Text
                    занимательная
? микробиология
В. М. ЖДАНОВ, Г. В. ВЫГОДЧИКОВ, Ф. И. ЕРШОВ, А. А. ЕЖОВ, Н. Б. КОРОСТЕЛЕВ
занимательная микробиология
Издательство «Знание» Москва — 1967
57 A Ж 42
ВИКТОР МИХАИЛОВИЧ ЖДАНОВ — действительный член Академии медицинских наук СССР, директор Института вирусологии имени Д. И, Ивановского АМН СССР, Им написаны книги по микробиологии, эпидемиологии и вирусологии. На IX Международном конгрессе микробиологов избран президентом Международной ассоциации микробиологических обществ.
ГРИГОРИИ ВАСИЛЬЕВИЧ ВЫГОДЧИ-КОВ — видный советский микробиолог, действительный член АМН СССР. Широко известен своими работами по практической иммунологии и микробиологии стафилококковых инфекций. Интересуется историей микробиологии.
ФЕЛИКС ИВАНОВИЧ ЕРШОВ—доктор медицинских наук. Занимается проблемой размножения вирусов и химиотерапией вирусных инфекций.
АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ ЕЖОВ — кандидат медицинских наук, работает в различных областях микробиологии.
НИКОЛАИ БОРИСОВИЧ КОРОСТЕЛЕВ — врач-популяризатор, автор полутора десятков книг.
Оформление С. П. ЦЕНТОМИРСКОГО
5—2—2
6—67
вместо предисловия
Когда группа микробиологов собралась для обсуждения, как написать эту книгу, один из будущих авторов, молодой микробиолог, задал мне вопрос: а не покажется ли странным и необычным название «Занимательная микробиология»? Может быть, лучше назвать ее «Популярная», или «Общедоступная» микробиология, или как-нибудь в этом роде?
Я, помню, тогда даже обиделся за свою науку. Позвольте, сказал я, почему же математика или физика могут быть занимательными, а микробиологии вы отказываете в этом? А разве есть в нашей науке что-нибудь не занимательное? Разве можно когда-нибудь перестать удивляться тем микроскопическим чудесам, которые мы каждый день исследуем? Да разве опыты с вирусами, о которых вы мне сегодня рассказывали, не чудесны и не занимательны?
Все вздохнули. Так-то это так, ответил мне молодой оппонент, но как об этом всем написать занимательно? Давайте попробуем, решили все: судьями нашими будут читатели.
Теперь книга перед вами, дорогие читатели, и вам предстоит решить, насколько она удалась.
В. М. Жданов
1*
В ЭТОЙ главе мы расскажем немного об истории микробиологии. Задолго до того, как люди увидели микробов, они уже заставили их работать на себя — в хлебопечении, пивоварении, виноделии. Мы познакомим вас с первыми смутными догадками о том, что микробы причастны к возникновению заразных болезней. Вы узнаете, как голландец Левенгук впервые увидел микробов; как француз Пастер уже не путем догадок, а опытами доказал, что они являются причиной брожения и гниения; как немец Кох нашел безотказные способы выращивания микробов в лаборатории; как русский Мечников изучал противомик-робные свойства организма; как англичанин Флеминг открыл пенициллин.
Глава
оглянемся назад
о хлебе, пиве и мавре альмансоре
Знаете ли вы, как люди научились печь хлеб? В хозяйстве древнего земледельца растертые зерна злаков вначале имели лишь одно применение — из них замешивали на воде нечто вроде болтушки, которую можно было хлебать.
Недоеденная болтушка высыхала, и получалось что-то похожее на лепешки. Их можно было долго хранить. Тогда болтушку стали сушить на огне, выпекать лепешки пресного хлеба.
Наверное, пресное тесто не раз готовили впрок, оставляя на ночь в тепле. И вот однажды хозяйка, проснувшись, увидела нечто необычное. Теста за ночь стало больше, оно поднялось до края кадушки, было кисловатым на вкус. Хлеба из него получилось больше, и он был вкуснее.
5
Вероятно, скисание теста наблюдали не раз и не два, прежде чем кто-то догадался прибавить к только что приготовленному пресному тесту немного старого, кислого. После такой закваски тесто начинало скисать, бродить; им можно было, в свою очередь, заквасить свежеприготовленное.
...Маленький народ на севере Европы — финны — поздно познакомился с письменностью. Однако мы отлично знаем древних финнов по так называемым рунам — песням, которые сказители передавали из рода в род. Собрание их, финский эпос, называется «Калевалой».
Любимым напитком героев «Калевалы», да и многих других северных народов, было пиво. В «Калевале» есть руна о том, как в первый раз сварили пиво.
На поле рос ячмень, дерево обвивал хмель, в ручье текла вода. И ячмень сказал хмелю и воде: «Жить одному скучно. Давайте жить вместе». Тогда хозяин поля зачерпнул в котел воды, бросил туда ячменные зерна и головки хмеля и поставил кипятить на огонь. Пиво сварилось, но не бродило, и пить его было невкусно. «Я добавлю туда еловых шишек»,— сказал человек и попросил белку принести их. Но пиво не бродило. «Я добавлю туда пену из пасти медведя»,— сказал человек и попросил куницу принести пены. Но пиво и тогда не забродило. «Я добавлю туда забродившего меда из дупла»,— сказал человек и попросил пчелу принести мед. И тут пиво забродило и стало вытекать из бочки, и с тех пор
Старикам оно приятно, И на смех наводит женщин, А мужам дает веселье, Умным радость доставляет, А глупцов на драку гонит.
У народов юга в ходу не пиво, а виноградное вино. Там, где было много медоносных растений и пчел (например, во многих местах России), пили хмельные меды. Но в любом случае напиток должен был перебродить. Брожению способствовал сахар, оно ускорялось, если в свежее пиво переносили несколько капель из уже забродившего.
6
...Это было в Испании, около 800 лет назад. Испанцы воевали с маврами за обладание Пиренейским полуостровом. Борьба длилась много лет; мавров постепенно оттесняли к южному побережью.
Испанцам удалось взять Кордову. Правитель города эмир Альмансор отступил вместе с остатками армии. Нечего было и думать продолжать вооруженную борьбу. Но Альмансор решил сражаться до конца, любыми средствами и любой ценой...
...К лагерю испанцев подошел человек. Часовые с удивлением узнали Альмансора. В знак повиновения и раскаяния он был босой, с непокрытой головой. Сдаваясь на милость победителей, он готов был принять христианство и отречься от ислама. Испанцы уважали храбрых противников. Пленник был с почетом принят военачальниками и крещен. Король пожаловал ему титул гранда.
Через несколько дней Альмансор заболел. Но заболел он не один — ужасная болезнь поразила всех, кто входил в его палатку, кто ел и разговаривал с ним. Это была чума. Скоро болезнью было охвачено все войско испанцев. Почти каждый больной умирал.
Умер и Альмансор. Но перед смертью он рассказал, что нарочно заразился чумой в приморском городе, чтобы истребить испанское войско и отомстить завоевателям.
...Так поется в старинной испанской песне — роман-серо.
Какое сходство между хлебопечением, пивоварением и эпидемиями заразных болезней? На первый взгляд — никакого. И однако есть нечто общее. От небольшого куска дрожжей или кислого теста может забродить целая кадушка пресного; капли кислого молока, забродившего пива, прокисшего вина достаточно, чтобы скисла бочка свежего продукта; один больной человек может перезаразить десятки людей. Как будто вносится что-то живое, что-то способное размножаться и расти...
Теперь-то мы знаем, что так оно и есть. И брожение, и гниение, и заразные болезни вызываются мельчайшими живыми существами — микробами. Но какими извилис
7
тыми тропами, ощупью, в потемках люди пришли, к этому открытию! Проследим за некоторыми этапами этого многотрудного пути.
живая причина заразных болезней
Слово «Вельзевул» в средневековой Европе считалось одним из имен сатаны. А гораздо раньше, в древнем Вавилоне, Вельзевулом (точнее, Ваал-Зебубом) называли могущественного демона, насылавшего на людей болезни. Для христианского теолога слово «Вельзевул» было только именем. А с семитских языков «Ваал-Зебуб» переводится как «повелитель мух».
Человек издавна замечал, что эпидемии часто связаны с появлением мух, поселяющихся на гниющих отбросах. Заболевания малярией невольно сопоставляли с обилием комаров в болотистых местах, с нездоровыми испарениями, поднимавшимися от гнилой воды. Значит, между гниением и болезнями есть связь (некоторые заболевания так и называли «гнилостными горячками»).
Может быть, в воздухе местностей с нездоровым климатом носится что-то мельчайшее, невидимое, но живое, что проникает в тело и вызывает болезнь? Примерно так рассуждали и писали еще во времена Римской империи. Но неведомый враг был тем и страшен, что его нельзя увидеть. Эпидемии приравнивались к стихийным бедствиям.
Из истории медицины известно, что во времена Византийской империи среди народов, населявших бассейн Средиземного моря, за 50 лет погибло от чумы до 100 миллионов человек. В средние века от «черной смерти», как называлась тогда чума, гибли миллионы людей. Эпидемия этой болезни охватила Африку и Европу.
В Европе в начале XV века погибла почти четверть населения.
Немудрено, что население панически боялось эпидемий. При их приближении пустели города, все старались поскорее уехать из зараженного места (нередко разнося с собой заразу). На этот случай была даже пословица-совет: «Беги немедленно, будь в отсутствии подольше, возвращайся попозже». Этому совету, между прочим, следуют и герои «Декамерона» Боккаччо. Помните, как они ушли из зачумленной Флоренции, поселились в загородном доме и развлекались тем, что рассказывали друг другу озорные истории?
8
Вот что писал Боккаччо:
«В лето от воплощения сына божия тысяча триста сорок восьмое, в красе итальянских городов, в славном городе Флоренции, случился чумной мор. Народ бедный, да и среднего достатка, имел самую жалкую участь; заболевали они тысячами и почти все умирали. Люди умирали днем и ночью прямо среди улиц; иные в своих домах. Соседи только по трупному зловонию догадывались о их смерти, выволакивали мертвые тела из жилищ и клали у входов, где прохожие могли их видеть во множестве, особенно по утрам. Приходили люди с носилками, а если не было их, то клали трупы на первые попавшиеся доски; случалось, что на одни носилки накладывали по два, по три трупа, а бывало и так, что на одни носилки попадали муж и жена, двое и трое братьев, отец с сыном.
Их не сопровождали ни свечи, ни рыдания, ни люди, собравшиеся отдать последний долг усопшему. Дошло, наконец, до того, что мертвый человек стал пользоваться отнюдь не большим вниманием, чем издохшая коза. Из-за огромного количества умерших на церковных кладбищах стало не хватать земли, что нечего было и думать, чтобы по исконному обычаю каждый покойник имел особую могилу. Поэтому на переполненных кладбищах рыли огром
Лаборатория Ленинградского текстильного института имени С. М. Кирова разработала способ получения волокна, которое убивает бактерии и грибки. Представляете себе, какими достоинствами будут обладать халаты врачей и поваров, больничное постельное белье и бинты, изготовленные из такой ткани? А как обрадуются геологи и туристы, отправляющиеся в дальний путь: налил в мешок из бактерицидной ткани воды из самого подозрительного источника — и пей на здо-ровьег
9
ные ямы, в которые и валили трупы целыми сотнями, как тюки товаров на торговом судне, пересыпая их землей, пока ямы не наполнялись доверху. Чума легко передавалась от больных здоровым подобно тому, как передается огонь в куче горючих предметов.
У всех было одно беспощадное стремление — насколько возможно избегать всякого общения с зачумленными; это казалось всем единственным средством спасения. Здоровые покидали своих близких без помощи. Общее бедствие породило такой ужас в умах людей, что стали покидать брат брата, дядя племянника, сестра брата, а зачастую жена мужа.
Мало того, что еще невероятнее, даже отцы и матери бросали своих детей».
Младшим современником и соотечественником Боккаччо был врач Джироламо Фракасторо. Он жил в середине XVI столетия, в эпоху позднего Возрождения, столь богатого выдающимися открытиями и замечательными учеными.
Фракасторо считается одним из основоположников эпидемиологии. Он впервые собрал все сведения, накопленные медициной до него, и дал стройную теорию о существовании «живого контагия» — живой причины заразных болезней.
Положения этой теории вкратце сводятся к следующим тезисам.
Наряду с существами, видимыми простым глазом, есть бесчисленное количество живых «мельчайших и недоступных нашим чувствам частиц», или семян. Эти семена обладают способностью порождать и распространять подобных себе. Невидимые частицы могут поселяться в гнилой воде, в остающейся после наводнения на суше мертвой рыбе, в падали, могут проникать и в человеческое тело. Поселяясь в нем, они вызывают болезнь. Пути их проникновения весьма разнообразны. Фракасторо различал три вида заражения: через соприкосновение с больным, через соприкосновение с предметами, бывшими в употреблении больного, и, наконец, на расстоянии — через воздух. При этом каждому виду заражения соответствовал свой, особый контагий. Лечение болезни должно быть направлено как на облегчение страданий больного, так и на уничтожение размножающихся частиц контагия.
Смелость обобщений Фракасторо была очень велика. Ученому пришлось бороться с множеством предрассудков, предвзятых мнений; он не посчитался с авторитетом отца
10
медицины — Гиппократа, что уже само по себе для того времени было неслыханной дерзостью. Любопытно, что теория Фракасторо была лучше принята народом, чем коллегами-медиками: такова была сила более чем двухтысячелетнего авторитета Гиппократа!
Фракасторо не только дал общую теорию «живого контагия». Он разработал систему предохранительных мероприятий. Чтобы не допустить распространения контагия, больных рекомендовалось изолировать; ухаживали за ними люди в специальной одежде — длинных балахонах и масках с прорезями для глаз. На улицах и дворах жгли костры, часто из пород дерева, дающего едкий дым, например можжевельника. С пораженным эпидемией городом прерывалось свободное сообщение. Торговля производилась на специальных заставах; деньги опускали в уксус, товары окуривали дымом. Письма из конвертов вынимали щипчиками.
Все это, особенно карантины, препятствовало распространению заразных болезней. В какой-то степени эти меры применяются и по сей день. Кто не знает о дезинфекции, которую производят в доме заболевшего дифтерией, о строгом режиме инфекционных больниц.
Карантины и противоэпидемические кордоны нарушали нормальную жизнь страны. Иногда среди населения, не понимавшего всей важности принимаемых мер, вспыхивали стихийные бунты (например, «чумной бунт» в Москве в 1771 году). К тому же «начальство» давало иногда такие путаные и темные объяснения о цели карантинов, что люди их не понимали. Вот интересный отрывок из дневника А. С. Пушкина 1831 года (года большой эпидемии холеры).
«Несколько мужиков с дубинами охраняли переправу через какую-то речку. Я стал расспрашивать их. Ни они, ни я хорошенько не понимали, зачем они стоят тут с дубинами и с повелением никого не пускать. Я доказывал им, что, вероятно, где-нибудь учрежден карантин, что я не сегодня, так завтра на него наеду, и в доказательство предложил им серебряный рубль. Мужики со мной согласились, перевезли меня и пожелали многие лета».
11
торговец сукнами находит «зверушек»
Догадка о «живом контагии», вызывающем заразные болезни, была высказана, обоснована рядом доказательств, и не хватало лишь одного — увидеть самих контагиев. Фракасторо и не пытался разглядеть возбудителей болезней. Это сумел сделать другой человек примерно сто пятьдесят лет спустя.
Его звали Антонием ван Левенгуком; он жил в Голландии и занимался торговлей сукнами. Одни из его соотечественников на досуге сажали тюльпаны, другие разводили павлинов. У Левенгука была своя особая страсть: он шлифовал линзы, мастерил микроскопы и рассматривал в них все, что попадалось под руку. Его микроскопы по тем временам давали сильные увеличения. Он был далек от мысли сделать какое-либо открытие; микроскоп был для него, уже взрослого, солидного человека, просто любимой игрушкой, или хобби, как говорят англичане (то есть коньком, страстью).
Как-то раз Левенгуку захотелось узнать, почему перец обжигает язык. Может быть, в настое перца есть мельчайшие колючки? Когда он рассмотрел под микроскопом настой, простоявший на полке несколько дней, то не поверил своим глазам: крошечные зверьки бегали в нем взад и вперед, сталкивались, копошились, как муравьи в муравейнике. У них не было ни головы, ни хвоста; они не походили ни на какое животное. И их было так много в ничтожной капле настоя!
Левенгук забросил все свои дела. Он теперь усердно искал анималькулей* и находил их повсюду — в гнилой воде, в тине каналов, даже на собственных зубах. Он быстро научился различать их. В прудах водились крупные, красивые «зверьки» — одни были похожи на трубу, другие напоминали цветы на длинном стебельке. Вот этот бегает на длинных лапках, а там, глядите-ка, ползет что-то похожее на маленькую улитку.
Твари, населявшие зубной налет, были и мельче, и однообразней. Одна к другой, как в вязанке хвороста, лежали неподвижные, длинные палочки. Расталкивая их, носились изогнутые существа, похожие на оживший штопор. Но уж очень они были мелки и тонки — за ними трудно уследить. Нет, население стоячей лужи куда интереснее...
* Анималькулюс — зверушка (лат.).
12
Антоний Левенгук,
Левенгук не знал, что всех этих анималькулей и будет изучать та наука, которой он положил начало,— микробиология. Тогда ведь не было и самого этого слова.
Свои наблюдения он изложил, как умел, в нескольких письмах и снабдил их очень хорошими рисунками. Друзья перевели эти письма на латинский язык — язык тогдашней науки (Левенгук говорил и писал только по-голландски). Затем они были отосланы в Лондонское королевское общество. Левенгуку там сначала не поверили, и по очень простой причине — микроскопы его лондонских коллег были слишком слабы, чтобы увидеть «зверьков». Однако вскоре, после приобретения более сильного микроскопа, англичане убедились, что чудаковатый голландец прав. Говорят, что академики чуть не подрались, когда микроскоп со «зверьками» был впервые принесен на заседание Общества. Оно и понятно — каждому хотелось первым заглянуть в новый мир.
Левенгук подметил, что существа, открытые им, погибают при нагревании. Он наблюдал, как мириады «зверьков» поедают умерших моллюсков. Но систематического
13
Вот, что увидел Левенгук,
изучения их образа жизни он не проводил — для этого у него просто не было возможностей. Эту работу проделали следующие поколения ученых.
...Обложку «Журнала бактериологии» — печатного органа микробиологов США — украшает медальон с портретом Левенгука. Торговца сукном можно по праву причислить к первым ученым-микробиологам.
И если в современной лаборатории вам покажут электронный микроскоп, величиной со шкаф, вспомните его прадедушку — маленький, умещавшийся на ладони микроскоп Левенгука.
тайна рождения микробов
И вот микробов увидели. Все больше людей убеждалось своими глазами в их существовании. Микроскопы начали выпускать в большом количестве, каждый мог их приобрести. Микроскоп в доме стал признаком хорошего тона.
Микробы оказались вездесущими, их находили в любом месте, всякий, кто хотел, мог вырастить их в настое гниющего сена. Интересно, а как они туда попадали?
С этого вопроса и начался длительный спор о размножении и самозарождении микроорганизмов, продолжавшийся с начала XVIII века до второй половины XIX. Мысль о самозарождении живых существ была не нова.
С незапамятных времен считалось само собой разумеющимся, что некоторые животные могут рождаться не только от себе подобных, но и возникать из неживой материи. Думали, что лягушки могут зарождаться в иле, мыши — в старом зерне и т. д. (Не последствие ли этих взглядов обороты сегодняшней речи, что плесень завелась от сырости, а тараканы — от грязи?).
В отношении крупных животных проблема самозарождения была решена быстро — здесь цичего не стоило поставить простой опыт и убедиться, что в банке с илом лягу
14
шек не возникало. (Такие опыты действительно ставились; упоминавшееся выше Лондонское королевское общество взяло своим девизом «не верь словам» и всерьез проверяло многие привычные для того времени небыли-ЦЫ.)
Проверить способность к самозарождению у мелких насекомых — мух, вшей и т. д.— оказалось труднее, но к середине XVIII века справились и с этим. Остались микробы.
Здесь было нужно прежде всего узнать, способны ли микробы рождаться от микробов или они возникают «из ничего». За разрешение этого вопроса взялся выдающийся итальянский натуралист, профессор университета в Павии Лаццаро Спалланцани.
Спалланцани поставил простой и остроумный опыт. Он сумел отсадить в отдельную капельку воды одного-единственного микроба и стал наблюдать за ним в микроскоп. Микроб сначала плавал, как ни в чем не бывало, затем стал увеличиваться в длину, истончаться посредине и разделился пополам. Половинки ничем не отличались от своего родителя: они так же плавали, а через некоторое время и сами разделились.
Всегда ли появлению новорожденного микроба предшествует деление старого? Может быть, микробы иной раз все же могут возникать
Лет шестьдесят назад в Риме состоялся научный конгресс, на котором говорили и о женской одежде. Доктор Казаринди убедительно показал вред ношения слишком длинных платьев. Исследовав шлейфы дам, он обнаружил на них большое количество болезнетворных микробов.
В то же время в Дрездене по специальному ходатайству населения муниципалитет издал постановление, запрещающее женщинам появляться в общественных домах и на улицах с длинными шлейфами и длинными накидками.
15
из неживого вещества? Ведь они, казалось бы, так просто устроены!
Спалланцани много сделал для того, чтобы отвергнуть и это соблазнительное предположение и доказать, что самозарождения нет. (В этой же области работал в те годы и наш соотечественник Н. Тереховский.) Но окончательные доводы здесь принадлежат не ему, а Луи Пастеру. Об этом мы расскажем позже.
На Спалланцани и его современниках закончился тот период микробиологии, когда ученые только начинали знакомиться с основными свойствами микробов; это была как бы разведка. Следующие поколения, опираясь на достигнутые предшественниками успехи, уже сумели вступить в бой с вредными микроорганизмами.
первый победитель
Но прежде чем начать рассказ об этом новом периоде, необходимо вспомнить о первом победителе заразных болезней (точнее, одной болезни). Он был скромным сельским врачом. Его имя Эдуард Дженнер.
Оспа была широко распространена. Недаром в те времена ходила поговорка: «Любовь и оспа минуют лишь немногих».
Как-то Дженнеру пришлось услышать от одной женщины-коровницы о том, что она не заболеет натуральной (человеческой) оспой, так как перенесла так называемую коровью. Дженнеру врезались в память эти слова. Он был очень наблюдательным и добросовестным человеком. И уж, конечно, никак не мог пройти мимо такого факта.
Женщины, ухаживавшие за больными коровами, заболевали коровьей оспой. Немного похворают, останутся на руках маленькие гнойнйчки, потом они подсыхают, корочки отпадают, и все. А после этого им уже не угрожала смертельная опасность натуральной оспы. И где бы ни бывал молодой доктор, он тщательно записывал подобные случаи.
Двадцать лет наблюдений, записей, размышлений привели Дженнера к выводу — заражение коровьей оспой безопасно и предупреждает заболевание натуральной оспой.
В 1796 году Эдуард Дженнер в присутствии свидетелей и врачей привил коровью оспу восьмилетнему мальчику Джемсу Фиппсу; а через полтора месяца натуральную оспу. Ребенок не заболел: его организм стал невосприимчив к оспе.
16
Карикатура на прививку против оспы.
Весть о чудесном опыте с быстротой молнии разнеслась по всей Англии. Но, увы, воспринималась она с радостью далеко не всеми. Каких только небылиц не распускали невежественные недоброжелатели! Писали, например, такое: «Дочь одной почтенной леди после прививки этой скотской болезни обросла волосами и начала мычать по-коровьи. У многих детей, которым привили вакцину, выросли рога, и теперь эти дети бегают на четвереньках».
Но косность и предубежденность были побеждены, и прививка получила признание.
Одним из первых декретов Советского правительства было введение обязательного оспопрививания (весна 1919 года). Так оспа, уносившая многие тысячи человеческих жизней, делавшая миллионы людей инвалидами, слепыми, в нашей стране была ликвидирована.
великий полководец
Левенгук и Спалланцани были первыми разведчиками в лагере микробов. Открытие Дженнера можно сравнить с разведкой боем.
Исследования великого французского ученого Луи Пастера сыграли исключительную роль в создании микробио
17
логии как науки. Пастер впервые установил, что многие болезни вызываются микроорганизмами. Его выдающейся заслугой была разработка методов предохранительных прививок (вакцинации, о ней мы расскажем несколько позже) против многих инфекционных болезней.
Первое победное сражение микробам дал Луи Пастер. Он стал одним из величайших полководцев медицинской науки и повел в бой многотысячную армию врачей, вооруженных не ружьями и пушками, не саблями и пиками, а колбами и пробирками, шприцами и пипетками. Это они нанесли тяжелейший удар самому многочисленному войску жестоких убийц человека — микробам.
Но научные достижения Пастера не только плод его удивительного таланта, они были подготовлены всем развитием науки и техники XIX века.
Не будем в строгом порядке перечислять все этапы деятельности Луи Пастера, а перенесемся в 1856 год, когда он по просьбе одного сахарозаводчика стал изучать брожение свекловичного сока. Ученый пришел к выводу, что микроорганизмы в бродящем сусле не какие-то случайные гости, а настоящие хозяева—они первопричина брожения.
Через год Пастер выпустил маленькую книжечку об участии микробов в молочнокислом брожении, а позднее — о роли микробов в маслянокислом брожении.
«Брожение,— по его словам,— это жизнь без кислорода». И это открытие имело очень важное значение не только для науки, но и для практики.
Занимаясь изучением брожения, Пастер устанавливает, что микробы, вызывающие спиртовое брожение, при нагревании до 60° гибнут, после чего жидкость не скисает, если в нее вновь не проникнут микробы. Этот способ обеззараживания впоследствии стал
очень распространенным и получил название пастеризации. Теперешние горожане с ним сталкиваются чуть не каждый день, когда им приходится покупать в магазине молоко и другие продукты.
Попутно Пастер открывает группу анаэробных микробов, то есть живущих без кислорода.
Гораздо позже, изучая процесс гниения, ученый при
18
шел к выводу, что и гниение вызывают микроорганизмы.
Открытия Пастера дали возможность знаменитому английскому хирургу Д. Листеру применять обезвреживание ран дезинфицирующими средствами и предпринимать меры к уничтожению микробов в окружающей среде. А если представить себе, сколько раненых умирало от заражения крови, например во время Крымской войны, сколько гибло от столбняка и гангрены, то станет понятно, как велико значение такого открытия. Уже за одно это медицинская наука должна быть бесконечно благодарна Пастеру.
Но это лишь одна глава в блестящем собрании открытий Луи Пастера.
Работы Пастера, казалось бы не имеющие прямого отношения к медицине, послужили мощным толчком к ее развитию.
Микробы вызывают брожение. Это стало общеизвестно. Микробов начали искать всюду, и везде их находили. Но откуда они появляются, каково их происхождение?
Француз Ф. Пуше и другие ученые доказывали, что возможно самозарождение. В самом деле, сосуд с бульоном прокипятили, уничтожили микробов, а потом они снова обнаружились в бульоне. Откуда им взяться? Конечно, произошло самозарождение.
Французская Академия наук заинтересовалась этим явлением и назначила специальную премию тому, кто докажет истину. За дело взялся Пастер.
В бульоне завелись микробы? Что же здесь удивительного? Или сосуды были плохо закупорены и микробы проникли из воздуха, или бульон не был достаточно хорошо обеззаражен. В самом деле, если в тщательно обеззара-
бульон бросить ма-кусочек ваты, то в развиваются мик-
женный ленький бульоне робы.
Однако эти опыты показались противникам Пастера неубедительными. Они говорили, что кипячение убивает не только микробов, находящихся в жидкости, но и «воспроизводящую силу», необходимую для самозарождения, в воздухе над жидкостью. Вот, говорили противники
19
Пастера, если бы в колбу с прогретой жидкостью все время поступал свежий воздух, а микробы все же не зародились, тогда бы мы поверили...
В ответ на это Пастер проделал остроумный опыт. Расплавив горлышки своих колб, он изогнул их в виде лебединой шеи; иногда горлышко сильно вытягивалось, изгиб повторялся несколько раз. Такие колбы заполняли бульоном, кипятили и после этого не затыкали пробкой и не запаивали. В них мог свободно входить свежий воздух, но пыль (а с ней и микроорганизмы) оседала на коленцах изогнутого горлышка, не проникая в колбу. Бульон оставался прозрачным.
Пастер занимался также исследованием болезни шелковичных червей. Эти исследования опять-таки благоприятно отразились на развитии медицины.
На юге Франции, славившемся шелководством, получали до 25 тысяч тонн шелка в год. В результате болезни шелковичных червей производство упало до 4 тысяч тонн.
После пяти долгих лет работы тайна болезни червей была раскрыта. Оказывается, ее вызвали микроорганизмы. Чтобы избавиться от болезни, Пастер предложил уничтожать заболевших бабочек и отложенные ими яйца (грены).
Работа по брожению, изучение болезней шелковичных червей подготовили солидный фундамент для. исследования болезней животных и человека. Отправной рабочей гипотезой была четкая мысль: причина инфекционных болезней — микробы.
вакцина
Первое заболевание, которое начал изучать Пастер, была сибирская язва. От нее иногда погибало до половины овечьих стад; немало страданий приносила сибирская язва и людям. И вот ученый с присущим ему искусством доказывает, что бациллы, обнаруживаемые в организме погибших от сибирской язвы животных, и есть возбудители этой болезни.
Но этого мало. Надо было найти способы борьбы с болезнью. И тут помогла случайность.
Летом сотрудники лаборатории разъехались на отдых, и пробирка с возбудителями холеры кур (или культура) простояла в термостате почти месяц. Когда же работу начали вновь, то оказалось, что старая культура перестала быть смертельной. Птицы заболевали, но не погибали.
20
Луи Пастер,
Когда курам ввели свежих возбудителей болезни, в живых остались только те, которых предварительно заразили старой культурой.
«Значит,— ученый боялся верить блеснувшей догадке,— значит, ослабление возбудителя болезни превратило его в средство борьбы с ней?!»
Пастер знал о прививках Дженнера. Но ни Дженнер, ни последующие ученые не могли объяснить причины невосприимчивости к болезням. Тем более, что большинство возбудителей болезней в то время еще не было известно.
Но Пастер уже понял, каким путем следует идти. Он приготовил материал для прививок из искусственно ослабленной культуры сибиреязвенных палочек. В честь открытия Дженнера такой материал был назван вакциной («вакка» — по-латыни корова).
В данном случае уместно привести слова сотрудника Пастера — профессора Граше.
21
Однажды к Луи Пастеру пришел незнакомец и представился секундантом некоего графа, которому показалось, будто ученый оскорбил его. Граф требовал сатисфакции. Пастер спокойно выслушал и сказал:
— Раз меня вызывают на дуэль, я имею право выбрать оружие. Вот две колбы: в одной — возбудитель холеры, в другой чистая вода. Если человек, приславший вас, согласится выпить одну из них на выбор, я выпью другую колбу.
Дуэль не состоялась...
«Если Дженнер открыл отдельный факт, то Пастер открыл общий метод — метод, применимый ко всем случаям и вполне подчинивший яд заразы власти человека. В первый раз была открыта тайна превращать, по желанию, смертельный яд в противоядие».
Вот этот-то метод и применил Пастер для приготовления вакцины против сибирской язвы... Каковы были успехи метода, лучше всего говорит знаменитый опыт в местечке Пуйи-Ле-Фор на 50 овцах, 25 из которых были заранее вакцинированы ослабленными микробами. Вот как об этом писал К. А. Тимирязев.
«31 мая, в присутствии многочисленных и в большинстве недоверчиво настроенных зрителей, он (Пастер) привил всем 50 овцам сибирскую язву в ее самой смертельной форме и пригласил всех присутствующих вернуться через 48 часов, объявив вперед, что 25 животных они застанут уже мертвыми, а 25 ~ целыми и невредимыми.
Даже друзья его были испуганы его самоуверенностью. Но пророчество исполнилось буквально. Собравшимся в Пуйи-Ле-Фор 2 июня представилась такая картина: 22 овцы лежали мертвыми, две умерли у них на глазах, а третья к ночи; остальные 25 были живы и здоровы».
22
спасение обреченных
В конце 1880 года Луи Пастер посетил госпиталь, где увидел мучения ребенка, погибающего от бешенства. Это произвело тяжелое впечатление на ученого. Как победить эту страшную болезнь?
Ребенок погиб. Пастер взял его слюну, развел ее и вспрыснул кроликам под кожу; кролики погибли. Это послужило началом длительных опытов для получения прививочного материала.
Пастер знал, что с момента заражения бешенством до начала заболевания проходит довольно много времени — от двух недель до многих месяцев. У ученого возникла мысль, что человеку, искусанному бешеной собакой, надо ввести ослабленный яд возбудителя бешенства, сохранивший свои биологические свойства. Тогда организм человека может постепенно приспособиться к борьбе с ядом, и заболевание не наступит.
Для этого нужно решить две задачи: во-первых, обезвредить яд, а во-вторых, этот обезвреженный яд должен перестроить организм не долее чем за 10 дней. Ведь иначе может начать действовать яд, проникший в организм при укусе больным животным.
А как решить эти задачи, когда сразу возникла и третья, казалось бы, совершенно невыполнимая? Ведь никто еще не видел возбудителя бешенства под микроскопом. Это оказалось труднее, чем готовить вакцину против сибирской язвы. Как готовить прививку из невидимки и против невидимки?
Изучая течение болезни, Пастер и его ученики Э. Ру и Ш. Шамберлан пришли к выводу, что микробный яд сосредоточивается в мозговой ткани. Кусочек мозга животного, больного бешенством, размельчили, смешали со специальным раствором и ввели кролику под кожу. Кролик заболел бешенством.
Препарат, изготовленный из мозга этого заболевшего кролика, ввели следующему. Эта процедура повторилась 132 раза. У 133-го кролика период от введения яда до начала заболевания сократился до шести дней, и дальше степень ядовитости мозга оставалась постоянной. Пастер назвал препарат из зараженного мозга—«вирус фикс» («фикс» — фиксированный, постоянный, «вирус» — яд). Это название оказалось не совсем верным. После изобретения электронного микроскопа, увеличивающего в десятки и сотни тысяч раз, ученые смогли увидеть тех возбудите
23
лей болезней, которые не были видимы в обычные микроскопы. Значит, болезнетворной способностью (вирулентностью) обладал не яд, а мельчайший микроорганизм. И это название, неся новое содержание, осталось.
Но продолжим про вирус бешенств#. Оказалось, что если вирус фикс в течение нескольких дней подвергать специальной обработке, то он теряет свою ядовитость.
Был получен материал для прививок, который проверили на 100 собаках. Половине из них сделали прививки, а половину оставили для контроля. И вот в один день всем 100 собакам ввели заведомо смертельную дозу вируса бешенства. Результаты массового эксперимента превзошли все ожидания — ни одна из вакцинированных собак не заболела, а остальные 50 погибли.
Но все это были опыты на животных, а не на людях. Впрочем, вот как об этом сказал сам Луи Пастер: «Как бы я ни был уверен в успехе, делая прививки собакам, я чувствую, однако, что в тот момент, когда мне придется сделать прививку человеку, у меня задрожит рука».
Но случай заставил ученого приступить к прививкам гораздо раньше, чем он предполагал.
4 июля 1885 года девятилетний мальчик Иосиф Мейстер был жестоко искусан бешеной собакой. Мать повела Иосифа к доктору, но тот сказал, что мальчик должен погибнуть и его может спасти лишь Луи Пастер, живущий в Париже, на улице Ульм. 6 июля мать привезла мальчика к Пастеру.
Ученый пригласил своих, друзей врачей, те единодушно заявили, что мальчику суждено погибнуть. Тогда Пастер решил ввести вакцину. С каждой прививкой он волновался все больше и больше. И вот — полный успех! Мальчик не заболел, он играл во дворе лаборатории, а 27 июля отправился домой с подарками от «дяди Луи».
А потом были еще успешные случаи прививок, но апофеозом успеха стал март 1886 года. Тогда к Пастеру в Париж прибыло 19 русских крестьян из Смоленска, искусанных бешеным волком. Раньше всех их ждала неминуемая смерть. И если учесть, что с момента нападения вол-
24
ка на этих людей прошло уже 12 дней, то станет понятным волнение ученых. Прививки начались на 13-й день. Из 19 человек 16 были спасены.
Благодаря работам Пастера микробиология стала наукой, а медицина укрепила научную основу своего развития. Он открыл тайну инфекционных болезней и предложил метод для борьбы с ними. Его труды имели большую теоретическую и огромную практическую ценность.
соперник пастера
Скромному сельскому врачу Роберту Коху жена подарила микроскоп. Сначала микроскоп был для него лишь развлечением, он часами просиживал, рассматривая разные препараты.
Как видно, сама природа наделила Коха всеми качествами, необходимыми микробиологу. Он мог подолгу сидеть за микроскопом, замечая то, на что другие исследователи не обращали внимания. И то, что для других казалось ординарным, ничего не значащим явлением, в его глазах принимало важное значение. Так, например, однажды Роберт Кох увидел на куске вареной картофелины несколько разноцветных пятнышек: это были скопления (колонии) различных микробов.
Ученый предложил выращивать микробов на твердой питательной среде (сначала ею стала застывшая желатина, а затем ее разновидность — агар-агар). Так как одна бактерия дает в конечном счете одну колонию и эти колонии на твердой среде не смешиваются, то стало возможно получать чистые расы бактерий.
Кох предложил такие способы окраски, которые помог-
ли изучать строение многих микроорганизмов.
Благодаря хорошей лабораторной и микроскопической технике ученый открыл возбудителя холеры — холерного вибриона, первым увидел возбудителя туберкулеза, который получил название палочки Коха. Затем Кох предложил и препарат для лечения — туберкулин. Правда, туберкулин не оказался эффективным лекарством, но его
25
И. И, Мечников.
стали применять как диагностическое средство в тех случаях, когда нельзя было определить заболевание другими способами. И только гораздо позже туберкулин, значительно измененный, стал лечебным препаратом.
Кох был моложе Пастера на 21 год, но открытия его по времени совпали со многими открытиями Пастера. Они были как бы соперниками в изучении микробов и борьбе с заразными болезнями. Ну что ж, это было плодотворное соперничество, и от него человечество только выиграло.
творец фагоцитарной теории
На своем портрете, подаренном Мечникову, Пастер написал: «На память знаменитому Мечникову — творцу фагоцитарной теории от искренне преданного Пастера».
Сам Илья Ильич Мечников так рассказывает о рождении этой теории. «Однажды, когда вся семья отправилась в цирк смотреть каких-то удивительных дрессированных обезьян, а я остался один над своим микроскопом, наблю
26
дая за жизнью подвижных клеток у прозрачной личинки морской звезды,— меня сразу осенила новая мысль. Мне пришло в голову, что подобные клетки должны служить в организме для противодействия вредным деятелям.
Чувствуя, что тут кроется нечто особенно интересное, я до того взволновался, что стал шагать по комнате и даже вышел на берег моря, чтобы собраться с мыслями. Я сказал себе, что если мое предположение справедливо, то заноза, вставленная в тело личинки морской звезды, не имеющей ни сосудистой, ни нервной системы, должна в короткое время окружиться налезшими на нее подвижными клетками, подобно тому, как это наблюдается у человека, занозившего себе палец. Сказано — сделано. В крошечном садике при нашем доме я сорвал несколько розовых шипов и тотчас же вставил их под кожу великолепным, прозрачным, как вода, личинкам морской звезды. Я, разумеется, всю ночь волновался в ожидании результата и на другой день рано утром с радостью констатировал удачу опыта. Этот последний и составлял основу «теории фагоцитов», разработке которой были посвящены последующие 25 лет моей жизни».
Наблюдения за мелкими прозрачными рачками показали Мечникову, что и с различными паразитами организм борется при помощи своих подвижных клеток. Очевидно, то же происходит и в организме человека, и подвижные клетки, то есть белые кровяные тельца — лейкоциты, расправляются со всякими чужеродными микробами. Если человек занозит себе палец, то в ранку проникают гноеродные микробы, а на месте их внедрения возникает воспаление; скопившиеся лейкоциты захватывают и пожирают (переваривают) микробов. Эти подвижные клетки назвали фагоцитами («фагос» — пожирающий и «цитос» — клетка).
Но еще при жизни И. И. Мечникова многие ученые указывали на основании опытов, что организм защищается от болезнетворных микробов и их токсинов (ядов) не фагоцитами, а особыми веществами — антителами, которые находятся в жидкой части крови. Эта теория получила название гуморальной («гумор» — жидкость). Мечников полностью не отрицал гуморальной теории. Но оказалось, что в защите организма от болезни играют роль и фагоцитарный и гуморальный факторы.
Среди проблем, волновавших Мечникова, была и проблема продления жизни. Изучая старческие изменения органов, ученый пришел к выводу, что они сходны с изменениями, наступающими при некоторых отравлениях.
27
Бык весом в 500 килограммов, находящийся на пастбищном содержании, синтезирует в сутки лишь полкилограмма белка, а 500 килограммов микроорганизмов за такое же время могут дать 1250 килограммов белка, иначе говоря, они синтезируют белок в 2500 раз быстрее, чем животные. Причем белок, вырабатываемый микроорганизмами; богат не только необходимыми для человека аминокислотами, но и разнообразными витаминами. Источником для синтеза белка микроорганизмам могут служить нефтепродукты.
