Каково же было удивление учёных, когда они обнаружили, что в этом аду прекрасно чувствуют себя микроорганизмы, научившиеся в отсутствие света извлекать энергию из химических связей тех соединений, которые выбрасывали «курильщики». Они легли в основу пищевой пирамиды, и вокруг «курильщиков» сформировались настоящие оазисы жизни из моллюсков и рыб, никогда не видевших солнечного света.
Микроорганизмы, способные выживать и размножаться при очень высоких или очень низких показателях температуры, давления, в агрессивной химической среде или других крайне неблагоприятных условиях, называют экстремофильными. Их изучение помогает узнавать пределы приспособляемости жизни. А гены этих «экстремалов» и кодируемая ими биохимия, возможно, помогут не только в будущем земным колонистам осваивать далёкие планеты, но уже сейчас лечить некоторые заболевания.
Учитывая всё вышеприведённое, можно сказать, что в отечественной микробиологии микроорганизмы это искусственно выделенная разнородная группа объектов микромира (живых организмов и сложных органических молекул), объединенных микроскопическими размерами, относительной простотой устройства и повсеместным распространением в биосфере.
Микробиология же изучает их строение, функционирование, происходящие в них биохимические процессы, размножение и передачу наследственного материала из поколения в поколение, условия обитания и, наконец, изменение с течением времени (эволюцию).
Однако сразу необходимо сказать, что почти никогда микробиология не исследует свой объект микроорганизмов как «самих по себе». В гораздо большей степени её интересуют их связь друг с другом и влияние на макромир (мир, который мы ощущаем непосредственно с помощью органов чувств, в первую очередь зрения). Особенно это важно для медицинской микробиологии, рассматривающей взаимодействие микроорганизмов, в том числе патогенных, с организмом человека.
Поэтому можно ввести такое определение: микробиология это наука о микроорганизмах, изучающая закономерности их жизни и развития, а также изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе.
Для того, чтобы упорядоченно заниматься изучением всего перечисленного, в микробиологии выделяют ряд разделов. Во-первых, микробиологи предпочитают глубоко заниматься только какой-то одной группой микробов, в крайнем случае несколькими смежными. Поэтому среди них есть бактериологи, вирусологи, протозоологи. Микология это наука о вообще всех грибах, но некоторые микологи предпочитают заниматься только микроскопическими их видами, например, дрожжами. Так же, как и некоторые альгологи (вы ведь ещё не забыли, что это учёные, занимающиеся водорослями?). И микробиологи с удовольствием принимают их в свою «компанию».
Кроме того, разделы микробиологии выделяют ещё и по прикладному их значению: по той области хозяйственной деятельности, конкретные задачи которой призвана решать микробиология, или по тому объекту интересов человека, где требуется знание микробиологических аспектов. Это уже упомянутая медицинская микробиология, а также санитарная, ветеринарная, промышленная, почвенная, морская и даже космическая микробиология, изучающая вопросы возможного распространения микробов с естественными (кометы, метеориты) и искусственными (спутники, межпланетные станции) космическими телами, а также решающая проблемы микробного загрязнения на орбитальных станциях. Сюда же входит биотехнология наука, разрабатывающая способы получения нужных человеку веществ при помощи живых организмов (чаще всего именно микроскопических).
Хотя на самом деле классификации разрабатывают скорее для удобства и наглядности, и абсолютно всё в их рамки не уложить. Теми же прионами из-за их необычности микробиологи вынуждены заниматься совместно с биохимиками и другими учёными первыми белковую природу этого патогена предположили вообще радиобиолог и биофизик. Впрочем, даже самые первые и самые «микробиологи из микробиологов» Луи Пастер (чьё имя сейчас носит французский институт микробиологии, и одно только перечисление заслуг и открытий которого займёт целую страницу) и Роберт Кох (первооткрыватель возбудителя туберкулёза и во многом основоположник бактериологии) внесли фундаментальный вклад в эту науку, микробиологами в нынешнем понимании слова не являясь! Первый был по образованию, как бы это сейчас сказали, «технологом пищевой промышленности», а второй, тоже в современных терминах, санитарным врачом. Это лишний раз доказывает условность всех классификаций и то, что крупные открытия всегда совершаются людьми широкого кругозора и на стыке наук.
Например, микробиология чрезвычайно тесно связана со множеством наук и сфер деятельности человека: не только с фундаментальными химией и биологией, но также с генетикой, фармакологией, клинической медициной, химической и пищевой промышленностью, обеззараживанием сточных вод и даже производством материалов для электроники.
Ну а медицинская микробиология идёт рука об руку с иммунологией. Их попросту сложно рассматривать отдельно друг от друга.
