Гиганты в мире бактерий-анаэробов
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Возможна ли жизнь без кислорода? Лет сто назад таком вопрос мог бы показаться лишь неуместной шуткой. Сегодня же анаэробы — бактерии, способные существовать в бескислородной среде, — являются предметом самого тщательного изучения в микробиологических лабораториях всего мира. Достаточно сказать, что большинство бактерий — анаэробы. Роль их в жизни нашей планеты огромна. Основа жизни — круговорот азота в природе, распад органических остатков, почвообразование, гниение, брожение… Все эти процессы протекают при участии анаэробов.
Мир анаэробов еще очень мало изучен. За полтора века, прошедших со времен открытия Луи Пастером явления анаэробиоза до настоящего времени, удалось выделить и изучить, вероятно, не более одной десятой всех «без кислорода существующих» бактерий. Стремление изучить эти формы жизни оправдывают не только распространенность и роль анаэробов. Бескислородное существование определило коренное отличие всех дыхательных процессов клетки от уже известных науке, привело к созданию принципиально новых путей высвобождения энергии. Быть может, именно здесь ключ к пониманию форм и способов существования жизни на других планетах…
Одной из самых интересных (и малоизученных до последнего времени) проблем оставался свойственный бактериям процесс образования спор. Спора — это как бы крупица живого, законсервированная жизненная пружина, которая может быть «сжатой» неограниченно долгое время и «развернется» только тог да, когда окружающие условия будут благоприятными для жизни именно этого вида организма. А до тех пор спора «дремлет», покрытая прочной оболочкой, которой снабжает ее клетка-мать. Защита столь надежна, что споры некоторых микроорганизмов могут ставить рекорды по устойчивости жизни. Не страшны им ни длительное высушивание, ни сильное прогревание, ни огромные давления, ни большие дозы облучения, ни холод космического пространства. Достаточно вспомнить, что некоторые спорообразующие бактерии приспособились к жизни даже в воде ядерных реакторов!
Образование споры — поворотный момент в жизни микробной клетки. Оно требует таких энергетических затрат, такого количества строительного материала, что в клетке объявляется как бы тотальная мобилизация. Так происходило бы если бы внутри многоэтажного жилого дома взялись построить мощный и вместительный блиндаж. На это ушли бы все внутренние перекрытия и перегородки дома. Нетронутыми остались бы только стены.
Зато уж такой блиндаж — спора — поможет выжить микробам в самых неблагоприятных условиях, вплоть до переноса их с планеты на планету.
Итак, до самого последнего времени считалось совершенно определенным, что спорообразование призвано помочь бактериям пережить «тяжелые времена», никак не больше. Так ли это?
Микробиолог Н. А. Красильвиков, много лет изучавший процесс спорообразования у анаэробов, анализируя результаты своих исследований, пришел к интереснейшему выводу. «Мы допускаем, — пишет он,— что спорообразование у бактерий является биологической формой обновления организма, способом повышения жизнеспособности клеток, а следовательно, и всего вида. Спору можно рассматривать как зиготную (то есть оплодотворенную) клетку, образовавшуюся после слияния различных частей протопласта».
Это совершено новый взгляд на теорию спорообразования: выходит, что спора не кусочек живого, с трудом переживающий «тяжелые времена», не жизнь, насильственно загнанная тесную клетку, едва теплящаяся и готовая затухнуть. Нет, спора — это клетка с уже у прошедшим оплодотворением. Микроорганизм, создавая спору, «оберегает» свой вид от вырождения. Внутри мощной оболочки таится стойкая, жизнеспособная сила. Пружина жизни разворачивается каждый раз с новой энергией, помогая виду совершенствоваться и поднимая его на более высокую ступень…
Итак, на смену догадкам и недоумениям, много лет окружавшим процесс спорообразования у анаэробов, пришла стройная гипотеза, определяющая ход дальнейших научных исследований.
Изучая спорообразование анаэробных бактерий рода клостридиум, ученые сумели выделить штампы необычайно больших бактерий, достигающих 30 и даже 40 микрон в длину и 2—3 микрон в толщину (обычный размер бактерий этого рода — около 2—6 микрон в длину и 0,5—1,0 микрона в толщину).
Удача? Несомненно, ибо всякий микробиолог стремится выделить объект «покрупнее»: исследовать большие клетки, естественно, значительно удобней. Случай? Нет, упорный труд. Прежде чем встретить этих гигантов, ученый выделил 107 штаммов анаэробных бактерий, 13 из которых не были известны мировой науке.