А раз старческие изменения результат отравления, то нужно найти, откуда оно идет.
В желудке и в тонких кишках среда подкислена и для развития микробов малоподходяща. Зато в толстых кишках среда щелочная — и микробам там раздолье. Мечников приходит к выводу, что микроорганизмы, обитающие там, не только не нужны для деятельности кишечника или, по крайней мере, безразличны, но и вредны, так как выделяют ядовитые вещества.
«Чем больше изобилует кишечник микробами, тем более становится он источником зла, сокращающим существование», — писал исследователь. В этом он убедился экспериментально, вводя животным продукты жизнедеятельности микробов, обычно обитающих в кишечнике человека. В результате у этих животных возникали болезненные изменения в органах.
Что же делать? Каким путем обезвредить этих микробов? Вырезать толстый кишечник невозможно. Дезинфицировать его различными лекарственными средствами бесполезно. Но у новорожденных детей, как подметил И. И. Мечников, молочнокислые микробы задерживают развитие гнилостных. Ученый культивировал микробов, содержащихся в кислом молоке, и выяснил, что они задерживают развитие вредных микробов. Он считал, что, уси
ленно питаясь кислым молоком, можно отдалить старость. Гипотеза эта полностью не подтвердилась. Однако в пользе кислого молока сомневаться не приходится. Но сама идея использовать антагонизм микробов получила в дальнейшем блестящее развитие в применении антибиотиков.
сражение за сражением
Предложенные Пастером и Кохом методы помогли распознавать и побеждать одну инфекционную болезнь за другой. Англичанин Давид Брюс разгадал тайну лихорадки острова Мальта. Он обнаружил ее возбудителя, который стал называться в честь исследователя бруцеллой, а болезнь— бруцеллезом. Затем тот же Брюс и немец Тауте приоткрыли тайну сонной болезни, вызываемой трипаносомами и передающейся тропической мухой цеце.
Каждый второй ребенок, заболевший дифтерией, умирал. Родные воспринимали диагноз дифтерии почти как смертный приговор.
Серая пленка в горле мешала дышать, ребенок задыхался, а врач был бессилен помочь. Недаром еще в средние века дифтерию называли «петлей палача». Кому суждено разорвать эту петлю?
История медицины хранит несколько имен. Это прежде всего немецкий врач Ф. Лефлер, первым обнаруживший палочку возбудителя дифтерии, которая так и была названа — «палочка Лефлера». Однако не всегда в организме, пораженном дифтерией, Лефлер находил эту палочку. Доктору Э. Ру, ученику Л. Пастера, удалось получить дифтерийный яд (токсин). Затем Э. Беринг (ученик Р. Коха) и Э. Ру получили лечебную сыворотку, введение которой заболевшим детям уменьшило смертность вдвое.
Шли годы. Развивалась микробиология. Новые эффективные средства входили в строй. Сейчас многие города свободны от этой болезни. Даже в таком большом городе, как Ленинград, бывают лишь единственные случаи дифтерии.
Недавно у нас была издана книга австрийского историка медицины Гуго Глязера «Драматическая медицина». В книге есть портреты двух русских врачей — Г. Н. Минха и О. О. Мочутковского; Мы лишь упомянем то, что сделали эти ученые.
29
Г. Н. Минх в 1874 году ввел себе кровь больного возвратным тифом и заболел. Таким образом он доказал, что спирохета — возбудитель этой болезни — находится действительно в крови. Далее Минх определил, что возвратный тиф передают от человека к человеку насекомые-паразиты.
В те же годы О. О. Мочутковский заразил себя кровью сыпнотифозного больного, тем самым доказав, что возбудитель и этой болезни находится в крови, а француз Николь позднее выяснил, что сыпной тиф передает вошь.
Открытия следовали одно за другим. Англичанин Р. Росс, итальянец Б. Граси и русский В. Я. Данилевский разгадали тайну малярии: они доказали, что распространитель этой болезни — комар анофелес.
Но не только открытие причин болезней и переносчиков волновало ученых. Они стремились находить новые и новые лечебные средства или усовершенствовать уже открытые.
Так, русский микробиолог Николай Федорович Гамалея много сделал для совершенствования прививок против бешенства. Гамалея был создателем Одесской, первой в России и второй в мире, станции по прививкам против бешенства. Им же были разработаны меры борьбы с дифтерией, холерой и другими болезнями. Многое сделал для борьбы с чумой академик Д. Н. Заболотный.
В начале столетия немецкий исследователь Ф. Шаудин открыл возбудителя сифилиса — спирохету, а несколькими годами позднее Пауль Эрлих, испробовав более шестисот препаратов, получил свой знаменитый препарат — «606» — сальварсан, который успешно применялся при лечении сифилиса.
Но не следует думать, что бурное развитие микробиологии и успехи в лечении инфекционных болезней в конце прошлого столетия привели к полной победе над микробами. Нет, до нее было далеко. Еще не все прививки и лекарства были в достаточной степени надежны; к тому же далеко не против всех болезней они
30
были найдены. Оставалась также группа заболеваний, возбудителей которых обнаружить никак не удавалось.
ботаник открывает вирусы
Пастер пришел в микробиологию из химии, И. И. Мечников — из зоологии, а Антоний Левенгук был владельцем суконной лавки... Неотразимо привлекал многих людей загадочный мир невидимок. И не удивительно, что в самых почтенных микробиологических учреждениях вы увидите на почетном месте портрет ботаника Д. И. Ивановского, основоположника вирусологии.
Но по порядку.
На плантациях Украины и Бессарабии на листьях табака стали вдруг появляться желтоватые пятна. Листья покрывались причудливым узором, съеживались и становились непригодными к обработке.
Убытки не давали покоя табаководам. Два студента-ботаника, два Дмитрия — Ивановский и Половцев получили задание разобраться, в чем тут дело. Молодые ботаники отправились на юг. Они пробовали разные средства: то изменяли норму полива, то рекомендовали другие удобрения, то предлагали разреживать посевы. Но табак продолжал гибнуть.
Окончив Петербургский университет двадцатишестилетний Дмитрий Ивановский уехал в Крым, в Никитский ботанический сад. Мозаичная болезнь табака не дает ему покоя. Ивановский делает
опытные посевы, исследует больные растения под микроскопом. Но поле микроскопа чисто, возбудителей болезни не видно. Да и заразна ли эта болезнь?
Тогда ученый попробовал передать болезнь здоровым растениям: вытяжку из заболевших растений он набирает в тонкие трубочки, которые втыкает в жилку здорового листа.
31
Д, И. Ивановский.
На одиннадцатый день некоторые растения заболели, а на пятнадцатый, затем на двадцатый заболели остальные. Раз болезнь заразна, стало быть, есть и заразное начало, но сколько ни просиживал Ивановский над микроскопом, ничего увидеть не смог. Может быть, микробов очень мало? Молодой исследователь прилагал много усилий для размножения микробов в питательных средах, но, увы, обнаружить их ему не удавалось. Тогда он решил испробовать особый фильтр, называемый свечой Шамбер-лдна.
У этой «свечи», изготовленной из фарфора, очень маленькие поры, такие, что через них не проходят даже бактерии. Но сок из больных растений, пропущенный через свечу Шамберлана, продолжал оставаться заразным, а на фарфоровых порах фильтра микробов обнаружить не удалось.
В чем же дело?
Возможны были два решения. Первое — заразное начало— яд, выделяемый микроорганизмом, которого еще не
32
удалось увидеть. Но это предположение не оправдалось. Ведь при переносе сока от одного растения к другому яд должен становиться менее ядовитым, а на самом деле этого не происходило.
Значит, здесь действует какой-то возбудитель, гораздо меньший, чем микробы. И почему бы не так?
Вывод удивительный: есть возбудители болезней настолько маленькие, что они проходят через тончайшие фарфоровые фильтры. Впоследствии они получили название фильтрующихся вирусов. Так были они открыты, хотя их еще никто не видел. А увидели их много позже, когда был изобретен электронный микроскоп.
Вас, очевидно, интересует, что посоветовал Ивановский табаководам, каковы были практические результаты его открытий? Молодой ученый рекомендовал беспощадно уничтожать больные растения, если их немного. Если же мозаичная болезнь развилась на большой площади, то нужно произвести плодосмен, то есть на месте табака в течение двух-трех лет сеять какие-нибудь другие культуры, например злаки. Смысл плодосмена в том, что болезнь эта поражает только один вид растений — табак. Рекомендации Ивановского применялись на практике.
Через пять лет после открытия вируса табачной мозаики обнаружили вирус ящура, вызывающий тяжелое заболевание лошадей. А спустя еще 20 лет канадский исследователь Феликс Д’Эрелль, используя метод ультрафильтрации, открыл новую группу вирусов, поражавших бактерии. Они так и были названы бактериофагами (или фагами)— пожирателями бактерий. Фаги обладают рядом любопытных свойств, о которых мы еще расскажем.
Постепенно были обнаружены и описаны сотни мельчайших существ, вызываю-
Лист табака, пораженный мозаичной болезнью.
2 Заказ 130
щих самые разнообразные болезни человека и животных, растений и бактерий. К настоящему времени известно уже более двух тысяч вирусных заболеваний.
нечаянная плесень
У английского ученого Александра Флеминга лаборатория была очень тесная, загроможденная пробирками, чашками, колбами. Флеминг с трудом протискивался к столу. Он изучал стафилококков.
Привычным движением достал одну из чашек, но культура стафилококков была испорчена плесенью. И там, где выросла плесень, колонии стафилококков растворились, а на их месте остались лишь капельки влаги.
Это не было редким явлением! Его наблюдали многие исследователи, с сожалением выкидывая испорченную культуру: ведь опыт приходилось начинать сначала.
Но Флеминг заинтересовался плесневым грибком и вырастил его в чашках с питательной средой. Затем ученый обнаружил, что плесень убивает лишь некоторых микробов. Так, она оказалась губительной для стрептококков, стафилококков, дифтерийных палочек и бацилл сибирской язвы. Грибок, как впоследствии выяснилось, принадлежал к виду пенициллиум нотатум.
Но от того грибка, который наблюдал Флеминг в 1926 году, до пенициллина., широко применяемого сейчас в лечебной практике, было еще далеко. Опыты, исследования, наблюдения, многократные проверки и снова опыты. Нужен был кристаллически чистый препарат, а его получить никак не удавалось. Уж очень была капризна целительная плесень. Это смогли сделать лишь спустя много лет ученые из Оксфордского университета в Англии — Чэйн и Флори.
В 1945 году Флеминг совместно с Флори и Чейном был удостоен Нобелевской премии.
наступление широким фронтом
Итак, Александр Флеминг открыл пенициллиум — обычную, но удивительную плесень. На целебную силу плесени обращали внимание и раньше, в том числе и русские ученые — А. Г. Полотебнов и В. А. Манассеин. Но
34
Александр Флеминг.
их наблюдения, к сожалению, не получили своевременного признания и распространения.
Открытие пенициллина послужило началом эры антибиотиков и позволило медицинской науке перейти в широкое наступление на болезни, наносившие урон человечеству на протяжении многих веков и тысячелетий.
Вслед за пенициллином были открыты стрептомицин, который помог в борьбе с туберкулезом, ауреомицин — средство против сыпного тифа, синтомицин — против брюшного тифа. Почти каждый год появляются новые антибиотики, причем ученые стремятся найти такие, к которым микроорганизмы не могли бы вырабатывать устойчивость.
В открытии антибиотиков и внедрении их в практику много сделали советские ученые 3. В. Ермольева, Н. А. Красильников, Г. Ф. Гаузе.
Летом 1966 года в Москве состоялся IX Международный конгресс микробиологов, на который съехались ученые из 55 стран мира. На секциях и симпозиумах конгресса наследники славы Пастера, Коха, Мечникова и Ивановского обсуждали самые животрепещущие проблемы своей науки. Шел большой и серьезный разговор о полезных и вредных микробах и вирусах, о ликвидации инфекционных
2
35
Одна из самых трудоемких и вредных операций на кожевенных заводах — удаление со шкур волосяного покрова. Людям приходится здесь работать в тяжелых и малоудобных резиновых костюмах и в масках. Ведь шерсть удаляют едкими химическими составами, которые прожигают обычную одежду, а их пары отравляют воздух. Но недостатки метода не только в этом: чтобы удалить шерсть, требуется двое-трое суток, после чего шкура не всегда остается достаточно прочной. Недавно украинские микробиологи вывели специахь-hjho бактериальную культуру, которая быстро удаляет или, точнее, съедает шерсть, причем самой шкуре вреда не приносит. Так бактерии помогли одновременно улучшить условия труда и технологию производства. Установка с бактериальной обработкой шкур монтируется в Киеве.
заболеваний, о роли микробов в индустрии, сельском хозяйстве и производстве антибиотиков и о многом другом. Специальные секции были посвящены микробиологии почвы, водной среды, насекомых, ветеринарной микробиологии.
Очень большое внимание на конгрессе было уделено вирусологии: «Анатомия вирусов», «Генетика вирусов», «Синтез компонентов вирусов», «Вирусы в онкологии», «Химиотерапия вирусных инфекций» — вот неполный перечень названий вирусологических секций. Для уха специалиста они звучат, как музыка! Действительно, даже по названию можно судить о том, как глубоко проникли ученые в тайны микромира.
А здесь нам бы хотелось сказать о новой области биологии, которая привлекла большое внимание участников конгресса. Речь идет о гнотобиологии, или жизни без микробов. Возможна ли жизнь без микробов, если они вездесущи и находятся, как вы уже знаете, повсюду? Этот вопрос потребовал постановки специальных опытов. Как вырастить безмикробных животных? Значит, необходимо изолировать их с места появления на свет, а потом содержать в стерильных условиях, кормить стерильной пищей, поить стерильной водой и обеспечивать для дыхания стерильный воздух. Все это
настолько сложно и дорого, что скептики заявили, что изучение безмикробных животных (гнотобиотов) це стоит тек усилий, которые на них затрачиваются. Однако жизнь показала, что это не так. Использование биологически стерильных животных позволило поставить и решить много очень важных вопросов биологии и медицины и прежде всего выяснить, какую роль играет обычная микрофлора в росте и развитии организма и в возникновении болезней.
Конгресс подвел итоги работы медицинских микробиологов, и этим коротким рассказом о нем мы заканчиваем наш небольшой экскурс в историю микробиологии.
ИЗ ЭТОЙ главы вам предстоит узнать, что мир невидимых существ столь же разнообразен, как мир существ видимых; вы познакомитесь с тем, как выглядят некоторые его представители. Мы расскажем вам о строении больших и малых микробов (ибо у микробов тоже есть свои гиганты и карлики); о том распорядке, созданном учеными-классификаторами, без которого легко «заблудиться» среди бесконечного многообразия малых живых существ; о способах выращивания этих существ в лаборатории. Без этих сведений не могла бы существовать микробиология как точная наука.
Глава
2-
большие и маленькие
о пользе определителей
Есть растения, животные, насекомые, знакомые каждому. Даже горожанин, видевший птиц лишь на картинках да в зоопарке, сразу узнает страуса или лебедя, но может стать в тупик перед любой небольшой пичугой (пожалуй, за исключением воробья или ласточки). Синицы, зяблики, щеглы для многих просто птичья мелочь.
Когда рыбаку-любителю наконец повезет, и он принесет домой хорошего леща, никто не скажет, что это щука. Но когда он, как в прошлый и в позапрошлый раз, придет с десятком рыбешек величиной с палец, то ему скажут: «Опять пескарей принес!» А ведь это были не пескари, а уклейки, или верхоплавки, или недоразвитые окуньки.
38
Среди великого множества насекомых ни с чем не спутаешь жука-оленя или большую черно-желтую бабочку махаона. Но вот по листу травы ползет «что-то» величиной с полногтя, буроватого цвета. Что это? Всякий ответит с исчерпывающей точностью: букашка. Или мурашка.
Конечно, никто, кроме специалистов, не обязан с первого взгляда узнавать уклейку или называть ту или иную букашку ее точным и полным названием. Однако при желании это может сделать каждый с помощью книг — определителей. В определителях насекомых, например, перечисляются признаки каждого вида, отличающие его от других, величина и окраска тела, расположение щетинок, форма усиков и так далее. Создается, как говорят в криминалистике, словесный портрет. Мы читаем: «...боковой край надкрылий в коротких щетинках. Голова с зеленоватым блеском, надкрылья красно-бурые, с большим черным пятном вокруг щитка. Брюшко в лежащих волосках. Длина 13—16 мм. Жук-кузька посевной». Оказывается, наша букашка не просто букашка, а опасный вредитель посевов, так называемый жук-кузька.
У каждого, даже самого маленького насекомого достаточно видимых признаков для точного определения. Но здесь пойдет речь не о насекомых, а о гораздо более мелких существах — микробах. Их малые размеры, внешнее сходство, простота строения приводили в отчаяние первых исследователей. Великий ботаник Карл Линней в конце XVIII века ввел систему классификации животных и растений, которая служит и поныне. Самой мелкой единицей этой системы является вид, например тот же жук-кузька посевной. Более крупная единица, объединяющая несколько сходных видов,— это род, в данном случае род жуков-кузек. Затем идет семейство (семейство жуков-хрущей и навозников, куда входят и жуки-кузьки), отряд жуков или жесткокрылых, класс насекомых и тип членистоногих.
Однако даже Линней не смог разобраться в мире бесконечно малых существ и отнес их в сборную группу, названную им хаосом.
С линнеевских времен прошло немало лет. Первозданный микробный хаос постепенно упорядочился. Оказалось, что и у микробов можно найти признаки, столь же типичные для каждого из них, как, скажем, окраска надкрылий для жука-кузьки. Но кое в чем хаос еще остался— и в первую очередь в самом названии «микроб». Оно происходит от двух греческих слов: «микрос» — малый и «биос»—•
39
жизнь. Если так, то к микробам можно сопричислить все живые существа, которые едва заметны или вовсе незаметны для невооруженного глаза. Тогда наибольший размер микроба — Vio—!/2о доля миллиметра (в 2—3 раза меньше, чем точка на страницах этой книги). В микробиологии принято производить измерения в тысячных долях миллиметра — микронах, и в тысячных долях микрона *— миллимикронах. Следовательно, размер заметного (особенно, когда он подвижен) невооруженным глазом микроба до 50 микрон.
Многие простейшие (инфузории, амебы) имеют довольно сложное строение и достигают нескольких сот микрон. Ими занимается особая наука, называемая протистологией, которая уже давно отделилась от микробиологии. Среди простейших есть настоящие гиганты, например раковинные амебы, раковинки которых такой же величины, как и у мелких улиток. Но не будем задерживаться на этом классе мельчайших живых существ. Хоть они и мельчайшие, но все же во много раз больше, чем любой микроб.
Инфузория туфелька:
1 — рот; 2 — пищеварительные вакуоли; 3 — выделительная ва* куоль; 4 — ресничкщ
Отдельную бактерию простым глазом не увидишь. Правда, есть так называемые серобактерии, которые образуют нити длиной в десятки сантиметров, но это исключение. А правило таково: размер бактерии колеблется около величины в два микрона. Для этой величины уже не найдешь подходящего наглядного сравнения: такая бактерия меньше типографской точки в 250—500 раз.
Итак, существа, которых биологи прошлых лет относили в одну группу (точь-в-точь, как мы называем букашкой и муравья, и тлю, и жучка-короеда), даже по размерам сильно отличаются друг от друга. Крупная инфузория в тысяч раз больше вируса.
400—500 микрон почти в сто Между тем самое крупное млекопитающее — синий кит, величиной в 30 метров — длиннее четырехсантиметровой землеройки-малютки всего в 750 раз. Значит, в наших руках уже есть один признак, который поможет нам навести порядок в мире микробов.
По форме и по строению микробы отличаются друг от друга, пожалуй, не меньше, чем по величине. Несомненно, самые красивые и причудливые из них это простейшие, особенно инфузории.
туфельки и трубачи
Если вам когда-нибудь представится случай побывать в лаборатории или в доме, где есть нехитрый прибор — бинокулярная лупа, или микроскоп, то не поленитесь раздобыть несколько капель несвежей воды и рассмотрите эту воду при увеличении в 50—100 раз. Воду можно взять из стакана с<
Инфузория трубач.
Соотношение между микроорганизмами может быть таким.
давно стоящими цветами, из аквариума, еще лучше — летом из зацветшего пруда. Хорошо, если в воде будут одна-две веточки водорослей. В бинокулярную лупу смотрят двумя глазами сразу (в обычный микроскоп — одним), и поэтому изображение кажется не плоским, а объемным.
Если в воде есть инфузо
рии, то вы увидите нечто вроде хорошо подсвеченного аквариума с множеством необычных существ. Через поле зрения будут быстро проплывать овальные инфузории — парамеции, или туфельки. Они и вправду похожи на туфлю или на мужской полуботинок с острым носом. В бинокулярную лупу плохо видны тончайшие реснички, окаймляющие все тело инфузории (их легче заметить, если предварительно окрасить инфузорий специальными красками). Сокращающиеся реснички служат для передвижения. Такой способ движения весьма
распространен в мире микроорганизмов, в том числе и у бактерий.
Примерно в середине тела туфельки, чуть ближе к переднему концу, есть углубление, также окаймленное ресничками, — «рот», который заканчивается «желудком» —’ пищеварительной вакуолью. Это маленький пузырек, куда поступают и где перевариваются бактерии и другие съедобные частицы, которыми питается туфелька. Непереваренные остатки скапливаются в другой полости — выделительной вакуоли — и оттуда выбрасываются наружу. Все это можно увидеть, если накормить туфельку тушью. Каплю туши добавляют в жидкость с инфузориями. Час
тицы туши заполняют пищеварительные вакуоли, и они становятся похожими на темные шарики в светлом прозрачном теле туфельки.
Туфелек или похожих на них инфузорий найти нетрудно. Но если вам повезет, то вы встретите другую, крупную и красивую инфузорию — стентора, или трубача. Трубачи живут в прудовой воде. Они действительно похожи на трубу, и обычно не плавают свободно, а прикрепляются к водорослям тем концом тела, который соответствует мундштуку трубы. Передний конец тела трубача напоминает воронку или раструб и снабжен ресничками, которые загоняют воду вместе с мелкими инфузориями и бактериями
42
внутрь «трубы». Так трубач питается. Если в воду с трубачами добавить каплю туши, то можно видеть, как частицы туши крутятся около раструба в вихрях и водоворотах, созданных ресничками. Иногда трубач отделяется от водоросли и носится в воде, как маленькая торпеда. Это крупная инфузория, и ее легко заметить невооруженным глазом.
Мы сказали, что инфузории — это класс простейших. Но оказалось, что этот «простейший» трубач обладает фантастической способностью к регенерации — восстановлению органа или всего организма из участка тела. Всем известно, например, что у ящерицы на месте оторванного
хвоста вырастает новый, у рака отрастают новые клешни и т. д. Если же разрезать трубача на несколько частей, то. из каждой вырастет новый трубач. Правда, для этого нужно одно обязательное условие: в такой кусок должен попасть участок клеточного ядра; об удивительных свойствах ядра мы поговорим позднее.
Может быть, на водоросли или на веточке, попавшей в воду, вы увидите колонию су-воек. Сувойки тоже инфузории; они похожи на колокольчики. Колокольчик сидит на длинном стебельке, его раструб окружен венцом ресничек. Реснички, как и у трубача, гонят воду внутрь инфузории. Стебелек может сокращаться: постучите по столу, на котором стоит лупа, или даже громко крикните — сувойки, почувствовав сотрясение, съежатся, а потом постепенно расправятся и станут похожи на связку воздушных шаров.
Инфузорий, в общем, заметить нетрудно; можно ру-
Инфузории сувойки.
Уксус — тоже продукт деятельности микробов. Только они очень капризны: им необходима температура 30° — не больше и не меньше. Поэтому за условиями их «труда» внимательно следят специальные автоматы. Раньше считалось, что для производства уксуса нужен сахар и дрожжи — довольно ценное пищевое сырье. Но позже ученые подобрали другую, не столь привередливую группу бактерий, которая довольствуется более дешевым сырьем.
Дрожжевые грибки очень прожорливы. За сутки 56 килограммов грибков «съедают» полторы тонны питательных веществ, выпивают 27 тысяч литров воды и используют для дыхания 765 кубометров воздуха.
После этого они увеличивают свой вес до 450 килограммов.
чаться, что в воде, стоявшей несколько дней в теплом помещении, вы встретите два-три вида. Постарайтесь найти и другое простейшее, относящееся к классу корненожек,— амебу. Она обычно меньше средней инфузории и похожа на полупрозрачный бесформенный комочек.
Если приглядеться к такому комочку, то можно увидеть, как на одном его конце образуется выпуклость, которая растет, растягивается, и постепенно все тело амебы переливается туда. Такое движение получило название амебоидного. Сходным образом передвигаются многие клетки, в том числе и лейкоциты — белые клетки крови. Есть амебы, двигающиеся очень быстро: они как бы шагают, подтягивая все тело к переднему концу, и напоминают гусениц-землемеров.
Вряд ли с первого раза вам удастся увидеть, как питается амеба. Для этого нужно долго и терпеливо следить за ней. Но зрелище стоит того. Если на ее пути попалась какая-либо частица, то амеба обтекает эту частицу со всех сторон своим студенистым телом и в конце концов «заглатывает» и переваривает ее (конечно, если частица съедобна). В этом процессе участвует весь организм амебы, ведь у нее нет «рта», как у туфельки, и вообще все участки поверхности ее тела одинаковы.
44
Простейшие не полностью оправдывают свое название и устроены довольно сложно. У них есть органы движения — реснички; своеобразная пищеварительная и выделительная система, сокращающиеся волокна, напоминающие мышцы. Сложно и поведение простейших — в движении ресничек инфузорий есть строгий порядок; некоторые исследователи находят у них да^ке начало психической деятельности. Например, можно «обучить» инфузорию туфельку двигаться в определенной последовательности. Инфузорию поместили в тончайшую стеклянную трубочку, чуть шире ее тела, и запаяли эту трубочку с обоих концов. Туфелька доплывала до одного конца, затем начинала изгибаться и после нескольких попыток поворачивалась передней частью тела к другому концу, снова доплывала до запаянного места, поворачивалась, и так далее. После нескольких рейсов туда и обратно туфелька тратила на поворот гораздо меньше движений, чем в начале опыта.
Пожалуй, самая главная особенность простейших — это их «широкая специализация». В любом многоклеточном организме — у человека, у воробья, у блохи — клетки выполняют какую-то одну функцию. Например, лейкоциты заглатывают посторонние частицы, мышечные клетки сокращаются, клетки многочисленных желез вырабатывают и выделяют различные вещества. Инфузория же — одна-единственная клетка, но она «умеет все». Поэтому отнеситесь с уважением к этим маленьким созданиям. Может быть, вам станет понятна одержимость первых микроскопистов, которые просиживали, глядя на них, многие часы, забывая про еду и сон.
палочки и запятые
Строение бактерий много проще и однообразнее, чем строение простейших, и здесь нет такого богатства форм, как у инфузорий. Однако это единообразие и простота строения делают бактерии очень хорошей моделью для многих опытов. Еще проще устроены, и поэтому еще лучше, как модель, вирусы. Но о них — после, в особой главе.
Чтобы посмотреть на живые бактерии, нам с вами придется поискать более сильные и сложные микроскопы, чем те, в которые мы рассматривали инфузории. Без увеличения в 600—800 раз тут не обойтись. Зато источник, в котором всегда можно найти множество разнообразных бактерий, доступен всегда. Это— ваш собственный рот. Соскребите зубной налет и размешайте его в капельке воды
45
или слюны на предметном стекле. Этого вам хватит для ознакомления с основными формами бактерий.
Если вы посмотрите на них в обычный микроскоп, употребляющийся в медицинских и биологических лабораториях, то, наверное, разочаруетесь. Будут видны сероватые, с нечеткими контурами, очень маленькие палочки, шарики, нити. Разве их сравнить с причудливыми, как тропические рыбы, инфузориями? В так называемый фазово-контрастный микроскоп вы сможете увидеть больше. Отличие этого микроскопа от обычного сводится к тому, что частицы, одинаково прозрачные для световых лучей, но с разной плотностью выглядят здесь по-разному: более плотные — темнее, менее плотные — светлее.
Интересно наблюдать живых бактерий в так называемый темнопольный микроскоп. Лучи света здесь идут не через объект наблюдения в объектив микроскопа, а сбоку. Вы, наверное, видели, как ярко светятся пылинки в солнечном луче, пробившемся из-за штор или ставни в темной комнате. Примерно так же выглядят в темнопольном микроскопе и бактерии — как светлые точки на угольно-черном или коричневатом фоне. Общие очертания их при этом немного смазываются, но зато хорошо видно движение бактерий. А характер движения позволяет распознавать возбудителей некоторых болезней.
Иные бактерии не имеют жгутиков, нужных для передвижения. Но это не значит, что в поле зрения микроскопа они будут неподвижны. Нет, вам покажется, что бактерии движутся, причем все разом, как муравьи в развороченном муравейнике. Однако это — не самостоятельное, активное движение микроба, а так называемое броуновское движение. Броуновское движение любых мелких частиц, плавающих в жидкости (отнюдь не только микробов),— следствие беспорядочного теплового движения молекул этой жидкости. Молекулы давят на частицу со всех сторон, и она, так сказать, «топчется на месте».
46
Зато если под микроскопом подвижные бактерии, то вы увидите, как быстро они пересекают поле зрения, замирают на месте, а затем снова устремляются дальше. Особенно интересно наблюдать за спирохетами, похожими на ожившую спираль от электрической плитки. Они настолько тонки, что под обычным микроскопом живую спирохету трудно разглядеть. В темнопольном микроскопе они видны гораздо лучше. Вы, наверное, найдете их в зубном налете; только хорошенько приглядитесь — лучше всего искать спирохет во время их движения. Они или плывут, извиваясь, как змейки, или дергаются на месте и даже складываются пополам.
Живых бактерий, однако, рассматривать не столь удобно, как мертвых и окрашенных. Детали строения этих организмов были изучены именно на окрашенных препаратах. Чтобы окрасить бактерии, нужно нанести их на стекло (как говорят, сделать мазок), высушить его, прогреть на пламени горелки (чтобы клетки впоследствии лучше покрасились) и капнуть на мазок каплю специальной краски. Если вы попадете в микробиологическую лабораторию, то там, конечно, найдется набор разнообразных красок. Одна из самых распространенных — метиленовая синяя. Так как она входит в состав чернил для авторучки, то за неимением лучшего можно брызнуть на мазок каплю чернил. Через 6—8 минут краску надо смыть водой и высушить мазок.
В зависимости от того, какой вид бактерий был окрашен, вы увидите под микроскопом шарики или палочки — прямые, изогнутые или похожие на запятую. Из палочек и шариков могут образовываться цепочки. Шарики иногда
Спирохета,
Палочковидные бактерии: кишечная палочка (слева), возбудитель сибирской язвы (справа).
Микробы уксуснокислого брожения.
объединены в группы по четыре, восемь и шестнадцать. У некоторых палочек на концах есть утолщения вроде спичечной головки. Таковы основные формы бактерий.
Однако столь краткое описание напоминает слова одного философа, который определил человека как двуногое без перьев. У бактерий, даже окрашенных самым простым способом, можно найти довольно много особенностей их строения. О некоторых из этих особенностей мы здесь расскажем.
Палочковидных бактерий в природе больше всего. Само слово «бактерия» по-гречески значит «палочка». Один из самых распространенных микробов, так называемая кишечная палочка, имеет форму длинного овала. Кишечная палочка обитает в толстых кишках; в одном грамме человеческих испражнений может содержаться 2—3 миллиарда этих микроорганизмов (представляете, сколько их попадает во внешнюю среду в населенной местности!).
По форме от кишечной
палочки неотличимы и болезнетворные микробы — возбудители дизентерии, тифа, паратифа. Возбудитель сибирской язвы — тоже палочка, но с обрубленными концами. Бактерии сибирской язвы часто располагаются в виде длинных нитей-цепочек.
Форму палочки имеют возбудители столбняка, газовой
гангрены и многих других болезней.
Иногда можно встретить название «холерная запятая». Действительно, так называемые вибрионы похожи на запятую. К ним относится и возбудитель холеры. Только не представляйте себе холерную запятую в виде головастика,
48
как любил ее рисовать в «Окнах РОСТА» Маяковский. Это скорее изогнутая палочка равномерной толщины. Строго говоря, это даже не палочка, а отрезок спирали, один ее неполный виток.
Шаровидные бактерии называются кокками. Кокки, собранные в гроздья, напоминающие виноградные, носят название стафилококков. Некоторые из них, попадая в ранки или царапины, служат причиной нагноений и вызывают тяжелые заболевания у детей раннего возраста. Много несчастий причиняют человеку стрептококки —• микробы, похожие на нитки бус или четки. Они вызывают и рожистое воспаление, и ангину, И даже заболевание сердца — эндокардит. Коккам, расположенным по два — диплококкам, — человек обязан такими болезнями, как менингит, воспаление легких,
Различные виды кокков: 1 — стафилококки; 2 — стрептококк ки; 3 — диплококки.
гонорея.
В окрашенном мазке легко определить форму бактерий, но изучить строение бактериальной клетки во всех деталях невозможно. И если мы строении бактерий, то этому помогли специальные методы их окраски и изучение их под электронным микроскопом.
все-таки уже много знаем о
семеро одежек и все без застежек
Рассмотрим, как устроена микробная клетка; начнем с самых верхних слоев и будем снимать, как шелуху с луковицы, один слой за другим.
49
Схема строения бактерии:
1 — капсула; 2 — клеточная стенка; 3 — клеточная мембрана; 4 — ядро; 5 — протоплазма.
Дифтерийная палочка.
Снаружи многие бактерии одеты в капсулу: она предохраняет бактерию от неблагоприятных воздействий, например от высыхания. Капсула состоит из сахаров или жироподобных веществ и в какой-то мере соответствует домику-чехлу, какой строят себе личинки насекомых ручейников или некоторые гусеницы. Можно растворить капсулу, но бактерия останется живой и «отрастит» новую.
Следующий слой называется клеточной стенкой. Если первый слой состоит из «мертвого» вещества, то второй, так сказать, «живая кожа» бактерии. Она тоньше капсулы, плотная и упругая. Если удалить участок клеточной стенки и проделать отверстие в клетке, содержимое ее вытечет, а пустая клеточная стенка сохранит контуры бактерии, как скорлупа выеденного яйца. Именно благодаря второму слою бактерии всегда имеют постоянную форму — палочек, шариков, спиралей. Бактерий, которые могли бы менять свои очертания так же, как амебы, не существует; амебоидное движение им несвойственно.
Под клеточной стенкой лежит тонкая, эластичная клеточная мембрана. Ее увидели только в электронный микроскоп, но о том, что она существует, догадывались и раньше. Дело в том, что если бактерии поместить в так назы
ваемый гипертонический раствор с концентрацией солей, значительно большей, чем в бактериальной клетке, то жидкость будет уходить из клетки в среду. Клеточная стенка сохранит форму бактерии — круглую или овальную, но внутри нее будет виден съежившийся комочек протоплазмы — самого тела бактерии. Между этим комочком и оболочкой клетки образуются зазоры. Такое явление может произойти только в том случае, если протоплазма одета, кроме клеточной стенки, еще одной пленкой — клеточной мембраной; в противном случае было бы по-другому: протоплазма вытекла бы вместе с водой через клеточную стенку.
Существование клеточной мембраны, ее отличие от клеточной стенки выявляется и в опытах с образованием так называемых протопластов.
На этих опытах мы сейчас остановимся поподробнее.
Среди веществ, разрушающих клеточные стенки многих микробов, есть так называемый лизоцим. В больших количествах он содержится в свежих яйцах, слюне, слезах. Вероятно, поэтому ранки на слизистой оболочке век заживают быстро и очень редко дают нагноения. Все видели, как коты после ночных драк зализывают царапины — они используют целебные свойства слюны.
Бактерия в гипертоническом ра* створе, Капсила не нарисована.
Бактерия, окруженная капсулой.
Лизоцим разрушает клеточную оболочку бактерии, но не повреждает ее мембрану. Такая «полураздетая» бактерия называется протопластом. В него сразу поступает вода; он становится круглым и совершенно непохожим на исходную бактерию. Если воды поступило много, то оболочка не выдерживает, и раздувшийся протопласт лопается. Однако если подобрать соответствующее давление, то протопласт продолжает жить, и живет довольно долго. При этом он производит все необходимые для жизни вещества и даже размножается. Через некоторое время он может «отрастить» себе новую клеточную оболочку, правда, лишь в том случае, если на клетке остались кусочки старой.
Под клеточной мембраной лежит протоплазма и ядер-ный аппарат. В протоплазме есть множество мелких зернышек. Иногда встречаются и крупные, например, зерна так называемого волютина на обоих концах у дифтерийной палочки. По расположению этих зерен можно отличить возбудителя дифтерии от ложнодифтерийных бактерий, не вызывающих болезни: у настоящей дифтерийной палочки зерна волютина расположены строго по краям, а у ложнодифтерийной они часто лежат и посередине.
О ядерном аппарате бактерий мы расскажем в другой главе — там, где пойдет речь о наследственности. А сейчас остановимся на образовании, которое хотя и имеет отношение к размножению и наследственности бактерий, но в то же время служит хорошим признаком — ориентиром для классификации. Речь идет о бактериальной споре.
бессмертные споры
Если рассматривать в фазово-контрастный микроскоп живых спорообразующих бактерий, то в темных непрозрачных палочках можно заметить круглые или овальные блестящие зерна. Они так сильно блестят, что кажутся маленькими фонариками. Зерна эти крупные, часто даже
52
шире самой палочки, располагаются на концах или в цент* ре. Так, бактерия столбняка несет круглую спору на самом конце, за что ее иногда называют барабанной палочкой; бактерия ботулизма — тяжелого и, к счастью, редкого заболевания, относящегося к группе пищевых отравлений, имеет очень большую овальную спору и напоминает ракетку для пинг-понга. У возбудителя сибирской язвы спора располагается посредине бактерии. Такие бактерии называются бациллами, в отличие от палочек, не имеющих спор.
Можно сказать, что спора, это — особая стадия развития микроба, исключительно устойчивая к губительным для обычной клетки воздействиям. Сам процесс образования спор сводится к тому, что ядро бактериальной клетки обособляется от протоплазмы и” одевается оболочкой, обладающей сильным лучепреломлением (поэтому спора кажется блестящей). Такая оболочка — надежный панцирь, предохраняющий спору от высокой или низкой температуры, различных химических веществ и т. п.
Та часть клетки, от которой обособилась спора, вскоре отмирает, и спора вываливается наружу. Образование спор идет в стареющих культурах; его можно искусственно вызвать, долгое время не пересевая бактерий на свежую питательную среду.
Споры обладают поразительной жизнеспособностью: их можно годами держать в высушенном виде, кипятить (правда, лишь при обычном атмосферном давлении), помещать в вакуум, замораживать до температуры жидкого азота (270°) — они остаются
живыми и, попав в питательную среду, превращаются — вернее, прорастают, как семена — в обычные клетки. Живые споры находили в зоне вечной мерзлоты. В «Фаусте» Мефистофель говорит о неистребимости жизни:
...все в мире так ведется,
Что в воздухе, в воде и на сухом пути,
В тепле и в холоде зародыш разовьется;
Один огонь еще, спасибо, остается,. А то б убежища, ей-богу, не найти.
53
Спорообразующие бактерии: слева — возбудитель столбняка, справа — ботулизма.
Микробиологу, читающему эти строчки, первым делом приходит на ум бактериальная спора (пусть простят нам такую вольность; впрочем, Гёте сам был натуралистом и, наверное, не обиделся бы на нас.)
Вполне вероятно, что спора может длительное время существовать и в космосе; ведь есть гипотеза панспермии, согласно которой жизнь на Землю была занесена вместе с космической пылью с какой-то другой планеты.
Не совсем понятно, чем объясняется устойчивость
этой стадии развития. Яснолишь, что в это время совершенно затухают все процессы обмена веществ. Спора и по химическому составу отлична от бактерии: например, если вода составляет около 80% веса любой клетки, то в споре ее нет совершенно.
Наличие этих устойчивых образований доставляет микробиологам и врачам множество неприятностей. Например, возбудители тяжелых раневых инфекций — столбняка и газовой гангрены — образуют споры. Они могут попасть в рану при операции и вызвать осложнения.
Избавиться от спор можно двумя способами. Иногда их убивают, кипятя все то, что соприкасается с операционным полем, под давлением в две атмосферы. Это делается в особых приборах, где поддерживается высокое давление,— в автоклавах. Можно идти и другим путем — «перехитрить» спору, дать ей превратиться в бактерию, а затем убить обычным воздействием (ведь не все можно поместить в автоклав: есть жидкости, которые не выдерживают не только кипячения под давлением, но и простого кипячения). Такой путь называется дробной стерилизацией. Раствор, в котором хотят убить споры, выдерживают около суток при 37°: при этой температуре большая часть бактерий растет лучше всего. Затем раствор прогревают при температуре 80°. Споры, которые не успели прорасти, остаются живыми, зато бактерии погибают. Эту процедуру проделывают еще один-два раза. В, конце концов, спор, способных прорасти, уже не остается.
