Гіганти в світі бактерій-анаеробів
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи можливе життя без кисню? Років сто тому таке питання могло б здатися лише недоречним жартом. Сьогодні ж анаероби — бактерії, здатні існувати в безкисневому середовищі, — є предметом самого ретельного вивчення в мікробіологічних лабораторіях всього світу. Досить сказати, що більшість бактерій — анаероби. Роль їх у житті нашої планети величезна. Основа життя — кругообіг азоту в природі, розпад органічних залишків, ґрунтоутворення, гниття, бродіння… Всі ці процеси протікають за участю анаеробів.
Світ анаеробів ще дуже мало вивчений. За півтора століття, що минули з часу відкриття Луї Пастером явища анаеробіозу до теперішнього часу, вдалося виділити і вивчити, ймовірно, не більше однієї десятої всіх «без кисню існуючих» бактерій. Прагнення вивчити ці форми життя виправдовують не тільки поширеність і роль анаеробів. Безкисневе існування визначило корінну відмінність всіх дихальних процесів клітини від вже відомих науці, призвело до створення принципово нових шляхів вивільнення енергії. Бути може, саме тут ключ до розуміння форм і способів існування життя на інших планетах…
Однією з найцікавіших (і маловивчених до останнього часу) проблем залишався властивий бактеріям процес утворення спор. Спора — це як би крихта живого, законсервована життєва пружина, яка може бути «стислою» необмежено довгий час і «розгорнеться» тільки тоді, коли навколишні умови будуть сприятливими для життя саме цього виду організму. А до тих пір спора «дрімає», покрита міцною оболонкою, якою забезпечує її клітина-мати. Захист настільки надійний, що спори деяких мікроорганізмів можуть ставити рекорди по стійкості життя. Не страшні їм ні тривале висушування, ні сильне прогрівання, ні величезні тиски, ні великі дози опромінення, ні холод космічного простору. Досить згадати, що деякі спороутворюючі бактерії пристосувалися до життя навіть у воді ядерних реакторів!
Утворення спор — поворотний момент в житті мікробної клітини. Воно вимагає таких енергетичних витрат, такої кількості будівельного матеріалу, що в клітині оголошується як би тотальна мобілізація. Так відбувалося б, якби всередині багатоповерхового житлового будинку взялися побудувати потужний і місткий бліндаж. На це пішли б всі внутрішні перекриття і перегородки будинку. Недоторканими залишилися тільки стіни.
Зате вже такий бліндаж — спора – допоможе вижити мікробам в самих несприятливих умовах, аж до перенесення їх з планети на планету.
Отже, до останнього часу вважалося абсолютно певним, що спороутворення покликане допомогти бактеріям пережити «важкі часи», ніяк не більше. Чи це так?
Мікробіолог М. А. Красильвіков, багато років вивчав процес спороутворення у анаеробів, аналізуючи результати своїх досліджень, він дійшов до цікавого висновку. «Ми допускаємо, — пише він,— що спороутворення у бактерій є біологічною формою оновлення організму, способом підвищення життєздатності клітин, а отже, і всього виду. Спору можна розглядати як зиготну (тобто запліднену) клітину, що утворилася після злиття різних частин протопласта».
Це зовсім новий погляд на теорію спороутворення: виходить, що суперечки не шматочок живого, що насилу переживає «важкі часи», не життя, насильно загнане в тісну клітину, ледь жевріюче і готове згаснути. Ні, спора — це клітина з вже довершеним заплідненням. Мікроорганізм, створюючи спору, «оберігає» свій вид від виродження. Всередині могутньої оболонки приховується стійка, життєздатна сила. Пружина життя розгортається кожен раз з новою енергією, допомагаючи виду вдосконалюватися і піднімаючи його на більш високий щабель…
Отже, на зміну припущенням, що багато років оточували процес спороутворення у анаеробів, прийшла струнка гіпотеза, що визначає хід подальших наукових досліджень.
Вивчаючи спороутворення анаеробних бактерій роду клострідіум, вчені зуміли виділити штампи надзвичайно великих бактерій, що досягають 30 і навіть 40 мікрон в довжину і 2-3 мікрони в товщину (звичайний розмір бактерій цього роду — близько 2-6 мкм в довжину і 0,5—1,0 мікрона в товщину).
Вдача? Безсумнівно, бо всякий мікробіолог прагне виділити об’єкт «побільше»: досліджувати великі клітини, природно, значно зручніше. Випадок? Ні, наполеглива праця. Перш ніж зустріти цих гігантів, вчений виділив 107 штамів анаеробних бактерій, 13 з яких не були відомі світовій науці.
