангелии: «…Он взял пять хлебов и две рыбы, воззрев на небо, благословил и преломил хлебы, и дал ученикам Своим, чтобы они роздали им… И ели все и насытились… Было же евших хлебы около пяти тысяч мужей». Не правда ли, чудо? Но ведь мы привыкли к тому, что в наше время сбываются самые невероятные мечты наших предков. Оказалось, что и евангельское «чудо» с пятью хлебами не так уж невозможно. Для этого нужно использовать синтетические способности микроорганизмов – биологических объектов с наиболее интенсивным уровнем обменных процессов.

Действительно, 5 кг дрожжевых клеток, размножаясь, дают в течение суток биомассу, равную среднему весу двух коров. Ею уже можно накормить несколько тысяч человек, особенно если учесть, что примерно половину веса дрожжевых клеток составляет белок. Вот вам и пять хлебов, которыми Христос накормил пять тысяч мужей. Элементарные расчеты показывают, что такое «чудо» вполне возможно. Нужно только найти микроорганизм, способный вести интенсивный синтез белка, снабдить его исходным сырьем, создать необходимые условия для роста – и проблема будет решена.

Промышленное производство белка с помощью микроорганизмов не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий и позволяет получать продукцию стандартного качества. Однако здесь есть свои трудности: это проблема и сырья, и высокого содержания в получаемом продукте наряду с белками нежелательных нуклеиновых кислот. Однако и эти проблемы успешно решаются или уже решены. Показано, что прием в пищу 20–30 г дрожжей, что соответствует приему 2 г нуклеиновых кислот, не оказывает вредного воздействия на человеческий организм. Кроме того, содержание нуклеиновых кислот в биомассе дрожжей может быть значительно снижено за счет специальной обработки. Что касается сырья, то и эта проблема частично решена, так как выращивание дрожжей может проводиться на питательных средах, содержащих этиловый или метиловый спирты, а также газ и другое углеводородное сырье.

Человечество узнало об этиловом спирте тысячи лет тому назад. Фрукты или фруктовые соки, содержащие углеводы, превращались попавшими из воздуха микроорганизмами в этиловый спирт. Такой процесс называется брожением, и он был известен еще нашим далеким предкам, которым, очевидно, понравились перебродивший сок и его последующее действие. С тех пор производство спирта возросло до миллионов тонн, но, конечно, не весь он идет на производство веселящих напитков. Спирт – важное сырье для химической промышленности, и ее потребности до недавнего времени определяли масштабы его производства. В последние годы к уже известным потребителям спирта прибавился еще один – микроорганизмы. При этом имеет место следующая взаимосвязь, изображенная на схеме:

Одни микроорганизмы превращают углеводы растительного происхождения, образующиеся в результате фотосинтеза, в спирт, а другие используют его для получения белка. Исходное сырье – углеводы – может быть получено почти в неограниченных количествах в районах, в которых производство растительного сырья не представляет проблем, например в тропиках. Процессы, представленные на этой схеме, позволяют использовать даровую солнечную энергию для биосинтеза белка. Наверное, следует более подробно остановиться на проблеме микробного белка и причинах, вызвавших к нему значительный интерес. Дело в том, что хотя растительные корма и содержат достаточное количество белка, его качество не может удовлетворить пищевые потребности человека из-за отсутствия в нем некоторых «незаменимых» аминокислот. Так, белки пшеницы бедны лизином, белки гороха – метионином, а белки кукурузы – триптофаном. Нехватка этих аминокислот в пище может быть восполнена добавлением белков микробного происхождения, что даст возможность обеспечить полноценным питанием человека и животных.

Не следует думать, что использование микробного белка превратит человека в поедателя дрожжей. Существует множество пищевых производств, нуждающихся в белковых добавках: это и хлебопечение, и животноводство, и рыбоводство.

И все же, несмотря на впечатляющие успехи микробиологического синтеза, основным поставщиком пищи является сельское хозяйство, объем продукции которого достиг 5 млрд тонн. В связи с ростом народонаселения к 2025 г. этот показатель должен быть увеличен на 50 %.

Предыдущее значительное повышение урожайности зерновых и риса – так называемая «зеленая революция» – было достигнуто за счет распространения высокоурожайных короткостебельных сортов пшеницы и риса. Признак короткостебельности контролируется генетически и легко передается при гибридизации, что в значительной степени облегчает селекцию новых высокоурожайных сортов. «Зеленая революция» сняла висящий над многими странами дамоклов меч голода и помогла накормить азиатские страны, численность населения которых за последние 40 лет увеличилась вдвое (с 1,6 до 3,5 млрд человек).