54
Г акой же тактики придерживаются, когда стерилизуют, то есть обеспложивают, многие пищевые продукты, например молоко. Способ многократного нагревания в данном случае называется пастеризацией, по имени Пастера; с названием «пастеризованное молоко», вам, наверно, приходилось сталкиваться в повседневной жизни.
жгутики
Нам осталось рассмотреть еще жгутики бактерии — ее
органы передвижения.
Бактериальные жгутики — это очень нежные реснички, довольно длинные (часто длиннее самой клетки), но чрезвычайно тонкие — около 0,02—0,04 микрона (то есть тонь-
ше самой бактерии во много раз). Располагаются они на поверхности клетки у разных видов по-разному: иногда окружают венчиком всю бактерию, иногда сосредоточиваются лишь на одном ее конце. Найример, у холерного вибриона всего один-единствен-ный жгутик. Жгутики — признак, помогающий различать бактерии.
Но вот вопрос: а как увидеть жгутики? Ведь в световом микроскопе нельзя рассмотреть частицу меньше половины длины световой волны (для области фиолетового спектра это около 0,2 микрона).
Это можно представить себе, припомнив водяные волны, на пути которых стоит большой камень и тонкий стебелек тростника. Вода за камнем будет спокойной: там возникнет нечто вроде тени, подобной той, какую отбрасывает непрозрачный предмет на пути световых волн. Трос-
Бактерия со жгутиками*
Самые подходящие условия для размножения микроорганизмов в почве. В одном грамме ее может быть до 3 миллиардов микроорганизмов.
Количество их зависит от почвы. В грамме серой лесной почвы насчитывают около миллиарда бактерий, а в плодородной черноземной гораздо больше. Микробы почти невесомы. Вес одной бактерии равен примерно О, ООО 000 000 4 миллиграмма.
Но когда подсчитали, каков же вес всех микробов, обитающих на гектаре плодородной почвы, в слое толщиной в 30 сантиметров, то оказалось, что несколько тонн!
тинку же волна свободно обтекает. Так и световые волны обтекают слишком мелкие объекты, поэтому в световой микроскоп нельзя увидеть предметы меньше 0,2 микрона или разглядеть раздельно две точки, находящиеся на таком расстоянии.
Мы отвлеклись от бактериальных жгутиков. Но зачастую невозможно отделить предмет исследования от методов, которыми он исследуется. Как же все-таки увидеть эти образования? Прибегнуть к электронному микроскопу? Нет, можно обойтись и световым. Только необходимо жгутики прокрасить или протравить солями металлов или другими веществами: от этого они делаются намного толще и становятся видимыми. Бактерия, окрашенная таким способом, не похожа на себя: если, например, жгутики расположены по всему ее телу, то она выглядит запутавшейся в переплетении длинных нитей или корешков.
деление
Бактерии «ставят рекорды» среди живых существ не только по миниатюрным размерам; они обладают и рекордной скоростью размножения.
Бактерия, попав в питательную среду, увеличивает
ся, в особенности в длину. Затем посередине, поперек клетки, начинает расти клеточная мембрана, деля ее на две половины. Образуются две клетки, разъединенные перегородкой, но одетые общей клеточной стенкой. Между этими клетками потом возникает перетяжка, которая становится все тоньше и тоньше. Наконец перетяжка рвется, и клетки отделяются друг от друга.
Все это происходит очень быстро — у кишечной палочки от деления до деления проходит 20—25 минут. Однако так бывает лишь в тех случаях, когда в среде достаточно питательных веществ. , Бактерии, посаженные на скудный
Делящиеся бактерии.
рацион, делятся медленнее. Интересно, что скорость деления зависит также от количества бактерий в питательной среде. Если их число превышает определенную концентрацию (так называемую М-концентрацию), то деление приостанавливается, хотя бы питательных веществ было достаточно. Иными словами, есть какой-то механизм, не
Почкующиеся дрожжи.
допускающий перенаселения.
Как он действует, непонятно, но для каждого вида бактерий есть своя, совершенно определенная М-концентрация.
До сих пор неясно, равноценны ли две клетки, возни-
кающие после деления, или одна из них «старая», а другая — «молодая». По всей вероятности, вещество ядра, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), о которой вы прочтете ниже,— в обеих клетках совершенно равноценно. Белки же, в особенности белки стенки и жгутиков, возможно, неодинаковы — у одной клетки они старше, а у другой
моложе,
Некоторые другие микроорганизмы, в частности дрожжи, размножаются почкованием. Здесь от одной крупной материнской клетки может одновременно отпочковываться несколько мелких, дочерних.
Таким образом, размножение у бактерий — их деление— обходится без участия второго партнера, идет, так, сказать, девственным путем. Это далеко не единственный пример такого рода в биологии (известны многие организмы с циклами девственного размножения, например тли). Однако и у бактерий есть аналоги полового процесса, хотя и не связанные непосредственно с делением. О них вы прочтете в главе «Отцы и дети».
что и как «едят» микробы
Мы рассказали вам о строении, так сказать, об анатомии микробов. Этого иногда достаточно, чтобы классифицировать микроорганизмы. Но это далеко не все, чем располагает классификатор.
...В определителях высших организмов, хотя бы тех же насекомых, кроме «словесного портрета», всегда сообщается, чем это насекомое питается, в какое время года и в какой местности живет и т. д. Для микробиолога сведения о питании и образе жизни микроба еще более важны.
Как поступает пища в микробную клетку? О способах питания некоторых простейших мы уже говорили выше: амебы обволакивают добычу своим телом и переваривают; некоторые инфузории загоняют съедобные частицы в ротовое отверстие посредством ресничек. Есть инфузории-хищники, которые нападают на других, более крупных инфузорий. Пробуравливая особым хоботком тело своей жертвы, они затем высасывают содержимое.
У бактерий нет никакого ротового отверстия. Питательные вещества поступают здесь через те слои клетки, о которых мы говорили выше, в виде растворов, притом разного состава для разных микробов.
Круг веществ, которыми могут питаться бактерии, очень разнообразен. Это — и простые неорганические соединения, такие, как соли железа или других металлов, и более сложные вещества с крупной молекулой, например сахар, и те «кирпичики», из которых слагается белок,—1 аминокислоты, и Крупные блоки молекулы белка — полипептиды, и, наконец, сами белки.
58
Внутрь клетки могут проникнуть лишь сравнительно небольшие молекулы; следовательно, крупномолекулярные соединения должны быть разложены на составные части еще вне клетки. Само проникновение молекулы в клетку — вещь тоже не простая: это нельзя сравнить с фильтрацией или накоплением каких-нибудь веществ по одну сторону полупроницаемой мембраны. А когда простые вещества проникли в клетку, начинается самое главное и трудное — образование из них более сложных соединений, в конечном счете — огромных молекул белка и нуклеиновых кислот — веществ самой микробной клетки.
Все это нельзя воспроизвести в пробирке. И для разложения питательных веществ на составляющие их соединения, и для проникновения их сквозь клеточную стенку и цитоплазматическую оболочку, и для синтеза из них веществ самой клетки нужны особые соединения — ферменты.
Как сказал один студент на экзамене по биологической химии, «фермент — это когда чего-то совсем мало, а оно может гору своротить». Студента за такое определение не похвалили, а ведь суть вещей была им уловлена правильно — ферменты ускоряют во много раз реакцию между веществами, которая без них либо вообще не происходит, либо происходит во много раз медленнее. При этом фермента, по сравнению с количеством взаимодействующих веществ, может быть ничтожно мало — по весу в миллионы раз меньше. И, что особенно интересно, фермент не убывает в количестве: одна его молекула может много раз обслужить реакцию и снова быть готовой к работе (так хорошая мельница будет вновь и вновь смалывать новые зерна без заметного износа жерновов).
Значит, эти особые соединения относятся к числу катализаторов— ускорителей химических реакций. Такие катализаторы известны и в неживой природе, поэтому те, которые есть только у живых существ, называются биокатализаторами. По составу они — белки. Для каждой реакции нужен свой фермент: он подходит к ней, как ключ к замку. Поэтому таких белков-катализаторов у растений, животных и микробов великое множество. Пока, правда, не вполне изучен еще механизм, с помощью которого происходит реакция. Некоторые ученые считают, что крупные молекулы фермента — это нечто вроде площадки для встреч молекул веществ, участвующих в реакции. Есть и другие предположения. Мы не будем их разбирать, а сделаем общий вывод: для жизнедеятельности любого организма нужно
59
много ферментов, и от их набора зависит в том числе и способ питания микроорганизма.
Те микробы, для питания которых нужны лишь неорганические соединения — кислород, растворы некоторых солей, сера,— называются аутотрофами (в переводе на русский язык это название означает: те, кто сами себя кормят).
Аутотрофы строят свои белки и нуклеиновые кислоты, можно сказать, из ничего — из азотистых соединений, воды, кислорода... Это все равно, что построить пирамиду Хеопса из крохотных кирпичиков (а не из многотонных каменных блоков, из которых она сложена на самом деле). Можно даже подсчитать, во сколько раз вся «пирамида» (скажем, огромная молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты — и название-то какое длинное!) больше одного «кирпичика» — молекулы углекислого газа или аммиака.
Молекулярный вес дезоксирибонуклеиновой кислоты (ее обычно называют сокращенно — ДНК) у бактерий равен 1000 миллионам; молекулярный вес углекислого газа — 44. Значит, вся «постройка» больше «кирпича» в 20 миллионов раз (можно напомнить, что на многоэтажный дом сейчас тратят около 100 тысяч кирпичей). И «возводится» вся молекулярная постройка за какие-нибудь полчаса (срок, нужный, чтобы бактериальная клетка произвела себе подобную).
Для всего этого нужен такой мощный набор ферментов, что только диву даешься, когда подумаешь, как это он помещается в микробной клетке. За такой «фабрикой» не угнаться лучшим химическим лабораториям.
Микробы, которые усваивают органические соединения (сахары, аминокислоты), называются гетеротрофами. Микробы-гетеротрофы строят свое тело не из кирпичиков, а из целых блоков. Такое «крупноблочное строительство» требует меньшего числа ферментов. Выделяясь из клетки, часть из этих ферментов разлагает органические вещества внешней среды на более простые составные части; попадая в клетку, части эти и играют роль блоков.
Среди гетеротрофов выделяется группа паратрофов. Эти микробы питаются, так сказать, лишь полуфабрикатами, веществами, которые производят живые организмы. Чтобы из такого полуфабриката получить «готовое изделие», нужно уже немного усилий.
Где же микробы берут вещества для питания? Способ «0
питания, а значит, и ферментный набор микробов во многом определяется теми условиями, в которых они живут (а может быть, вернее будет сказать, что ферментные наборы микробов определяют место их обитания).
Микробы вездесущи. Многие из них живут там, где ничто другое не может жить,— в воде горячих минеральных источников, например. Это типичные аутотрофы: для своей жизни они не нуждаются в присутствии других живых существ.
Бесчисленное множество микроорганизмов пользуется продуктами жизнедеятельности растений и животных и даже микробов-аутотрофов, то есть веществами, уже прошедшими частичную переработку. Все микробы брожения и гниения — гетеротрофы. Число их видов, наверное, никогда не будет подсчитано. Они живут на растительных и животных останках и в теле животных, например в кишечнике.
Ну, а паратрофы — постоянные «иждивенцы» других живых существ. Их отношения с «хозяином» (так называют организм, которому они сопутствуют) могут быть различными. Случается, что их присутствие более или менее безразлично для него; иногда они приносят ему пользу, а иногда вред (в этом случае их называют паразитами).
Приспособленность микроорганизмов к самым невероятным условиям существования поистине безгранична. Есть микробы, которые могут жить в сильных ядах, например в солях цианистой кислоты. Встречаются и такие, которые живут в недрах атомного реактора. И ничего! Переносят радиацию, в 2000 раз превышающую смертельную для человека дозу. Живых бактерий извлекали из горячих источников, температура которых достигала почти 100° по Цельсию.
«и стол, и дом»
С тех пор, как были открыты микробы, в течение многих десятилетий микробиологи учились выращивать их в лабораторных условиях (а позже и в условиях производства, на специальных заводах). Понятно, почему это так важно,— ведь недостаточно увидеть микробов под микроскопом, нужно изучить их образ жизни, способы питания и т. д. Собственно говоря, только с того момента, когда их научились выращивать и культивировать, микробиология стала точной наукой.
В лабораториях их выращивают на питательных средах; сейчас микробиологи располагают огромным количеством таких сред (больше тысячи). Но самой первой был сенной настой: в нем всегда в изобилии встречается множество простейших и бактерий.
Однако на такой среде могут найти себе пищу далеко не все микробы. Поэтому число жидких питательных сред быстро увеличивалось, по мере того как возникали новые и новые отрасли микробиологии: микробиология виноделия, пивоварения, молочных продуктов и т. д. Один из основоположников науки о микробах — Луи Пастер использовал в качестве питательной среды пивное сусло, вино, виноградный сок, мясной бульон... Круг микробов, которых можно было выращивать в лаборатории, все время расширялся.
На многих новых средах, например, на мясном бульоне, могли расти и некоторые микроорганизмы, вызывающие болезни человека и животных. Особенно хорошо они росли, если к бульону добавлялись такие вещества, как кровь, кровяная сыворотка, спинномозговая жидкость. Дело в том, что при кипячении мясного бульона (а это в общем-то самый настоящий, съедобный бульон, только обезжиренный, с особыми пропорциями солей и потому невкусный) разрушаются некоторые вещества, содержащиеся в мясе. Вместе с кровью они вносятся вновь. Поэтому микробы-паразиты находят в такой среде те же вещества, которыми они питались и в организме. Но у жидких сред есть важный недостаток. Если посеять на жидкую питательную среду один какой-нибудь вид микроба, то этот вид на ней и вырастет. Что посеешь, то и пожнешь, так сказать. Но если в «посевном материале» будет несколько микробных видов или бульон окажется сильно загрязненным, тр на нем вырастет смесь микробов. Разобраться в этой смеси будет трудно.
62
Колонии бактерий на плотной питательной среде.
Судите сами. Сколько бы видов микроорганизмов ни выросло на бульоне, результат будет один — бульон помутнеет. Но смешанный «урожай» не годится для изучения свойств какого-либо одного вида микроорганизмов. Между прочим, неумение получать чистые посевы привело к тому, что некоторые микробиологи прошлого были уверены в способности микробов переходить из одних форм в другие. Они считали, что вибрион может превращаться в палочку, а палочка— в плесневой грибок и т. д. На самом же деле посевы просто загрязнялись. Чем загрязнялись? Бактериями из воздуха, конечно.
Очень простой способ получать чистые посевы нашел Роберт Кох. Он предложил сеять микробов на плотные среды, например на застывшую желатину. Позже широкое распространение получил так называемый агар-агар. Каждая микробная клетка, попадая на поверхность плотной питательной среды, размножается, но не уплывает от материнской клетки, как в бульоне, а остается рядом. Вырастают скопления клеток, хорошо видимые простым глазом. Называются такие скопления колониями.
Колония состоит из потомков одной-единственной клетки и не загрязнена никакими посторонними микробами. Если даже из воздуха попадает другая микробная клетка, то ее колонию обычно легко отличить от первой — по величине, окраске, форме. Микробов из отдельной колонии можно безбоязненно пересевать на жидкие питательные среды — «посевной материал» будет всегда однородным и чистым, если, конечно, при этом соблюдать определенные правила.
В плотные питательные среды можно прибавить все те, нужные для роста, вещества, которые добавляют и в жидкие. Поэтому на них можно вырастить любых микробов, растущих на жидких средах. Плотные среды дали возможность более точно классифицировать микроорганизмы.
Выше мы говорили о пресловутом «словесном портрете» микробов и пришли к выводу, что с его помощью опознать их удается не всегда. Слишком малыми возможнос-
63
Ни одно животное не может переварить пчелиный воск, кроме африканской тички — медоведа. А медо-вед ест воск и чувствует себя преотлично. Секрет, оказывается, в том, что у этой птицы, в кишечнике обитают специальные бактерии, которые и помогают хозяйке справляться с неудобоваримой пищей.
Взгляните на карту Центральной Америки: восточнее Кубы расположена цепочка Багамских островов. Острова эти медленно, но верно растут. Состоят они из соединений кальция. Эти соединения образованы микробами. Дно озера Севан сродни Багамским островам: его мощная кальциевая оболочка — тоже работа бактерий. Отложения углекислого кальция есть и в Пятигорске на дне Лермонтовского источника, и в Одесских лиманах.
тями располагает для этого морфология. Но тут на помощь морфологии приходят физиология и биохимия.
Как вы уже знаете, разные микробы растут на разных средах, то есть по-разному усваивают питательные вещества. Неизвестному микробу прежде всего можно предложить набор сред, которые будут отличаться одна от другой лишь немногими веществами. Обычно исследователь приблизительно знает, к какому виду относится неизвестный микроорганизм: сведения об этом дает морфология. Кроме того, если, скажем, ставят диагноз инфекционной болезни, то само течение ее подсказывает, что будет обнаружен один из двух-трех возбудителей сходно протекающих болезней. Поэтому и среды подбирают определенного состава.
Специалисту многое скажет не только то, вырос или не вырос микроб на какой-нибудь среде, но и как долго он рос, какого цвета и формы его колонии (если среда плотная), образуется ли осадок в бульоне. Наконец, важно бывает выяснить, как микробы разлагают (или не разлагают) некоторые составные части питательной среды.
В медицинской микробиологии особенное внимание обращают на разложение сахаров, молока, на образование при этом кислых продуктов, аммиака, сероводорода. Но
как это увидеть? Ведь нельзя заниматься количественным анализом «по всей форме» для каждой микробной культуры, которую исследуют в лаборатории при больнице или санитарно-эпидемиологической станции; на это и не хватит времени. Поэтому есть упрощенные способы. К средам добавляют специальные кислотно-основные индикаторы, меняющие окраску при появлении кислот или щелочей. Раньше в большом ходу был лакмус, теперь он вытесняется другими красителями, более дешевыми и чувствительными.
При исследовании некоторых бактерий весь набор питательных сред так и называют «пестрым рядом». В набор входит несколько пробирок с питательной средой, в которую добавлен какой-нибудь сахар (например, сахароза, или лактоза). В те же пробирки добавляется и индикатор.
Когда вырастут бактерии, то одна часть пробирок с разложившимся сахаром будет красного цвета, а другая — с неразложившимся — останется бесцветной. Штатив с пробирками и впрямь сделается пестрым. Для каждого вида бактерий в таком ряду будет определенное сочетание разложившихся и неразложившихся сахаров.
Есть индикаторы и на появление аммиака, сероводорода и ь других газообразных веществ.
Можно добавлять индикаторы и к плотным средам. Тогда меняет свой цвет выросшая колония, а также небольшой участок среды под ней и около нее.
Так на практике используются различия в ферментативной активности бактерий. Ведь свойство разлагать сахар зависит от того, есть ли в клетке нужный фермент. Например, такой неприхотливый микроб, не паразит, а лишь сожитель человека, как кишечная палочка, разлагает все или почти все разновидности сахара в пестром ряду, а возбудители тифа, паратифа, дизентерии, хотя и сродни кишечной палочке, но, «избалованные» паразитическим существованием, часть ферментов утратили и разлагают не все виды сахаров.
Таким образом, микробиолог располагает сейчас немалыми возможностями для точной классификации любого вида бактерий, который ему повстречается. Сложнее обстоит дело с вирусами как из-за их очень малой даже для микробов величины, так и из-за особенностей их роста и питания.
3 Заказ 130
ЗДЕСЬ мы расскажем вам о существах, которые даже в мире микробов кажутся карликами. Хотя их размеры неуловимо малы, их значение в жизни буквально всех животных, растений и даже бактерий огромно. Вы узнаете о том, как определили величину вирусных частиц; как раскрыли их химический состав; как выглядят вирусы под электронным микроскопом. Вы прочитаете о долго не удававшихся попытках выращивать вирусы в лаборатории и о том, как их научились выращивать на культуре тканей,— и это сразу продвинуло развитие вирусологии далеко вперед. Наконец, мы расскажем о главной цели вирусологии — истребить или обезвредить все вирусы, которые опасны для здоровья человека и для полезных животных и растений.
Глава
3.
существо или вещество?
знакомьтесь, вирусы!
Микробы, о которых мы рассказывали до сих пор, ги-ганты по сравнению с другими представителями микромира— вирусами. Соотношение между ними приблизительно такое же, как между пятиэтажным домом и кирпичом или между слоном и мышью. Однако вред, который приносят вирусы, несоизмерим с их величиной: они вызывают грипп, оспу, энцефалиты, бешенство, полиомиелит, корь. Не исключено, что такие заболевания, как рак и шизофрения,— вирусного происхождения.
Мы перечислили лишь некоторые болезни человека, но существуют вирусы, быстро и безжалостно расправляющиеся с животными, растениями, насекомыми и даже своими сородичами — бактериями.
66
Вне живого организма, вне клетки вирусы совершенно безобидны. Они не проявляют никаких признаков жизни: не питаются, не размножаются и не двигаются. Это обстоятельство ставит их на особое место в ряду других микроорганизмов.
Ученые до сих пор спорят, куда относятся вирусы — к живой или неживой природе? Это действительно трудная проблема, так как, с одной стороны, вирусы имеют свойства, позволяющие считать их живыми существами, а с другой — могут рассматриваться как гигантские молекулы.
Сторонники химической природы вирусов указывают на отсутствие у последних самостоятельного обмена веществ и способности к движению — без этих двух важнейших признаков жизни их нельзя считать организмами. Но в то же время можно ли считать молекулами структуры, обладающие наследственностью, способные размножаться и изменять свои свойства?
В настоящее время вирусы выделены в отдельное «государство», которое так и называется — царство вирусов. «Жители» этого невидимого царства имеют четыре отличительных признака:
оци настолько малы, что не видны в обычные микроскопы, а только в электронные, увеличивающие в десятки и сотни тысяч раз;
сравнительно просто устроены;
могут жить только паразитируя на другом организме; они убивают этот организм.
Вам, наверное, хотелось бы узнать, как появились эти невидимые убийцы, есть ли у вирусов «предки»? На этот вопрос трудно дать точный ответ, здесь пока существуют только предположения и догадки. Ни одна из существующих гипотез не может считаться доказанной, но в каждой из них есть свое рациональное зерно.
Одни ученые утверждают, что вирусы произошли от бактерий. Часть из них, постепенно приспосабливаясь к паразитическому образу жизни, получала все необходимое в готовом виде. Это привело к упрощению структуры бактерий, уменьшению их размеров и полной зависимости от организма хозяина (клетки). В результате они превратились в те примитивно устроенные, «неблагодарные» существа, которые известны сейчас под названием вирусов.
По другой гипотезе, вирусы могли возникнуть до появления клеток и только позже стать паразитами.
Предполагается, что первые живые существа состояли
3
67
из белка, обладающего простейшими жизненными функциями. Питались эти существа, всасывая органические соединения, растворенные в водоемах, или же поглощая более мелких своих «собратьев».
Оказавшись внутри белкового тела хозяина, захваченные частицы должны были погибнуть. Но какая-то часть их могла и выжить, приспособившись к паразитическому образу жизни. Они-то и могли оказаться «предками» вирусов.
Дальнейшая судьба вирусов менее спорна. Их эволюция была тесно связана с развитием мира растений и животных. При этом они все более «специализировались», приобретая способность размножаться только в определенных организмах. Такая строгая специализация, называемая иначе специфичностью действия, позволяет разделить все вирусы на определенные группы: вирусы человека и животных, вирусы растений и вирусы бактерий (фаги). Каждая из этих трех групп, в свою очередь, подразделяется на более мелкие категории.
В настоящее время установлено, что вирусы находятся на трудно определимой грани, отделяющей живую материю от мертвой: они как бы заполняют промежуток между веществами и существами. Условно их можно было бы рассматривать как вещества с признаками существа, или, наоборот, как существа с признаками вещества. Дело в том, что до встречи с чувствительной к ним клеткой, то есть большую часть времени, вирусы ведут себя как молекулы гигантских размеров, а соединившись с ней, они на краткий срок пробуждаются к жизни и становятся мельчайшими живыми существами, способными размножаться, изменяться и передавать свои свойства по наследству.
как было измерено почти неизмеримое
Долгое время размеры вирусов определялись, если можно так сказать, на глазок, но как ни странно, полученные результаты оказались довольно точными. Вначале ученые пытались пропускать вирусы через мельчайшие сита (фильтры) с отверстиями определенной величины. Это было довольно трудоемкое и утомительное занятие. Если основная масса вирусов проходила через один фильтр, то брали другой с порами меньшей величины и опыт повторяли до тех пор, пока не обнаруживали фильтр,
«8
Объект	Диаметр или длинаХширину в миллимикронах	Форма
Мелкие бактерии	750	Ч	
Риккетсии	475<йГ***^	
		«ММ*
Вирусы:		
оспы	260X210	
болотного лютика	130	! *
шелкопряда	280X40	
грип п а	!	85	
кишечной палочки	95X65	
энцефаломиелита лошадей	50	е
кроличьей папилломы	45	
табачной мозаики	1	300X15	«мвпв
полиомиелита	1	27	•
i ящура	21	•
Молекула гемоглобина	15X3	1
Размеры вирусов и других микроскопических объектов.
задерживающий все частицы вируса. После этого можно было вычислить средние размеры вирусных частиц: они были несколько меньше диаметра пор последнего фильтра, пропускавшего вирус.
Другим методом было центрифугирование. Если вращать взвесь вирусов в центрифуге, дающей громадное число оборотов, то вирусные частицы будут оседать, причем скорость их оседания зависит от величины частиц. Зная скорость вращения центрифуги и время осаждения вирусов, можно при помощи специальных формул довольно точно определить их размеры. Этот метод позволяет не
69
только измерять, но и «взвешивать» вирусные частицы. Оказалось, что вирус средних размеров в 1500 раз легче обычной бактерии.
Дальнейшие успехи в изучении размеров и внешнего вида вирусов были связаны с электронным микроскопом. Нужно сказать, что почти 300-летняя эволюция микроскопа шла по линии увеличения разрешающей способности этого сложного оптического прибора, и в настоящее время в этой работе практически достигнут предел. Если дедушка оптического микроскопа голландский продавец сукна Антоний Левенгук видел микроорганизмы величиной приблизительно в 5—10 микрон, то в современный оптический микроскоп можно рассмотреть бактерии и риккетсии величиной в 0,5—1 микрон, однако для того чтобы рассмотреть вирусы, увеличение в 1500 раз, которое получают с помощью обычного микроскопа, явно недостаточно. Эта трудность была преодолена только после изобретения электронного микроскопа. С помощью электронного микроскопа вначале удалось определить точные размеры вирусов и их внешний вид, а затем появилась возможность изучать отдельные детали строения вирусов.
Подготовка к электронной микроскопии занимает гораздо больше времени, чем сама микроскопия. Сначала нужно получить чистый концентрированный препарат вируса. Для этого вирусы «отмывают в семи водах» с помощью мощных суперцентрифуг, «чистят» в колонках с различными ионообменниками. Затем полученный вирус наносят на тончайшую сетку, покрытую пленкой коллодия, и «припудривают» очень мелкой металлической пылью, и только после этого препарат можно рассматривать под микроскопом.
70
Так появилась возможность прямого измерения вирусов. Оказалось, что величина вирусов, определенная методами ультрафильтрации и центрифугирования, почти точно соответствует результатам прямого измерения их с помощью эектронного микроскопа.
В царстве вирусов были обнаружены великаны и карлики.
Самые крупные, вызывающие оспу, трахому, бешенство, достигают 200—400 миллимикрон, а самые мелкие—возбудители полиомиелита, энцефалитов и ящура — нескольких десятков миллимикрон.
Здесь вспоминаются дискуссии схоластов по поводу количества чертей, которых
А эти шарики несут человеку энцефалит.
можно уместить на конце иголки. Каждый участник спора мог называть любое пришедшее ему в голову число, но никто не мог экспериментально доказать свою правоту. А если бы мы хотели
подсчитать, сколько вирусов
может поместиться на кончике иголки, то для этого не потребовалось бы много времени. С помощью самых простых арифметических расчетов можно убедиться в том, что острый конец обыкновенной швейной иголки — великолепная площадка для свободного размещения приблизительно 100 тысяч вирусных частиц. Как раз столько болельщиков бывает на трибунах стадиона в Лужниках во время крупных футбольных матчей.
А как выглядят вррусы? На экране электронного микроскопа, увеличенные в десятки тысяч раз, они напоминают палочки, шарики, нити, запятые.
Посмотрите на рисунок. Вот как выглядели бы некоторые вирусы, если бы они стали больше в 30 тысяч раз (для электронного микроскопа это сравнительно небольшие увеличения).
71
что узнали биохимики
Если в одном месте скапливается очень много вирусных частиц, то они часто образуют красивые кристаллы. Эти кристаллы можно наблюдать не только в пробирке, содержащей очищенные взвеси вирусов, но и внутри зараженных клеток. В 1935 году известный американский ученый Уэнделл Стенли впервые получил вирус табачной мозаики в кристаллическом виде. Для этого ему потребовалось выжать сок приблизительно из одной тонны (!) растений табака, пораженных этим вирусом. В состав каждого кристалла входят десятки тысяч вирусных частиц, находящихся в чистом виде. Анализ химического состава кристаллов показал, что они содержат главным образом белок и незначительное количество нуклеиновой кислоты. Позже оказалось, что и все другие вирусы состоят из этих двух компонентов, которые в настоящее время рассматриваются как материальная основа жизни. На этом стоит остановиться подробнее.
Нуклеиновые кислоты — наиболее важная часть вирусной частицы. У этих сложных соединений — огромный молекулярный вес (до 120 миллионов). Их делят на два типа — дезоксирибонуклеиновые (или, сокращенно, ДНК), и рибонуклеиновые (сокращенно РНК). Состоят они из большого числа отдельных «кирпичей» — нуклеотидов.
Клетки человека, животных, растений и бактерий всегда содержат как РНК, так и ДНК. Вирусы содержат лишь одну нуклеиновую кислоту, поэтому все их можно разделить на две большие группы: содержащие ДНК и содержащие РНК. Так, вирусы оспы, аденовирусы, бактериофаги содержат ДНК, а вирусы гриппа, полиомиелита — РНК.
У вирусов нуклеиновая кислота обычно . заключена внутри отдельных частиц и окружена, как панцирем, белковой оболочкой. Количество ДНК или РНК у различных вирусов варьирует в весьма широких пределах. Так, вирус гриппа содержит около 1 % рибонуклеиновой кислоты, а остальные 99% приходятся на долю белка; в вирусе табачной мозаики РНК до 6%, в вирусе полиомиелита — 24%, а в некоторых бактериофагах содержание ДНК достигает 50%. Заметно колеблется и количество входящих в нуклеиновые кислоты нуклеотидов. РНК вируса гриппа построена из 6000 нуклеотидов, вируса полиомиелита — из 7300 нуклеотидов, а вируса картофеля— из 11 300.
Еще более сложно устроен второй обязательный компонент вирусной частицы — белок — высокомолекулярное со
П
единение, состоящее из громадного количества простых низкомолекулярных частей, называемых аминокислотами. Всего известно 20 аминокислот. Это как будто немного. Между тем они-то и создают все разнообразие белков в природе.
Сколько белковых нитей можно составить из 20 аминокислот? Несложный математический подсчет количества возможных сочетаний из 20 дает весьма внушительную цифру 2,43-1017 (243 000 000 000 000 000)! Но если учесть, что каждая из 20 аминокислот входит в состав существующих в природе белков не один, а несколько раз, то становится ясно, что количество возможных сочетаний из них практически бесконечно. И каждый такой вариант—это специфичный белок со строго определенными свойствами! Недавно было доказано, что замена (или перемещение) в молекуле белка хотя бы одной аминокислоты приводит к заметному изменению его свойств.
Изучить последовательность аминокислот в молекуле белка чрезвычайно трудно, однако эта задача в настоящее время начинает становиться разрешимой. Недавно ученым удалось расшифровать структуру белка вируса табачной мозаики: оказалось, что он состоит из субъединиц (белковых цепочек), имеющих молекулярный вес 17 000 —
Недавно в одном из журналов промелькнула заметка под названием «Друг тореадоров». В заметке сообщалось: перед ареной для боя быков в одном из кварталов Мадрида стоит памятник Александру Флемингу. Хотя Флеминг не был тореадором и даже не увлекался боем быков, памятник ему поставил синдикат, организующий корриды. Ведь открытие лечебных свойств пенициллина, сделанное Флемингом, помогает спасать раненых тореадоров от заражения крови.
18 000. Каждая цепочка включает 158 аминокислот, а общее число цепочек в белке вируса достигает 2130.
Более сложно устроенные вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, жироподобные вещества (липиды) и, что особенно важно, ферменты.
Вирусы «устроены просто, но целесообразно. Природа, создавая их, как бы отбрасывала все ненужное. И вместе с тем каждый компонент вирусной частицы, как мы увидим в дальнейшем, выполняет определенные и весьма сложные функции.
Так, белковая оболочка защищает вирус от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая кислота определяет его наследственные и инфекционные свойства и играет ведущую роль в их изменчивости, а ферменты помогают ему растворить оболочку клетки и проникнуть внутрь.
как из частей складывается целое
Итак, вирусы состоят из белков и нуклеиновых кислот, а некоторые из них содержат и ферменты. А каким образом из этих компонентов складывается полноценная вирусная частица? Обычно нуклеиновая кислота находится в центре частицы и со всех сторон защищена белковой оболочкой, как бы одета в нее. Эта «одежда» состоит из однотипных белковых молекул — капсомеров, уложенных определенным образом. Они имеют довольно правильную геометрическую форму, причем, как видно из рисунков, пространственные отношения между молекулами белка и нуклеиновыми кислотами неодинаковы у разных вирусов.
Известны два основных типа укладки — кубический и винтовой. В первом случае нить нуклеиновой кислоты вируса свернута в клубок, а белковые капсомеры плотно уложены вокруг. Такие вирусные частицы напоминают ягоду, малину, и по форме приближаются к шарику. Так устроены возбудители гриппоподобных заболеваний (аденовирусы), вирусы, вызывающие опухоли, и многие другие.
При винтовом типе укладки нуклеиновая кислота закручена в виде спирали, каждый виток которой покрыт капсо-мерами, тесно прилегающими один к другому. Вирусные частицы в этом случае напоминают початок кукурузы и по форме приближаются к палочке.
У сложно устроенных вирусов сердцевина может быть одета одной или несколькими внешними оболочками.
74
Теперь, зная основы архитектуры вирусов, попробуем разобрать, как устроены некоторые, наиболее изученные из них.
Сначала посмотрите на вирус табачной мозаики. Она построена из субъединиц таким образом, что напоминает пустотелый цилиндр с внешним диаметром около 150 ангстремов, внутренним — около 380 ангстремов. Белковая спираль, примерно из 130 витков, служит как бы оболочкой для одной молекулы РНК.
Вирус оспы устроен значительно сложнее. Он имеет около 300 миллимикрон в диаметре и содержит, кроме белка и ДНК, липиды, углеводы, биотин*. В центре частиц находится внутреннее тельце, сходное с ядром клеток высших организмов. Оно состоит из белка и ДНК, окружено белковым слоем и имеет еще два образования также белковой природы, роль которых до сих пор неясна. Снаружи вирусная частица покрыта оболочкой. Довольно хитро устроены и частицы
Кубический тип симметрии: а — вирус герпеса; б — аденовирус.
вируса гриппа.
Но особенно подробно стоит, пожалуй, рассказать о строении бактериофагов. Бактериофаги похожи на головастиков и состоят из головки и хвоста. Различные типы фагов отличаются друг от друга своими размерами, а также формой головки, которая может быть палочковидной, круглой или овальной. На хвост надет белковый чехольчик, от
* Биотин — витамин Н, необходимый для нормальной жизнедеятельности организмов.
75
Винтовой тип симметрии. Вирус табачной мозаики.
Схема строения вируса оспы: А — Поперечный разрез.
1 — внутреннее тельце; 2 — белковый слой; 3—оболочка частицы. Б — Продолъный разрез.
которого отходят длинные тонкие волокна. Они играют роль присосок и служат для прикрепления частицы фага к бактерии. Отсюда же выделяется особый фермент, помогающий фагу растворять бактериальную оболочку.
неполный список темных дел
Вирусы наши постоянные спутники и со дня рождения сопровождают нас всегда и везде. К большинству из них мы нечувствительны, при встрече же с некоторыми можем заболеть. Проникают в организм вирусы по-разному: с воздухом или пищей, иногда их «впрыскивают» прямо в кровь насекомые-переносчики — комары или клещи. Рассказать здесь о всех болезнях, которые вызывают вирусы, невозможно. Мы остановимся лишь на нескольких.
Грипп. Вряд ли можно найти на Земле человека, который бы не переболел гриппом. Болезнь эта известна очень давно. Упоминание о ней можно найти уже в трудах великого врача древности — Гиппократа. Эпидемии гриппа еще недавно производили не меньшие опустошения, чем в свое время чума или оспа. В 1918—1920 годах гриппом
76
переболело 500 миллионов человек и погибло около 20 миллионов. Это значительно больше, чем число убитых на всех фронтах первой мировой войны.
Название грипп произошло от французского слова «grippe», что означает «схватывать». Раньше эту болезнь называли еще инфлюэнца, что по-итальянски значит «вторгаться». Не правда ли, эти названия образно характеризуют агрессивность заболевания, агрессивность его возбудителя?
Болезнь начинается внезапно и быстро распространяется, охватывая население целых стран, а иногда и континентов. Скорости передвижения эпидемий способствует современный транспорт. Вир
Схема строения частицы бактериофага:
А—мембрана головки; Б—нуклеиновая кислота; В — хвостовидный отросток.
: гриппа любит путешест-
вовать, для этого он охотно пользуется пароходами, поез
дами и самолетами.
Настоящий возбудитель гриппа был открыт лишь в 1933 году. До этого считали, что заболевание вызывает одна небольшая бактерия, которую часто находили при гриппе. Позже было доказано, что это всего-навсего сопутствующий микроб. Сейчас вирус гриппа изучен уже достаточно хорошо. Он обладает одним удивительным свойством — способностью перевоплощаться. Известно много разновидностей его, каждая из которых может вызвать самостоятельное заболевание. Из-за этого бороться с таким хамелеоном трудно: оружие, эффективное против одного вида вируса, не годится для борьбы с другим. Но об этом мы расскажем дальше.
Говоря о возбудителе гриппа, нельзя не вспомнить его многочисленных «родственников». Несколько десятков их было открыто сравнительно недавно. Их назвали энтеровирусами (вирусы, поражающие кишечник) и аденовирусами (вирусы, вызывающие воспаление желез). Каждый из них может явиться причиной так называемых гриппоподобных заболеваний, отличить которые от истинного
77
гриппа иногда очень трудно и возможно только путем глубоких лабораторных исследований.
Полиомиелит — это тоже очень древнее заболевание. При раскопке египетских гробниц археологи находили скелеты с деформацией костей, которые наблюдаются только при этой болезни. В храме богини Изиды есть изображение жреца, одна нога которого была явно короче и тоньше другой. Это след, который оставил полиомиелит. Потребовались тысячелетия для того, чтобы выделить возбудителя этой болезни, изучить его и научиться с ним бороться.
Вирус полиомиелита гораздо меньше и проще по строению, чем вирус гриппа, но и он обладает способностью быстро распространяться и вызывать эпидемии.
В 1916 году от полиомиелита в одном только Нью-Йорке погибло 2 тысячи человек и было парализовано около 7 тысяч. Особенно восприимчивы к полиомиелиту дети, поэтому болезнь эту часто называют еще детским пара
личом.
В организм возбудитель попадает главным образом с пищей, но иногда и вместе с воздухом. Затем он прони-
Схема строения вируса гриппа.
кает в клетки нервной системы, обычно поражая те из них, которые ведают движением. Это приводит к тяжелому параличу рук и ног или искривлению позвоночника и плохо поддается лечению.
У возбудителя полиомиелита тоже много «родственников». В первую очередь это вирусы Коксаки, выделенные в 1948 году из организма больных детей, живших в американском городке Коксаки. Сейчас известно уже более 30 вирусов, вызывающих заболевания, похожие на полиомиелит.
Энцефалит. Вирусы его, так же как возбудители полиомиелита, поселяются в нервных клетках и могут довольно быстро разрушить их.
78
В зависимости от того, какая группа клеток мозга поражена, наблюдаются различные признаки болезни. Если это нервные клетки, ведающие движением, — развиваются параличи; если клетки, отвечающие за зрение, слух, то больной слепнет или глохнет.
Многие дикие и домашние животные и особенно птицы являются как бы естественными резервуарами вирусов энцефалита. Это — воробьи, голуби, дрозды, снегири, из домашних птиц — куры и утки, а из млекопитающих — лошади, свиньи, овцы, козы, собаки. Комары и клещи передают вирусы энцефалита
человеку.
Корь. Вирус кори похож на уже знакомый нам вирус гриппа, но сходство это чисто внешнее, ведь между этими двумя заболеваниями мало общего. Возбудитель гриппа — «универсал», ему «все возрасты» покорны, а вирус кори «специализируется» главным образом на детях. Но заболевание может поражать и взрослых. Так, например, в середине прошлого века тяжелая эпидемия кори наблюдалась на Фарерских островах, где раньше эта болезнь не встречалась. Переболело все население островов, причем взрослые болели даже тяжелее детей. Корью могут очень важно, так как они вес]
Схема строения парагриппозно-го вируса:
7—поверхностный, состоящий из ферментов и гемалютини-на; 2 — слой белковых и жироподобных веществ; 3— вирусная нуклеиновая кислота в винтовой форме.