Иммунитет, изучением которого занимается иммунология как наука, это способ защиты организма от антигенов экзогенного (внешнего) и эндогенного (внутреннего) происхождения, направленный на поддержание и сохранение гомеостаза, структурной и функциональной целостности организма, биологической индивидуальности каждого организма и, как следствие, вида в целом.
Сейчас это определение кажется слишком сложным, но по мере чтения книги вы разберётесь в терминах и поймёте, что иммунитет оберегает организм от опасностей внешних (микробы, инородные тела) и внутренних (опухолевые, отмершие и повреждённые клетки). Таким способом он поддерживает постоянство внутренней среды организма (гомеостаз), оберегает от повреждений его геном, что в конечном счете позволяет живому существу выжить и передать свои гены потомкам.
Ну а в заключение этой главы я хочу обратить внимание вот на что, уважаемый читатель. Классификации и определения очень важны, они настоящие навигационные карты и маяки в мире микробиологии (да и любой другой науки) и том безграничном «микрокосмосе», который она изучает. Но чтобы по-настоящему понимать, и главное, любить микробиологию, так важно за строгими терминами и сложными взаимосвязями не терять живую и невероятно интересную связь науки с нашей каждодневной окружающей жизнью. В самом деле: ведь без микроскопических помощников-дрожжей у нас не было бы вкусного хлеба, а без плесени он бы не портился, но зато мы не получили бы из неё первые антибиотики. А если бы Александр Македонский не умер в возрасте 32 лет от инфекции (за давностью лет мы точно не знаем, какой именно, но по известным симптомам выбор лежит между брюшным тифом, малярией и лихорадкой Западного Нила), то вся история человечества могла пойти по совсем другому пути.
Глава 2. Мы были, есть и будем есть!
2.1. Экология микроорганизмов
Итак, мы бегло ознакомились с микроорганизмами и узнали, как тесно, оказывается, мы сосуществуем с ними на нашей планете. Хотя справедливее было бы сказать: «на их планете» мало того, что микробы забрались во все самые потаённые углоки Земли, так ещё общая биомасса одних только бактерий превышает массу всех людей планеты в 10 тысяч раз! А может и больше: учёные пока не могут точно оченить биомассу микробных сообществ океана и геосферы (населяющих различные пещеры, полости и просто поры горных пород).
Тем, какие отношения складываются у микроскопических обитателей планеты друг с другом, людьми и другими живыми существами, а также со средой обитания, занимается наука экология.
Когда звучит слово «экология», обычно оно ассоциируется с защитой природы, краснокнижных животных и с глобальным потеплением. В действительности это гораздо более широкое понятие: термин экология происходит от латинских слов «ойкос» дом, обиталище, и «логос» наука, учение.
Если представить наше жилище, особенно частный сельский дом с участком, то окажется, что вся наша жизнь будет тесно связана с ним: здесь мы не просто находим безопасное убежище и место отдыха, но и питаемся, общаемся друг с другом, развиваемся, воспитываем потомство, а приусадебное хозяйство служит нам средством воспроизводства пищи. То есть дом является местом нашего глубокого взаимодействия с окружающим миром. В этом смысле название «экология» хорошо отражает суть данной науки.
Одной из самых важных задач экологии является изучение пищевых (трофических) цепочек, поскольку питание наряду с дыханием считаются первыми и самыми важными признаками живого. Питание и дыхание нужны не просто для нормального роста организма, но и для самого его существования. Лишь немногие организмы могут приостанавливать или существенно замедлять эти процессы, да и то на ограниченное время (анабиоз, образование цист и спор).
Вспомним, что такое питание. Упрощённо это процесс поглощения вещества и энергии. К энергии мы чуть позже вернёмся, а пока разберёмся с веществом.
Жизнь на планете Земля углеродная. То есть все органические молекулы белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты так или иначе имеют «скелет» из атомов углерода С. Поэтому в каком-то смысле можно сказать, что питание это поглощение источников углерода и [источников] энергии. То есть живые клетки могут из углеродных «кирпичиков» складывать собственные структуры. Для этого они могут взять готовый углерод или разломать «на кирпичи» другие клетки либо их отмершие остатки. Правда, поскольку углерод в форме угля, графита или алмаза очень неудобен для использования в биохимических процессах, то наиболее простым его источником для живых существ является углекислый газ СО
2
автотрофамигетеротрофыпродуцентамиОднако, чтобы соединить простые неорганические молекулы в сложные органические, нужно затратить энергию, которая уходит на образование химических связей. Здесь организмы (и микроорганизмы в частности) тоже пошли разными путями. Одни научились использовать энергию солнца. Их назвали фототрофами («фотос» свет) или фотосинтезирующими организмами. Поскольку только фототрофы могут использовать солнечную энергию, поступающую на нашу планету извне, из космоса, то именно они являются основными продуцентами на планете.