Отже, в лабораторії оселилися колонії «мікрогігантів», за якими було встановлено спостереження. У клітині поступово починають закладатися спори. Ядерні ділянки, або, як їх прийнято називати, нуклеоїди, що нагадують «гантелі», розташовуються поперек клітини. На четверту добу «гантелі» перетворюються в кулясті гранули. Потім кілька нуклеоїд зближуються в одній частині клітини, витягуються в дві довгі хроматинові нитки і починають поздовжньо зливатися, закручуючись при цьому одна навколо іншої по спіралі. Така «поведінка» хроматинових ниток, що надзвичайно нагадує зближення хромосом при статевому розмноженні клітин у вищих тварин і рослин, в бактеріальних ядрах не спостерігалася ніколи.
На наступних етапах спороутворення з двох ниток утворюється товста паличка — ядерна структура. Ядерну структуру «обволікає» речовина білкової природи, і подальше «дозрівання» спори характеризується ущільненням РНК і ДНК хроматинових ниток і концентрацією навколо них протоплазми. Одночасно з цим складається і ущільнюється оболонка спори.
Якщо те, що відбувалося досі, можна було визначити як внутрішньоклітинний статевий процес, то, заглянувши тепер з допомогою різних хитрувань в спору, ми переконаємося, що причиною завжди йде слідство. Товста хроматинова паличка, що утворилася з двох ниток, знову розщеплюється на дві хроматинові нитки-спіралі, які залишаються в центрі спор!
Якщо в подальшому спора проростає, ці нитки розходяться по поздовжній осі і дають початок ядрам двох юних вегетативних клітин — нащадків спори. В. Дуді вдалося спостерігати утворення «спор-близнюків», коли в межах однієї оболонки бактерії-клітини закладалися і будувалися два «бліндажа», звичайно, відповідно менших розмірів. Таке виявлення двоспоровості (сама можливість якої категорично заперечувалася бактеріологами) принципово дуже важливо, бо служить підтвердженням того, що спороутворення, крім засобів захисту від несприятливих умов, є ще й процес розмноження.
Вивчаючи спори анаеробних бактерій, дослідники досі зустрічали лише гладку, трохи шорстку або в крайньому випадку злегка горбисту поверхню. А ось спори бактерій, виділених В. Дудою, володіли абсолютно унікальною будовою. Вони були забезпечені виростами — сплетеннями ниток, які розташовувалися на одному кінці спори, на обох кінцях і навіть по всій її поверхні. По довжині, товщині і будові ці нитки-вирости розрізнялися залежно від виду бактерій: були тут «трубочки», товсті «коси», розпатлані на кінцях, розгалужені прутики і «лампові щітки».
У підстави ці нитки були зібрані в щільний вузол-подушечку, яка була прикріплена до оболонки спори. Пронизуючи подушечку, нитки глибоко йшли своїми «коренями» в спорі. Подушечка ж була оповита тонкою, прозорою плівкою, що утворює як би манжету навколо пучка ниток. Всі ознаки виростів настільки індивідуальні, що їх можна використовувати для видового визначення цієї групи бактерії.
Яка ж біологічна роль цих виростів-ниток? Поки її можна тільки припускати. Ясно одне: такі рясні «архітектурні надмірності» не виникнуть без крайньої необхідності у бактеріального організму, що надзвичайно економно і доцільно витрачає свої сили. Той факт, що ці вирости були знайдені на спорах бактерій, що не терплять навіть слідів кисню, а також інші дані дозволили припустити, що перед нами своєрідні органи харчування.
…Нитки-вирости жадібно тягнуться від спор до поживних запасів клітини. Краплі глікогену, жирові включення поступово зникають спочатку «в околицях» спори, а потім і далі по мірі їх настання. Зрештою, в материнській клітині хоч шаром покоти. Залишається оболонка і трохи протоплазми. Зате спора підросла і сильно розповніла. До речі, можливість зростання спори була вперше виявлена в дослідах В. Дуди, а до цього спору представляли як долішню частину живої речовини клітини, що з якої-небудь причини пішла в оболонку і нездатну більше збільшуватися.
Насправді ж спора, яка збирає в собі величезну життєву енергію і будує навколо себе потужну багатошарову оболонку, готується до можливих негараздів і потребує поживних речовинах. Нитки-вирости, побудовані, очевидно, з білкової речовини, відіграють у цьому процесі роль «провідних судин».
Але ось розривається оболонка виснаженої материнської клітини, зріла спора виходить назовні, і над нею, як пишний султан, розправляються тонкі нитки, які досі були «запаковані» в материнській клітині, як страусові пера в тонкій бамбуковій трубочці.
Спори — це снаряди життя, її наступальна зброя, яку природа щедро розкидає всюди. Не припиняються «вибухи» цих снарядів в самій різній обстановці, вони знову і знову стверджують торжество всеперемагаючого життя.
Автор: А. Тамбієв.