Изображение на стене храма богини Изиды,
заболеть и обезьяны, и это ма удобный объект для изу-
чения этого вируса.
Это очень летучее заболевание, которое в настоящее время продолжает встречаться во всех странах. Врачи
79
древности считали корь очень легкой формой оспы. Страшна не сама корь, а осложнения, которые часто бывают после нее (воспаление легких, воспаление среднего уха, энцефалиты).
Мы коснулись лишь нескольких болезней, вызываемых вирусами. На самом деле их несравненно больше. Вред, который причиняют вирусы, очень велик. Достаточно сказать, что больше половины всех заболеваний человека — вирусного происхождения, а если вспомнить, что вирусы поражают еще животных, растения и бактерии (среди которых есть много полезных и нужных человеку), то станет ясно, что борьба с ними — одна из наших важнейших задач. Но, чтобы успешно бороться с врагом, необходимо изучить его.
коротко о клетках
До сих пор мы говорили о вирусах. Теперь пора познакомиться с клетками, в которых они «поселяются». Ведь клетки являются другим основным участником нашего рассказа.
Прежде всего нужно отметить, что клетки человека и животных, растений и насекомых по сравнению с вирусом — гиганты. Но, несмотря на это, крохотный вирус нередко побеждает в борьбе своего партнера.
Клетки растений и животных построены по одному типу. Они имеют ядро, цитоплазму и оболочку.
Ядро может быть шаровидной или овальной формы. Оно играет важную роль в процессе роста и размножения клеток. Основной его компонент — нити хроматина (хромосомы), состоящие из белка и ДНК. Кроме того, в нем содержится несколько овальных ядрышек, которые содержат РНК и «заведуют» производством белков. Ядро одето в оболочку (мембрану), которая обладает свойством легко пропускать такие крупные молекулы, как РНК и белок.
Протоплазма клетки содержит различные элементы, среди которых особый интерес представляют митохондрии* и рибосомы**. Образно говоря,— это «электростанции» и «строительные комбинаты» клетки.
* Митохондрии (по-гречески «митос» — нить, «хондрос» — зерно) — цитоплазматические частицы — поставщики энергии.
** Рибосомы («рибо» — от названия рибонуклеиновой кислоты, «сома» по-гречески — тело) — цитоплазматические частицы, содержащие главным образом РНК,
80
Схема строения клетки:
А—клеточная оболочка; Б— цитоплазма; В — ядерная оболочка; Г— нити хроматина; Д— митохондрии; Е — ядрышко; — микросомы.
Мелкие тельца митохондрии по форме напоминают нити, зернышки или палочки одинаковой ширины, но различной длины. Состоят они из белков, РНК и соединений фосфора, а также содержат ферменты, которые осуществляют расщепление белков, жиров и углеводов. При этом выделяется энергия, необходимая клетке для синтеза новых соединений.
Рибосомы — своеобразные «фабрики» клеточных белков. Это — круглые тельца, размеры которых настолько малы, что увидеть их можно лишь с помощью электронно
го микроскопа. В них содержится основная часть клеточной РНК (80—90%) и сложный набор ферментов, отвечающих за синтез важнейших клеточных соединений, в первую очередь белков.
Защищает клетку и придает ей определенную форму оболочка. Она же, в известной мере, регулирует поступление питательных веществ и выделение наружу отходов (продуктов обмена). В оболочке животной клетки обычно есть два слоя: первый состоит из жироподобных веществ, соединенных с белком (липопротеины), второй — из слизистоподобных веществ (мукопротеины).
Вот, собственно, и все, что нужно знать о клетке, для того чтобы был ясен дальнейший ход нашего рассказа.
по следам невидимок
Вы, верно, помните героя романа Герберта Уэллса «Человек-невидимка», молодого физика Гриффина, сумевшего сделаться невидимым. Гриффин объявляет войну обществу, наивно полагая, что он неуязвим. Но очень скоро все неудобство его положения становится явным. «Я не мог выходить на улицу, когда падал снег: он облеплял меня и таким образом выдавал... Бродя по улицам в лондонской атмосфере, я пачкал ноги, и на коже оседала сажа и пыль». Став невидимым, Гриффин не потерял спо
81
собности оставлять следы и это, в конечном счете, погубило его.
У вирусов есть одно свойство, которое роднит их с фантастическим человеком-невидимкой,— они тоже оставляют следы, и это, по сути, до сих пор остается единственным способом их обнаружить. Исследователи, посвятившие свою жизнь охоте за вирусами, должны были научиться находить эти следы. Задача была трудной, но от ее решения зависел успех борьбы с вирусными заболеваниями. Постепенно был накоплен громадный фактический материал, касающийся строения, химического состава и болезнетворных свойств вирусов. Были разработаны и тонкие методы вирусологического анализа.
жизнь в пробирке
Все попытки культивировать вирусы на искусственных питательных средах оканчивались неудачей. Следовательно, нужно было научиться выращивать живые клетки в пробирке. Длительные поиски увенчались победой — был создан метод культуры тканей.
Культура ткани... Не правда ли, не очень понятное сочетание слов? А вирусологу, поставившему перед собой цель выяснить, что происходит с клеткой, на которую напал вирус, эти два слова скажут многое-. Этот метод сделал доступным изучение инфекционного процесса на клеточном уровне. Ведь клетки — это та единственная среда, попав в которую вирус как бы оживает и начинает воспроизводить себе подобных.
Если взять кусочек ткани, поместить его в специальную питательную среду и поставить при температуре 35—37°, то клетки начнут активно делиться. Если их время
от времени промывать и добавлять свежую питательную среду, то они будут размножаться неопределенно долгий срок.
Известны клетки, которые культивируются уже много лет во всех вирусологических лабораториях мира. Например, культура Хе Ла. Она была получена в 1952 году из раковой опухоли и названа так по инициалам больной,
82
умершей через два года после операции. Много лет живет культура клеток, выделенная в 1955 году из раковой опухоли гортани человека, другая культура получена из ангиосаркомы (злокачественная опухоль сосудов) человека; есть культура из клеток сердца обезьяны.
В вирусологии используется несколько способов культивирования тканей. Можно выращивать клетки в жидкой среде во взвешенном состоянии или, прикрепив кусочки ткани к стенкам стекла сгустком плазмы, а сверху омывая питательной средой. Есть и другие пути, но основным считается способ получения однослойной культуры из клеток, изолированных одна от другой. Для получения такой культуры измельченную ткань обрабатывают раствором пищеварительного фермента трипсина при температуре 35—37°. Трипсин разрушает связи между клетками, и в пробирке образуется однородная взвесь клеток. Ее промывают, чтобы удалить трипсин, а потом разводят специальным составом, содержащим эмбриональный экстракт, сыворотку крови, солевой раствор и антибиотики. После этого взвесь разливают в пробирки или специальные чашки, закрывают пробками и помещают в термостат при температуре 37°. В этих условиях клетки прикрепляются к стеклу, а затем начинают размножаться, образуя однослойный пласт.
Посмотрите, как выглядят клетки культуры ткани под обычным микроскопом. Вы можете легко определить в них все основные компоненты — ядро, ядрышки, цитоплазму и оболочку. А при большом увеличении, которое можно получить с помощью электронного микроскопа, легко различить митохондрии и рибосомы в цитоплазме клетки и хро-
Если такую культуру заразить вирусом, то происходящие в ней процессы можно наблюдать под микроскопом.
Другой, не менее распространенный метод — культивирование вирусов в развивающемся зародыше куриного яйца. В нем хорошо растут вирусы, вызывающие грипп, свинку, оспу. Возбудителей с помощью шприца вводят через скорлупу в зародыш на восьмой-девятый день его раз
матин в ядре.

83
вития. Яйцо ставят в термостат, а затем производят пересев на новые зародыши. Таким образом можно получить большие количества вирусов.
Довольно просто культивировать в лаборатории бактериофаги. Для них «кормом» являются бактерии, хорошо растущие на искусственных питательных средах.
Оказалось, что формы взаимодействия вируса и клетки чрезвычайно сложны и многообразны. В одних случаях вирусы играют роль «убийц», в других они действуют скрытно, проникая внутрь клетки и длительное время не проявляя своего вредоносного действия.
Перед вами на стр. 87 увеличенный в 300 раз участок нормальных клеток Хе Ла. Хорошо видны цитоплазма, ядра и ядрышки.
После контакта этих клеток с большим количеством вируса полиомиелита уже через 10—15 часов можно отметить разрушение большей части клеток: они сморщиваются, а еще через 6 часов погибают.
Этот процесс напоминает острую инфекционную болезнь со смертельным исходом. А теперь произведем несложный расчет. Известно, что каждая зараженная клетка производит на свет около 2000 новых частиц этого вируса. На фотографии 11 зараженных клеток. Следовательно, эта небольшая группа уже через 6—7 часов воспроизведет приблизительно 22 000 вирусных частиц, способных напасть соответственно на 22 000 нормальных клеток. Последние дадут жизнь уже 44000000 частиц: это — полчища невидимых убийц.
Следующий цикл заражения — и число вирусных частиц возрастает до 88000000000 частиц, каждая из которых способна (вернемся к нашим фотографиям) убить клетку. Да, с вирусами шутки плохи! Никакой другой организм не может дать такое бесчисленное потомство за столь ничтожный срок. Такую же картину могут вызвать и возбудители оспы, полиомиелита, ящура. Вот эта-то разрушительная способность вирусов и была использована для определения их числа. Если небольшое количество их добавить в чашки со сплошным слоем клеток, то каждая вирусная частица произведет разрушение в том месте, куда она попала. Мертвые участки, которые обычно называют негативными колониями — «пятнами», или «бляшками», будут хорошо видны. В одних случаях они напоминают чернильные пятна на промокашке, в других для их выявления надо прибавить краску, которая окрасит только живые клетки, и будут видны контуры мертвых участков.
84
Нормальная культура ткани почки человека:
а — при увеличении в 100 раз; б — при увеличении в 1000 раз; хорошо видны ядра, ядрышки и пдерная оболочка; в — при увеличении в 30 000 раз; часть клетки под электронным микроскопом; в цитоплазме видны митохондрии и рибосомы, в ядре — хроматин.
Бляшки, полученные после заражения клеток разными вирусами, обычно отличаются одна от другой. Форма их зависит от размеров самого вируса. Более крупные образуют мелкие бляшки, а мелкие легко разбегаются по сторонам, в результате чего возникают крупные бляшки.
Сложнее дело обстоит с вирусами, которые медленно разрушают клетки. Этот процесс занимает иногда много дней, а то и недель. В таких случаях исследователь должен набраться терпения или воспользоваться методами, о которых мы будем говорить дальше.
Иногда вирусные частицы накапливаются внутри клеток в таких количествах, что могут быть видны в обычный оптический микроскоп. Обра зуются так называемые включения. В подходящих условиях включение может ожить, ведь оно состоит из вирусов.
При гриппе, бешенстве, оспе такие включения находят в цитоплазме клеток, а при энцефалите, желтой лихорадь
б
а
ке и полиомиелите они обнаруживаются в ядре. При некоторых вирусных инфекциях тельца включений обнаруживаются и в ядре и в цитоплазме. Включения отличаются одно от другого по форме, размерам, внутреннему строению и отношению к окраске.
Существуют и другие способы обнаружить вирусы. Например, можно заразить какое-нибудь чувствительное лабораторное животное (мышь, морскую свинку, кролика). После введения возбудителя животное заболевает, и по картине болезни часто можно судить о том, какой вирус ее вызвал.
Если взять кровь у переболевшего кролика, то в ней легко обнаружить особые белки (антитела), которые образовались в ответ на внедрение вируса. Они обладают специфической способностью обезвреживать (нейтрализовать) только тот вирус, который их «породил». Такое свойство антител позволило разработать целый ряд очень чувствительных и точных реакций', названных иммунологическими. Они используются в вирусологии очень широко.
Представьте себе простейший случай: известная сыворотка, например против кори, смешивается с неизвестным возбудителем. Этой смесью заражают чувствительное к кори животное. Если животное не заболевает, значит, это был вирус кори, его нейтрализовала сыворотка. Можно и наоборот, имея в руках известный вирус, определить наличие в крови больного соответствующих антител и тем самым поставить диагноз заболевания.
Зная это, один вирусолог решил проверить, а правильно ли 20 лет назад больным ставился диагноз «грипп»?
Ведь, наверное, каждый из наших читателей много раз болел «гриппом». Между тем, это не всегда настоящий грипп. Часто и в наши дни так называют похожие на него болезни, вызванные другими вирусами.
Ученый проделал простой опыт. Он взял сыворотки, которые были получены из крови больных 20 лет назад и хранились в холодильнике, и посмотрел, не содержат ли они антител против возбудителей сходных с гриппом болезней, которые были открыты лишь в последние годы. Оказалось, что во многих случаях сыворотки содержали такие антитела в большом количестве. Это означало, что заболевание, которое раньше считали гриппом, на самом деле не было им. Оно было вызвано вирусами, о существовании которых в то время еще не подозревали.
гб
Уже давно обнаружено, что многие вирусы способны оседать на красных кровяных шариках (эритроцитах) и склеивать их между собой. Это явление получило название реакции гемагглютинации, которая широко применяется в лабораториях. С помощью такой реакции легко определить концентрацию возбудителей в исследуемом материале. Для этого надо добавить к вирусам взвесь эритроцитов. Склеивание произойдет только там, где есть вирус. Эту реакцию можно использовать для диагностики. Ставят опыт в этом случае несколько иначе. Сначала неизвестный вирус смешивают с известными сыворотками (например, сыворотками против гриппа, полиомиелита, оспы и т. д.), затем к этой смеси прибавляют эритроциты. Естественно, что там, где реакция не идет, сыворотка соответствует вирусу, то есть происходит, как говорят, задержка гемагглютинации.
Если эритроциты с осевшим на них вирусом поместить в электрическое поле, то они начнут перемещаться к одному из полюсов, но скорость их перемещения будет гораздо меньше, чем у свободных эритроцитов. Этот способ довольно сложный; для обнаружения вирусов его не используют, однако он нашел применение в теоретических исследованиях для сравнения разных вирусов.
б
а — Клетки Хе Ла до встречи с вирусом, б — Та же культура через 20 часов после встречи — «кладбище клеток».
Бляшки, образованные фагом дизентерийных бактерий.
вирусы и кино
Все те способы изучения вирусов, о которых мы говорили, далеко не идеальны. Ну, а можно ли увидеть, как вирусы убивают и разрушают клетки в динамике — так, как это происходит на самом деле? И здесь ученые вспомнили о кино. Что, если в объектив микроскопа вместо глаза исследователя будет смотреть кинокамера? Ведь она может заниматься этим непрерывно. Для этого вирусологи в содружестве с инженерами должны были преодолеть немало технических трудностей, после этого стало возможно использовать кино для изучения медленно протекающих и неуловимых доселе биологических процессов. Полученные результаты превзошли самые смелые ожидания.
Так был снят научный фильм об агрессивных свойствах вируса полиомиелита. Можно было видеть, как нормальные незараженные клетки активно росли и делились в специальных условиях до встречи с вирусом. Вскоре после заражения клетки начинают сморщиваться и разрушаться, а через 15 часов на месте культуры остались лишь бесформенные остатки погибших клеток.
Иногда после внесения вирусов происходит скучивание и слияние клеток, образуются многоядерные структуры, которые называются симпластами. На кадрах из другого кинофильма вы можете увидеть, как это происходит. Перед вами одна и та же группа клеток перед встречей с вирусом свинки через каждые 30 минут после заражения. Посмотрите внимательно. Незараженные клетки изолированы одна от другой, хорошо видны клеточные оболочки. Через 30 минут после контакта с вирусом начинается слияние клеток. Между соседними клетками образуются своеобразные перемычки и мостики. Затем клеточные оболочки исчезают и образуется симпласт, насчитывающий сотни ядер. Эта структура мало жизнеспособна, она быстро погибает.
Есть вирусы, которые вызывают болезни клеток с длительным хроническим течением. Такие клетки долго выглядят здоровыми, они активно делятся и перемещаются. Затем их ядра набухают, движения замедляются и постепенно клетки погибают. Все это хорошо видно на экране.
С помощью кино можно наблюдать, как происходит злокачественное перерождение клеток после встречи их с опухолеродными вирусами. Для измененных клеток харак
88
терно стремление к очень активному делению. Они образуют очаги бесформенного роста. Такие же процессы, по-видимому, происходят и в организме при образовании опухолей.
Мы рассказали лишь о некоторых результатах применения метода микрокиносъемки для изучения зараженных клеток. Очень важной особенностью этого метода является возможность многократного просмотра отснятых опытов на экране. Это позволяет выявлять трудно заметные, но порой очень важные особенности процесса и устанавливать связь между ними. Союз кино и вирусологии многое обещает в будущем.
незваные гости
Мы уже говорили, что, как только вирусы встречаются с чувствительными клетками, они как бы оживают и начинают вести себя крайне агрессивно. Исследователи, занимавшиеся изучением их размножения, убедились в том, что процесс этот принципиально отличен от известных способов размножения бактерий, простейших и других клеток. Не так давно было установлено, что для размножения вируса необходимо, чтобы вирусная нуклеиновая кислота, которая осуществляет синтез нового вируса, про-
Образование симпластов при заражении вирусом свинки. Кадры из кинофильма, взятые через каждые 30 минут»
Размножение вируса.
А — вирусная частица: 1 — белок вируса; 2 — нуклеиновая кислота вируса, Б — клетка, В — потомство.
никла внутрь клеток. Это было обнаружено и экспериментально доказано с помощью остроумных опытов.
В 1956 году удалось разделить вирус табачной мозаики на составляющие его белок и нуклеиновую кислоту. Оказалось, что вирусный белок никак не действует на растения, но после заражения табака изолированной нуклеиновой кислотой отмечалось образование вируса, обладающего всеми свойствами исходного типа. Способность изолированной вирусной нуклеиновой кислоты вызывать заболевание клеток была обнаружена и у возбудителей других вирусных инфекций — полиомиелита, энцефалита, энцефаломиелита, ящура.
Американский исследователь Френкель-Конрат проделал такой опыт: он «надел» белковую оболочку одного вируса на нуклеиновую кислоту другого. Такой «переодетый» гибрид был способен размножаться в чувствительных клетках, но самым интересным было то, что его потомство целиком состояло из того вируса, чью нуклеи-
Схема проникновения фага внутрь клетки:
А — частица фага; Б — стенка бактериальной клетки; а — адсорбция; б — изменения в хвосте фага; в — лизис стенки бактерии; г — впрыскивание содержимого головки фага в бактерию.
Схема опыта Френ-келъ-Конрата.
А, Б — белковые оболочки вирусов; а, б — нуклеиновые кислоты вирусов.
новую кислоту содержал гибрид. Опыты показали, что от вирусной нуклеиновой кислоты зависит не только размножение вируса, но и его наследственные свойства.
Роль РНК и ДНК в передаче наследственности подтвердили и другие факты. Так, после обработки специальными ферментами, разрушающими нуклеиновую кислоту, вирус переставал размножаться. А если на него или на его изолированную нуклеиновую кислоту действовали различными физическими или химическими факторами, изменявшими ее структуру, менялись наследственные свойства и потомства вируса. Итак, размножением вирусов управляют нуклеиновые кислоты.
Не успели ученые ответить на один вопрос, как возник
91
ли десятки новых. Как вирусы проникают в клетки? Как из одной вирусной частицы образуются сотни новых? Что происходит внутри зараженных клеток?
Все эти вопросы касаются процесса размножения вирусов. Исчерпывающего ответа на них еще нет, но многое уже ясно.
Атака на клетку начинается с прикрепления вирусных частиц к клеточной стенке, или с так называемой адсорбции вируса. Адсорбция наблюдается сразу же после внесения возбудителей в среду, где есть клетки. Нужно сказать, что каждый вирус способен адсорбироваться лишь на определенных клетках. Считается, что в клеточной стенке есть такие участки — рецепторные поля, которые и соединяются с вирусами.
На одной клетке могут адсорбироваться десятки и даже сотни вирусных частиц. Электронный микроскоп позволяет увидеть, как выглядит адсорбция бактериофага: вот к концу бактерии прикрепилось около 50 частиц фага. Одни прикрепились своими «хвостами», другие адсорбируются на рецепторных полях в любом положении.
А вот вирусы растений без посторонней помощи не могут адсорбироваться и проникнуть в клетку. От больного растения к здоровому их переносят насекомые-вредители.
После прикрепления к клеточной стенке начинается внедрение вирусов в клетку.
Как мы уже сказали, бактериофаги прикрепляются своими «хвостами», содержащими фермент, который растворяет бактериальную оболочку, как вода сахар. Затем происходит сокращение микроскопических «мышц» хвостовидного придатка, и нуклеиновая кислота фага впрыскивается внутрь клетки. Белковый чехол фаговой частицы остается на поверхности клетки, причем в дальнейшем развитии событий эта часть белка, составляющая примерно 80% всего фагового белка, роли не играет (см. схему на стр. 90). Бактерии не способны сами захватывать частицы из окружающей среды; этим, по-видимому, и можно объяснить наличие у поражающих их вирусов столь сложного и совершенного аппарата для проникновения внутрь бактерии.
Другие вирусы не столь агрессивны. Как это ни странно, им помогает сама клетка. Она как бы заглатывает прикрепленные к ней вирусные частицы. Здесь мы встречаемся с тем случаем, когда созданное многовековой эволюцией целесообразное приспособление приводит к нежелательным результатам.
92
П роникновение вируса в клетку: А — цитоплазма клетки; Б — ядро; Б — ядрышко; 1 — прикрепление вируса к клеточной стенке; 2 — проникновение вируса в цитоплазму клетки; 3 — распад клетки при взаимодействии с ферментами клетки; 4 — проникновение вирусной нуклеиновой кислоты в ядрышко.
должен раствориться. Для
Посудите сами, активное поглощение клетками из окружающей среды различных частиц (фагоцитоз) или капелек воды необходимо для нормальной жизнедеятельности клетки, а использование этого же механизма для захвата вирусов скорее напоминает самоубийство.
Некоторые наиболее сложно устроенные вирусы проникают в клетку с помощью ферментов. Как же это происходит? Клетка живого организма покрыта оболочкой, которая состоит из двух слоев, имеющих различный химический состав. Чтобы попасть внутрь клетки, вирус должен преодолеть оба этих барьера, Для этого у некоторых из них есть специальные ферменты, которые называют входными.
Попав внутрь клетки, вир;
этой цели клетка использует имеющиеся у нее ферменты— протеазы. Если клетка не подберет соответствующего фермента, чтобы растворить вирусную оболочку, вирус будет покоиться в клетке «до лучших дней». О таком случае можно сказать, что «война закончилась миром» или, как говорят шахматисты, «противники согласились на ничью». А если в арсенале у клетки окажется подходящий фермент? Вы уже догадываетесь, что произойдет: он разрушит вирусный чехол и освободит замурованную нуклеиновую кислоту. Ничего хорошего для клетки это не сулит, так как следующее за этим размножение вируса ее погубит.
Вирусная нуклеиновая кислота остается в цитоплазме или по клеточным каналам очень быстро проникает в ядро и ядрышки клетки. С этого момента и начинается размножение вируса.
В настоящее время никто не сомневается, что в размножении вирусов ведущая роль принадлежит нуклеиновой кислоте. А играет ли какую-либо роль в этом процессе белок? Для выяснения этого вопроса в качестве модели были использованы бактериофаги. Тщательные исследова
93
ния позволили обнаружить, что незначительное количество (около 2%) белка локализовано внутри вирусной частицы и, по-видимому, связано с ДНК. Этот белок проникает вместе с ДНК в клетку. Однако его роль в размножении до сих пор непонятна. Предполагают, что этот белок является как бы посредником между ДНК родительского фага и его потомками.
цепная реакция
Теперь мы переходим к самому сложному этапу, который нельзя увидеть под микроскопом,— собственно размножению вирусов. Здесь пока много предположений и гипотез, но нет еще цельной, стройной теории. Для этого есть много причин: трудность работы с таким неуловимым объектом, как вирусы, различный характер их размножения, а также несовершенство существующих методов.
Вы помните, что дальнейшее «путешествие» в клетке совершает «голая» вирусная нуклеиновая кислота. Она как бы содержит программу роста потомства вируса. Клетке в этой программе отводится роль поставщика материала для создания вирусного потомства. Получив программу, клетка начинает послушно выполнять «приказания» незваной гостьи — вирусной нуклеиновой кислоты.
В течение этого периода вирус нельзя обнаружить никакими методами, и о его размножении судят лишь по косвенным признакам. Помогли в этом деле меченые атомы. Ввести радиоактивный изотоп в состав вирусной частицы сравнительно несложно. Для этого культуру ткани предварительно выращивают на среде, содержащей изотопы, а затем заражают вирусом. В процессе своего размножения он поглощает часть изотопов и становится меченым. К вирусу, таким образом, как бы подвешивается крохотный передатчик, который все время сигнализирует о его местонахождении.
Исследователи научились вводить изотопы в различные части вируса. Используя радиоактивный фосфор, можно получить вирус с меченой нуклеиновой кислотой; с помощью радиоактивной серы получают вирус, содержащий изотоп в белковой оболочке. Таким образом, с помощью радиоактивных изотопов можно изучить роль отдельных компонентов вируса при его взаимодействии с клетками.
Благодаря меченым атомам удалось установить, что для синтеза различных компонентов вирусной частицы используются соединения, имеющиеся в клетке, и вещества
94
окружающей питательной среды. Предполагается, что вирусы приостанавливают нормальный клеточный обмен веществ и перестраивают уже существующие в клетке механизмы синтеза белка и нуклеиновых кислот, направляя их на производство вирусного белка и вирусной нуклеиновой кислоты.
Как это происходит, можно представить себе лишь в очень общем плане. Не имея собственных ферментов, вирусная нуклеиновая кислота заставляет клетку синтезировать те ферменты, которые играют очень важную роль в размножении вируса. Новые ферменты начинают выраба-, тывать в большом количестве вирусную нуклеиновую кислоту. Затем эта вновь образовавшаяся нуклеиновая кислота поступает в другой «цех». Она переходит к рибосомам клетки и заставляет их производить вирусный белок.
Как видите, размножение вируса происходит особым, ни с чем не сравнимым способом. Сначала вирусная частица проникает внутрь клетки
Синтез компонентов вируса в клетке:
1 — синтез нуклеопротеина; 2 — синтез вирусного белка; 3— композиция вирусных частиц;
4 — выход вируса и образование оболочки из материала клетки.
Этапы размножения вируса оспы.
и разрушается там, а затем в
разных частях клетки заготавливаются детали будущих частиц. Где именно,— это зависит от типа вируса. Например, возбудители гриппоподобных заболеваний синтезируются в ядре клетки, а возбудитель оспы формируется в цитоплазме. У некоторых вирусов «заготовка деталей»
происходит в разных «цехах» клетки.
После того как в зараженной клетке накопится достаточное количество деталей будущих вирусных частиц, наступает предпоследняя стадия размножения вирусов — «сборка деталей», или композиция. Этот процесс обычно
95
происходит вблизи клеточной оболочки. Вирусная нуклеиновая кислота одевается в белковую оболочку, которая защищает эту самую важную часть вирусной частицы от вредных воздействий. Теперь вирус готов к дальнейшему путешествию: от клетки он получил все, что ему нужно.
Образовавшиеся вирусные частицы быстро выходят во внешнюю среду. Выход потомства вируса является заключительным этапом взаимодействия его с клеткой. Очень своеобразен этот процесс у бактериофагов. Он сопровождается обычно растворением бактерий под действиехМ особого фермента, который накапливается в клетке параллельно с размножением фага. Разрушение и смерть бактерий протекают по-разному. В одних случаях они как бы взрываются, в других — в середине или на одном из концов бактерии образуется отверстие, через которое вытекает ее содержимое.
Активная жизнь вирусов продолжается от нескольких минут до многих часов. Быстрее всего расправляются с клетками фаги. От момента их встречи с чувствительной бактерией до момента гибели последней проходит всего лишь 15—20 минут. При этом из одной клетки может освобождаться до нескольких тысяч новых частиц фага, и каждая из этих частиц обладает огромной потенцией разрушения. Она может заразить здоровую клетку и через некоторое время разрушить ее, произведя на свет новые полчища невидимых убийц. Процесс размножения фагов продолжается до тех пор, пока не будут уничтожены все чувствительные к фагу бактерии.
Вирусы полиомиелита, энцефалита, оспы также вызывают взрывоподобную гибель клеток с одновременным выходом больших количеств нового вирусного потомства. А у многих других вирусов размножение проходит несколько циклов и имеет ступенчатообразный характер. Так, у возбудителя гриппа первый цикл занимает 6—9 часов, а каждый последующий приблизительно по 5 часов. «Урожай» этого вируса после каждого цикла составляет около 100 вновь образовавшихся частиц на одну клетку. По мере созревания они как бы всплывают из глубин на поверхность клетки и медленно проникают сквозь ее оболочку, часто одеваясь при этом в нее. В таких случаях клетка работает на износ и, после того как ее способность производить вирус истощается, она постепенно разрушается и погибает.
А теперь посмотрите предполагаемые циклы размножения вируса оспы (стр. 95).
96
самые коварные
Мы разобрали последовательность процесса размножения вирусов при так называемой явной инфекции, когда война против клетки идет в открытую. Но существует и другой тип вирусной инфекции. Ее называют скрытой, или латентной.
Можно понять удивление ученых, когда они впервые столкнулись с «маскировкой» вируса: после проникновения внутрь клетки он не проявлял своего вредоносного действия. Иногда он передавался потомству клеток и переходил из поколения в поколение.
Для того чтобы яснее представить сущность происходящего процесса, лучше всего вновь обратиться к хорошо изученной модели фаг-бактерия.
Замаскировавшийся фаг (его называют умеренным) не размножается и не разрушает микроорганизмы, как бы переходит в неинфекционную форму. А сами бактерии (их называют лизогенными) продолжают хорошо расти на питательных средах, имеют обычную морфологию и отличаются от незараженных только тем, что приобретают устойчивость к повторному заражению (иммунитет). Создается впечатление, что в этом случае в борьбе с фагом победила бактерия. Но на самом деле это не так.
Бактерии превосходно чувствуют себя и в керосине: в осадке находят продукты их жизнедеятельности. Для предохранения керосина ученые синтезировали органические вещества, содержащие медь, кобальт, железо. Добавка этого препарата обеспечивает стерильность керосина.
Чтобы повысить производительность нефтяных скважин, венгерские ученые призвали на помощь... бактерий. 50 литров культуры бактерий вместе с 25 тоннами специальной питательной среды заливают в нефтяную буровую скважину. Углекислый газ, в большом количестве вырабатываемый бактериями, облегчает отделение нефти от породы и подает «черное золото» под давлением на поверхность. Добыча нефти с применением такого способа утроилась.
4 Заказ 130
Замаскированный вирус начинает действовать, как только лизогенная бактерия попадает в неблагоприятные условия: он активизируется и переходит в полноценную форму. Большинство клеток при этом распадается и начинает выделять вирусы, как при обычной инфекции. Это явление называется индукцией, а факторы, ее вызывающие,— индуцирующими факторами.
Лизогения широко распространена среди микробов. Отдельные виды лизогенных бактерий (их называют поли-лизогенными) способны выделять до пяти различных типов фага.
Латентные, или бессимптомные, вирусные инфекции по-видимому встречаются в природе чаще острых. У человека и животных латентная инфекция наблюдается при таких, например, заболеваниях, как полиомиелит, бешенство. Вирусы, вызывающие эти болезни, могут очень долго находиться в организме, не обнаруживая своего присутствия. Неблагоприятные условия активизируют возбудителей и являются тем провоцирующим фактором, который переводит скрытую, бессимптомную вирусную инфекцию в явную. Возможно, именно таков механизм заболевания гриппом.
В одних случаях тип вирусной инфекции зависит от того, какое количество возбудителя попало в организм, в других связан с возрастом организма и его чувствительностью к данному возбудителю.
Наконец, возможен и такой механизм латентной инфекции. Под действием вредных для вируса факторов его белковая оболочка изменяется, и вирусная нуклеиновая кислота оказывается как бы замурованной внутри частицы, без возможности выйти наружу. Такой вирус может проникнуть в клетку и длительное время находиться в ней, оставаясь неактивным. В дальнейшем ферменты клетки приспосабливаются и разрушают его оболочку, нуклеиновая кислота высвобождается и начинается размножение вируса.
роль спички в пожаре
Сейчас насчитывается уже больше 30 опухолей человека и животных, которые вызываются вирусами. Это лейкозы и саркома кур, рак молочных желез мышей, лейкозы, папиллома и рак кроликов и т. д. В большинстве случаев
98
возбудители опухолевого роста, находясь внутри клетки, ничем не выдают своего присутствия. Свое болезнетворное действие они проявляют только при определенных условиях — в союзе с веществами, способствующими росту опухоли. Эти (канцерогенные) вещества вызывают возникновение в организме очагов активно делящихся молодых клеток. Такие клетки являются отличной средой для развития опухолеродных вирусов: размножающийся вирус стимулирует перерождение возникших молодых клеток в опухолевые.
Видный советский вирусолог Л. А. Зильбер предложил вирусогенетическую гипотезу возникновения опухолей. По его мнению, опухолеродные вирусы неспособны разрушить клетку, но могут вызвать в ней наследственные изменения, играя при этом как бы роль спички, и могут не принимать участия в возникшем пожаре. Действительно, в сформировавшихся опухолях вирус обычно не обнаруживается. Известно также, что измененные клетки нечувствительны к повторному заражению.
У возбудителей опухолевого роста действующим началом также является нуклеиновая кислота. Это было доказано в опытах с заражением изолированной ДНК, полученной из вируса полиомы (множественной опухоли). Нормальные клетки превращались в опухолевые и после введения в организм мышей вызывали появление опухолей. Считается, что нуклеиновая кислота опухолеродных вирусов вступает в соединение с генетическим аппаратом клетки, меняя ее наследственные свойства.
волшебные фонарики
Мы говорили главным образом о размножении вирусов. Но вы, конечно, понимаете, что нас гораздо больше интересуют изменения, происходящие в клетках, пораженных вирусом. Ученые исследуют изменения в строении клетки, в обмене белков и нуклеиновых кислот, выясняют, как изменились ее наследственные свойства.
Нарушение обмена веществ, вызванное размножением вируса, неизбежно приводит к глубоким изменениям функции и структуры клеток. Характер этих изменений зависит от типа вируса, вида и состояния клеток и условий окружающей среды.
А как узнать, что клетка больна? Существуют ли методы, позволяющие быстро и безошибочно отличить зара-
4’
99
Принципы метода флюоресцирующих антител:
а) I — А —Вирусный белок, II — Антитела, меченные флюорохромом, III — Светящийся под микроскопом комплекс, б) Случай, когда антитела не соответствуют вирусному белку. Комплекс не образуется,
женную клетку от здоровой? Нет необходимости говорить о важности этой работы. Ведь чем раньше .мы обнаружим присутствие вируса, тем быстрее можно принять меры для его уничтожения.
Такие методы разработаны в последние годы. Самые любопытные из них так называемые люминесцентные. Об этом стоит поговорить подробнее, так как они имеют к нашему рассказу самое непосредственное отношение.
Существуют специальные краски — флуорохромы, которые светятся, когда на них попадает синий или фиолетовый свет. Если такой краской обработать клетку, то она тоже начинает светиться, причем различные ее части светятся по-разному. Препараты, окрашенные флуорохромами, изучают с помощью специальных люминесцентных микроскопов, у которых источником света служат мощные ртутно-кварцевые лампы, излучающие максимум энергии в сине-фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра.
Особенно интересным светящимся красителем оказался акридиновый оранжевый. Он жадно соединяется с нуклеиновыми кислотами и окрашивает их в разные цвета. В препаратах, обработанных им, ДНК светится красивым желто-зеленым цветом, а РНК — рубиново-красным, при
100
чем краски идет такое незначительное количество, что она не оказывает вредного действия на исследуемые клетки. Это дает возможность наблюдать за изменением внутриклеточных нуклеиновых кислот при течении вирусной инфекции.
Интересные результаты были получены при люминесцентной микроскопии нервных клеток обезьян, зараженных вирусом полиомиелита. Когда болезнь протекала тяжело, с развитием паралича, количество РНК в цитоплазме резко падало, вплоть до полного ее исчезновения. Но если движения в парализованной конечности восстанавливались, количество РНК в цитоплазме сохранившихся нервных клеток снова делалось нормальным.
Так, с помощью флуорохромов ученые исследуют «поведение» нуклеиновых кислот вирусов в клетке.
А какова судьба второго основного компонента вирусной частицы — белка? Если белок тех частиц возбудителя, которые вызвали инфекцию, не проникает в клетку, а почти весь остается «за бортом», то как, в каком месте и с какой скоростью он вновь синтезируется?
Ответить на этот вопрос помог другой метод люминесцентной микроскопии, названный методом люминесцирую-щих антител. Он стал широко применяться в последние годы.
Сущность этого метода сводится к следующему. Если в организм человека или животного ввести небольшое количество какого-нибудь вируса, то через некоторое время в крови можно будет обнаружить присутствие так называемых противотел, или антител. Мы уже говорили, что антитела вступают в реакцию только с белком того вируса, для борьбы с которым они, были образованы организмом. При этом они связываются с чужеродным белком, нейтрализуют и обезвреживают его.
Но как увидеть такое соединение? Был придуман хитроумный способ: ученые стали метить антитела флуорохромом. Соединение таких меченых антител с вирусом можно легко обнаружить под люминесцентным микроскопом.
Метод флуоресцирующих антител был применен во многих исследованиях. Он позволил не только определять наличие вируса в тех клетках, которые внешне выглядели незараженными, но, что не менее важно, с помощью этого метода удалось установить место и скорость образования вирусного белка в клетке.
101
можно ли среди врагов найти друзей!
С вирусами, проникшими внутрь клетки, бороться очень трудно, так как клегка не только надежно защищает их от всевозможных воздействий, но и всячески, как вы уже могли убедиться, содействует их размножению. Вирус, проникший внутрь клетки, почти неуязвим. Для его уничтожения не годятся сродства, убивающие внеклеточный вирус (дезинфицирующие вещества, нагревание, облучение и др.), так как они оказывают губительное влияние и на клетку. Поэтому все ранее существовавшие методы защиты организма от болезнетворных вирусов сводились к тому, чтобы не пропускать их в клетку. Теперь нам предстоит познакомиться с самой важной группой полезных вирусов — вакцинами. В настоящее время всем известно, что вакцины — это препараты из убитых или ослабленных микробов и вирусов, после введения которых люди становятся невосприимчивыми (иммунными) к тяжелым инфекционным заболеваниям.
Как действуют вакцины? Они могут вызвать заболевание, но оно протекает в такой легкой форме, что обычно остается незамеченным. При этом организм как бы знакомится с вирусом и учится обезвреживать его. Возникает состояние активного иммунитета, то есть невосприимчивости к данному возбудителю. В крови вакцинированных людей легко обнаружить антитела, которые связываются с белковой оболочкой вирусов соответствующего типа и нейтрализуют их.
Если сыворотку, содержащую антитела против какого-нибудь вируса, ввести в организм невакцинированного человека, то он будет некоторое время нечувствителен к данному вирусу. Такой иммунитет называется пассивным. Он не столь эффективен и длителен, как активный иммунитет, но зато возникает сразу же после введения сыворотки. Создание пассивного иммунитета — весьма эффективное лечебное средство в случаях, когда вирус уже попал в организм, но не успел еще проявить своего болезнетворного действия.
Сейчас существуют вакцины против многих бактериальных и вирусных заболеваний. Благодаря им человек смог избавиться от таких страшных инфекционных болезней, как чума, оспа, холера, бешенство, и научился успешно бороться с дифтерией, столбняком, туляремией и другими заболеваниями.
102
Всего несколько лет назад ученые получили вакцины против полиомиелита и кори. Они помогают предупреждать эти опасные детские заболевания.
На повестке дня борьба с другими инфекциями и в первую очередь с гриппом.
Но как все же бороться с вирусами, которые преодолели все защитные барьеры организма и проникли внутрь клетки? Вводить сыворотку и вакцину в этом случае уже бесполезно.
Изучение структуры вирусной частицы и роли отдельных ее компонентов, а также взаимоотношений вирусов с клетками позволяет наметить новые пути для решения этой задачи. Ведь уже известно, что внутрь клетки проникает нуклеиновая кислота, значит, именно на эту часть вируса, организующую синтез новых частиц, и должен быть направлен основной удар.
Работники Новосибирского филиала АН СССР недавно предложили использовать для этой цели ферменты, которые расщепляют нуклеиновую кислоту — нуклеазы. Первые опыты оказались удачными. С помощью этих ферментов удалось резко затормозить размножение вирусов гриппа, полиомиелита и аденовирусов. Препарат был испытан на больных и дал обнадеживающие результаты. Так, аденовирусы вызывают у детей тяжелый конъюнктивит (поражение глаз), который при обычном лечении проходит через месяц-полтора. Фермент же снимает острые явления через два-три дня.