Итак, в лаборатории поселились колонии «микрогигантов», за которыми было установлено наблюдение. В клетке постепенно начинает закладываться спора. Ядерные участки, или, как их принято называть, нуклеоиды, напоминающие «гантели», располагаются поперек клетки. На четвертые сутки «гантели» превращаются в шарообразные гранулы. Затем несколько нуклеоидов сближаются в одной части клетки, вытягиваются в две длинные хроматиновые нити и начинают продольно сливаться, закручиваясь при этом одна вокруг другой по спирали. Такое «поведение» хроматиновых нитей, чрезвычайно напоминающее сближение хромосом при половом размножении клеток у высших животных и растений, в бактериальных ядрах не наблюдалось никогда.
На следующих этапах спорообразования из двух закрутившихся друг с другом нитей образуется толстая палочка — ядерная структура. Ядерную структуру «обволакивает» вещество белковой природы, и дальнейшее «созревание» споры характеризуется уплотнением РНК и ДНК хроматиновых нитей и концентрацией вокруг них протоплазмы. Одновременно с этим складывается и уплотняется оболочка споры.
Если то, что происходило до сих пор, можно было определить как внутриклеточный половой процесс, то, заглянув теперь с помощью различных ухищрений в спору, мы убедимся, что за причиной всегда идет следствие. Толстая хроматиновая палочка, образовавшаяся из двух нитей, снова расщепляется на две хроматиновые нити-спирали, которые остаются в центре спор!
Если в дальнейшем спора прорастает, эти нити расходятся по продольной оси и дают начало ядрам двух юных вегетативных клеток — потомков споры. В. Дуде удалось наблюдать образование «спор-близнецов», когда в пределах оболочки одной бактерии-клетки закладывались и строились два «блиндажа», конечно, соответственно меньших размеров. Такое обнаружение двуспоровости (самая возможность которой категорически отрицалась бактериологами) принципиально очень важно, ибо служит подтверждением того, что спорообразование, кроме средства защиты от неблагоприятных условий, есть еще и процесс размножения.
Изучая споры анаэробных бактерий, исследователи до сих пор встречали лишь гладкую, чуть шероховатую или в крайнем случае слегка бугристую поверхность. А вот споры бактерий, выделенных В. Дудой, обладали совершенно уникальным строением. Они были снабжены выростами — сплетениями нитей, которые располагались на одном конце споры, на обоих концах и даже по всей ее поверхности. По длине, толщине и строению эти нити-выросты различались в зависимости от вида бактерий: были здесь «трубочки», толстые «косы», растрепанные на концах, разветвляющиеся прутики и «ламповые щетки».
У основания эти нити были собраны в плотный узел-подушечку, которая была прикреплена к оболочке споры. Пронизывая подушечку, нити глубоко уходили своими «корнями» в спору. Подушечка же была окутана тонкой, прозрачной пленкой, образовывавшей как бы манжету вокруг расходящегося пучка нитей. Все признаки выростов настолько индивидуальны, что их можно использовать для видового определения этой группы бактерии.
Какова же биологическая роль этих выростов-нитей? Пока ее можно только предполагать. Ясно одно: такие обильные «архитектурные излишества» не возникнут без крайней необходимости у бактериального организма, чрезвычайно экономно и целесообразно расходующего свои силы. Тот факт, что эти выросты были найдены на спорах бактерий, не терпящих даже следов кислорода, а также другие данные позволили предположить, что перед нами своеобразные органы питания.
…Нити-выросты жадно тянутся от споры к питательным запасам клетки. Капли гликогена, жировые включения постепенно исчезают сначала «в окрестностях» споры, а затем и дальше по мере их наступления. В конце концов, в материнской клетке хоть шаром покати. Остается оболочка и немного протоплазмы. Зато спора подросла и сильно раздобрела. Кстати, возможность роста спор была также впервые обнаружена в опытах В. Дуды, а до этого спору представляли как низменную часть живого вещества клетки, по какой-либо причине ушедшую в оболочку и неспособную больше увеличиваться.
На самом же деле спора, копящая в себе огромную жизненную энергию и строящая вокруг себя мощную многослойную оболочку, готовится к возможным невзгодам и нуждается в питательных веществах. Нити-выросты, построенные, очевидно, из белкового вещества, играют в этом процессе роль «проводящих сосудов».
Но вот разрывается оболочка истощившейся материнской клетки, зрелая спора выходит наружу, и над ней, как пышный султан, расправляются тонкие нити, которые до сих пор были «упакованы» в материнской клетке, как страусовые перья в тонкой бамбуковой трубочке.
Споры — это снаряды жизни, ее наступательное оружие, которое природа щедро разбрасывает повсюду. Не прекращающиеся «взрывы» этих снарядов в самой различной обстановке снова и снова утверждают торжество всепобеждающей жизни.
Автор: А. Тамбиев.