Норман Борлоуг – отец «зеленой революции» – понимал ее не только как использование новых высокоурожайных сортов, но и как начало новой эры развития сельского хозяйства, основанной на широком внедрении новейших достижений науки в практику сельского хозяйства.

И действительно, если во времена «зеленой революции» селекция проводилась по одному признаку – короткостебельности, то сейчас генетическая инженерия растений может отбирать и вводить в них отдельные гены, ответственные за устойчивость к недостатку или избытку влаги, насекомым-вредителям, гербицидам, а также к жаре или холоду. Можно создавать растения, способные снабжать себя азотными удобрениями, как это делают азотофиксирующие микроорганизмы, или содержащие питательные вещества в заданных пропорциях.

Таким образом, успехи микробиологии и генетической инженерии растений могут сыграть роль тех «пяти хлебов», которыми можно досыта накормить все человечество.

Глава 10

Микробы-криминалисты

– Да скажите же нам, наконец, что это за муха? – воскликнул Дик Сэнд.

– Эта муха, – ответил энтомолог, – эта милая мушка, которую я держу в руке, называется цеце. Этой мухой до сих пор по праву гордился только один континент. Ни один ученый не находил еще цеце в Америке.

Жюль Верн

С тех пор как кузен Бенедикт, ученый-энтомолог, помог Дику Сэнду определить, в какую часть света их заманил негодяй Негоро, казалось бы, отпала необходимость в определении таким методом своего местоположения.

Тем не менее бывают случаи, когда требуется в криминалистических или каких-либо других целях определить, из какой местности получены те или иные образцы почв, семян, плодов и т. п. И здесь на помощь приходят не насекомые, а микробы. Ведь микроорганизмы есть всюду. Невозможно найти предмет, если, конечно, это не специально подготовленный для операции стерильный хирургический инструмент, на котором не было бы микроорганизмов.

Покрывая все окружающие предметы, они как бы маркируют их. Заинтересованному исследователю остается лишь расшифровать эту маркировку и уже по ней без особого труда определить происхождение исследуемых объектов, учитывая, что в определенных географических зонах обитают определенные микроорганизмы.

Когда рассказывают об использовании науки в разоблачении различных преступлений, то очень часто приводят пример, как американский физик Роберт Вуд «вывел на чистую воду» хозяйку пансионата, которая кормила своих постояльцев завтраками, приготовленными из остатков вчерашней еды. Подсыпав немного хлористого лития к остаткам обеденной трапезы, Роберт Вуд на следующее утро обнаружил красную спектральную линию лития в сожженных перед щелью спектроскопа образцах завтрака. Порок был наказан, а история обогатилась еще одним примером торжества науки.

Между тем в ее истории есть и менее известные примеры, иллюстрирующие аналитические возможности микробиологии. Мы уже говорили, что она многим обязана Пастеру. Именно он впервые использовал микроорганизмы в качестве тест-объектов. Изучая болезни вина, Пастер научился, не пробуя его, определять вкусовые качества напитка. Для этого он помещал под микроскоп капельку вина и тут же давал абсолютно точный ответ, горчит оно или, наоборот, отдает уксусом, изумляя не только неискушенных в научных экспериментах крестьян-виноделов, но и ученых, своих современников. На наш взгляд, этот пример должен пользоваться не меньшей популярностью, чем история с Робертом Вудом.

Микроорганизмы могут оказывать порой неоценимую помощь в таком старом методе идентификации людей (и преступников!), как дактилоскопия. Она основана на сравнении отпечатков пальцев с оригиналом, хранящимся в базе данных. Однако в некоторых случаях они видны не столь отчетливо, как хотелось бы криминалистам. Несмотря на отсутствие видимых отпечатков, на поверхности предметов почти всегда остаются невидимые для человеческого глаза химические вещества. Они выделяются с потом и повторяют контуры отпечатков пальцев. Если эту загрязненную поверхность засеять микроорганизмами, то, разрастаясь только на этих выделениях, они сделают невидимые следы видимыми. Таким образом, микроорганизмы как бы проявляют негативы отпечатков пальцев и делают их доступными для следствия.

Примечания

1

То, что мы рассказали, – не выдумка. В США во время шторма на одном из Великих озер именно таким образом разломился пополам и затонул пароход, груженный железной рудой.

2

Коэффициент трения между слоями определяется состоянием трущихся поверхностей и смазкой.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.