Целесообразно также применение антибиотиков, избирательно действующих на вирус. Правда, полученные в настоящее время ядовиты для клеток, но поиски новых противовирусных антибиотиков продолжаются, и работа эта очень важна.
вирусы против бактерий
Существуют ли полезные вирусы? Этот вопрос не должен показаться вам странным, потому что вы уже познакомились с методом вакцинации. А теперь давайте рассмотрим другие примеры применения вирусов. Вы помните, что они могут вызывать болезни не только у человека, но и у животных, насекомых, растений и даже бактерий. Среди последних есть много наших врагов. А если попробовать защищаться от них с помощью вирусов? Смогут ли враги наших врагов стать нашими союзниками?
103
Мы уже знаем, что бактериофаг быстро и безжалостно расправляется со своими жертвами. Палочки чумы, брюшного тифа, дизентерии и холеры буквально тают на глазах после встречи с ним. Ему требуется всего 10—15 минут, чтобы расправиться с нормальной бактерией.
Представьте себе такой опыт. В колбу с питательной средой добавлено немного бактерий. Они начинают активно делиться, и уже через сутки питательная среда становится мутной, так как содержит около миллиарда бактериальных клеток. Затем в ту же колбу вносят несколько капель соответствующего бактериофага. Если через несколько часов посмотреть эту колбу, то легко заметить, что ее содержимое стало прозрачным. Что же произошло с бактериями? Возьмите каплю жидкости из колбы под микроскоп. Вы увидите лишь бесформенные обломки клеток, нормальные же бактерии исчезли.
Обнаружив подобное явление, канадский биолог Д’Эрелль попробовал применить бактериофаги для предупреждения и лечения инфекционных болезней. После успешных опытов на животных он решил испытать их целебные свойства на людях. В Индии в это время началась эпидемия холеры. Там ученый стал изучать распространение этого страшного заболевания. Вскоре он заметил, что в селах, где колодезная вода содержала бактериофаг, люди не болеют холерой. Тогда по его распоряжению в колодцы стали вливать по небольшой колбочке бактериофага. Болезнь пошла на убыль, фаг помог людям с ней справиться.
После этого фагов стали применять для предупреждения и лечения многих других инфекционных заболеваний, но, к сожалению, результаты оказались не всегда столь хорошими, как того ожидали. В организме человека фаги нападали на бактерий не так активно, как в пробирке. Кроме того, бактерии очень быстро становились нечувствительными к действию фагов. Постепенно фагов как лекарство перестали использовать, но у этих вирусов были обнаружены другие очень ценные свойства.
вирусы-следопыты
Мы уже говорили, что фаги очень точно находят «свои» бактерии и быстро растворяют их. Эти свойства и легли в основу диагностики. Обычно это делается так: выделенные из организма больного бактерии выращивают на пи-
104
тательнои среде, после чего колонии заражают различными фагами (например, дизентерийными, брюшнотифозными, холерными и др.). Через сутки чашки просматривают на свет и определяют, какой фаг вызвал растворение (лизис) бактерий. Если такое действие оказал дизентерийный фаг, значит из организма больного выделены бактерии дизентерии, если брюшнотифозный — бактерии брюшного тифа и т. д. Это очень точный метод.
Несколько лет назад советские микробиологи В. Д. Тимаков и Д. М. Гольдфарб разработали новый способ выявления бактерий с помощью фагов. Раньше все исследователи смотрели, что происходит с бактериями после их встречи с фагом. А нельзя ли по изменению количества фагов судить о присутствии или отсутствии искомых бактерий в исследуемом материале? В. Д. Тимаков и Д. М. Гольдфарб исходили из предположения, что после встречи фага с чувствительными к нему бактериями происходит его размножение и в окружающую среду выходят полчища новых фаговых частиц. Значит, при увеличении количества фага можно говорить о наличии в материале соответствующих бактерий! После тщательной проверки это предположение было полностью подтверждено, и бактериологи получили возможность легко и быстро определять наличие самых разнообразных вредоносных бактерий как в организме больных, так и в воде, почве, продуктах и т. д.
беззащитна ли клетка
Не сложилось ли у вас, читатель, впечатления, что клетки совершенно беззащитны и не могут без посторонней помощи самостоятельно противостоять губительному действию вирусов? Это совсем не так. В большинстве случаев клетки сами находят силы бороться с вирусами, иначе все живое на Земле неминуемо погибло бы.
Недавно был открыт очень интересный и почти универсальный механизм защиты клеток от воздействия самых разнообразных вирусов. Но прежде чем рассказать об этом, позвольте задать вам вопрос. Как вы полагаете, что произойдет с клеткой, если попытаться заразить ее не одним, а двумя разными вирусами? Вероятно, болезнь клеток обострится и гибель ускорится, ответите вы. И ошибетесь. Оказывается, присутствие в клетке одного возбудителя часто надежно защищает ее от проникновения другого.
105
Один летчик шутил: «Почему я никогда не болею? Да потому, что все время в небесах, а там, как известно, нет микробов».
Летчик не совсем прав. Исследования московского микробиолога Е. Н. Мишустина показали, что в одном кубическом метре воздуха в полукилометре от земли обнаружено 3000 микробов, на высоте 1 километра — 1700, двух километров — 600, на высоте 6 километров тоже были обнаружены микробы, но в гораздо меньших количествах.
Зато в 5—10 метрах от земли в одном кубическом метре городского воздуха обнаруживают свыше 5 тысяч микробов. Для сравнения заметим, что в том же объеме воздуха лесопарковой зоны — лишь 400—500 микробов, а в жилом помещении города—15—20 тысяч.
И осуществляется эта защита с помощью особого вещества, названного интерфероном.
Интерферон — это белковое вещество, которое выделяется почти всеми клетками в ответ на размножение любого вируса. Если этим веществом обработать свежие клетки, то они приобретают устойчивость к заражению любым вирусом. Для этого нужна всего лишь одна миллиардная доля грамма интерферона. У интерферона есть еще одно важное качество: являясь продуктом клетки, он совершенно не ядовит. Первые испытания интерферона на людях дали обнадеживающие результаты. Однако эта работа еще только начата, и вероятно пройдет немало времени, прежде чем ученые смогут установить истинную ценность нового противовирусного препарата.
А теперь перенесемся в область предположений. Недавно был открыт вирус, который способен избирательно разрушать некоторые опухоли мышей. Известны также вирусы человека, способные разрушать опухолевые клетки. Если удастся лишить эти вирусы болезнетворных свойств и сохранить нужное нам свойство, то будет получено средство для борьбы с этими тяжелыми заболеваниями. Поиски таких вирусов ведутся, и сейчас эта работа уже не кажется фантастичной и безнадежной.
без вирусов, мечты и прогнозы
Научные прогнозы — вещь рискованная, особенно если эти прогнозы долгосрочные. Современникам Жюля Верна его романы казались дерзкой фантазией, а нынешнему читателю кажутся старомодно-наивными, потому что стремительный бег науки далеко опередил предположения фантастов прошлого столетия.
Следующие два примера свидетельствуют, как ненадежны также и краткосрочные прогнозы. Полтора десятка лет назад, когда были широко испытаны вакцины против гриппа, победа над этой болезнью казалась близкой. Последующие годы, однако, принесли разочарование, и ныне даже крайние оптимисты понимают, что нужны еще многие годы кропотливой и упорной работы, пока будут одержаны первые прочные успехи в борьбе с этой распространенной инфекционной болезнью.
Примерно в то же время, полтора десятилетия назад, борьба с полиомиелитом казалась почти безнадежной, и этот тяжкий недуг ежегодно собирал жатву в виде многих тысяч умерших и оставшихся калеками. Но в течение последующего неполного десятилетия были созданы эффективные вакцины, и стало возможным в кратчайшие сроки одержать победу над полиомиелитом. Пессимисты были посрамлены.
Эти примеры невольно приходят на память, когда думаешь о перспективах борьбы с вирусами... В настоящее время известно уже более 500 вирусов, к которым восприимчив человек, и сообщения об открытии новых поступают ежегодно. Лишь один перечень вирусных болезней заполнил бы несколько страниц. Одни из них встречаются повсеместно, другие — лишь в строго определенных местностях, одними из них переболевают все или почти все люди, другие наблюдаются в виде ограниченных эпидемий, третьи — в виде рассеянных случаев заболеваний. Далеко не все вирусы являются виновниками тяжелых патологических процессов, многие из них, вероятно, способны вызвать у человека лишь легкие, скоропроходящие расстройства или бессимптомную инфекцию.
В связи с этим правомочен вопрос: а нужно ли ставить перед медицинской наукой, пусть даже в отдаленном будущем, задачу искоренения вирусов?
Работы последних лет, в частности, изучение безмик-робных животных — гнотобиотов, позволяют сделать вы
107
вод, что вирусы являются нежелательными обитателями человеческого организма, даже в том случае, если их пребывание не влечет за собой сколько-нибудь заметных вредных последствий. Недавно был открыт вирус, который у мышей не вызывает видимого заболевания, однако нарушает обмен веществ: в крови появляется избыток некоторых ферментов, участвующих в обмене углеводов. И кто может поручиться за то, что некоторые расстройства обмена веществ у человека не вызываются вирусами?
Искоренение вирусных заболеваний и вирусов, паразитирующих в организме человека, дело сложное и необычайно трудное, и потому даже при самом оптимистическом подходе придется признать, что для завершения его потребуется не одно столетие. Борьба с вирусами будет протекать многоэтапно, и каждый этап потребует громадных усилий и кропотливого труда не одного поколения вирусологов.
Оспа, корь и, вероятно, полиомиелит будут первыми тремя вирусными инфекциями, от которых освободится человечество.
В настоящее время оспа уже ликвидирована во многих странах мира, и периодически возникающие заболевания завозятся из других стран, где оспа до сих пор эндемична. В Советском Союзе с оспой было покончено в середине 30-х годов, после того как всему населению страны были сделаны прививки. С тех пор было несколько «заносов» этой болезни, и наиболее памятный — в 1960 году, из Индии. Благодаря массовым прививкам оспа не получила распространения.
В настоящее время оспа распространена в странах Юго-Восточной Азии, Африки и Латинской Америки. По предложению Советского Союза, с 1958 года под руководством Всемирной организации здравоохранения проводится программа ликвидации оспы во всем мире.
Серьезные успехи уже достигнуты в Индии, которая в течение тысячелетий являлась одним из основных мировых очагов оспы.
Несмотря на трудности, с которыми приходится сталкиваться в молодых развивающихся странах, еще недавно бывших отсталыми колониями и полуколониями империалистических государств, можно ожидать, что в ближайшие полвека оспа станет инфекционной болезнью № 1, от которой избавится человечество.
Корь во многих отношениях сходна с оспой, и ликвидация ее может быть осуществлена также путем поголовной
103
иммунизации населения. В настоящее время есть вакцина против кори, которая дает такой же прочный иммунитет, как и оспенная вакцина. Правда, эту вакцину еще надо усовершенствовать, так как у некоторых детей она вызывает сильные реакции. На борьбу с корью потребуется, видимо, не одно десятилетие.
Профилактика полиомиелита также основывается на массовой вакцинации населения. Живая вакцина против полиомиелита, полученная в США, обрела свою вторую родину в СССР, где впервые в мире ликвидированы эпидемии этой тяжелой болезни. В настоящее время ежегодно бывает не более сотни заболеваний, притом преимущественно в легкой форме, без смертных случаев и тяжелых параличей. Перед нашим здравоохранением поставлена задача дальнейшего наступления на эту инфекцию. Это не простая задача, так как при полиомиелите наблюдается вирусоносительство, чего нет при оспе и кори. Ведь избавиться от болезни можно лишь при полном прекращении циркуляции возбудителя среди населения. Вирусоносительство осложняет дело. В ближайшие годы станет ясно, можно ли добиться полного успеха с помощью вакцинации, и есть основания надеяться на благоприятный результат. Список вирусных инфекций, от которых возможно
На аптечном прилавке и помимо антибиотиков немало лекарств, над которыми пришлось поработать микробам.
Буквально за два часа микробы из растительного сырья производят такое известное лекарство от множества болезней, как кортизон.
Глютаминовая кислота, применяемая при лечении нервных и психических болезней, последствий полиомиелита, изготовлялась раньше только из животных и растительных белков. Теперь для ее приготовления достаточно вырастить определенный вид микробов на несложной среде.
С помощью микробов получены и многие витамины, например В12.
избавиться путем вакцинации, не исчерпывается оспой, корью и полиомиелитом. По-видимому, таким же путем можно будет одержать победу над свинкой (эпидемическим паротитом), ветрянкой, краснухой и, может быть, над инфекционным гепатитом Боткина. Однако все эти проблемы нельзя решить сразу, одним махом. Перечисленные вирусные болезни, за исключением гепатита, относятся к так называемым малым инфекциям, они чаще всего протекают доброкачественно, и поэтому до них, так сказать, руки не доходят. К тому же вакцина есть только против паротита, ее нет против краснухи и ветрянки. Но несомненно, со временем придет черед и этих инфекций. Что же касается инфекционного гепатита, то пока ученые сумели лишь доказать вирусную природу этой болезни, но выделить и прочно закрепить в лабораторных условиях этот вирус не удалось. Естественно, что нет и вакцины против гепатита. Когда будет получена такая вакцина и испытана ее эффективность, можно будет более определенно говорить о ликвидации этой распространенной и тяжелой болезни.
Однако далеко не со всеми вирусными болезнями можно бороться с помощью массовой вакцинации. Это, в частности, относится и к самой распространенной вирусной болезни — гриппу. Даже лучшие образцы гриппозных вакцин могут только снизить число заболеваний. Причина — недостаточная прочность и непродолжительность иммунитета, даже после перенесенного заболевания. Этим объясняется, что гриппом человек может болеть несколько раз. Если к этому добавить, что сами вирусы гриппа очень изменчивы, то станет понятным, как трудна борьба с ним.
Но это еще не все. То, что в общежитии называется гриппом, на самом деле — сумма различных заболеваний, из которых лишь часть (хотя и значительная) вызвана вирусами гриппа. Виновниками гриппоподобных заболеваний являются другие вирусы, число которых доходит до сотни. Если бы против всех этих болезней были получены вакцины, то и тогда вряд ли можно было бы сделать прививки всем людям. Примерно таково положение и с так называемыми энтеровирусными инфекциями, их тоже около сотни.
Здесь нужны какие-то новые пути, потому что немыслимо делать прививки против многих десятков и даже сотен болезней. Одним из возможных путей решения этой сложной проблемы является химиотерапия, которая оказалась столь эффективной в борьбе с бактериальными и протозойными инфекционными болезнями.
110
К сожалению, антибиотики и химиотерапевтические средства не эффективны по отношению к вирусам. И это понятно, так как обмен веществ у вирусов теснейшим образом связан с обменом веществ клеток, в которых паразитируют вирусы. Нужны поэтому совершенно иные, новые подходы для изыскания средств химиотерапии вирусов. Такие подходы найдены совсем недавно, и впервые полученные химиотерапевтические вещества еще не вышли из стен лабораторий в широкую практику. Это относится к борьбе как с обычными инфекционными вирусами, так и с теми, которые вызывают развитие опухолей. Однако прогресс в вирусологии идет быстрыми темпами, и можно надеяться, что ближайшие годы и десятилетия ознаменуются открытием веществ, эффективно воздействующих на развитие вирусов в зараженном ими организме. А это дает надежду, что мы научимся побеждать и те вирусные инфекции, преодолеть которые в настоящее время не удается.
Победа над вирусными инфекциями даже в пределах одной страны и тем более во всем мире — это невероятно трудная и сложная задача, которую люди будут, видимо, решать поэтапно, в течение многих десятилетий и даже столетий. Многое уже сделано и будет сделано при жизни нынешнего поколения. Многое из того, что еще недавно казалось несбыточной мечтой, стало практически решаемой задачей. Стремительный научный прогресс нашего времени дает в руки практической медицине с каждым годом новые и более эффективные средства борьбы с вирусными болезнями.
В ЭТОЙ главе мы расскажем вам о науке, изучающей наследственность — о генетике микроорганизмов. А так как генетика микроорганизмов — лишь отрасль общей генетики, то нужно будет остановиться и на общих проблемах этой науки. Вы прочтете о том, как уже тысячи лет назад человек задумывался над загадкой наследственности; о том, как в недавние годы ученые приблизились к пониманию этой загадки; о тех неоценимых услугах, которые оказали микробы генетикам. Речь пойдет о веществе, название которого не сходит со страниц журналов и книг, — о ДНК. Вы узнаете, что даже микробам присуще половое размножение, вернее — обмен веществом наследственности. Мы познакомим вас со странными существами, похожими на вирусов, которые так тесно сжились с клетками бактерий, что составляют с ними одно целое и облегчают перенос наследственного материала, подобно тому как пчелы переносят пыльцу с цветка на цветок. Многое из того, о чем написано здесь, понято еще не до конца Может быть, уже в то время, когда вы будете читать эту главу, кое-что из рассказанного в ней станет яснее.
Глава
ОТЦЫ и дети
рассказ об умном Иакове
Случилось так, что генетика у нас стала наукой, можно сказать, модной. О ней пишут популярные статьи, читают лекции.
От нее хотят, как говорится, на грош пятаков — и мгновенного подъема животноводства, и средства против наступления старости, и чуть ли не передачи мыслей на расстоянии. К генетике тянется молодежь, а это очень важное условие успешного роста любой науки.
Генетика наука очень нужная и перспективная. Она уже много дала практике и даст еще больше (только не следует полагать, что генетика может все на свете, и притом без всяких затруднений; пятаки, купленные за грош, всегда бывают фальшивыми).
112
Но не надо думать, что генетика только сейчас возникла. Вопросы наследственности всегда интересовали человека. Для пояснения этого мы обратимся к книге, не так уж часто вспоминаемой,— к Библии. Вот пересказ одного места из так называемой Книги бытия.
Был, говорит Библия, муж, по имени Исаак, и у него два сына — Исав и Иаков. Они были близнецами, но Исав появился на свет раньше и считался первенцем. Все имущество после смерти Исаака должно было перейти к Исаву.
Исав был простодушен; в дела отца не вникал, а проводил все время на охоте, был, как говорит Библия, «человеком полей». Иаков же, сметливый и нахальный, был «человеком шатров» и задумал отобрать первородство у брата. Когда тот пришел однажды с охоты усталый и голодный, Иаков варил чечевичную похлебку. Старший брат попросил поесть. «Поесть я тебе дам,— сказал младший,— а ты отдай мне за это свое первородство». «Что мне в этом первородстве,— подумал Исав,— сыт от него не будешь»,— и уступил первородство за чечевичную похлебку! Когда умер отец, наследство должен был получить младший из братьев. Но он побаивался обманутого брата и ушел в Месопотамскую землю, к своему родственнику, Лавану, и стал служить у него.
У Лавана было две дочери — красивая Рахиль и подслеповатая, перезревшая Лия. Иаков очень хотел жениться на Рахили и работал ради этого бесплатно — наверное, лишь за хозяйскую еду и одежду — семь лет. Но младшая дочь не могла выйти замуж прежде старшей, и Лаван обманом заставил Иакова жениться на Лии. Чтобы получить в жены Рахиль, Иаков проработал у Лавана еще семь лет.
Тут он решил, что пора наконец жить самостоятельно, а не батрачить на Лавана. Своего хозяйства у Иакова не было и скота тоже. Но недаром он считался «человеком шатров», человеком с головой. Пораскинув мозгами, он задумал хитроумный план (вот здесь-то и начинается генетика).
Придя к Лавану, он стал жаловаться на жизнь. Стал говорить © том, что ему приходится работать день и ночь, следить за всеми пастухами и все бесплатно. Пусть Лаван назначит ему совсем маленькую плату — например, будет отдавать всех черных и пестрых ягнят, которые рождаются в стадах. Ведь это так редко случается, ну, о чем тут говорить! Лаван, не долго думая, согласился; овцы и козы
113
у него были почти сплошь белые, и он не ждал никаких каверз. Дальше лучше всего процитировать Библию: «И взял Иаков свежих прутьев тополевых, миндальных и яворовых, и вырезал на них белые полосы, сняв кору до белизны, которая на прутьях.
И положил прутья с нарезкою перед скотом в водопойных корытах, куда скот приходил пить и где, приходя пить, зачинал перед прутьями.
И зачинал скот перед прутьями, и рождался скот пестрый, и с крапинами, и с пятнами.
Каждый раз, когда зачинал скот крепкий, Иаков клал прутья в корытах перед глазами скота, чтобы он зачинал перед прутьями. А когда зачинал скот слабый, тогда он не клал. И доставался слабый скот Лавану, а крепкий Иакову.
И сделался этот человек весьма, весьма богатым, и было
у него множество мелкого скота и крупного скота, и рабынь, и рабов, и верблюдов, и ослов».
Значит, уже в те времена ( и гораздо раньше, конечно) люди отлично знали, что свойства родителей передаются потомкам. Знали и о том, что не так-то легко изменить эти свойства (поэтому Лаван сразу согласился на условия Иакова). Да и сам Иаков в качестве производителей брал только здоровый скот (это было хоть и не слишком порядочно по отношению к Лавану, но очень разумно). С незапамятных времен скотоводы наблюдали также изменения отдельных родительских признаков у потомства (поэтому Иакову и пришла в голову йдея потребовать себе в награду скот с измененной окраской). Эти изменения потом стойко передавались по наследству. И, наконец, придется сказать, что не только во времена Библии, но и гораздо
позже человек так и не научился прямым воздействием менять наследственные свойства в желательном направлении.
Все проделки Иакова с полосатыми палками, конечно, вымысел, и повлиять на масть ягнят и козлят это никак не могло, это ясно. Но наивные представления о прямой переделке наследственных качеств держались удивительно долго. Об этом речь впереди. 114
Следовательно, люди давно знали, что признаки наследуются и что они тем не менее могут меняться. Давайте разберемся, как это происходит.
К сожалению, мы не можем рассказать здесь о путях развития генетики — ведь наша книга о микробах. Более обстоятельные сведения, описание важнейших опытов, вы найдете в книгах, перечисленных в конце книги.
немного о дни
Давно стало привычным утверждение, что каждый орган выполняет преимущественно какую-то одну работу. Например, сердце перегоняет кровь, слюнные железы вырабатывают слюну, в кишечнике переваривается пища. Клетки высших организмов специализированы еще более, чем органы; мы уже говорили об этом, когда писали про инфузорий. Специализированы и отдельные части клеток: есть и такая часть, которая управляет наследственностью.
Сейчас твердо установлено, что наследственность — иными словами, способность воспроизводить подобное себе потомство,— определяется клеточным ядром, точнее, входящим в его состав веществом, которое называется дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно — ДНК. Молекулы ДНК по сравнению с молекулами других веществ очень длинные. Например, длина молекулы бактериальной ДНК — 56—58 микрон (то есть двадцатая часть миллиметра). Вообще-то говоря, считать нить ДНК такой же молекулой, как, скажем, молекулы воды или серной кислоты, не совсем верно; но это название укоренилось, и вещества с такими большими молекулами называют высокомолекулярными или макромолекулярными.
Молекулы ДНК, несмотря на свою длину, устроены весьма просто: они состоят из двух цепочек, сцепленных между собой и извитых наподобие винтовой лестницы. Внутренней частью обеих цепочек, так сказать, «порожками» лестницы, служат азотистые основания — пурины и пиримидины; ее «перилами» являются фосфорно-углерод-ные соединения.
115
Криворожское месторождение железняка и железорудные отложения в районе Великих озер в США известны на весь мир.
А ведь эти отложения результат деятельности железобактерий.
Многие миллиарды железобактерий погибали. Их оболочки, содержащие нерастворимый гидрат окиси железа, постепенно превращались в железняк.
Особенно богата была земля этими бактериями около 2 миллиардов лет назад. Вот тогда-то и образовались основные массивы железных руд.
Но железобактерии приносят людям и немало хлопот: ржавчина, появляющаяся, например, на трубах часто обязана своим происхождением железобактериям.
Строение молекулы ДНК было описано в первой половине 50-х годов двумя учеными — Уотсоном и Криком (за это они получили Нобелевскую премию). Удобства ради в разговоре называют одну цепочку молекулы ДНК Уотсоном, а другую Криком. Давайте и мы впредь придерживаться этого шутливого обозначения.
У молекулы ДНК есть два очень важных свойства: во-первых, это способность воспроизводить другую такую же молекулу — копию исходной; во-вторых, направлять всю деятельность клетки, регулируя синтез белков.
Рассмотрим первое свойство ДНК — способность к самовоспроизведению. Оно происходит следующим образом. Обе цепочки молекулы — Уотсон и Крик — как-то разъединяются, может быть, немного расходятся (это еще до конца не изучено), и на Уотсоне начинает образовываться новый Крик, а на Крике — новый Уотсон. При этом новая цепочка зеркально повторяет старую. Зеркально здесь означает не только точно: новая цепочка относится к старой, как оттиск к печати — каждой выпуклости соответствует впадина. Самовоспроизведение заканчивается образованием двух молекул; у каждой из них одна цепочка новая и одна старая.
Процесс этот очень точный, и немудрено — ведь
здесь происходит, в сущности, копирование с уже готового образца-матрицы. Вот откуда идет сходство предков и потомков!
На старинных монетах можно увидеть профиль императоров династии Габсбургов, правившей Австрией несколько веков; у всех выдающийся вперед подбородок — так называемая габсбургская челюсть. Да что Габсбурги! Наверное, каждый может припомнить какую-нибудь фамильную черту либо в своей семье, либо в семье знакомых. А в основе этого сходства, сходства отцов и детей, лежит точное воспроизведение молекулы ДНК.
Хорошо, скажете вы, понятно, почему ДНК императора Леопольда II Габсбурга была похожа на ДНК императора Рудольфа III Габсбурга (жившего на 250 лет позднее), почему в обеих ДНК был один и тот же порядок азотистых оснований, но причем же форма их нижней челюсти? Тут мы подходим к другому важному свойству ДНК — регулированию деятельности клетки, а следовательно, и всего организма.
ДНК составляет довольно малую часть всей массы клетки. Основная масса ее — это белки, которые и определяют развитие всех признаков организма, в том числе и цвет волос, глаз, черты лица — то, что прежде всего бросается в глаза, когда сравнивают родителей и детей. Особые белки — ферменты — управляют бесчисленными химическими реакциями внутри самой клетки.
Оказалось, что на молекуле ДНК образуются молекулы другого вещества — рибонуклеиновой кислоты, или РНК, которая и заведует синтезом белков. Белковая молекула довольно длинная, но, как и молекула ДНК, состоит иа простых «кирпичиков» — только не из азотистых оснований, а из аминокислот. Аминокислотный состав белка зависит от последовательности азотистых оснований в молекуле ДНК; при этом три азотистых основания соответствуют одной аминокислоте. Таким образом, ДНК через промежуточное вещество — РНК -— определяет состав белков.
Эта сторона работы ДНК — контролирование синтеза белков — сейчас усиленно изучается. По всей видимости, цепи молекулы ДНК в этом роде деятельности неравноценны — синтезом белка управляет одна из них, допустим, Уотсон.
Значит, каждый белок организма — а их так много, этих белков! — имеет свое представительство в молекуле ДНК? Да. И такой участок ДНК называется геном. Тут, впрочем, следует оговориться. Во-первых, ДНК «в чистом
117
виде», как огромная нить — молекула, есть лишь у фагов, некоторых вирусов и бактерий. У всех остальных организмов ДНК собрана в сложные структуры, называемые хромосомами. Во-вторых, вначале изучают не тот или иной белок как химическое соединение, а признак, определяющийся этим белком. Поясним это примером.
Бывают люди, у которых очень бледная кожа, белые волосы и красные, как у кроликов, глаза. Такой комплекс признаков называется альбинизмом.
Эта особенность бросается в глаза и известна с незапамятных времен. Но не так давно обнаружили, что у альбиносов отсутствует особый белок-фермент, синтезирующий пигмент — вещество, окрашивающее глаза, волосы, и кожу. Такова «биохимическая механика» видимого признака. Так как известны далеко не все белки-ферменты, то удобнее говорить не о белке, а о видимом признаке, и не об участке ДНК, а об участке хромосомы. Связь определенных участков хромосом с определенными признаками хорошо изучена. Существуют даже так называемые карты хромосом, на которые нанесены области представительства признаков, или гены.
о полезных ошибках природы
Итак, ген — это участок ДНК, заведующий синтезом определенного белка, или участок хромосомы, управляющий развитием определенного признака. Теперь понятно, почему белые овцы Лавана давали, в основном, белый приплод (помните начало этой главы?). А как современная генетика объясняет появление пестрых ягнят?
Мы говорили, что удвоение молекул ДНК идет так же точно и аккуратно, как снятие оттисков, или, лучше сказать, как копирование одного и того же текста при многократной переписке. При переписке... А не могут ли возникать ошибки при этой переписке?
В самом деле! Допустим, что изменилось одно-единст-венное азотистое основание. Подобно тому как при изменении одной буквы может исказиться смысл, так при изменении одного азотистого основания вместо одной аминокислоты появляется другая. А это может изменить свойства белка, и, значит, изменится и видимый признак. Но бывают ли такие явления при самокопировании ДНК?
118
Оказывается, бывают. Более того, идут все время. Все подвержено изменениям, может меняться и состав молекулы ДНК. Изменения эти называются мутациями. Мутации отдельных генов в обычных условиях случаются очень редко, но, раз возникнув, передаются по наследству с таким же постоянством, как любая, особенность строения ДНК. Иногда, правда, может случиться так называемая обратная мутация — возвращение измененного участка к прежнему типу строения.
Мутации — хорошо это или плохо? Дать определенный ответ не так просто. Плохо потому, что большей частью они ломают какие-то, уже установившиеся приспособления, могут привести к наследственным болезням, даже к смерти. Хорошо потому, что с помощью мутаций весь растительный и животный мир может приспосабливаться к меняющимся условиям. Короче говоря, на вопрос «что такое хорошо и что такое плохо» можно ответить: смотря по обстоятельствам.
В биологии показателем того, что какому-то виду животных «хорошо», служит число животных этого вида и широта их распространения. Допустим (даже не допустим, а просто припомним учебник зоологии), в стаде появилась коротконогая, плохо бегающая овца. Если бы овцы были
Один из первых вопросов, на который должны будут ответить доставленные на Марс или Венеру контейнеры: есть ли там жизнь, хотя бы в самом примитивном ее проявлении. Появились сообщения о проектах приборов, которые смогут передать на Землю информацию об этом.
Прибор «Мультиватор» работает примерно на том же принципе, что и вытяжной вентилятор. Труба засасывает пыль, которая поступает в специальные камеры, содержащие вещества, реагирующие с белками.
Другой прибор ловит микробов примерно так, как когда-то ловили птиц индейцы, намазывая ветки деревьев клеем. На этом принципе основано действие прибора «Гулливер Марк 2». Аппарат выбрасывает провод, обмазанный клейкой субстанцией, а затем втягивает его внутрь. Провод погружается в питательный раствор, в котором могут жить все известные на Земле микроорганизмы. Если бактерии или иные живые организмы на этой планете похожи на наши, то они размножатся и изменят при этом состав питательного раствора. Радиосигналы известят Землю о результатах эксперимента.
дикими, то это было для нее очень плохо: скорее всего, ее задрал бы волк или другой хищник. Но наблюдательный животновод рассудил, что таких овец легче пасти, а в результате была выведена новая порода скота. Таким образом, овца дала потомство, это потомство размножилось и расселилось, и есть все основания считать, что такая мутация — это хорошо.
Можно привести и пример из генетики человека. Есть наследственное заболевание — серповидноклеточная анемия. Красные кровяные тельца при этом измененной формы — не круглые, а несколько вытянутые и при некоторых обстоятельствах склеиваются между собой. Это склеивание может привести (и приводит) какой-то процент больных к смерти. Казалось бы, плохо. Однако в крови таких людей не живет возбудитель малярии, и в местности, где население болеет малярией, люди с измененными кровяными тельцами этой болезнью не страдают. Так как малярия зло в общем большее, чем серповидноклеточная анемия, то там, где распространена малярия, эта мутация оказывалась полезной. В результате среди населения тех мест, где испокон веков водился малярийный комар, сравнительно много людей с измененными кровяными шариками.
...Значит, Иаков имел дело с мутацией окраски шерсти. А можно ли управлять мутациями и вызывать только нужные? Каковы вообще закономерности появления наследуемых изменений?
Этот вопрос ответственный и трудный. Ответственный потому, что именно эта область генетики теснее всего связана с практикой. И трудный потому, что наследственный материал очень неподатлив, изменить его не так просто.
Получилось так, что вокруг правил наследования признаков вырос целый лес предрассудков и небылиц. Ну, конечно, тот способ, которым пользовался Иаков для получения пестрого скота, кажется, мягко выражаясь, наивным. Но разве подобные поверья не бытовали у многих народов? Ведь считалось, что беременной женщине лучше не смотреть на калек, а то родит урода. У ребенка на коже красные родимые пятна, значит, мать когда была на сносях, глядела на пожар. Помните строчки из пушкинской «Сказки о мертвой царевне и семи богатырях»?
Вишь, какая подросла!
И не диво, что бела;
Мать беременна сидела, Да на снег лишь и глядела!
120
И теперь иногда можно услышать, что, дескать, если у одного из родителей нет руки, то и ребенок родится безруким. Так может быть в том случае, если тот или иной физический недостаток родителей врожденный. Например, есть наследственное заболевание, при котором у пальцев не три, а только два сустава,— у таких родителей дети могут родиться с укороченными пальцами. Но если палец у отца или матери, скажем, отрублен топором, то это никак не отразится на детях.
Так какие же изменения наследуются и какие — нет? Ведь сказать, что наследуются только врожденные признаки,— это значит не сказать ничего. Обычно пишут, что наследуются только те изменения, которые меняют наследственный аппарат (то есть ДНК) клетки. Это все верно и понятно, но как их отличить от ненаследственных? Проверить, изменился ли состав ДНК, всякий раз невозможно, да и такой анализ не даст нужных сведений.
Прежде всего следует посмотреть, появится ли этот признак у потомства и каковы будут закономерности этого появления (оба родителя несут этот признак, или один, у всех потомков он проявился, или не у всех и т. д.). Кроме того, можно пользоваться несколькими вспомогательными правилами.
На V Международном симпозиуме по астронавтике во Флоренции астроном из Парижской обсерватории сообщил о результатах измерений поляризации солнечного света, отраженного от поверхности Марса. Свет, отраженный поверхностью пустынь, обнаруживает поляризацию, характерную для минерала лимонита (водной окиси железа). Поляризация же света, отраженного от других, темных областей поверхности Марса, не отвечала свойствам известных на Земле веществ. Есть предположение, что во время марсианского лета полярные ледяные шапки уменьшаются в размерах, и испарения и влага движутся к экватору и способствуют размножению микроорганизмов в поверхностном слое темных областей. Эти марсианские микроорганизмы могли вызвать и аномальную поляризацию света.
Во-первых, наследственные изменения какого-либо признака в общем очень редки — на миллион любых живых существ в среднем приходится одно, несущее данную мутацию (если, конечно, нет причин, ускоряющих появление мутации). Во-вторых, чтобы это изменение коснулось клеток всего организма, нужно, чтобы оно было заложено в половых клетках, из которых этот организм потом разовьется (это значит — если хочешь получить наследственные изменения у потомков, действуй не на потомков, а на родителей). В-третьих, наследственные изменения не соответствуют вызвавшей их причине.
Это нужно понимать таким образом. Выше мы говорили о том, что все свойства клеток, а следовательно, и слагающегося из них организма, определяются порядком азотистых оснований молекулы ДНК. Значит, вопрос сводится к тому, может ли ДНК, упрятанная в глубине клетки, да еще половой, мало доступной для внешних воздействий, «различать», что это за воздействия? Да еще меняться, и меняться «разумно», в соответствии с воздействием: допустим, после охлаждения давать морозоустойчивое потомство? Нет, конечно. Да и не говоря об открытиях биохимии последних лет, ведь вся практика животноводства противоречит этому. Если бы наследственность зависела от условий питания, воспитания и т. д., то ничего не стоило бы, скажем, «раскормить» таксу в волкодава или заставить мула ожеребиться (мул — помесь кобылицы и осла — как правило, бесплоден).
Значит, наследственностью нельзя управлять? Можно только терпеливо отыскивать мутации и выводить после этого новую породу? Нет, не совсем так, вернее, совсем не так.
Уже больше сорока лет известно, что некоторыми воздействиями— рентгеновским и другим видами облучения, обработкой рядом веществ — можно очень сильно, в тысячи раз, повысить частоту природной изменчивости. Искать после этого нужные изменения уже значительно легче. Более того, сейчас химики и генетики стараются «подобрать ключи» если не к каждому гену в отдельности, то хотя бы к группам генов — найти вещества, избирательно действующие лишь на те или другие участки хромосом. Только не нужно обманывать себя — работы здесь еще непочатый край. Но и с помощью отбора природных мутантов человек сделал очень немало — посмотрите, например, на разнообразие пород собак! Ведь поразительно, как отличается крохотная болонка от дога или борзой. А ведь
122
все они произошли, в конечном счете, только от двух предков: шакала и волка.
Тут нужна еще одна оговорка. У нас получилось, что единственный источник изменчивости всех живых существ— мутации. Так-то оно гак, но нельзя забывать и о скрещиваниях и возникающих при этом новых комбинациях признаков. Очень часто бывает, что противоположные признаки потомства не просто «складываются» или «вычитаются», а дают нечто новое, непохожее на то, что было у каждого из родителей. Поэтому половое размножение, при котором происходит обмен наследственным материалом, если можно так сказать, гораздо выгоднее бесполого. Ниже мы увидим, каким образом некоторые микробы, у которых нет полового размножения в точном смысле этого слова, восполняют этот недостаток.
Кстати, пора и о микробах. Мы совсем забыли о них, а ведь они играют в исследованиях по генетике чуть ли не основную роль.
отличная модель
В биологии есть такое понятие — лабораторные животные, или животные-модели. Это те, на которых легко поставить необходимые опыты. Сами по себе такие модели не имеют никакого практического значения — какой толк, к примеру, в разведении лягушек? Но данные, полученные на них при изучении некоторых процессов жизнедеятельности, имеют применение и в медицине, и в сельском хозяйстве, и сами по себе очень важны. Дело в том, что далеко не все сведения, добытые наукой, тут же проверяются практикой. Нет, они часто ждут долгие годы, пока не будут необходимыми.
Для изучения генетики важно найти такую модель, которая очень быстро размножается, неприхотлива, занимает мало места, требует мало корма. Хорошо, если хромосомы в ее клетках легко изучать под микроскопом. Наконец, в последние годы стало существенным, чтобы некоторые генетические модели были как можно более просто устроенными существами, со сравнительно несложным химическим составом.
В 20—30-е годы этого столетия большинство генетиков использовало в виде модели муху, так называемую плодовую мушку-дрозофилу. Она очень маленькая, миллиметра три в длину; целые мушиные стада помещаются в одной
123
-tx	пробирке. Ее полное разви-
тие — от яйца до взрослого насекомого — занимает всего s'"**Ю—12 дней. Личинки дрозо-филы к еде нетребовательны, а клетки этой мухи удовлет-лг	воряют цитологов (исследо-
вателей, занимающихся изу-Мушка-дрозофила. Сильно уве- чением деталей строения кле-личено.	тки).
Модель, как видите, очень выгодная. Недаром дрозофила летала на спутниках! Ведь если нужно изучить потомство от дрозофил, облученных лучами рентгена, то через полторы недели вы сможете получить ответ. А если бы, допустим, подопытным животным была корова, то ответ пришлось бы ждать около 9 месяцев. Условия содержания этих двух видов нельзя и сравнить! Основные же закономерности наследования признаков и у мух, и у крупного рогатого скота, и у человека одинаковы. Выводы, сделанные на дрозофилах, имеют часто универсальное значение.
Но вернемся к микробам. Они во многих отношениях оказались еще лучшей моделью, чем дрозофила. Так, кишечная палочка делится каждые 25 минут, а фаги размножаются еще скорее. Места для микроорганизмов надо совсем мало — в пробирке с питательной средой могут расти и размножаться миллиарды. Кроме того, они просто устроены; их нуклеиновые кислоты и белки легче выделять и изучать, чем у многоклеточных. Правда, строение клеток у них другое, чем у высших животных, но и этот «недостаток» научились обходить.
днк микробов по своему химическому составу в основном похожа на ДНК многоклеточных. Есть, конечно, и различия. Более того, у растительных вирусов и некоторых бактериофагов ДНК отсутствует, а ее роль взяла на себя рибонуклеиновая кислота — РНК. Видимо, это единственное исключение; у всех прочих организмов, состав которых изучен, обязательно есть обе нуклеиновые кислоты.
Зато способы «упаковки» ДНК в клетке у микробов и многоклеточных сильно различаются. Мы уже писали выше, что у высших растений и животных ДНК собрана в особые структуры — хромосомы. Во время деления клетки хромосомы очень хорошо видны под микроскопом.
У бактерий микробиологи при всем старании не смогли обнаружить видимых образований, похожих на хромосомы.
124
Бактерии — объект очень мелкий; при микроскопировании часто возникают так называемые артефакты — структуры, которых на самом деле в живой клетке нет, которые образуются при ее повреждении, например при фиксации. И трудно было доказать, что именно видно под микроскопом — хромосомы или дефекты препарата. Но в последние годы, после многосторонних комплексных исследований, пришли к выводу, что у бактерий и фагов есть лишь одна хромосома — молекула ДНК, огромной, по сравнению с самим организмом, длины — примерно 50—60 микрон у бактерий. Это значит, что такая нить, допустим, у кишечной палочки, длиннее самой бактерии в 50 раз.