Но не все умеют питаться от солнышка, некоторые предпочитают что повкуснее: организмы, получающие энергию из расщеплённых химических связей, называют хемотрофами. Причём последние делятся на хемолитотрофных, которым достаточно энергии неорганических молекул (аммиак, сероводород и др. от «литос», камень), и хемоорганотрофных которые меньше чем «бифштексом» из органики не довольствуются.
Итак, имея две группы по два раздела в каждой, мы можем получить 2*2=4 типа живых существ (4 типа питания):
Фотоавтотрофы синтезируют сложную органику из СО2 и воды за счёт энергии солнца. Классический пример вы хорошо знаете это растения и водоросли. Некоторые простейшие (эвглена зелёная) и бактерии, такие как цианобактерии (они же сине-зелёные водоросли, которые, как мы узнали в предыдущей главе, вовсе не водоросли), тоже фотоавтотрофы.
Хемоавтотрофы образно говоря, играют в те же игрушки, только запитывают их не от солнечных батарей, а используют дешёвые батарейки: синтезируют сложную органику из простых молекул, но за счёт энергии неорганических соединений. Если помните такие необычные океанические образования из предыдущей главы, как «чёрные курильщики», то вот там именно серные и сульфатредуцирующие бактерии, а также археи, в отсутствие света, а значит, и фотоавтотрофов, берут на себя роль продуцентов в этих необычных экосистемах.
Фотогетеротрофы редкий тип питания, когда энергию света организмы направляют не на фотосинтез, а на расщепление чужих органических молекул для синтеза собственных. Представлен, например, пурпурными бактериями.
Наконец, хемогетеротрофы самый распространённый тип питания, когда органика служит одновременно источником и энергии, и углерода. Мы, например, с вами типичные хемоорганогетеротрофы. И большинство микроорганизмов тоже. Хотя, как вы наверняка заметили, бактерии успели захватить все типы питания, но патогенными для человека могут быть только хемооргано(гетеро)трофные. Ещё бы: ведь мы их конкуренты за еду и энергию!
Подробнее про типы питания вы можете прочесть в доступных учебниках и Интернете. А что же дыхание? Если мы говорим не о внешнем дыхании человека и других животных, а о дыхании как биохимическом процессе, то, упрощённо, в его основе лежит окисление отрыв электрона от молекулы вещества. Электроны как раз и есть та самая энергия. Поэтому про хемотрофов, например, иначе говорят, что хемолитотрофы используют неорганические доноры электронов, а хемоорганотрофы органические. Стоп: так окисление это про дыхание или про питание? В том-то и дело, что эти два процесса неразрывно связаны и составляют основу метаболизма обмена веществ. Так, растения в ходе фотосинтеза могут нарабатывать глюкозу, чтобы потом полимеризовать её до целлюлозы и построить из неё свои стебли, а могут запасти в виде других полисахаридов (например, крахмала) в клубнях и семенах. И будущий росток станет, наоборот, расщеплять этот запас на простые сахара для дальнейшего создания уже собственных структур, а в процессе дыхания на углекислый газ и энергию, которой на рост требуется много, а листьев для фотосинтеза пока ещё нет.
Так же могут поступать и органогетеротрофы, в том числе и мы с вами. В процессах метаболизма мы можем расщеплять органические полимеры пищи до составляющих их мономеров и синтезировать их них собственные: из аминокислот белки, из жирных кислот липиды, из моносахаридов сложные углеводы, а уже из всего этого набора клетки, ткани и органы. Но на всё это требуется энергия. Поэтому часть получаемых из пищи органических молекул (и даже ставшие по какой-то причине ненужными свои) в цикле дыхания расщепляется с образованием энергии. Так, один грамм белков и углеводов может дать 4 килокалории энергии, а один грамм жиров целых 9.
Конечно, клетки не умеют поглощать энергию непосредственно в виде электронов, мы всё-таки не кремниевые чипы, а углеродные «анималькули» («зверушки» на латыни). Поэтому дыхание включает не просто окисление, а длинный цикл окислительно-восстановительных реакций, в итоге которых лежит универсальная энергетическая «валюта» клетки аденозинтрифосфат (АТФ) она может использоваться в любых реакциях биосинтеза. Для большинства организмов, включая и нас с вами, окислителем в этих циклах служит кислород. Для многих микроорганизмов тоже, но не для всех. Например, ряд бактерий и дрожжевых грибов обходятся без него. Вместо окислительного дыхания они используют брожение. В этом процессе углеводы расщепляются не полностью до СО2 и воды остаются непереработанные соединения: спирты, органические кислоты и др. Это менее выгодно в плане выхода энергии, но биохимически проще и позволяет захватить такие экологические ниши, где дышащие кислородом воздуха аэробы не выживают, а значит, не создают конкуренции.