Длину молекулы ДНК и микробной клетки, в которой она заключена, можно не только сопоставить в цифрах, но
и сравнить на электронно-микроскопических снимках. Есть такой способ разрушения фаговых частиц: фаги помещаются в раствор с низкой концентрацией солей; оболочка их лопается, содержимое выходит наружу, и фаги выглядят запутавшимися в петлях выпавшей из них ДНК.
То же можно наблюдать и у бактерий. Здесь ДНК получают разными способами: в одном из них бактериальную клетку вначале превращают в протопласт, растворяя ее клеточную оболочку лизоцимом. Затем добавляют вещества, растворяющие оболочку протопласта. То, что происходит при этом, похоже на фокус: мутная, без всякой вязкости, жидкость становится совершенно прозрачной, слегка жел
товатой и вязкой, как яичныи белок или клей. Это лопнули протопласты, и из них, тут же разматываясь, вышла ДНК. Если хотите, это похоже на мгновенное разматывание тугого клубка шерсти, или, еще лучше, на взрыв хлопушки с лентами серпантина.
ДНК в микроорганизмах «упакована» очень компактно и хитро — иначе она просто не «влезла» бы в клетку. Как именно, еще неизвестно. Рисуют схему, напоминающую сложенные в гармошку полоски бумаги, или канаты, уложенные в связки в виде восьмерок (кстати, нечто похожее
Хромосомы в делящейся клетке.
можно видеть и под электронным микроскопом на срезах бактерий). Диву даешься, когда подумаешь, что нить ДНК- в такой тесноте и так плотно свернутая — безошибочно удваивается и выполняет сложнейшую работу по синтезу РНК.
ДНК в микроорганизмах, как и во всех других клетках, несет «чертеж» наследственных свойств и реализует его при развитии клетки. У микробной ДНК, так же как и у всякой другой, происходят ошибки копирования и другие изменения, приводящие к мутациям. Какие же свойства обычно меняются у микроорганизмов и имеет ли это хоть какое-нибудь практическое значение?
мутации у микробов
Меняться могут самые различные свойства. Кроме то-го, одна и та же мутация может иметь несколько проявлений. Ну, например, у болезнетворной бактерии «повредился» фермент, синтезирующий полисахарид; полисахарид этот входит в состав клеточной стенки. Из-за этого клетки будут иначе располагаться по отношению друг к другу, и изменится форма крупных скоплений микробов — видных простым глазом бактериальных колоний.
Раз изменилась форма, значит мутация морфологическая. Вероятно, таких бактерий уже не смогут заражать многие фаги (ведь «хвостик» фага рассчитан на вполне определенный состав клеточной оболочки, к которой он прикрепляется — помните?). Таким образом, тот же мутант будет устойчив к фагам.
Возможно, что такая бактерия будет хуже поглощаться лейкоцитами, следовательно, изменится ее вирулентность, то есть способность вызывать заболевание у подопытных животных, да и у человека. А ведь в основе всего лежит изменение единственного фермента. Вот как все взаимосвязано в клетке, даже довольно просто устроенной, как у микроба!
Попытаемся все же провести какую-то классификацию явлений изменчивости у микробов; при этом вначале будем говорить о следствиях мутаций, а потом, если это возможно,— о механизме наступающих изменений. Это, конечно, не очень правильно — вначале говорить о следствии, а потом о причинах. Но что поделаешь; многие виды изменчивости изучены у микробов очень хорошо, а вот их биологический механизм до сих пор не раскрыт.
126
Морфологические мутации стали известны раньше прочих. Они касаются в основном формы колоний, их величины, рельефа поверхности, изрезанности краев и т. д. Самое распространенное деление колоний по морфологии — на шероховатые и гладкие. Шероховатые колонии чаще всего образуются бактериями, которые не расходятся после деления и составляют длинную цепочку. Цепочки складываются в тяжи, тяжи сплетаются в клубки, под малым увеличением микроскопа или лупы похожие на клубки переплетенных змей. Поэтому иногда говорят о скоплениях в форме головы Медузы. Помните древнегреческий миф о Медузе — женщине, на голове у которой росли не волосы, а змеи?
К морфологическим мутациям часто относят и изменение окраски. Ведь колонии у микробов разных оттенков: чаще беловато-желтые, а иногда — оранжевые, красные, зеленоватые, даже синие и фиолетовые. Мутация сводится к усилению и ослаблению оттенка, иногда к полной замене его другим цветом. Здесь можно встретить интересное явление: секторные, или полосатые колонии. Колония, до-
Лопнувшая фаговая частица (в центре) и вышедшая из нее нить днк.
Шероховатая колония (крупная, в центре) и гладкие колонии бактерий.
пустим, красная, а от центра к краям идут белые полосы. Или колония поделена на правильные половины: белую и
красную.
Тут налицо высокая частота мутирования признака, когда изменяется не одна бактерия на миллион клеток, а,
127
скажем, одна из десяти или пяти. Если такое изменение произошло в тот момент, когда есть лишь несколько делящихся бактерий, то «белая» бактерия даст потомство, которое, размножившись, будет выделяться как белая полоса, идущая от центра скопления к краю. Конечно, мутации будут идти и тогда, когда в колонии уже не десяток, а сотни тысяч клеток. Но это не будет столь наглядно из-за огромного количества бактерий.
Морфологические мутации важны вот в каком отношении. По форме колоний иногда можно очень точно определить, с каким микробом имеешь дело, и не производить дальнейших исследований. Изменения формы и цвета колоний вносят путаницу. Кроме того, эти изменения означают, что изменился состав веществ, лежащих на поверхности клетки. А это необходимо знать, например, при поисках новых разновидностей микробов, из которых готовят вакцины.
Мутации изменения вирулентности. Состав микробной клетки небезразличен для животного-«хо-зяина», в котором микроб поселяется. Но у микробов могут меняться и такие признаки, которые обнаруживаются в первую очередь по их отравляющему действию на хозяина, например токсигенность — способность вырабатывать токсины (ядовитые белковые вещества).
Многие механизмы вирулентности еще просто не известны— микробиолог может лишь установить факт, что, скажем, для морской свинки смертельная доза микроба А — двести бактерий, а для его разновидности, микроба Б — только сто.
Очень вероятно, что во^ны эпидемий гриппа, охватывающие из года в год большую часть земного шара, вызваны каждый раз новым мутантом вируса с различной вирулентностью. Существует мнение, что одна из волн гриппа, начавшая свой путь с Японии, вскоре после очередных массовых испытаний ядерного оружия обязана своим происхождением мутации вируса именно под действием радиоактивного излучения. Опровергнуть или доказать такое утверждение, конечно, нельзя, но и такая возможность не исключена.
Мутацииустойчивости к фагам. Здесь бактерия выступает не в роли паразита, а, напротив, в роли «хозяина», у которого фаг вызывает заболевание. Устойчивость к такому заболеванию бывает вызвана разными причинами, чаще всего фаг не может проникнуть через
128
измененную клеточную оболочку бактерии, вернее, не может адсорбироваться на этой бактерии. Иногда случается и так, что ДНК фага проникает в клетку, но не находит там условий для размножения.
Устойчивость к фагам важна для диагностики заболе-
Секторные колонии бактерий.
ваний; ведь свойство фага размножаться лишь в определенном виде бактерий — важное средство, помогающее определить вид микробов. Устойчивые формы путают привычную картину. Между прочим, и среди фагов, в свою очередь, могут возникнуть мутанты, поражающие устойчивых бактерий.
Мутации устойчивости к лекарственным веществам доставили врачам за последние 20 лет массу неприятностей. Именно в это время стали очень широко применяться лекарственные вещества, действующие на микробов — антибиотики, различные химиотерапевтические препараты. И очень скоро после внедрения почти каждого
нового лекарства в практику стали появляться микроорганизмы, на которых это вещество переставало действовать. Иногда, впрочем, помогала быстрая смена антибиотиков или комбинированное их применение.
Биохимический механизм возникновения устойчивых к лекарствам форм микробов для каждого лекарства отдельный, и почти нигде до конца не изученный; а в основе его лежат мутации. Вред, наносимый устойчивыми формами, огромен: устойчивость к лекарствам обесценивает множе
ство препаратов.
В качестве курьеза можно привести пример, когда устойчивость — «это хорошо». Было замечено, что коровы, которым добавляли в корм антибиотики, дают хорошие удои. Однако молоко таких коров также начинает содержать антибиотики, и из него нельзя приготовить ни простокваши, ни других молочнокислых продуктов — соответствующие бактерии не живут в нем. Пришлось менять свойства сбраживающих молоко микробов: искать устойчивые к антибиотикам. Простокваша стала получаться.
Мутация с измененным обменом веществ. С самого начала оговоримся — у всех видов мутаций, о которых сказано выше, обмен веществ был также изменен. Однако часто определенное изменение, скажем, синтез
5 Заказ 130
129
Молоко — благоприятная среда для развития микроорганизмов. Однако оказалось, что если добавить в него тысячную долю грамма пенициллина (вкус молока при этом не изменится), то оно может стоять вдвое дольше, чем обычно, не скисая в самое жаркое время.
А как еще можно убивать микробов в молоке, не кипятя его? Можно обработать молоко ультразвуком: под его действием микробы погибнут.
В Антарктиде найден ящик с продуктами, который был оставлен экспедицией Скотта 50 лет назад. Лабораторный анализ дрожжей, извлеченных из ящика, показал, что они отнюдь не утратили жизнеспособности.
какого-то нового вещества или повышение количества уже имевшегося, нужно, как самоцель. Например, в производстве антибиотиков. Ведь они синтезируются, в основном, плесневыми и иными грибками, и важно найти мутантов, которые синтезировали бы их как можно интенсивнее. Кроме того, сейчас, по всей видимости, будут переходить на микробиологическое производство многих ценных веществ, например аминокислот и витаминов, которые до сих пор получали иным путем. Микробы синтезируют их в большом количестве, и обходится это дешево. Здесь важно найти мутантов, повышающих выход продукта.
Как видите, изменчивость микробов велика и многостороння, и почти в каждом случае их изменчивости заинтересован и человек. Но прежде всего «заинтересован» в этом сам микроб.
Ведь микроорга-низму для сохранения жизни выгоден определенный «фонд изменчивости» — вдруг условия жизни переменятся, тогда-то изменившееся свойство и может пригодиться! И это обычно выгодно не одной какой-то микробной клетке, а целой совокупности микробов. Известно, что мутанты, устойчивые к антибиотикам, обычно имеют повреждение какого-либо фермента (часто того, на который и действует этот антибиотик). Такие клетки, если
130
только в среде нет антибиотика, растут медленнее нормальных, «забиваются» ими (как сорная трава забивает посев) и в конце концов погибают.
Но вот вся совокупность, как говорят, популяция, микробов подверглась действию антибиотика. Что произойдет? Все нормальные бактерии погибнут, а немногие «неудачники» — мутанты, раньше обреченные на вымирание, в этих особых условиях выживут и дадут начало новой популяции. Таким образом, всему скоплению микроорганизмов в целом выгодно иметь какое-то количество мутантов «на черный день». Но для каждой клетки невыгодно быть мутантом — слишком малы ее шансы на «блистательную карьеру»; скорее всего, она погибнет, задавленная благополучными нормальными середняками.
«Фонд изменчивости» — очень важное качество любой популяции, будь то микробы, животные или растения. Но у высших организмов этот фонд создается и поддерживается не только с помощью мутаций, но и гибридизацией при половом размножении. Мы говорили выше о том, что при скрещивании два противоположных признака часто не «гасятся», а дают новое свойство. Две мутации могут по-разному комбинироваться, все это ведет к большей изменчивости популяции в целом.
сверхпаразиты
А как у микробов? Ограничивается ли их фонд изменчивости мутациями? Оказывается, нет! И у них есть нечто похожее на половое размножение, есть способы обмена генетическим материалом, ДНК. Но прежде чем рассмотреть их, нам нужно познакомиться еще с одной особенностью генетики микробов. Дело в том, что у микроорганизмов чрезвычайно распространено любопытное явление — паразитизм на хромосомном уровне, и оно довольно часто связано с обменом генетическим материалом. Сейчас мы расскажем, что это такое.
Когда говорят слово «паразит», то первым делом почему-то приходят на ум вошь и глисты. Но нет участка в человеческом теле (да и в теле любого млекопитающего), где не мог бы поселиться «квартирант».
Среди микробов также очень много паразитов. Собственно, ими являются почти все болезнетворные микробы. Часто они бывают внутриклеточными паразитами, прони
5
131
кающими в клетку, размножающимися в ней и обычно убивающими ее, чтобы переселиться в новую.
А теперь о паразитах самих микробов, о паразитах бактерий — фагах. Так называемые вирулентные фаги вызывают у бактерий смертельное и быстро протекающее (быстро — на человеческий взгляд, конечно) заболевание. Фаг прикрепляется к бактерии, вводит в нее ДНК, и через 20—30 минут из развалившейся бактерии выходят новые фаги.
Но есть и другие взаимоотношения — взаимоотношения сосуществования. Так ведут себя так называемые умеренные фаги, о которых мы уже писали. Проникая в бактерию, они становятся как бы частью ее наследственного аппарата, теряют при этом свое «обличие» — головку, хвостик. Меняют они и свои свойства.
Есть умеренные фаги споровых бактерий. Если в процессе жизнедеятельности бактерия, несущая фаг, превращается в спору, фаг остается в ней. Споры можно кипятить; обычный фаг погибает и при более низкой температуре, а здесь, пока жива спора, живет и умеренный фаг.
Наконец, жизненный цикл фаговой ДНК, то есть чередование периодов размножения, начинает подчиняться тем законам, по которым живет бактерия, по которым делится ее наследственный аппарат. Если за то время, которое проходит у бактерии от деления до деления, обычный фаг успевает дать больше ста потомков, то число умеренных фагов увеличился лишь вдвое, и это увеличение произойдет как раз тогда, когда будет удваиваться ДНК бактерии.
Более того, удвоение фага произойдет одновременно с удвоением вполне определенного участка бактериальной ДНК, определенного ее гена. ДНК фага как бы слипается с этим геном, сидит на нем. При этом на саму бактерию, несущую его, как говорят на лизогенную бактерию, фаг оказывает лишь незначительное влияние. Впрочем, возможно, что мы еще мало знаем о последствиях для бактерий такого сожительства.
Но такое мирное сосуществование все же не вечно. Иногда равновесие нарушается, фаг приобретает обычные свойства и моментально «съедает» бактерию.
В каждой популяции лизогенных бактерий всегда есть клетки с нарушенным равновесием, которые разрушаются с выделением фагов, Любопытно то, что эти фаги «не трогают» бактерий, в которых «сидит» умеренный фаг, а дру
132
гих всех разрушают. Только таким способом — прибавляя фильтрат из лизогенной культуры к заведомо нелизогенным бактериям — можно узнать, что первая культура лизогенна.
Как видите, умеренные фаги почти полностью «исчезли» в своем хозяине. Но есть и более необычные примеры. Во-первых, бывают разновидности умеренных фагов, которые могут разрушать клетку, выходить из нее, а заражать новую клетку не могут! Во-вторых, есть и совсем уж странные существа; называются они эписомами. Живут они в бактериальных клетках, способствуют выделению бактериями некоторых веществ, убивающих других микробов (так и узнают об их существовании). Эписомы передаются от клетки к клетке лишь при соприкосновении; в фильтрате их передать нельзя. Они играют важную роль при половом размножении бактерий. Но никто еще не видел эписом под электронным микроскопом и не выделил их в чистом виде, отдельно от клетки. Что это такое? Иногда кажется — странно сказать — что это участок бактериальной ДНК, который обрел самостоятельное существование, что-то вроде ставшего независимым гена. Но вряд ли это так. Скорее всего, это особые вирусы, так изменившиеся при паразитировании или симбиозе, что кажутся частью клетки.
Сейчас выясняется, что у многих бактерий масса таких сожителей. И все это не просто паразиты — они имеют наследственный аппарат, тесно связанный с наследственным аппаратом клетки.
Нам пришлось отвлечься для описания взаимоотношений фагов и бактерий. Но без этого нельзя было бы понять некоторых особенностей обмена генетическим материалом у микробов. Виды этого обмена — аналоги полового размножения — мы сейчас и рассмотрим.
генетические перевоплощения
Начнем мы немного не на тему.
...Всем известно, что в средние века не было химии, а была алхимия, и занимались ею алхимики. Главной их целью было найти философский камень. Этот камень мог делать все: превращать любой металл в золото, возвращать молодость старикам, исцелять больных, ускорять созревание плодов.
Вот какова сила его действия, согласно одному старому итальянскому трактату:
133
«...Довольно будет взять крупинку весом с просяное зерно, растворить в бочке воды, зачерпнуть скорлупой лесного ореха, и брызнуть на виноградник, чтобы уже в мае появились спелые гроздья».
Давайте рассчитаем, сколько философского камня понадобилось бы для этого, выверим «чудо на число», как писала в одном из своих стихотворений Марина Цветаева. Иначе говоря, попробуем вычислить, какое минимальное количество вещества (философского камня) понадобилось бы для того, чтобы пошла определенная реакция (созревание винограда). Мы не очень отойдем от нашего основного рассказа; просто любопытно сопоставить некоторые величины в алхимии и современной химии.
В трактате не сказано, какой объем имела бочка воды. Бочки бывают разные; большой бочкой раньше считали сорокаведерную. Объем такой меры, как ведро, был, наверное, различным в разных странах. В старой России он равнялся примерно 10 литрам. Примем это за основу. В таком случае философский камень разводился в 400 литрах, или 400 000 миллилитрах, воды.
Теперь — исходное весовое количество философского камня. Объем его был равен просяному зерну. Одно просяное зерно весит около 6 миллиграммов. Удельный вес растительных тканей близок к удельному весу воды; философский же камень, наверное, был тяжелый. Примем, что его удельный вес был равен весу золота (то есть 19,3). Значит, эта крупинка весила около 120 миллиграммов. После растворения в бочкё воды концентрация его в миллилитре равнялась 120:400000 = 0,00003 мг!мл, или 0,03 мкг!мл.
Сколько воды с растворенным философским камнем может поместиться в скорлупе лесного ореха? Если орех был крупный (в Италии оре-
хи крупнее наших, примерно с кавказский орех — фундук), то около 1 миллилитра. Следовательно, на растение попадало примерно 0,03 мкг!мл философского камня. Итак, запомним: минимальное количество философского камня, при котором еще идет реакция, равна 0,03 мкг!мл.
...Расчеты, которые мы с вами сейчас проделали, не
134
смотря на их наукообразный вид, содержат массу допущений. Однако кое в чем они интересны. Ведь любопытно, насколько обширно человеческое воображение и насколько реальность может превзойти самую смелую фантазию.
Слово «трансформация» восходит опять-таки к терминам алхимии — трансформацией тогда называли превращение одних веществ в другие. А в микробиологии так стали называть непонятное вначале явление, когда один вид бактерий приобретал признаки другого вида при совместном выращивании. Потом стали выращивать лишь один вид бактерий, добавляя к нему убитые и разрушенные клетки других — получалось то же самое! Из убитых клеток выделяли разные вещества; оказалось, что из них активна только ДНК.
...Это очень занятная процедура — выделение ДНК из бактерий и опыты по трансформации. Мы уже писали выше, что клетки при известных условиях могут лопнуть, и ДНК выходит наружу. Ее очищают от примесей белка различными способами, затем осаждают спиртом. Под действием спирта ДНК свертывается, выпадает в осадок в виде нитей. Эти нити споласкивают и снова растворяют в солевых растворах; они опять делаются вязкими и тягучими. И вот что замечательно: подвергнутая столь основательной обработке, ДНК не теряет своей биологической активности. Если добавить ДНК, выделенную из клеток с колониями определенной формы, допустим, шероховатыми колониями, к среде, на которой растут клетки с гладкими колониями, то вырастает некоторое количество шероховатых колоний. Точно так же с помощью ДНК можно передать и многие другие признаки: устойчивость к антибиотикам, способность образовывать спору.
Какое количество ДНК требуется для этого? Очень и очень маленькое. Мы с вами только что подсчитали, что философский камень еще действовал в концентрации примерно 0,03 мкг/мл. ДНК можно разводить гораздо больше (до 0,001 мкг!мл), и она остается активной. Это — такое маленькое количество, что трудно придумать для него наглядное, житейское сравнение. Выше мы приняли, что вес
135
просяного зерна 6 мг; значит, в миллилитре воды может содержаться в 6 миллионов раз меньше (по весу) ДНК, и она еще будет действовать. Для реакции трансформации можно взять не миллилитр раствора, а меньший объем.
...Мы отнюдь не хотим подвести вас к заключению, что ДНК — это современный философский камень. Просто-напросто мы хотели показать еще раз возможности генетики бактерий.
Как проникает бактериальная ДНК в клетку? Это не совсем ясно. Скорее всего, в клетке при некоторых условиях могут возникнуть участки, где клеточная оболочка либо очень истончена, либо отсутствует. Здесь с внешней средой соприкасается цитоплазматическая мембрана. Это образование очень тонкое, и возможно, что в нем могут получиться выпячивания, подобные тем, посредством которых амеба захватывает съедобные частицы. Бактерия же захватывает крупные молекулы ДНК. Между прочим, как вы помните, нечто сходное происходит и при проникновении некоторых вирусов в клетки животных.
Сейчас выясняется, что бактерии могут выделять особый фермент, способствующий трансформации. Видимо, он-то и «раздевает» бактерию, удаляя часть клеточной оболочки; у некоторых микробов он напоминает знакомый уже нам лизоцим.
Как бы то ни было, ДНК проникает в клетку и каким-то образом включается в ее наследственный аппарат. Отныне клетка трансформировалась: она несет гены, принадлежавшие раньше другой клетке. Этот процесс можно считать простейшим случаем обмена ДНК у бактерий. Но он уже сравним с половой гибридизацией. По-видимому, трансформация может происходить не только в пробирке, с помощью искусственно выделенной ДНК, но и в естественных условиях жизни микробов.
Надо полагать, что там все это происходит таким образом: лизоцимоподобные ферменты, выделяемые бактериями в какой-то период развития, разрушают некоторые клетки, и их ДНК выходит наружу. Другая часть бактерий лишь повреждается этими ферментами, у них удаляется часть клеточной оболочки, и они становятся способными поглощать «чужую» ДНК. Обратите внимание на то, что «транспортировка» ДНК обеспечена не очень-то хорошо — молекулы ДНК не «ищут» бактерию, как «ищет» яйцеклетку сперматозоид. Единственное известное нам приспособление, обеспечивающее проникновение ДНК в клетку —»
136
это «раздевающие» бактерию ферменты.
Наверняка много ДНК пропадает зря, получается, что те клетки, из которых она вышла, погибли понапрасну. Но в конце концов разве такой «непроизводительной» затрате ДНК нельзя подыскать аналогий в процессах размножения и гораздо более высокоорганизованных существ? Сколько икринок выбрасывают в морскую воду некоторые рыбы, и сколько из них оплодотворяются? Шансы на встречу сперматозоида и яйцеклетки здесь тоже не слишком велики. Есть даже виды, у которых гибель самца после первой же «брачной ночи» — вполне закономерное явление. У насекомых таких примеров можно найти сколько угодно.
Впрочем, у микробов есть и более совершенные способы гибридизации. Сейчас мы к ним и перейдем.
трансдукция
Явление, носящее это название, сводится к следующему. Допустим, есть две расы бактерий. Одна из них обладает каким-то признаком, которого нет у другой (для простоты примем, что они различаются опять-таки по форме колоний). Бактерии, имеющие шероховатые колонии, кроме того, лизогенны.
Далеко на юго-востоке, в море Банда обитают необычные рыбы: аномалоне и фотоблефарон. Вот о каких особенностях в их строении пишет известный советский биолог-популяризатор И. И. Акимушкин.
«Первое, что вас поразит, если вы когда-нибудь возьмете в руки аномалопса или фотоблефарона, это большой кремневый «боб» под каждым глазом рыбы. Он крупнее глаза и хорошо заметен на темном фоне чешуи».
Выяснилось, что боб содержит множество светоносных бактерий.
«Очевидно, для производства света бактериям необходимы особые вещества и особые условия, которые они находят только в садках под глазом у своих друзей, потому что выделенные из бобовидных органов бактерии хорошо развивались в лабораториях, но не светились. Рыбка дает бактериям, следовательно, квартиру с полным «пансионом...» Свет бактериальных фонарей так ярок, что даже на расстоянии двух метров можно разглядеть стрелки на циферблате часов!»
Если смешать бактерий, дающих гладкие колонии, с лизогенными, образующими шероховатые (или с фагами из лизогенной шероховатой культуры, это все равно), то часть «гладких» бактерий станет шероховатыми. Некоторые из них, кроме того, станут лизогенными.
Что здесь происходит? Не трансформация, что можно доказать, добавив вещества, разрушающие свободную ДНК ,— это не будет препятствовать явлению. Дело обходится и без непосредственного соприкосновения клеток; можно проделать такой опыт: взять трубку, изогнутую наподобие латинской буквы И, и в нижнем колене поставить фильтр, слишком мелкий для бактерий, но проходимый для фагов. Трансдукция не приостановится. А вот если добавить вещества, действующие на фаг, то превращения гладких клеток в шероховатые не будет. Значит, в данном случае именно он оказывается переносчиком генетического материала.
Сейчас принято представлять явление трансдукции следующим образом. Умеренные фаги, как мы уже говорили выше, каким-то образом тесно связаны с ДНК бактерий; возможно, что участки ДНК фага и бактерии даже могут меняться местами. А дальше судьбы генетического материала фага и бактерии разделяются: внесенная бактериальная ДНК включается в генетический аппарат бактерии (так «гладкая» клетка становится «шероховатой»), а развитие внедрившегося фага может вообще не наступить, или это развитие может пойти по лизогенному пути.
Значит, фаг при трансдукции служит переносчиком генетического материала. Ну что же, это более экономный путь, чем при трансформации: возможность встречи бактерии и фага, несущего бактериальную ДНК, больше, чем возможность встречи клетки, готовой к трансформации, и голой ДНК. Можно подыскать и аналогию в мире многоклеточных— ну, хотя бы насекомые, переносящие пыльцу с цветка на цветок. Аналогия, конечно, только внешняя: в одном случае переносится целиком, со всем хромосомным набором, клетка, пыльцевое зерно, а в другом случае — небольшой участок молекулы ДНК. Да и фаг с бактерией состоят в более «интимных» отношениях, чем пчела или шмель с цветком.
Когда говорят о трансдукции, то всегда упоминают и лизогенную конверсию. Это вот что такое. Умеренный фаг сам по себе, без перенесения бактериальных генов, может при «сожительстве» с бактерией менять некоторые ее свой-
138
ства. И это не всегда безразлично для человека.
Так, у дифтерийных бактерий есть несколько фагов; некоторые из них, поселяясь в микробе, меняют обмен его веществ таким образом, что он начинает вырабатывать дифтерийный токсин — тот яд, который и вызывает бо
Конъюгация кишечной палочки.
лезнь — дифтерию.
Мы, однако, снова отвлеклись. Нам предстоит рассмотреть еще один способ обмена наследственным веществом у бактерий.
конъюгация
Здесь, на первый взгляд, многое напоминает половой процесс у многоклеточных. Две бактериальные клетки «слипаются»; в месте соприкосновения у них, вероятно, лопаются клеточные стенки, и содержимое одной клетки может переходить в другую. Полного перехода обычно не бывает, но все-таки в генетический аппарат клетки включается гораздо больше чужой ДНК, чем при трансформации и трансдукции. Потом «оплодотворенная» клетка начинает делиться, а «оплодотворяющая» погибает. Весь процесс длится около часа.
Гены из клетки в клетку передаются в строгом порядке. Был проделан такой опыт. Конъюгирующие пары бактерий разобщали, не дожидаясь их естественного разъединения. Исследуя затем потомство, замечали, что чем дольше клетки оставались вместе, тем больше генов переходило, и, более того, для каждого гена был свой срок перехода: для одного, скажем, пять минут от начала конъюгации, а для другого — десять.
Очень интересно, что у бактерий (эти опыты ставились на бактериях кишечной группы) одна клетка могла лишь воспринимать ДНК, а другая — лишь передавать ее. Иными словами, имелось как бы разделение бактерий на «самцов» и «самок».
Все как будто бы понятно, и многому есть аналогии в привычных явлениях... Но и здесь вскоре начались неясности.
Вначале был обнаружен удивительный факт. Если бактерий-самцов держать вместе с самками, то множество
139
самок «меняет пол» — обретает способность передавать генетический материал. Причем «перемена пола» не связана с самой конъюгацией — бактериям достаточно побыть вместе, но обязательно так, чтобы клетки соприкасались. Вот как это объясняют. В конъюгации принимает участие вирусоподобное существо — так называемая половая эписома, или фактор пола. Если она находится поблизости от поверхности клетки, тогда легко передается другим клеткам. Но она может и прикрепляться к нити бактериальной ДНК; в этом случае она не переходит к другим клеткам, но каким-то образом делает возможной конъюгацию.
Механизм, благодаря которому эписома обеспечивает конъюгацию, не совсем ясен.
Один из ученых, очень много работавший в этой области, француз Франсуа Жакоб на своей лекции полушутливо сравнил эписому с паровозом, толкающим перед собой большой состав вагонов — нить бактериальной ДНК. Это, конечно, не более чем ассоциация, но ведь надо — хотя бы для себя — наглядно представить, как все это происходит!
На этом, пожалуй, мы закончим разговор о тех процессах, которые заменяют у бактерий половое размножение.
Как видите, все эти способы достаточно- причудливы. Но разве нельзя найти не менее причудливых взаимоотношений между разными полами у высокоразвитых существ?
Сколько угодно!
Загадок у природы на наш век хватит.
ЧИТАЯ эту главу, вы будете участвовать в обсуждении вопроса, может ли какая-нибудь болезнь истребить целый вид животных, а также и вид «хо-мо сапиенс», то есть род человеческий. Вы узнаете, как поддерживают постоянное равновесие в природе те живые существа, которые живут за счет других, то есть паразиты и хищники; как это равновесие может быть нарушено человеком; как человек платится за такое нарушение и как он может все-таки извлечь для себя из этого определенную пользу. Вы увидите, что и микробиология может быть превращена в военную науку. В этой главе мы часто будем отвлекаться от микробов и говорить о взаимоотношениях других живых существ. Но пусть это не смущает вас, потому что законы, действующие при этих взаимоотношениях, одинаковы для всего живого мира.
ческая война
Глава W*
биологическая борьба и биологи-
возможна ли «алая чума»!
В последние годы жизни Джек Лондон уделял внимание фантастике. Одна из повестей этого периода называется «Алая чума».
...Цивилизация и ее противоречия достигли высшего расцвета. Казалось, что люди полностью подчинили природу и что могуществу науки нет предела. Но вог, совсем неожиданно, появилась новая болезнь. Кожа заболевших ею становилась ярко-красной. Очень скоро человек умирал. От этой болезни не было спасения. Ее назвали алой чумой.
Алая чума охватила все континенты. Человечество погибло, и вместе с ним погибла вся многовековая культура. Выжила горсточка людей разных классов и профессий. Те из них, которым удалось встретиться, образовали нечто
141
вроде первобытной орды. Они позабыли свое прошлое; у их потомков возродились древнейшие суеверия. Во главе орды встали вождь и шаман. Вновь начался каменный век. Алая чума повернула историю вспять.
...В повести Лондона эпидемия изображена как катастрофа, равная космической. Были ли в истории человечества, да и вообще в истории какого-либо вида животных и растений случаи болезней, подобных алой чуме?
В начале книги мы писали об эпидемиях, опустошавших целые страны.
Но все же никогда повальная болезнь не была причиной необратимого упадка цивилизации в культурной стране с большой численностью населения. Как бы велика ни была смертность, много народу выживало, либо выздоравливая после болезни, либо вообще не заболевая. В населенных местах Европы и Азии, особенно там, где проходили торговые пути, всегда были люди, приехавшие из других стран; были и болезни, завезенные ими. Поэтому среди населения этих мест была, как говорится, иммунная прослойка — переболевшие, которым повторное заболевание уже не грозило. Эпидемии могли лишь способствовать социально-экономическим причинам, ведущим к упадку цивилизации, не более того.
Картина, более похожая на «Алую чуму» Джека Лондона, возникала при соприкосновении немногочисленного народа, имеющего примитивную культуру, с дотоле неизвестной болезнью. Эпоха великих географических открытий, вернее, начало колонизации многих земель, изобилует такими примерами.
События обычно развивались так. Какое-нибудь племя с незапамятных времен жило обособленно, лишь изредка соприкасаясь с другими, родственными племенами. У племени был «свой», привычный круг болезней, не очень многочисленных. Наверное, большую часть из них составляли даже не инфекционные заболевания, а раны, полученные на охоте, ушибы, переломы и т. д. Некоторые болезни в столь замкнутом мирке за несколько столетий должны были попросту изжить себя, и вот каким образом.
Почти все люди очень восприимчивы к кори, ветряной оспе, свинке и переболевают ими в самом раннем возрасте. Зато потом возникает весьма стойкая, пожизненная невосприимчивость; более того, возбудители этих болезней не могут долго сохраняться в организме переболевших. Таким образом, корью можно заразиться лишь от больного или только что переболевшего.
142
Среди населения, живущего достаточно густо и на большой территории, болезнь переходит с одного больного на другого; этот переход можно сравнить с зажиганием свечки от уже горящей свечки, но не от тлеющей головешки или от спички. Может случиться, что все свечки погаснут, то есть заболевания корью в данной местности прекратятся, пока заразу не внесут из другой местности.
В густо населенных странах для кори и подобных ей заболеваний всегда есть «горючий материал» — дети, не болевшие ею, и — очень редко — взрослые, почему-либо не переболевшие корью в детстве. Блуждающий огонек болезни здесь не гаснет. Впрочем, австралийский ученый Бернет предложил — более в шутку, чем всерьез—простой, но невыполнимый способ избавления от кори в масштабах всей планеты: надеть на всех без исключения людей, больных корью и здоровых, детей и взрослых, респираторы — маски, задерживающие болезнетворных возбудителей (такие маски иногда носят в инфекционных отделениях больниц). Респираторы население Земли должно было бы носить в течение инкубационного периода при кори (9—12 дней) и в течение заболевания (7— 12 дней), то есть около 20 дней. После этого, при тщательном соблюдении всех этих условий, Земля была бы сво
Вот еще одно раннее упоминание о бактериологической войне. Во время своих колониальных захватов англичане добрались до Новых Гебридских островов, расположенных недалеко от Австралии. Завоеватели предвкушали легкую победу. Разве могут сравниться копья и стрелы с ружьями? Однако англичане ошиблись. Даже самое легкое ранение стрелой причиняло солдатам страдания и влекло за собой смерть. Оказывается, перед боем туземцы обмакивали свои стрелы в ил болота.
Конечно, жители Новых Гебридов не подозревали, что в болоте живет возбудитель столбняка, но они знали, что в иле таится смерть. Однако ружья все же оказались сильнее.
бодна от кори — заболевшие ею никого бы не заразили, больные за это время выздоровели бы, и вирусы кори, не находя «горючего материала» и не обладая способностью долгое время существовать вне человека, погибли бы. Но договориться о том, чтобы все люди на Земле одновременно надели респираторы, пока трудновато.
Теперь посмотрим, как обстояло дело в немноголюдных племенах первобытных охотников. Детей там было не так уж много; следовательно, передача инфекции по типу «от горящей свечки к новой свечке» должна была происходить нерегулярно, прерываться, а затем и вовсе исчезнуть. Наступал момент, когда либо не было ни одного больного (не от кого было заразиться), либо были больные, но все население стало невосприимчивым (некому было заразиться). Таким образом, болезнь изживала себя; она могла появиться вновь лишь при общении с другими племенами, наверное, находившимися в таких же условиях.
Белые люди часто заставали именно такие племена, отлично «сбалансированные» с окружающим миром в привычных им условиях. Вступая в общение с туземцами, европейцы невольно заражали их теми болезнями, которые были обычны на европейском континенте, но которыми никто не болел в этой стране. Что же получалось?
Знакомство с пришельцами часто становилось гибельным для аборигенов. Болезнь, легко протекающая у европейцев, в другом климате, для людей другой расы часто становилась смертельной. Это относится, например, к кори и ветряной оспе. Положение осложнялось еще и тем, что эти болезни и в Европе переносятся людьми зрелого возраста хуже, чем детьми, а здесь заболевали все — от младенцев до стариков. Еще большие бедствия вызывали болезни, опустошавшие в то время и Европу, особенно натуральная оспа...
В результате вымирали целые племена, иногда поголовно. Так было в Америке, особенно среди североамериканских индейцев, а позже — среди эскимосов. Так бы л.о на многих островах Тихого океана и среди малых народов Северо-Восточной Сибири.
Как видите, события напоминают сюжет «Алой чумы». К тому же, мы упоминали здесь лишь о быстро протекающих заболеваниях, дающих эпидемические вспышки. Но европейцы заносили и другие болезни, которые также приводили к вымиранию местного населения. Из таких хронических болезней особенно много вреда принесли туберкулез
144
и сифилис. Кстати сказать, есть предположение, что сифилис был завезен в Европу из Америки, а уж потом из Европы в другие страны. Это предположение располагает рядом серьезных доказательств: болезнь распространилась в Европе вскоре после путешествия Колумба с той же быстротой, как корь и оспа среди индейцев, и протекала скоротечно и тяжело. Любопытно и то, что у всех народов Европы того времени сифилис считался болезнью западного соседа: итальянцы называли его — «испанской болезнью», французы — «итальянской», в Германии — «французской», в Польше — «немецкой», в России — «польской». Однако есть данные и в пользу того, что эта болезнь была известна еще древнейшему населению Европы и Азии, и ее быстрое распространение в XV веке вызвано социальными причинами.
Но все-таки, может ли болезнь быть единственной причиной гибели большого народа с развитой культурой? Скорее всего — нет. Даже случаи, когда целые племена вымирали от оспы, следует считать скорее исключением, чем правилом. Народы, населявшие земли, куда приходили европейцы, исчезали от разных причин, и болезни были лишь одной из них. А другими служили и резкая перемена уклада жизни, и изменение экономических отношений, и отстрел животных, за счет которых жило племя, например, оленей-карибу у эскимосов, и алкоголизм, и прямое истребление.
«алая чума» в мире животных
А как обстоит дело в мире животных и растений? Возможна ли здесь катастрофическая эпидемия, от которой исчезнет целый биологический вид?
Едва ли. Точнее сказать, едва ли по отношению к тем паразитам (все равно — вирусам, бактериям, червям), которые уже давно живут за счет данного животного или растения. Паразит сравнительно редко «работает на истребление». Для паразита выгоднее «пожизненное сосуществование», когда срок жизни хозяина не укорачивается или укорачивается мало. Ведь на все это время паразиту обеспечен «и стол и дом». Умирает хозяин — погибают все или почти все паразиты, живущие в его теле. Видимо, чем дольше паразитический вид и вид хозяина сосуществуют вместе, то есть чем старше болезнь, тем течение ее становится все более и более хроническим.
145
Зависимость численности паразита от численности хозяина; кривая А — количество хозяев, кривая Б — количество паразитов.
Однако это не значит, что в дикой природе нет опустошительных эпидемий (применительно к животным они называются эпизоотиями). Они случаются довольно регулярно и приводят к массовой гибели животных. Обычно число особей какого-либо вида, живущего в данной местности, колеблется с довольно правильными периодами «взлетов и падений» в несколько лет каждый. Если из года в год условия благоприятные: много пищи, под
ходящая погода, то численность вида может стать очень большой. Может быть, кто-нибудь из вас помнит, сколько гусениц и бабочек непарного шелкопряда было в июне — июле несколько лет назад в Московской области? В лист-
венных лесах в то лето даже в самый безветренный день стоял непрерывный шорох — это гусеницы обгрызали листву, и на землю падал их помет. Месяцем позже бело-серые бабочки сидели на нижней части ствола любого дерева, бились на тротуарах города, залетали в открытые окна и откладывали яички прямо на оконные занавески. В предыду
щие годы число шелкопрядов все нарастало, но в то лето достигло высшей точки. Если изображать это графически, то получится кривая А.
На борьбу с шелкопрядом были мобилизованы ядохимикаты и другие средства. Школьники младших классов собирали кладки яиц и сжигали их. Рекомендовалось обмазывать стволы керосином. Но все равно положение и на будущее лето было угрожающим.
Шелкопрядов видели все. Но не все замечали, что наряду со здоровыми гусеницами из года в год можно было найти все больше полувысохших трупов, покрытых маленькими белыми коконами. Это были коконы одного из наезд
ников — крохотного насекомого, немного похожего на осу, уменьшенную раз в десять. Наездник откладывал яички прямо в гусеницу шелкопряда, из них вылуплялись личинки, которые заживо поедали гусеницу и на ее трупе вили коконы.
Причиной падения численности паразитов является, как правило, исчезновение «кормовой базы», то есть резкое
146
уменьшение числа хозяев. А причины такого уменьшения могут быть различными.
Иногда массовая гибель хозяев наступает из-за неблагоприятной погоды. (Так было на следующую весну с гусеницами непарного шелкопряда.) Один из авторов этой книги в конце апреля — начале мая видел, как под весенним солнцем на стволы берез поднимались черные шнурки — целые армии новорожденных гусениц; затем были заморозки, и эти гусеницы лопались, как стеклянные трубочки. Иногда же происходит «самоистребление» паразита. Вероятно, не будь заморозков, так было бы и с непарным шелкопрядом: наездников через один-два года развелось бы столько, что почти все гусеницы были бы истреблены; но следующее поколение наездников также не имело бы пищи и вымерло. И тогда вновь началось бы многолетнее накопление — вначале хозяев, а затем паразитов.
Вернемся к первоначальному вопросу — могло бы это послужить естественной причиной гибели непарного шелкопряда как вида? Вероятно, нет, хотя мы разобрали крайний случай паразитизма, граничащий с хищничеством: когда личинка хозяина в буквальном смысле слова поедается личинками наездника. В дикой природе непарный шелкопряд и наездник уже давно «балансируют» и не исчезают. Если даже в какой-то местности все гусеницы будут истреблены, что маловероятно, туда вскоре залетят бабочки из соседних мест.
Более того. К гибели вида хозяина и к самоистреблению паразита не ведет даже один, очень своеобразный путь эволюции, по которому пошли некоторые паразиты. Для них смерть хозяина — «желательное» и обязательное следствие сожительства. Вызвано это, разумеется^ не их исключительной жестокостью (это понятие к миру животных вообще неприменимо), а главным образом воЬросами рассе-
Непарный шелкопряд: 1—самка; 2—самец; 3—кладка яиц на коре дерева; 4 — гусеница; 5 — куколка.
После месячного ношения одежды количество микроорганизмов на одном квадратном сантиметре ее увеличивается в 2—4 раза.
В раздевалке одной школы до появления учащихся было обнаружено 6 тысяч микробов в одном кубическом метре воздуха, а после того, как ребята сняли пальто — 16 тысяч.
В годы Великой французской революции флот адмирала Нельсона блокировал Францию. Опустели магазины — перестали поступать заморские товары. Однако не это беспокоило французов. В страну прекратился ввоз селитры. Не из чего стало изготовлять порох. Но выход был найден. По всей стране стали собирать хворост и всякий мусор в большие компостные кучи. Одни микробы разрушали органические соединения, выделяя из них аммиак, другие превращали аммиак в азотную кислоту. А селитра как раз и есть соль азотной кислоты — азотнокислый калий.
Впрочем, этот способ был не открытием, а лишь воскрешением известного с тех времен, когда не знали о природных залежах селитры.
В древней Руси кроме податей деньгой, хлебом и медом нередко брали еще селитря-
ления вида, заражения новых хозяев.
Видимо, так обстоит дело с вирусом бешенства. Изменения, которые этот вирус вызывает в мозгу больных животных, всегда смертельны. Однако эти изменения затрагивают такие отделы мозга, что животное за какое-то время до гибели часто ведет себя агрессивно, набрасывается на людей и на животных. А с укусом вирус передается новому хозяину. Так, ценой гибели хозяина и всех частиц вируса, находящихся в его теле, небольшая часть вирусов попадает в новое животное и размножается в нем. Казалось бы, вирус бешенства, как абсолютно смертельный, должен был истребить всех своих хозяев и погибнуть сам. Однако этого не происходит: бешенство известно человеку с незапамятных времен, и есть все основания считать, что оно было распространено на Земле задолго до появления человека.
Но все-таки путь превращения опасной и остро протекающей болезни в хроническую, видимо, более «экономичный» и выгодный для выживания вида. То же бешенство всегда было,— к счастью! — редкой болезнью, а заболевания с хроническим течением и благоприятным исходом распространены гораздо шире.
биологическая борьба
Полное истребление вида болезнью происходит, может быть, лишь тогда, когда паразит соприкасается с новым для него хозяином впервые. Случиться это может по-разному.
Вы помните, что мы писали о наследственных изменениях, мутациях вирулентности? Можно предположить, что среди особей, уже давно сожительствующих с каким-либо видом, возникает очень вирулентная мутация. Для хозяина, давно жившего бок о бок с привычным паразитом, это будет равносильно встрече с новым паразитом, к которому у него нет никакого иммунитета и который будет неумеренно истреблять хозяев, что может привести к их вымиранию.
То, что мы сейчас описали, вообще-то говоря, возможно, особенно на изолированном участке суши, например острове. Может быть, так происходило вымирание некоторых ископаемых видов; но такого явления еще никто не наблюдал. Зато хорошо известно другое, очень похожее: когда паразит или хищник заносится в новую для него область и встречается с новыми для него видами животных.
Лучший пример тому—целая часть света — Австралия, где до появления европейцев водились только сумчатые
ную подать. Тогда каждый двор превращался в своеобразный маленький завод по производству «боеприпасов».
Из-за гигантских природных залежей селитры в пустыне Атакаме много лет шла кровопролитная война между Перу, Боливией и Чили. На первый взгляд странно воевать из-за бесплодной пустыни. Но микробы превратили многие миллионы тонн птичьего помета в драгоценнейшую селитру. В этой войне Чили вышла победителем, и селитра до сих пор составляет одну из важнейших статей ее экспорта. В этом нетрудно убедиться, раскрыв любую книжку по экономической географии Южной Америки.
животные (кроме собаки динго). Европейцы завезли кроликов, которые объели растительность на огромных территориях. В результате местные животные из-за нехватки корма стали вымирать. А ведь кролик — никак не хищник и не паразит. В Европе он всегда был самым безобидным животным. Тем большие опустошения производили настоящие хищники и паразиты, завезенные в новые земли.
Леса Северной Америки и Канады понесли в прошлом столетии большой урон от непарного шелкопряда. История появления этой бабочки в Америке очень поучительна. Один энтомолог (ученый, занимающийся насекомыми) хотел найти виды шелкопрядов, не уступающих по качеству шелка тутовому. В своей лаборатории он держал и непарного шелкопряда. Однажды ветром распахнуло окно, и несколько мелких гусениц, висящих на паутинках, попали в сад. Многие годы шелкопряд не давал о себе знать — бабочки постепенно заселяли огромную, новую для них страну. Условия размножения были для них очень благоприятны — ведь в Америке до сих пор не было непарного шелкопряда, не было и его паразитов, и численность вида ничем не регулировалась. Наконец, насекомых стало столько, что они начали опустошать леса. Как американцы сумели избавиться от этой напасти, мы расскажем немного ниже.
В Европе появлялись американские и иные вредители сельскохозяйственных культур. Развивались новые виды ржавчины — грибки, которые поражали злаки и другие растения.
Те, у кого были аквариумы, или кто интересовался жизнью рек и озер, знают водоросль — элодею. У нее длинные плети-стебли с маленькими листиками, посаженными перпендикулярно к стеблю. Эту водоросль иначе называют водяной чумой — в этом названии отразилось необыкновенно быстрое распространение растения по водоемам Европы, куда она попала из Америки. Наверно, заселение элодеей не проходило бесследно для пресноводных растений и животных Старого Света: вытеснялись водоросли, ранее жившие в этих водоемах, из-за этого менялся состав корма рыб, а это вело к изменению их численности и т. д.
Примеры, когда из-за внезапного переселения старый вид уничтожается новым, можно было бы продолжить. Характерно, что это случалось почти всегда при вмешательстве человека в природу, когда изменения наступали не постепенно, а сразу. И у зоологов, ботаников, агрономов
150
уже давно возникала мысль: а нельзя ли то же самое делать искусственно и с пользой, так сказать, объявлять биологическую войну вредному для человека виду?
...Наверное, многие читали фантастический роман Г. Уэллса «Борьба миров». Вы, конечно, помните фабулу: на Землю напали марсиане—существа, похожие на спрутов, с неизмеримо более высокой культурой, чем земная, не знающие жалости к людям. Через правильные промежутки времени на Англию падают ракеты с Марса; из них выходят боевые машины марсиан, вооруженные «зеленым лучом», который сжигает все, что может гореть и плавиться. Солдат, прячущихся в траншеях, выкуривают темным, тяжелым ядовитым газом. Марсиане питаются человеческой кровью; их задача — уничтожить всякое сопротивление людей, а затем разводить их, как убойный скот. Английская армия разбита; кто сумел, уплыл за Ла-Манш. Остатки населения Лондона прячутся в канализационных трубах.
Но вот однажды герой романа замечает, что машины марсиан — огромные шагающие треножники — неподвижны. Над ними вьются тучи ворон, а из одной машины все время раздаются сигналы бедствия — воет сирена. Наконец, замолкает и она. Люди с опаской подходят к треножникам и видят—все марсиане мертвы! Оказывается, они погибли от непривычных для них земных микробов; сами того не зная, люди победили пришельцев с помощью биологических средств.
...Ну, а возможно ли это в жизни? Оказалось, что в некоторых случаях возможно. Сейчас мы расскажем об успешных опытах биологической борьбы с вредителями.
Начнем с вредителя, о котором уже много говорили,— с непарного шелкопряда. Американцам все же удалось избавиться от этого европейского пришельца с помощью европейских хищников — жуков-краснотелов. Их специально завезли и стали разводить в Америке. Результаты оказались отличными — жуки в Америке, как и в Европе, стали регулировать численность непарного шелкопряда, не давая ему чрезмерно размножаться.
Совсем недавно в Советском Союзе добились хороших результатов в биологической борьбе с родственником непарного шелкопряда — так называемым сибирским коконопрядом. Его бабочка коричневато-серого цвета, а гусеница живет на соснах, кедрах и лиственницах. В Юго-Восточной Сибири, Алтае, Забайкалье сосновый коконопряд всегда был опасным вредителем лесов. И вот с ним удалось
15t
Чистая, неповрежденная кожа обладает свойством убивать микробов. Если на участок чистой кожи нанесено 30 миллионов микробов, то через час их окажется 720 тысяч, а через два — только 7 тысяч. Чем грязнее кожа, тем больше микробов может проникнуть в глубь организма при ее повреждении. Подсчитано, что с кожи человека во время мытья в ванне смывается от 20 миллионов до миллиарда различных микроорганизмов.
справиться, искусственно вызывая массовые заболевания гусениц одной из бактериальных болезней. Бактерий выращивали в лаборатории, затем жидкость, содержащую бактерий, распыляли с самолетов над лесами, пораженными вредителем. Гусеницы заболевали и погибали. Одна из выгодных сторон такой борьбы с коконопрядом, по сравнению с ядохимикатами, — полная безвредность бактерий для зверей, птиц и других обитателей тайги.
Вирусы, поражающие животных, тоже приходят иногда на помощь человеку.
Так, в Австралии был применен способ биологической борьбы с помощью вируса миксоматоза кроликов, который очень быстро, в течение 10—12 дней, может уничтожить практически всех зараженных животных. Но как распространить это заболевание среди пугливых и осторожных зверьков? Помогли комары. Они переносили вирус от кролика к кролику, при этом сами оставаясь нечувствительными к вирусу.
Можно привести и примеры успешного использования вирусов для уничтожения вредителей-насекомых. Против некоторых из них используют так называемые вирусы полиэдроза и гранулеза. На небольших участках вирусы распыляются пульверизаторами, а для обработки больших
площадей применяют самолеты. Этот метод оказался очень-эффективным; он был с успехом применен в Калифорнии для борьбы с гусеницами бабочки-желтушки, которые поражали поля люцерны, и в Канаде для уничтожения соснового пилильщика. Перспективно также применение вирусов для борьбы с гусеницами, поражающими капусту и свеклу, а также для уничтожения обыкновенной домашней моли.
Можно привести еще несколько примеров успешной биологической борьбы. Принципы ее ясны, она может быть очень эффективной, может, видимо, целиком истребить вредителя, если он не очень многочислен и живет на изолированной территории. Ведь можно завозить все новые и новые партии паразитов, вновь и вновь обрабатывать посевы или леса взвесью бактерий. Таким образом, эпизоотия не затухнет сама собой, а будет продолжаться, пока имеется «горючий материал» — вредитель. Но она может затухнуть от другой причины — среди хозяев возникнет мутация устойчивости к данной болезни.
В этом нет ничего невозможного. По отношению к ядохимикатам такой исход, к сожалению, стал обычным (мы уже писали о нем выше): появление устойчивых форм сельскохозяйственных вредителей обесценивает отличные препараты. Нечто подобное можно наблюдать и при взаимодействии пары фаг — бактерия.
Возможно, что успех биологической борьбы будет зависеть от количества хозяев на данной территории и от количества паразитов, которые будут на них единовременно «напущены». Вообще биологическая борьба — дело непростое. Мы говорили лишь об удачах, а сколько было неудачных попыток? Вызвать эпизоотию — задача более сложная, чем истребить, скажем, грызунов отравленной приманкой или убить насекомых распыленным ДДТ. Нужно, во-первых, «донести» паразита до вредителей-хозяев и, во-вторых, выбрать такую болезнь, чтобы больные или умирающие животные рассеивали заразу среди своих собратьев.
Проблема «доставки», скажем, наездников и других паразитов-членистоногих не так уже трудна — наездник обладает сложными инстинктами поведения и сам найдет свою жертву, только выпусти его в подходящем месте. С бактериями и вирусами дело обстоит хуже. Если гусеницы заражаются, поедая листья и при этом проглатывая возбудителей болезни, то задача еще не так сложна — нужно опрыскать растения взвесью возбудителей. Но бывает,
153
что путь заражения непростой — он идет через специального переносчика. В этом случае распыление взвеси микробов ни к чему не приведет. Многие бактерии и вирусы во внешней среде очень нестойки и быстро погибают.
И все-таки за биологической борьбой большое будущее. Во-первых, она обходится довольно дешево — выращивание бактерий и паразитов не требует больших затрат. Во-вторых, у биологической борьбы есть одно важное преимущество, о котором мы уже отчасти говорили — она по-
Членистоногие - переносчики зв0Ляет уничтожать лишь заразных болезней,	J
один вид, не трогая других.
Ведь что происходит при применении ядов (при всей пользе, которую они приносят и еще принесут сельскому хозяйству и лесному делу)? Допустим, леса- на большой площади опылены с самолета ДДТ. Вредители-насекомые гибнут; но вместе с ними гибнут и все прочие насекомые — и полезные, и безразличные для человека, но нужные для того, чтобы поддерживать уже сложившееся в этой местности равновесие между всеми живыми существами. Гибнут мелкие птицы — и из-за прямого действия яда, и из-за того, что у насекомоядных птиц не хватает теперь корма. Тем самым сокращается корм и у птиц-хищников. Небезразлично все это и для четвероногих. Лес, спасенный от вредителя, может превратиться в «зону пустыни».
И еще один недостаток — ядохимикаты истребляют не только вредных насекомых, но и их паразитов. Паразиты и «травятся» и вымирают из-за нехватки корма, то есть хозяев. В результате получается нечто похожее на историю непарного шелкопряда в Северной Америке. Если в такой обработанный участок будут затем занесены вредители из другого района, или (что случится почти наверняка) несколько особей выживет после обработки, то они расплодятся затем бесконтрольно, гораздо скорее, чем в присутствии паразитов. А при биологической борьбе погибнет лишь один строго определенный вид вредных насекомых.
154
микробы как оружие
Справедливо говорят, что любое человеческое изобретение нередко было палкой о двух концах. Задуманное в мирных целях, оно превращалось в средство истребления, и, наоборот, прослужив как орудие войны, оно находило применение в мирной технике. Наблюдения и открытия, сделанные в микробиологии и эпидемиологии, не избежали общей участи. Родилось понятие «бактериологическая война», и возможность этой войны теперь учитывается в военных министерствах многих государств. Может быть, правильнее говорить не о бактериологической войне, а о биологической войне, так как могут быть использованы не только бактерии, но и вирусы и другие возбудители болезней. Кроме того, это оружие может быть направлено как на человека, так и на уничтожение сельскохозяйственных животных и посевов растений.
Сама мысль занести заразу в лагерь врага далеко не нова. Известно, что еще в древности, при осаде крепостей, катапультами забрасывали падаль и нечистоты, чтобы вызйать эпидемии. Средневековые хроники пестрят упоминаниями об убийствах и отравлениях; здесь можно найти и сообщения об умышленном заражении такой болезнью, как проказа. Мы говорили о катастрофическом распространении оспы среди народов, впервые соприкасавшихся с европейцами; иногда этому распространению способствовали и преднамеренно. Сохранилась переписка между двумя английскими чиновниками, служившими в Америке в середине XVIII века. В ней говорится о том, как непокорные племена индейцев искусственно были заражены оспой посредством одеял, которыми раньше накрывались больные. Есть сведения о том, что попытка эта удалась.
Время от времени в печати появляются сообщения о том, что работы над совершенствованием бактериологического оружия ведутся в лабораториях Америки, Англии и в наши дни. Так, одна из газет сообщала, что лаборатория небольшого английского городка Портон-Дауна может ежедневно производить до 400 культур в дозах, каждая из которых способна убить десятки тысяч людей. Образцы особо опасных бактерий и вирусов лаборатория передает американскому военному ведомству.
По-видимому, милитаристов привлекает прежде всего дешевизна биологического оружия, возможность при срав
155
нительно несложном оборудовании заготовлять килограммы и центнеры бактерий. Доза заражающего материала очень невелика. Во всех популярных статьях приводятся данные о том, что один грамм токсина возбудителя ботулизма может отравить насмерть восемь миллионов человек (то есть этот яд действует в тысячу раз сильнее, чем цианистый калий).
Эпидемия, однажды возникнув, развивается сама собой (конечно, в том случае, если сторона, подвергшаяся нападению, не способна ее прекратить). Биологическое оружие, выводя из строя людской состав и, может быть, уничтожая пищевые ресурсы, оставляет победителю все материальные ценности, ничего не разрушая и не повреждая. Из сказанного нетрудно понять всю опасность применения биологического оружия. (Мы пишем об этом бесчеловечном способе ведения войны в подчеркнуто спокойном тоне, так как считаем, что сильные эмоции вряд ли помогут серьезно разобраться в этом вопросе.)
Одним из доводов против применения микробов в военных целях будет как раз то свойство инфекционной болезни, что ею можно заразиться. Если войска напавшей стороны придут в соприкосновение с войсками противника или вступят на зараженную территорию, эпидемия может перекинуться с одной стороны на другую.
Далее, если у страны, подвергшейся нападению, окажутся достаточно действенные средства против самой болезни или против ее носителей, то нападение будет неэффективно. Наконец, вызвать эпидемию не так-то просто.
Если болезнь передается воздушно-капельным путем— при кашле, чиханьи (например, грипп), то могут быть применены аэрозоли (жидкость, распыленная в воздухе) из суспензии вирусов или бактерий; водоемы могут быть заражены бактериями, вызывающими желудочно-кишечные заболевания (дизентерию, брюшной тиф, холеру). Эпидемии сыпного и возвратного тифа, различных энцефалитов, бубонной чумы распространяют переносчики этих болезней (вши, блохи, клещи). Допустим, клещи могут долго жить без пищи, а вошь вне человеческого жилища и человеческого тела быстро погибает.
Даже тогда, когда для заражения не нужен ни переносчик, ни возбудитель, а только токсин, выделяемый возбудителем, донести его до солдата или жителя тыла непросто. Мы приводили цифры о колоссальной силе токсина ботулизма. Однако все это при том условии, если каж
156
дый из восьми миллионов выпьет предназначенную ему дозу. Но даже в том случае, если отравлена водопроводная вода, то и тогда токсин, как белковое вещество, через короткое время разрушится, особенно при кипячении.
Вообще при всякой эпидемии, возникшей естественным путем, основную роль играют факторы не только и не столько биологические, сколько социально-экономические. По-видимому, распространение сыпного тифа посредством вшей не может иметь успеха в армии и в тылу с хорошо поставленной противоэпидемической службой.
Скорее всего возможно применение в биологической войне инфекционных болезней, против которых еще нет надежной вакцины и сыворотки (чума, грипп, сап).
Итак, каковы перспективы биологической войны?
Вероятно, все учитывают возможность ее возникновения и так или иначе готовятся к ней — если не к бактериологическому нападению, то к обороне от такого нападения или к ответному удару. Понятно, что все материалы, относящиеся к этим работам, сугубо секретны. Поэтому о размахе этих работ и о «выходе в практику» можно лишь гадать. Но, конечно, если она когда-нибудь и возникнет, то не будет напоминать по размаху алую чуму Джека Лондона.
Известно, что муравьи истребляют вредных насекомых. Ежедневно муравейник среднего размера уничтожает 3500—4500 насекомых. Но оказывается, муравьи применяют не только, так сказать, физические методы уничтожения, но и бактериологические. Так, перетаскивая убитых гусениц, муравьи невольно распространяют опасную для гусениц болезнь — гранулез. Г ранулез разносят также наездники, клопы и другие насекомые.
В современных армиях слишком сильна для этого противоэпидемическая служба.
Возьмем хотя бы такой пример. В Великую Отечественную войну у нас не было сколько-нибудь серьезных вспышек инфекционных заболеваний в армии и в тылу — и это в стране, которая в конце первой мировой войны и в гражданскую войну несла огромные потери от сыпного и возвратного тифа, гриппа «испанки» и других болезней.
Не было крупных эпидемий и в армиях других воюющих сторон, а ведь в ту же первую мировую войну сербская армия была уничтожена не столько противником, сколько сыпным тифом.
Хотелось бы думать, что биологическое оружие вообще не будет использовано. Вполне вероятно, что его постигнет судьба ядовитых газов, которые так и не применялись в сколько-нибудь широких масштабах после войны 1914— 1918 годов. А ведь все великие державы, участвовавшие во второй мировой войне, имели большие запасы боевых отравляющих веществ, и эти вещества были куда сильнее, чем то, что пускалось в ход раньше. Поэтому будем надеяться, что запасы биологического оружия за ненадобностью будут уничтожены и что биологическую борьбу люди будут вести лишь против вредителей сельского хозяйства.
В ЭТОЙ главе мы проведем вас по комнатам современной микробиологической лаборатории. Мы расскажем про приборы, без которых труд микробиолога наших дней был бы невозможен; про микробиологическую «кухню», где готовят питательные среды — каждодневную пищу бактерий; про лабораторных животных. Вы увидите, что современная микробиология вышла за порог лаборатории и стала производством, индустрией, в которой занято множество людей. От этой индустрии во многом зависят здоровье и питание населения земного шара.
Вот во что вылились опыты чудаковатого голландца, как ребенок с игрушкой, возившегося с микроскопом, — Антония ван Левенгука.
Глава
6.
у наследников левен-гука
наше рабочее место
Перед нами длинный коридор. По обеим сторонам его — двери. Отворим первую дверь налево. Это одна из комнат, где работают научные сотрудники.
Около стен стоят длинные, так называемые химические столы со множеством полок и ящиков. За ними удобней работать, чем за обычными; микробиология вообще многое из оборудования позаимствовала у химии. Часть комнаты занимает сооружение с большими стеклянными дверями и окнами. Двери не захлопываются, а задвигаются. Это — бокс, специальная кабина для стерильной работы. Лаборант входит в предбоксник, задвигает за собой входную дверь, надевает специальный стерильный халат и потом, через вторую дверь, входит в бокс. Там, на боль-
159
шом столе все необходимое для работы — ультрафиолетовая лампа, газовая горелка, пипетки, банки с дезинфицирующим раствором. Приняты все меры, чтобы микробы из воздуха не могли попасть в питательные среды.
Но вот работа окончена, лаборант уходит, плотно закрывает за собой дверь и включает ультрафиолетовую лампу. Она нависает над рабочим столом бокса и горит мертвенно-синим огнем. Такие лампы обладают бактерицидным действием — они убивают микробов и служат для стерилизации воздуха в боксе. Иногда, впрочем, в бокс подводится уже стерилизованный воздух.
В рабочей комнате есть термостат. В нем всегда поддерживают определенную температуру +37°С. При этой температуре лучше всего растут болезнетворные микробы. Термостат не очень велик. Там выращивают только те культуры, которые нужно постоянно иметь под рукой. Большинство термостатов можно установить на более низкую или высокую температуру — это нужно для выращивания некоторых микробов.
Около термостата стоит холодильник. В работе микробиолога он необходим. В нем хранят выращенных микробов, скоропортящиеся растворы, питательные среды и т. д.
На столе, под колпаком от пыли, стоит микроскоп. Со времен Левенгука микроскоп претерпел немало изменений. Появилось великое множество моделей микроскопов — темнопольные, фазовоконтрастные и даже электронные, основанные на совсем другом принципе. Здесь обычный для наших дней микроскоп, дающий увеличение примерно в 1500 раз.
В небольшом шкафу и на полках стоит микробиологическая посуда. Она, собственно, мало чем отличается от посуды в химической лаборатории — колбы, пробирки, пипетки...
Но есть кое-что, введенное микробиологами. Вот пипетка без делений, с длинным ломким носиком. Сразу видно, что стоит такая пипетка очень дешево (0,2—0,4 копейки штука) — ее можно использовать раз или два, предварительно сломав запаянный носик, а потом выбросить. Но как она нужна в работе микробиолога! Эта пипетка предложена Пастером.
А вот что-то вроде низкой банки, двух сантиметров в высоту, с плоским шлифованным дном и такой же крышкой. Это чашка Петри, названная по имени немецкого микробиолога, сотрудника Коха. В чашки Петри наливают расплавленную питательную среду, она застывает, и на
160
ней делают посевы микроорганизмов. Такие же чашки, только раза в три выше, называют чашками Коха.
Чашки с питательной средой, стоящие перед нами, были заготовлены несколько дней назад. Они пока что не засеяны и совершенно чисты — на них нет ни одной колонии микробов. Вот только на этой начала как будто расти плесень.
Бывают случаи, когда в
воздухе так много спор — «семян» плесени, что она, как сорная трава, вырастает на чашках первая, «забивая» посеянных микробов. Еще хуже, когда кто-нибудь рядом работает с плесенью (с плесенями, точнее, с грибками, ведут большую работу, так как они выделяют антибиотики) или с другими бактериями, образующими споры. Тогда от загрязнения чашек трудно избавиться, и без ультрафиолетовых ламп не обойтись. Можно также добавлять к питательным средам вещества, которые тормозят рост плесени и не влияют на рост других организмов. Так поступают в вирусологических лаборато-
Штатив с пробирклми.
риях, где выращивают так называемые культуры тканей.	ер мост а
Для них заражение плесенью особенно опасно.
Но вот вошла хозяйка этой комнаты с чашками Петри на подносе. Не будем ей мешать и отправимся дальше.
Мы минуем несколько комнат в основном таких же, как первая, где работают другие сотрудники. Но вот комната, которая обязательно привлечет наше внимание. Из нее доносится постоянный шум. Сюда мы должны зайти!
б) Заказ 130
161
f
V
a
6
Пипетка Пастера (a)
и градуированная пипетка (б).
на больших скоростях
Может показаться, что мы попали в цех. Рядами стоят большие центрифуги (они-то и гудели, когда мы шли по коридору). На длинных столах центрифуги поменьше. Да, всего этого у Пастера не было...
На больших центрифугах «откручивают» главным образом бульон, в котором растили микробов. Часто нужно получить так называемую биомассу — густую кашицу из микроорганизмов, по возможности без примеси питательной среды. Микробы оседают на дно центрифужных стаканов, бульон остается наверху, и его можно сдить. Иногда для этой цели употребляют нечто вроде сепаратора. Биомассу используют для приготовления вакцин, для извлечения того или иного вещества и т. д.
Центрифуги поменьше вмещают менее литра жидкости, но дают большую скорость — до 10 тысяч оборотов в минуту. Ими пользуются, чтобы промыть биомассу, сосредоточенную в небольшом объеме жидкости.
Вот центрифуги со сложным пультом управления. Их скорость 20—40 тысяч оборотов в минуту. Жидкость, вращающаяся с такой скоростью, сильно нагревается, а этого обычно нельзя допустить. Поэтому значительная часть
Микроскоп Левенгука,
центрифуги занята холодильным устройством. На таких центрифугах можно осаждать очень мелкие частицы, остающиеся после разрушения микробных клеток.
По соседству, в специальной комнате, стоит ультрацентрифуга. Это громоздкое сооружение, величиной в три платяных шкафа, по форме напоминает ящик, поставленный на узкий бок (те центрифуги, о которых говорилось выше, имеют форму котла или цилиндра). Ультрацентрифуга может дать до 100 тысяч оборотов в минуту. Таких центрифуг пока выпускают немного.
На ультрацентрифуге частицы, в зависимости от их величины и плотности, откладываются очень четкими слоями. Каждый такой слой можно потом извлечь отдельно. Другими путями этого добиться трудно.
На полу между центрифугами стоят небольшие аппараты. Верхняя часть их раскачивается взад-вперед. Это шуттель-аппараты, их называют иногда качалками или трясучками. Если вам надо хорошенько размешать раствор, то это удобней сделать, поставив колбу в шуттель-ап-парат, чем трясти ее в руке.
Все это гудит и вибрирует. Центрифуги пронзительно визжат. Сотрудники, комнаты которых размещены рядом, говорят, что им не повезло...
Эксикатор,
Электронный микроскоп.
6
А кто хозяин всей этой техники? Ею ведает инженер, единственный человек с высшим техническим образованием среди микробиологов. Работы у него не меньше, чем на заводе. За одной ультрацентрифугой нужен глаз да глаз, электронный микроскоп тоже в его ведении.
Электронный микроскоп стоит в небольшой пристройке без окон, с задрапированной дверью. Никакого внешнего сходства с оптическим микроскопом он не имеет — с виду это толстая, выше человека колонна со множеством проводов и пультом управления внизу. В нижней части расположен экран. Около экрана — фотографирующее устройство. По принципу работы электронный микроскоп имеет с оптическим весьма отдаленное сходство. Вместо светового луча здесь используется пучок электронов, вместо стеклянных линз — сильные магниты, раздвигающие этот пучок. Сам объект наблюдения помещается на тончайшую пленку, нанесенную на металлическую сетку. Поток электронов, проходя через объект, попадает на экран. Там, где упали электроны, экран начинает светиться. «Непрозрачные» для электронов части объекта на экране выглядят темными.
Электронный микроскоп дает очень большое увеличение— более 100 тысяч раз (максимальное увеличение, которое дает оптический микроскоп 4—5 тысяч раз). Бактерии, которые под оптическим микроскопом кажутся изящными палочками, здесь выглядят как грубые поленья. С помощью электронного микроскопа у бактерий (и у клеток высших организмов) увидели такие детали, о которых раньше не имели представления. Эти детали, например строение жгутиков, зернистость протоплазмы, особенно хорошо можно разглядеть не на целых бактериях, а на их срезах.
Разрезать крохотную бактерию на несколько ломтиков?! Однако в той же комнате находится прибор для сверхтонких срезов — микротом или ультрамикротом,— прибор исключительной точности. Чтобы разрезать на нем бактерии, их сначала заливают в специальную, быстро застывающую смесь. Микротом режет кубик этой смеси на пластинки толщиной в 100—150 ангстремов (1 ангстрем равен одной десятимиллионной доле миллиметра). Значит, толщина среза — всего лишь одна стотысячная доля миллиметра! Таким образом, средняя по величине бактерия (две тысячных миллиметра) может быть разрезана на 200 ломтиков.
У ультрамикротомов не металлические, а стеклянные ножи. Такой нож делают очень просто — куски стекла осо
164
бого сорта подламывают и вставляют в держатель. Тончайшие грани излома и служат ножом. Правда, такие ножи быстро тупятся, и их приходится часто менять.
Иногда нужно сделать ту или иную деталь препарата более рельефной, искусственно увеличить ее. Для этого под вакуумом испаряют тончайшую металлическую проволоку, чаще всего из тяжелого металла, так, чтобы его частицы падали на препарат под определенным углом. Вы, наверное, замечали, какой большой сугроб снега иногда наметает в поле около маленького кустика? То же происходит и здесь. Металл непроницаем, непрозрачен для электронов, и изображение предметов, одетых металлической шапочкой, делается увеличенным, четким и объемным.
Электронный микроскоп, несмотря на все его достоинства, все же, видимо, никогда не заменит оптического. В нем пока что нельзя наблюдать живые объекты: методы приготовления препаратов исключают это; к тому же электроны убили бы на своем пути живую клетку (правда, сейчас ищут и как будто бы находят обходные пути решения этой проблемы). Кроме того, электронный микроскоп слишком громоздок, дорогостоящ и сложен в управлении. Это — прибор для хорошо оборудованной лаборатории, где есть
В 1911 году известный микробиолог Омелянский обнаружил в трупе найденного в Сибири мамонта жизнеспособных микробов. Ученый считал, что микробы сохранялись в туше косматого гиганта тысячелетиями. Помогла вечная мерзлота.
А совсем недавно в районе Южного полюса на дне три-дцатиметровой скважины американец Мейер обнаружил скопление микробов. Ледяной слой, где они находились, имеет весьма солидный возраст — до 3000 лет. Но когда этих «почтенных старцев» поместили в термостат с питательной средой, они ожили.
персонал с техническим образованием. Для повседневного труда врача или работника сельского хозяйства он пока непригоден, да и не нужен. Однако как средство для изучения тончайших структур клетки микробов и особенно для исследования вирусов он необходим.
«ПОЛЮСЫ» холода и тепла
А вот так называемая холодная комната. Это — не очень большое помещение, потолки и стены в котором оплетены охлаждающими его трубами. Там постоянно поддерживается температура, близкая к нулю.
Некоторые опыты нужно обязательно вести при низкой температуре. Иногда делают так называемые ледяные бани — наливают в жестяной тазик холодную воду и кладут в нее измельченный лед. В такую баню ставят штативы с пробирками и вообще любую посуду, которую нужно охладить. Такая баня может находиться и на столе обычной комнаты. Но в баню много не поставишь; к тому же
Петух,
Крыса (пасюк)
нужно то и дело добавлять свежий лед взамен растаявшего. Поэтому необходима холодная комната, в нее можно поставить те растворы и реактивы, которые не поместились в холодильниках.
Рядом с холодной комнатой — помещение прямо противоположного назначения — термальная. Зайдите сюда, только торопитесь поскорее все осмотреть: здесь трудно долго выдержать — постоянная температура в этой комнате +37°С. Стены обиты теплоизолирующим материалом, дверь закрывается наглухо, чтобы не выпускать тепло. Окон нет, с низкого потолка свешивается лампочка.
Собственно, это не комната в обычном смысле, а большой термостат. Здесь подолгу не работают, да в этом и
нет нужды. Комната превращена в гигантский инкубатор микробов. Вдоль стен протянулись решетчатые полки, на них бесконечные ряды штативов с пробирками и аккуратные столбики чашек Петри. Вот лежат так называемые матрацы — большие, плоские бутыли с питательной средой.
А это что? Штатив с куриными яйцами! Наверное, кто-нибудь в лаборатории работает с вирусами. Вирусы растут только на живых клетках. Один из способов их выращивания — заражение ими живых куриных зародышей.
В вирусологических учреждениях в термальных комнатах можно увидеть большие, медленно вращающиеся барабаны с множеством пробирок. Там выращивается культура ткани — живые клетки, взятые из ампутированных органов человека или только что умерщвленных лабораторных животных. Такие ткани могут культивироваться неограниченно долгое время, если их время от времени перевивать (пересаживать) на новые питательные среды и создавать около них непрерывный ток жидкости, который удаляет накапливающиеся около клеток продукты их жизнедеятельности.
Но вы, наверное, совсем задыхаетесь. Очень жарко! К тому же в термальной стоит неприятный запах от микробных культур. Обратите внимание: каждая культура пахнет по-своему. Там, где выращиваются микроскопические грибки, пахнет плесенью, сыростью. Сотрудники, работающие с ними, настолько пропитываются этим запахом,что
Овца.
можно с закрытыми глазами определить, из какой комнаты пришел человек. Микробы маслянокислого брожения издают запах прогорклого масла. Очень неприятно пахнут среды, на которых растет кишечная палочка — обитатель кишечника человека и животных. Есть, впрочем, микробы, издающие приятный запах грушевой эссенции.
Кролик.
микробиологическая кухня
Мы с вами обошли почти все комнаты, в которых идет научная работа. Осталось осмотреть подсобные помещения. У всех сотрудников на столах — масса чистой, блестящей стеклянной посуды. Где же ее моют? Зайдем на несколько минут в моечную.
В моечной стоят низкие столы-корытца, крытые оцинкованным железом. К ним подведена холодная и горячая вода. Здесь сильно пахнет фенолом — в раствор
Белая мышь.
Мартышка.
фенола обычно бросают пипетки, которыми насасывали взвесь микробов. Это делается для обеззараживания — фенол убивает микробов; после пребывания в нем посуду можно спокойно мыть без всякой опасности заразиться. Однако нет правил без исключения. Иногда микробы очень стойки к действию дезинфицирующих веществ и погибают медленно. Тогда загрязненную посуду лучше обеззаразить в автоклаве. Чтобы посмотреть, как это происходит, перейдем в автоклавную.
В автоклавной стерилизуют (то есть обеззараживают) грязную посуду-, перед тем как ее мыть, и вымытую, перед тем как выращивать в ней микробов. Здесь главное орудие производства — автоклавы и так называемые печи Пастера, или сушильные шкафы.
В автоклаве есть камера с толстыми стенками и массивной тяжелой крышкой, в эту камеру складывают посуду. Крышку завинчивают болтами. Теперь можно на
168
гревать до кипения воду, предварительно залитую в нижнюю часть автоклава. Образующийся пар под давлением в полторы-две атмосферы, нагретый до 120°, входит в камеру с посудой и убивает микроорганизмы и их споры. Через некоторое время прекращают нагревание, выпускают пар и вынимают посуду.
Другой аппарат для стерилизации — сушильный шкаф— меньше автоклава и проще в обращении. В сушильном шкафу — небольшом аппарате в виде ящика или цилиндра — после нагревания устанавливается температура в 160—180°С. Такая температура губительна для микробов. Здесь стерилизуют чаще всего чистую стеклянную посуду, которая потом пойдет для работы; в автоклавах же — загрязненную стеклянную посуду, которую потом
нужно мыть, различные растворы, бинты, вату, инструменты.
Существуют и другие пути стерилизации. О дробной стерилизации и пастеризации мы уже говорили во второй главе. Если раствор нельзя нагревать даже до 40°, то тут возможен такой выход: раствор пропускают через бактериальные фильтры, которые задержат микробов. Такие фильтры делают из вещества с определенным диаметром пор, например из целлюлозы. Можно фильтровать через сосуд из пористого фарфора (свеча Шамберлана, мы уже говорили о ней). В углу нашей автоклавной стоит такой прибор. Он очень прост: к стеклянной бутыли присоединен водоструйный насос. На горлышке бутыли устанавливают фильтр и воронку, в которую наливают жидкость. Насос откачивает воздух, жидкость с силой просачивается через фильтр, а микробы застревают в нем.
Хомяк.
Лягушка.
Хорек.
А как готовят питательные среды? Средоварня — помещение, похожее на кухню. В средоварне несколько газовых плит. На них постоянно стоят большие кипящие колбы и бутыли. Что находится в этих бутылях? Пожалуй, больше всего тут мясопептонного бульона. Многие микробы растут на нем очень хорошо.
Есть тут и среды, похожие на студень. Это — агар-агар, или просто агар. Он добывается из водорослей — ламинарий, растущих в Тихом океане,— из той самой морской капусты, которую так любят японцы и из которой и у нас стали делать консервы.
В расплавленный агар можно добавить любое вещество, хотя бы тот же самый мясопептонный бульон. Потом агар наливают в чашки Петри или в другую посуду.
Колонии некоторых микробов на агаре легко узнать с первого взгляда. Желтые и оранжевые бляшки — это колонии сарцин. Сарцины не вызывают заболеваний; размножаясь в почве и воде, они принимают участие в разложении органических веществ. Если будут сморщенные серые колонии — значит, выросли какие-нибудь спороносные палочки; могут вырасти и островки плесени или красивые ярко-красные, как кровь, колонии. Микроб, образующий их, так и называется палочкой чудесной крови, или просто чудесной палочкой.
Иногда такие пятна появлялись на хлебе и других продуктах. Для суеверных жителей средневековой Европы это было таким же зловещим предзнаменованием, как, скажем, появление кометы. Иной раз этим предзнаменованием пользовались как предлогом для избиений. Немало человеческой крови было пролито из-за этого безвредного, не вызывающего никаких заболеваний микроба.
В нашей лаборатории не выращивают очень больших количеств микробов, в лучшем случае засевают несколько литров бульона. Такое количество можно вырастить без всяких приспособлений. Но в тех институтах, где нужны килограммы микробной биомассы, дело поставлено на заводской уровень. В специальных цехах стоят огромные чаны с питательной средой (они называются английским
170
словом — тэнки). В них жидкость постоянно бурлит-------
через нее пропускают воздух для лучшего роста микробов. Чтобы на поверхности не накапливалась пена, в тэнки добавляются специальные вещества — пеногасители.
За выращиванием биомассы здесь следят опытные работники. У них много забот. Иногда клетки растут так бурно, что оболочка, не поспевая за ростом содержимого, растягивается, и бактерии лопаются. Или — что еще хуже— тэнки заражаются фагом...
Появление фага там, где выращивают микробов,— бедствие. Фаг может попасть из воздуха, с одежды сотрудников, откуда угодно, а избавиться от него очень трудно. Тэнки моют раствором фенола, среду тщательно стерилизуют, и все же нет гарантии, что после всех мер предосторожности оставшийся в каком-нибудь уголке фаг не начнет размножаться вновь. И мутная от множества микробов среда в тэнках вновь будет светлеть на глазах (ведь бактерии лопаются), а дезинфекцию придется начинать сначала.
виварий
Нам предстоит осмотреть еще одно помещение. Оно находится в отдельном крыле института или вообще в другом здании. Это помещение для подопытных животных — виварий.
Уже со двора слышно, как в виварии лают собаки,— наверное, в этом институте работают и физиологи. Микробиологи чаще имеют дело с морскими свинками, кроликами и белыми мышами.
Подвальный этаж вивария занят мешками с кормом. п	Здесь лежат капуста, морковь,
уЯЬ	сено, овес. Поднимаясь вверх
ЖГ ______ по лестнице, вы сразу почув-
ствуете характерный запах. Пожалуй, он больше всего по-’ ходит на запах цирка, только В	а	более резкий.
I 1	Вот и комнаты с живот-
Яш	Д В	1	ными. В железных клетках си-
Ш	Д>	1	дят морские свинки. Кто из
Д	микробиологов не работал с
flf	1 ними! Физиологи уже поста-
вили памятник собаке. Когда-
171
Спорынья — ядовитый грибок, паразитирующий на злаковых. Он может вызвать смертельное отравление, но вместе с тем это ценное лечебное средство. Где же взять спорынью в количестве, необходимом для медицинской промышленности, если посевы злаковых в настоящее время почти свободны от нее?
Советские микробиологи стали искать способ в искусственных условиях культивировать микроб, образующий спорынью. Экспедиции работали на Кавказе, в Сибири, Прибалтике, Белоруссии и в других районах страны. В конце концов был выделен микроб, который размножается на искусственных средах. Из него получают ценнейшие лекарства, применяемые при лечении гинекологических заболеваний.
нибудь этой чести дождется и морская свинка. Некоторые находят ее красивой; по мнению других, она уродлива. Морская свинка, величиной с маленького котенка, похожа на хомяка, с тупой мордочкой. Шерсть у свинок бывает самой различной окраски; пожалуй, чаще всего попадаются зверьки с рыжей шерстью.
Кто-то, не знавший ни немецкого языка, ни зоологии, перевел немецкое название «Meerschweinchen» как «свинья из моря». Студенты на первых занятиях по микробиологии всегда спрашивают, где водятся морские свинки. Морская свинка вполне сухопутное животное, и не свинка, а грызун. Родина ее —> Южная Америка. Индейцы держали этих зверьков как домашних животных. После завоевания Америки вместе с пряностями, диковинными плодами и пестрыми птицами их начали привозить в Европу. От слова заморская, наверное, и стали называть ее морской.
Морские свинки быстро размножаются, они неприхотливы, хорошо переносят содержание в клетках. Наконец, и это, пожалуй, самое важное, их можно заразить многими болезнями, которыми болеют люди.
Морские свинки сидят в своих клетках, на дне которых насыпан овес, лежит морковка и стоит блюдечко с водой. На наших глазах лаборант
вынимает одну, чтобы ввести ей под кожу какое-то вещество. Свинка почти не сопротивляется. Это — флегматичное животное, она почти никогда не обороняется, не кусается, хотя у нее, как и у всех грызунов, крепкие, острые зубы.
В другой комнате на стеллажах стоят клетки с белыми мышами. Часть животных сидит в больших стеклянных банках и жестяных коробках — биксах. Белые мыши — альбиносы: у них в организме отсутствует пигмент — вещество, окрашивающее шерсть и радужную оболочку глаз (присмотритесь — у всех белых мышей красные глаза). Альбиносы менее устойчивы к болезням, чем животные с нормальной окраской. Поэтому они наряду с морскими свинками обратили на себя внимание микробиологов.
Белые мыши, как лабораторная модель, изучены очень тщательно. Было замечено, например, что потомство определенной пары мышей особенно легко заражается тем или иным микробом. Таких мышей отбирают и разводят. В результате создаются чистопородные линии мышей, с которыми очень удобно работать.
В просторных клетках размещены кролики. Их нужно вынимать из клетки с особой сноровкой — когтями задних лап кролики могут нанести серьезные раны.
Входная дверь, несколько ступенек вниз, и вы попадаете в мир микроскопов. От малюток, всего в несколько сантиметров, до гиганта, штатив у которого длиной в добрый метр; от дедушек микроскопии, отпраздновавших уже не один столетний юбилей, до самых новейших конструкций. Свыше 500 различных микроскопов разместилось на полках шкафов. Есть экспонаты, владельцами которых были Бэр, Пирогов, Дубовицкий. Музей располагает уникальной коллекцией микропрепаратов (свыше 5 тысяч), в их числе есть изготовленные нашим знаменитым соотечественником Н. О. Ковалевским.
Основатель Музея истории микроскопии профессор С. Л. Соболь. Его коллекция, созданная в 20-е годы, и положила начало музею. Немало экспонатов подарили музею академики Вавилов, Комаров.
Директор музея В. И. Косо-бутский может рассказать посетителям много интересного. Адрес: Москва* Ленинский проспект, 86.
Кролики служат и как модель для воспроизведения некоторых заболеваний, и как доноры крови и сыворотки. Кровь у кроликов обычно берут из ушной вены, а иногда прямо из сердца.
В крупных институтах, занятых производством сывороток, в качестве лабораторных животных могут быть лошади и ослы. И это вполне понятно — у лошади можно взять во много раз больше крови, чем у кролика.
Уход за животными доставляет много хлопот. Самое страшное, что здесь может случиться — эпизоотия. Болезнь заносит чаще всего новая партия животных. Особенно часто болеют кролики. Когда заболевает население вивария, вместе с ним гибнут результаты так называемых хронических (долговременных) опытов, при которых за животными наблюдают в течение многих месяцев. Гибнут надежды на получение сывороток. Больных животных обычно умерщвляют, чтобы они не заразили здоровых.
•
Вот и закончился наш обход микробиологической лаборатории, да и книжке тоже конец. Можно подвести итоги и даже сделать кое-какие прогнозы на будущее — чего ждет человечество от микробиологии, что ждет микробиологию как науку.
Насчет той части медицинской микробиологии, которая занимается бактериальными болезнями — собственно бактериологии,— можно, пожалуй, сказать, что ее лучшие дни, когда она была ведущей наукой во всей медицине, уже позади. Этими лучшими днями были примерно полвека— последние десятилетия прошлого столетия и 10—20-е годы нашего. Это вовсе не значит, что медицинская бактериология отомрет; нет, все накопленные достижения останутся и будут совершенствоваться, без них невозможно представить теперь любую область медицины. Но нам кажется, что время открытий, меняющих целые разделы медицинской практики, для бактериологии уже в прошлом. С ней произойдет примерно то же, что с анатомией человека. Любой врач — да и не только врач — знает, какое внимание отводится анатомии на первых курсах медицинских институтов. Без досконального знания анатомии невозможна работа хирурга, кардиолога, окулиста и вообще любого лечащего врача. Однако все, наверное, согласятся с тем, что время великих открытий здесь миновало — строение человеческого тела известно во всех подробностях, все описано, измерено, названо...
174
Иное дело — медицинская вирусология. Она дала уже много для медицинской практики, но может дать еще больше. На совести вирусологии — группа заболеваний, которыми любой из нас болел и будет болеть чаще всего— грипп и пресловутые «острые катары верхних дыхательных путей», как пишут в больничных листах. Вирусология пока что не дала практике лекарств, специфически действующих на вирусы,— так, как действуют антибиотики и некоторые другие вещества на бактерий. Наконец, очень может статься, что самым большим достижением вирусологии за все время существования этой науки будет вклад в дело предупреждения и лечения рака и других опухолей.
В технической микробиологии будет идти постоянное соревнование между микроорганизмами, вырабатывающими те или иные полезные вещества, и химиками, которые стараются синтезировать эти вещества без помощи микробов. Искусственный синтез любого вещества, в конечном счете, способ более надежный, но, в особенности на первых порах, более дорогой. Поэтому развитие микробиологического производства аминокислот, витаминов и некоторых других веществ — вещь очень рентабельная. Нужно сказать, что здесь есть нечто общее с другой наукой, тоже развивающейся очень бурно, с бионикой. Там биофизики и инженеры стараются применить в технике те принципы, которые лежат в основе устройства нервной системы и органов зрения, слуха живых существ. Химики-органики в своей работе тоже часто копируют те схемы синтеза веществ, которые за многие миллионы лет отобрались, как самые надежные, в живой природе.
Мы говорим о прикладных областях микробиологии, и многие из них даже не упоминаем, так как рассказать о перспективах развития их всех здесь невозможно. Очень большой остается предстоящая роль микробов для «чистой науки» — самых общих генетических, биохимических, биофизических исследований. Вы уже знаете об этом — микробы стали здесь универсальной моделью. По-видимо-му, микроорганизмы когда-нибудь будут частично вытеснены отсюда объектами, имеющими более прямое отношение к этим отраслям, скажем, для генетики человека — культурой тканей человека. Но это произойдет еще не скоро — с той же культурой тканей работать несравненно труднее, и надо думать, что основные вопросы генетики и биохимии будут еще лет 10—12 решаться на бактериях и фагах.
175
Надо полагать, что если бы воскрес Левенгук, он был бы очень удивлен последствиями своих опытов с мельчайшими «зверюшками» из несвежей воды.
Дорогие читатели! Мы хотим не просто распрощаться с вами, а порекомендовать проделать несколько нехитрых опытов по микробиологии примерно с той же техникой, которой располагал Левенгук. Книга XVIII века, изданная одним из первых микроскопистов — нюрнбержцем Резе-лем фон Розенгофом,— носила милое неуклюжее название— «Утехи, доставляемые насекомыми» (насекомыми он называл и простейших, и червей, и рачков — все, что водилось в зацветшей воде городских рвов). Может быть, причудливый мир копошащихся в капле воды тварей доставит вам не меньше утех, чем основоположникам микробиологии. Поэтому не поленитесь заглянуть в приложение к нашей книжке.
ДОМАШНЯЯ ЛАБОРАТОРИЯ
В книге много рассказывалось о работе микробиологов, и мы вправе надеяться, что некоторые читатели сами захотят попробовать свои силы.
Что же можно порекомендовать в этом случае?
Разумеется, в домашних условиях варить питательные среды и выращивать на них микробов — дело весьма хлопотное и неудобное. Это скорее доступно школе, поэтому в домашних условиях будем ориентироваться главным образом на микроскопирование. А для этого, естественно, необходимо обзавестись микроскопом. Каким? На первых порах можно воспользоваться и детским микроскопом, который продается в магазинах детских игрушек.
В тех случаях, когда опыты предназначены для школьной хорошо оборудованной лаборатории, например такой, как нам пришлось видеть в Артеке, опыты будут помечены звездочкой. Ввиду того, что лабораторией обычно руководят сведущие в лабораторной технике учителя, мы не станем давать пояснений, как использовать питательные среды, применять те или иные краски и т. д.
Там, где мы говорим о питательных средах, мы имеем в виду, как правило, мясо-пептонный агар. Несколько приводимых здесь опытов требуют для постановки культуру определенных бактерий. Мы рекомендуем пользоваться так называемой «чудесной палочкой», но ее можно заменить и кишечной палочкой и любыми другими видами бактерий, неприхотливых к питательным средам. Культуры этих бактерий проще всего не выделять самим, а попросить на кафедре микробиохогии медицинского института или университета, если он есть в городе. Там же читатель, наверное, может получить дополнительные пояснения, как сеять бактерии на питательную среду, как их выращивать и т. д.
Итак, рассмотрим устройство микроскопа.
Штатив (/) — опора микроскопа. Винты (70) позволяют перемещать столик, а вместе со столиком и препарат в различных направлениях.
177
Микроскоп:
1 — Штатив, 2 — Тубусодержа-телъ. 3 — Микровинт, 4 — Кремальера. 5 — Окуляр, 6 — Тубус, 7 — Револьвер. 8 — Объектив. 9 — П редметный столик. 10 —Винты столика. 7 7 — Зеркало.
Зеркало (7 7) получает пучок лучей от любого источника света и направляет его на препарат. Одна сторона зеркала плоская. Ее используют при дневном освещении и при большом увеличении. Другую, вогнутую, сторону применяют при искусственном освещении или при малых увеличениях, работая при естественном свете.
Тубус (6) — в нижней части тубуса имеется специальное устройство револьвер (7). В револьвере закреплены различные объекты (8). У некоторых простых микроскопов вместо револьвера есть только специальная промежуточная втулка, в которую вставляют лишь один объектив. В верхней части тубуса помещаются окуляры (5). Тубус микроскопа подвижен: большие передвижения его осуществляются посредством винта — кремальеры (4), более точное передвижение тубуса— с помощью микровинта (3).
Итак, мы очень коротко познакомились с устройством микроскопа. Теперь несколько слов о работе с ним.
Микроскоп — сложный прибор и требует аккуратного обращения. После работы его нужно помещать в футляр или по крайней мере накрывать чехлом. Для работы нужно подобрать соответствующей высоты стол и стул. Не менее важно также выбрать место с хорошим освещением.
Прежде чем приступить к рассматриванию первого препарата, проверим, все ли у нас готово к работе, всем ли необходимым оснащена наша лаборатория.
Предметные стекла. Если не удалось купить предметные стекла в магазине учебных пособий, ю их можно изготовить самому: нарезать из тонкого стекла пластинки размером 76X25 мм. Края нарезанных стекол лучше отшлифовать наждаком.
Рекомендуется стекла хорошенько протереть в мыльной воде, затем сполоснуть водопроводной водой и высушить.
Покровные стекла — небольшого размера (15X15 мм) из очень тонкого стекла.
Предметные стекла с лункой также пригодятся для работы. Если
178
такое стекло достать не удалось, опять-таки можно прибегнуть к самодеятельности. Из хорошего картона вырезают квадратик размером с покровное стеклышко, в центре квадратика проделывают круглое отверстие. Квадратик кипятят, затем накладывают на по
кровное стекло, наносят каплю жидкости, которую нужно рассмотреть под микроскопом, и кладут покровное стекло каплей вниз на квадратик так, чтобы капля была в центре вырезанного отверстия. Такой препарат носит название «висячей капли».
Пробирки и штативы для пробирок вряд ли нуждаются в особой рекомендации.
Чашки Петри — плоские чашки, служат для выращивания колоний микроорганизмов.
Холодильник — если не будет возражений со стороны хозяйки, можно использовать уголочек полки в обычном холодильнике.
Обычная эмалированная кастрюля выделяется специально для кипячения в ней лабораторной посуды.
Стеклянные палочки, пинцеты, препаровальные иглы, глазные пипетки.
Краски. Для окрашивания бактерий можно использовать обычные фиолетовые чернила, предварительно разбавленные водой в отношении 1 : 2 или 1 : 5.
В микробиологии употребляются многие специальные краски: метиленовая синь, фуксин и др. Подробности об этих красителях можно получить в книгах по микробиологической технике, указанных нами ниже.
Кедровое или, на худой конец,
подсолнечное масло для рассматривания препаратов с помощью иммерсионного объектива.
Для начала потренируемся в микроскопировании. Возьмем клочок газетной бумаги, смочим его водой и положим на предметное стекло. Край бумаги должен лежать против объектива микроскопа. Теперь поймаем свет. Для этого нужно вращать зеркальце до тех пор, пока бумага на стекле не будет освещена. Вначале можно это делать, глядя на бумагу не в микроскоп, а «сбоку». Когда свет будет «пойман», поглядите в окуляр— поле зрения должно быть равномерно освещено. Поправьте зеркальце и начните осторожно
Это вам понадобится при микроскопировании:
7.— Предметное стекло. 2.— Предметное стекло с лункой.
3.— Покровное стекло. 4.— Стеклянная палочка. 5. — Препаровальная игла. 6 — Пинцет.
смещать тубус. Старайтесь определить точность наводки по тому, насколько резко и четко видны отдельные волоконца на краю бумаги.
Но прежде чем приступить к рассмотрению, учтите несколько предварительных замечаний: пружинки микроскопа, предназначенные для удержания стекла, слишком тугие. Они станут слабее, если их приподнять и опустить. Свет в микроскопе может быть очень резким, тогда либо переверните зеркало плоской стороной, либо подвиньте источник света. Вначале поставьте малое, а лишь затем большое увеличение. Не увлекайтесь большим увеличением — многие объекты гораздо удобнее рассматривать под малым.
В магазине учебных и наглядных пособий можно приобрести набор микропрепаратов, к рассмотрению которых затем можно перейти.
В поле зрения микроскопа нередко случайно попадают частицы, которые не имеют отношения к рассматриваемому предмету: раз
Детский микроскоп»
личные волокна, пузырьки воздуха, царапины и на стекле. Полезно заранее познакомиться с помехами. Поместим на предметное стекло несколько волоконец ваты и капнем на них из пипеток одну-две капли воды. Рассмотрим под малым увеличением. Мы увидим волокна ваты и застрявшие в них пузырьки воздуха. Интересно сравнить, как выглядят под микроскопом другие волокна (капрон, шерсть и т. п.).
Итак, вся необходимая аппаратура налицо, можно приступать к опытам.
Микроскопирование простейших
Начнем с того, с чего в свое время начал Левенгук, — с исследования загнившей воды. Наше оборудование в этом опыте также будет почти таким, как в свое время у Левенгука.
Для опыта необходимо: 1. Микроскоп. 2. Предметное стекло (луч-
ше с лункой). 3. Вода, содержащая простейших.
Нужно найти воду, богатую простейшими. Летом это может быть вода из болота, стоячего пруда, бочки, вода из-под давно стоявшего букета цветов; зимой — вода из давно не чищенного аквариума. Вода должна быть несвежей, она может даже пахнуть. Берут каплю такой воды вместе с веточкой водоросли, стебельками растения или листочком ряски и смотрят под малым увеличением. Обычно видны разнообразные простейшие: как свободно живущие (туфельки, амебы), так и прикрепленные к водоросли (сувойки). Кроме простейших, в
Посторонние предметы под микроскопом:
1 —Волокна ваты. 2 — Царапины на предметном стекле. 3.— Волос. 4 — Пузырьки воздуха.
(циклопы,
воде могут быть мелкие черви и ракообразные
дафнии). Их можно узнать по скачкообразным движениям и срав-
нительно большой величине. Бактерии, хотя они и всегда присутствуют в загнившей воде, под малым увеличением видны не будут. Рассматривая этот препарат, можно потренироваться в наведении микроскопа на движущиеся объекты, плавающие на разной глубине (то есть научиться быстро фокусировать микроскоп).
Выращивание инфузорий
Для опыта необходимо: 1. Пробирка с ватными пробками. 2. Сырое молоко. 3. Вода, содержащая инфузорий. 4. Микроскоп. 5. Предметное стекло.
В щробирку наливают 10—15 мл воды любого происхождения и 1—2 капли молока. Затем добавляют 8—10 капель воды, содержащей инфузорий (см. предыдущий опыт). Пробирку оставляют на 5—7 дней при комнатной температуре. За это время в ней обычно размножаются инфузории, которые питаются бактериями; питательной средой для последних служит добавленное молоко. Каплю воды из пробирки помещают на стекло и рассматривают при малом увеличении микроскопа. Обычно бывают видны подвижные инфузории, чаще всего туфельки.
Молочный раствор можно заменить сенным настоем (см. ниже).
181
Поглощение туфельками частиц туши.
Поглощение туфельками частиц туши
Для опыта необходимо: 1. Культура инфузорий-туфелек. 2. Тушь. 3. Предметное стекло. 4. Пробирка. 5. Микроскоп.
Растирают сухую тушь в воде и добавляют каплю ее в пробирку с 1—2 мл среды, содержащей туфелек. Если нет сухой туши, можно взять жидкую, в бутылках. Через 20—30 минут берут из пробирки 1—2 капли и микроскопируют при малом увеличении. В поле зрения везде видны мельчайшие частицы туши. Раздвигая их, плавают туфельки, в прозрачном теле которых будут четко видны темные шарики — пищеварительные вакуоли, полные частиц туши.
Тушь можно добавить также и к культурам сувоек или трубачей, если их вам удастся развести. Тогда будет видно, как инфузории пропускают сквозь себя поток воды с частицами туши, создавая маленькие вихри и водовороты.
Туфельки, убитые йодом; видны реснички.
Обнаружение ресничек
Для опыта необходимо: 1. Культура инфузорий-туфелек. 2. Йодная настойка. 3. Предметное и покровное стекла. 4. Микроскоп, дающий большое увеличение (около 800 раз).
К 2—3 каплям культуры с туфельками добавляют маленькую каплю йодной настойки. Затем препарат покрывают покровным стеклом, удаляют фильтровальной бумагой жидкость, выступившую из-под покровного стекла, и микроскопируют, сначала при малом, а потом при большом увеличении. Видны темно-бурые мертвые туфельки с каймой ресничек по бокам. У живых туфелек эти реснички незаметны.
182
Аквариум с инфузориями
Этот опыт может занять у вас несколько месяцев, если вам понравится микроскопировать простейших. Это даже не опыт, а маленькое научное исследование.
Для опыта необходимо: 1. Две поллитровые банки. 2. Вода с простейшими. 3. Предметные стекла. 4. Микроскоп.
Наберите в обе банки воды, богатой простейшими, и, пользуясь одним из руководств, приведенных в конце этой главы, постарайтесь определить, какие именно виды содержатся в воде и какие из них самые многочисленные. Из руководств лучше всего взять книжку А. Я. Цингера.
Затем поставьте одну банку на окно, на свет, а другую — в темноту. Через каждые два дня наблюдайте под микроскопом население банок и отмечайте, каких видов стало больше, а какие исчезли совсем. Обращайте внимание на ту разницу в составе простейших, которая появится между обеими банками. Как вы думаете, чем будет вызвана эта разница?
Теперь перейдем к бактериям. Для ознакомления с ними лучше всего начать с микроскопирования зубного налета. Не забудьте, чго тут нужны большие увеличения, чем при работе с простейшими.
Микроскопирование зубного налета
Для опыта необходимо: 1. Микроскоп. 2. Предметное и покровное стекла. 3. Чистая спичка или зубочистка. 4. Масло для рассматривания с иммерсионным объективом. 5. Вода. 6. Игла.
Ход опыта.
На предметное стекло наносят каплю чистой воды. Затем спичкой берут немного зубного налета у самых десен и смешивают его иглой с каплей воды. Накрывают покровным стеклышком и рассматривают сначала под средним увеличением, а затем с иммерсионным объективом.
Очень интересно рассмотреть зубной налет в висячей капле.
Что же мы увидим при рассматривании? Микробов самой разнообразной формы: вот палочки, кокки, спириллы некоторые неподвижны, а другие очень подвижны, а вот эти непонятные глыбы не что иное, как остатки пищи. Словно ажурные коврики, лежат клегки слизистой оболочки полости рта.
Если кто-нибудь устрашится такого множества микробов в его собственном рту, то ему следует пояснить, что, как правило, обитатели рта не относятся к болезнетворным микробам. Однако неплохо, если этих «жильцов» будет поменьше.
Сыну или дочери, нерадиво чистившим зубы и увидевшим микробов под микроскопом, самое подходящее время преподать правила чистки зубов.
Ш
Выращивание бактерий
Для опыта необходимо: 1. Сено. 2. Кастрюлька. 3. Стакан. 4. Вата. 5. Воронка. 6. Стеклянная пластинка. 7. Микроскоп. 8. Предметные и покровные стекла.
В природе широко распространена так называемая сенная палочка. Возьмите сено, поместите его в кастрюльку с водой и прокипятите в течение 20—30 минут. Полученный настой надо перелить в стакан или банку через ватный фильтр. Теперь закройте стакан стеклянной пластинкой и поставьте в теплое место. Через несколько дней жидкость помутнеет, а затем покроется белой пленкой. Это и будет культура
Дрожжи.
сенной палочки. Можно приступить к микроскопированию (обязательно с иммерсионным объективом). Кроме инфузорий, вы увидите очень подвижных бактерий, так и кишащих в поле зрения. Они имеют палочковидную форму.
Получение спор
Необходимо то же, что и в предыдущем опыте, а также раствор краски метиленовая синька.
Ход опыта.
К нарезанным ножницами 10 г сена прибавляют 100 мл воды и кипятят в течение 20—30 минут. Затем сосуд выдерживают, в течение 3—4 суток при температуре 25—30°.
На поверхности жидкости образуется бактериальная пленка сенной палочки. Петлей или стеклянной палочкой переносят частичку пленки с жидкостью на предметное стекло, сверху кладут покровное и микроскопируют. Если под покровное стеклышко добавить каплю метиленовой синьки, то на голубом фоне бактерии будут видны гораздо лучше. Некоторые из них подвижны, а у неподвижных видны внутри блестящие овальные образования. Это и есть споры.
Размножение и старение дрожжей
Поставим серию опытов с дрожжами. Их можно купить в магазине.
Для опыта необходимо: 1. Пробирка с водой. 2. 2—3 г сахара. 3. Микроскоп. 4. Прессованные дрожжи. 5. Предметные и покровные стекла.
184
Ход опыта.
Берут немного (на кончике ножа) прессованных дрожжей и засевают в пробирку с 10 мл воды и 2—3 г сахара. Оставляют их на ночь при температуре 23—25°, закрыв бумагой. На следующий день жидкость помутнеет, начнут выделяться пузырьки углекислого газа. Под микроскопом видно так называемое почкование: в разных местах клетки появляются выросты — почки, которые дают начало новым дрожжевым клеткам. Если набраться терпения, то- можно увидеть, как произойдет отделение дочерней клетки от материнской. При благоприятных условиях процесс почкования длится два часа. Наряду с почкованием дрожжи могут размножаться и путем деления. При делении внутри клеток образуется поперечная перегородка. По этой перегородке и произойдет деление.
Через 2—3 суток сахар весь израсходуется, и размножение полностью прекратится; значительная часть дрожжей осядет на дно. Теперь всю жидкость из сосуда осторожно сливают. На дне остается светло-серый осадок, состоящий из дрожжевых клеток. Видно, что дрожжи размножились: осадка больше, чем было внесено при засеве.
Спутники картофеля
Есть микробы — спутники определенных растений. Например, у картофеля есть так называемая картофельная палочка. Попробуем ее обнаружить.
Для опыта необходимо: 1. Картофель. 2. Мел. 3. Чашки Петри. 4. Термостат. 5. Предметные и покровные стекла.
Ход опыта.
Промывают клубни картофеля, не очищая от кожуры, нарезают ломтями, их поверхность натирают мелом и помещают в чашку Петри. Затем чашку ставят в термостат с температурой 27—30°. Через 2—3 суток на поверхности картофеля образуется плотная морщинистая пленка — скопление бактерий. Эту пленку можно растереть в капле воды и микроскопировать. Длина каждой палочки 4—5 микронов. Они подвижны, обладают жгутиками и могут образовывать споры.
Солнце и микробы
С самого раннего детства нам известна формула: «Солнце, воздух и вода — наши лучшие друзья».
Оставим на время воздух и воду и обратимся к солнцу. Посмотрим, каковы у него взаимоотношения с микробами (бактериями). Поставим опыт, повволяющий определить бактерицидное действие солнечного света.
Для опыта необходимо: 1. Чашка Петри с тонким слоем питательной среды. 2. Буквы, вырезанные из черной бумаги. 3. Термостат. 4. Культура «чудесной палочки»,
185
Бактерицидное действие солнечных лучей.
буквами, на нем резко выступила
Поверхность чашки Петри с тонким слоем питательной среды — мясо-пептонного агара — засеем культурой «чудесной палочки». На дно чашки с внешней стороны наклеивают черные бумажные буквы, образующие какое-нибудь слово. Затем чашку поворачивают дном вверх и оставляют под прямыми солнечными лучами на 2— 27г часа. Потом ее закрывают крышкой и кладут в термостат. Впрочем, если нет термостата, то чашку можно оставить в комнате. Через несколько дней видно, что в том месте, где агар был затемнен надпись. Колонии бактерий вырос-
ли лишь в этих местах; на других частях питательной среды роста нет. Вот и весь опыт. Теперь сделаем вывод: долой с окон тяжелые занавески. Пусть в комнате будет больше солнечных лучей.
О воде, пригодной для питья
После пешего перехода в жаркий день приятно вдруг оказаться около реки, весело бегущей среди зеленых берегов! Как тут не напиться!
А что, если там много микробов? Давайте рассуждать не теоретически, а практически. Проведем опыт с этой водой, и ответ будет ясным.
Для опыта необходимо: 1. Две чашки Петри с питательной средой. 2. Четыре стаканчика. 3. Воронка. 4. Фильтровальная бумага. 5. Вата. 6. Чистый песок. 7. Мутная вода из реки или лужи.
Ход опыта.
Мутную воду фильтруют через воронку с бумажным фильтром. Профильтрованная вода будет чистой. Можно обойтись и без бумажного фильтра: положить в воронку кусочки ватки и насыпать сверху чистого песку. Но полученная вода — чистая только на вид.
Если произвести посев 0,2—0,5 мл этой воды на чашку Петри (№ 1) с мясо-пептонным агаром, то вырастут колонии микрофлоры. Контролем послужит другая чашка Петри (№ 2), где посеяли ту же профильтрованную воду, но предварительно еще и прокиНяченную. В контрольной чашке, возможно, будут лишь отдельные колонии; скорее всего, их не будет вовсе.
186
Опыт можно видоизменить. Например, для эксперимента взять воду из самых разных мест: из речки, колодца, болота, лужи, а в контроль ту же воду, только прокипяченную.
Потом можно будет определить, в какой воде больше микробов.
Действие фитонцидов на простейших
В растениях содержатся фитонциды — вещества, обладающие свойством убивать простейших, бактерий и некоторые другие организмы. Фитонциды обеспечивают иммунитет растений к заразным заболеваниям.
Для опыта необходимо: 1. Микроскоп. 2. Банка с широким горлом. 3. Стеклянный цилиндр. 4. Предметные и покровные стекла. 5. Пипетка. 6. Острый перочинный нож (или скальпель). 7. Металлическая сетка. 8. Культура инфузорий. 9. Листья черемухи.
Ход опыта.
Готовят два микропрепарата: переносят из сенного настоя (приготовление см. выше) по капле жидкости, содержащей инфузории, на два предметных стекла. Наблюдают под микроскопом движение инфузорий.
Далее одно предметное стекло (№ 1) кладут на чистый лист бумаги, быстро нарезают листья черемухи и размещают их на расстоянии 2—3 мм от микропрепарата. Покрывают микропрепарат и нарезанные листья стеклянным колпаком, банкой или стаканом (плотно прижать края сосуда к бумаге).
Контролем служит препарат на другом стекле (№ 2), без листьев.
Через 15—25 минут снова просматривают оба препарата под микроскопом. Наблюдают разницу в состоянии инфузорий обоих препаратов. На предметном стекле № 1 инфузории неподвижны, на предметном стекле № 2 ведут себя по-прежнему. Листья черемухи можно заменить хвоей сосны.
Этот опыт можно изменить следующим образом. На дно банки с широким горлом кладут мелко нарезанные листья черемухи. Сверху на сетке укрепляют предметные стекла с культурой инфузорий. Периодически (через 3—5 минут) просматривают микропрепараты и отмечают изменения в поведении инфузорий.
Теперь проследим, как действуют на инфузорий фитонциды чеснока или лука.
Для опыта необходимо: 1. Микроскоп. 2. Предметные стекла. 3. Пипетка. 4. Сенной отвар с инфузориями. 5. Свежая (лучше чуть проросшая) головка чеснока или лука. 6. Терка.
Ход опыта.
При помощи пипетки нанести каплю сенного отвара на предметное стекло и рассмотреть под микроскопом. Наблюдают движение инфузорий.
187
Распространение микробов при разговоре, кашле и чихании.
Готовят кашицу из луковицы чеснока или лука.
Быстро кладут каплю кашицы на предметное стекло, рядом с каплей отвара, но так, чтобы отвар и луковая кашица не соприкасались. Постепенно все инфузории погибают под действием фитонцидов.
У этого опыта может быть много вариантов.
Интересно сравнить силу фитонцидов совершенно различных растений: лука и арбуза, груши и огурцов, березы и можжевельника.
Эти опыты рассчитаны на работу с детским микроскопом. Но если
у вас есть более сильный, то в качестве объекта можно использовать не только простейших, но и бактерий.
Действие фитонцидов на бактерии
Для опыта необходимо: 1. Микроскоп. 2. Предметное стекло. Покровное стекло. 4. Чистая спичка. 5. Кашица из чеснока.
На предметное стекло наносят каплю чистой воды, затем спичкой берут немного налета с зубов, смешивают с каплей воды, накрывают покровным стеклом и рассматривают сначала при среднем увеличении, а затем с помощью иммерсионного объектива. В препарате видны различные бактерии, в том числе и подвижные.
Если нанести рядом с покровным стеклом кашицу чеснока таким образом, чтобы она постепенно затекала под стекло, то можно видеть, как на границе обеих жидкостей бактерии сразу утрачивают подвижность.
Уборка помещения
Для опыта необходимо: 1. Пять чашек с мясо-пептонным агаром. 2. Термостат. 3. Веник сухой. 4. Щетка сухая. 5. Веник, смоченный водой. 6. Щетка, обернутая влажной тряпкой. 7. Карандаш для стекла.
Ход опыта.
Опыт ставится в двух комнатах (классах) и коридорах школы.
Чашка № 1 открывается в комнате (классе), где подмели сухим веником; чашка № 2 — в комнате, где мели мокрым веником; чашка № 3 — в коридоре, где уборка производилась сухой щеткой, а чашка № 4 — в коридоре, где уборка производилась влажной тряпкой. Чашки следует открывать на 5—7 минут. Чашка № 5 не открывается и служит для контроля. Все пять чашек затем помещаются на 1—2 дня в термостат. По прошествии этого срока сравнивают количество колоний, выросших в разнык чашках (в контрольной чашке колонии не вырастут).
188
Если читатель — учитель
Если наша книжка попадет педагогу-биологу, который, соблазнившись простотой и познавательностью работы с микроорганизмами, решит организовать кружок юных микробиологов, то многие опыты, позволяющие обнаружить микроорганизмы в помещении, как нельзя лучше подходят для этой аудитории.
Очень интересные результаты могут получиться, если провести
сравнительное исследование в лесу или парке, сквере, на улице, в помещении и т. п. Опыт заключается в том, что чашку Петри с питательной средой открывают на 10 минут, причем крышку чашки держат краями вниз; затем чашку закрывают и ставят в теплое
место, а лучше в термостат.
Результаты опыта можно видеть через 2—3 дня. На поверхности питательной среды появляются колонии микроорганизмов самых различных расцветок: и розовые, и кремовые, и коричневые, и белые.
Количество колоний в чашке ориентировочно дает возможность узнать степень зараженности бактериями каждого кубометра воздуха. Для подсчета используйте такие данные: за 10 минут в чашке Петри оседают микробы из 10 кубометров воздуха.
В Артековском кружке юных микробиологов получилось следующее: до занятий в классной комнате при влажной уборке в 1 кубометре воздуха оказалось 200 бактерий. К концу занятий это количество повышалось до 2—4 тысяч в хорошо проветриваемом классе,
где выходили на перемену, и до 6— 9 тысяч, где эти условия не соблюдались.
В небольшом коридоре, во время перемены, количество бактерий в 1 кубометре воздуха доходило до 15 тысяч.
Хорошо ли вы моете руки
Этот опыт также относится к
серии опытов, рекомендуемых для кружка юных микробиологов.
Для опыта необходимо: 1. Две чашки Петри с мясо-пептонным агаром. 2. Восковой карандаш. 3. Мыло и щетки.
Ход опыта.
Муха походила по чашке Петри, Чашку поместили в термостат, Там, где прошла муха, выросли колонии микробов, К этому можно добавить, что на лапках и брюшке мухи могут находиться возбудители брюшного тифа, дизентерии и других болезней.
189
Одному испытуемому предлагают грязными руками дотронуться до агара чашки Петри. Чашка быстро закрывается. Затем руки тщательно моются с мылом и щеткой. Рука вновь прикладывается к к чашке Петри. На чашках делают соответствующие надписи. Чашки помещают в термостат. Через 1—2 дня чашки достают из термостата и смотрят результаты.
Распространение микробов при разговоре, кашле и чихании
Для опыта необходимо: 1. 12 чашек Петри с мясо-пептонным агаром. 2. Термостат. 3. Культура «чудесной палочки». 4. Стакан воды. 5. Длинный стол.
На длинном столе расставляют четыре закрытые чашки Петри, каждая на расстоянии в полметра друг от друга. Экспериментатор находится в полуметре от первой чашки.
Осторожно снимают с питательной среды скопления микробов (колонии микробов имеют вид красных капель) и размешивают в стакане с водой. Экспериментатор полощет рот водой с культурой «чудесной палочки». Следует заметить, что эта бактерия совершенно безвредна для человека.
После этого открывают чашки Петри; экспериментатор кашляет несколько раз по направлению этих чашек, закрывают их, ставят в термостат. На следующий день во всех чашках (даже расположенной в трех метрах от кашляющего) обнаруживают различное количество колоний «чудесной палочки».
Подобным же образом можно проследить и дальность распространения брызг при разговоре и чихании. (Вот почему для опыта требуется 12 чашек Петри).
Простая, но надежная мера
Для проведения этого опыта необходим кусок марли.
Расставим чашки, но не четыре, а три, на том же расстоянии, как в предыдущем опыте. Повторяют тот же опыт, но при кашле закрывают рот тыльной стороной руки. Во второй раз надевают повязку из марли в один слой, потом в три слоя и, наконец, в пять слоев.
Сравнивают полученные результаты с тем, что получилось в предыдущем опыте, который выполнял роль контрольного.
ЧТО ПРОЧИТАТЬ В ДОПОЛНЕНИЕ К ГЛАВАМ
к 1-ой главе
Поль де Крайф (Поль де Крюи). Охотники за микробами. «Молодая гвардия», 1957 (есть и другие издания); С. А. Блинкин. Люди большого мужества. Медгиз, 1963.
к 2-ой главе
А. П. П е х о в. В глубь невидимого мира. «Знание», М., 1952; Н. И. Рыбаков. Микробы и космос. «Знание», 1962; Г. Ф. Г а у-з е, Л. К. Лозин о-Л озинский. Г раницы жизни. «Знание», 1962. И. А. Кассирский. Искатели новых антимикробных лекарств. «Медицина», М., 1966; Н. Лысогоров. Когда отступает фантастика. «Молодая гвардия», М., 1964; Р. П о д о л ь н ы й. Невидимые творцы. Географиздат, М., 1963.
к 3-й главе
К. Смит. Вирусы. ИЛ, М., 1963; У Стэнли, Э. Вэленс. Вирусы и природа жизни. ИЛ, М., 1963; А. С. Кривисский. Вирусы против микробов. Медгиз, М., 1962; Ф. И. Ершов. Проблема «вирус — клетка». «Знание», М., 1963; М. Д. Крылова. Спутники невидимых. «Знание», М, 1963; В. И. Товарницкий. На границе жизни. «Советская Россия», М., 1961.
к 4-ой главе
Ш. Ауэрбах. Генетика в атомном веке. Атомиздат, 1959; Ш. Ауэрбах. Генетика. Атомиздат, 1966. Н. Лучник. Почему я похож на своего папу. «Молодая гвардия», М., 1966.
к 5-ой главе
X. С у и т м е н. Биологический метод борьбы с вредными насекомыми и сорными растениями. «Колос», М., 1964; И. 3 а я н ч к о в-с к и й. Враги наших врагов*—«Молодая гвардия», М., 1966.
К приложению
При составлении нашей «домашней лаборатории» мы использовали несколько работ: И. В. Козырь. Школьный микроскоп. Изд. Академии педагогических наук РСФСР, М., 1954; Я. А. Цингер. Простейшие. Учпедгиз. М., 1947; Г. Л. Селибер. Р. С. Кацнельсон, И. С. Скалой. Г. А. Катанская. Микробиология в опытах. Изд. Академии педагогических наук РСФСР. М., 1953; Н. А. Черемиси-нов, Л. И. Боева. О. А. Семихатова. Практикум по микробиологии. «Высшая школа». М., 1961 и др.
оглавление
Вместо предисловия............... 3
Глава 1. Оглянемся назад ....	5
Глава 2. Большие и маленькие .	.	38
Глава 3. Существо или вещество?	.	66
Глава 4. Отцы и дети . . . . .	.	112
Глава 5. Биологическая борьба и биологическая война , . . 141
Глава 6. У наследников Левенгука . 159
Домашняя лаборатория . 177
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Редактор Е. А. Ильинская
Художественный редактор Т. И. Добровольнова
Технический редактор А. С. Ковалевская
Корректор В. И. Казакова
А01236. Сдано в набор 30/1-1967 г. Подписано к печати 10/V-1967 г. Формат бумаги 84X108/32. Бумага типографская № 3. Бум. л. 3,0- Печ л. 6,0. Условн. печ. л. 10,08. Уч.-изд. л. 10,06. Тираж 100 000 экз. Заказ 130. Цена 31 коп..
Издательство «Знание». Москва, Центр. Новая пл., д. 3/4.
Книжная фабрика № 1 Росглавполиграфпрома! Комитета по печати при Совете
Министров РСФСР, г. Электросталь Московской области, Школьная, 259