Что же касается выработки энергии, то здесь микробы отличаются еще большим разнообразием. Процесс дыхания человека, животных и растений сводится к окислению — сжиганию свободным кислородом воздуха углеводов (сахара и др.), в результате чего углевод распадается на углекислоту и воду, с выделением значительной тепловой энергии. Микробы могут окислять не только сахара, но и различные другие органические (спирты, аминокислоты) и даже минеральные соединения, например, сероводород, аммиак, соли железа, а также нефть, парафин, воск. Все эти микробы называются аэробами (от греческого слова «аэр» — воздух).
Особенно удивительно, что некоторые микробы могут получать нужную им энергию не только путём окисления питательных веществ свободным кислородом воздуха, но и путём бескислородного распада сложных соединений. При этом окисление (а следовательно, и выделение энергии) происходит за счёт кислорода, который уже находился в связанном состоянии в молекуле расщепляемого сложного соединения. Такие микробы называются анаэробами, они не нуждаются в свободном кислороде воздуха, наоборот, для многих анаэробов кислород является ядовитым веществом. Анаэробный распад безазотистых соединений называется брожением. Брожение виноградного сока при его превращении в вино, скисание молока в простоквашу — все это примеры анаэробного безазотистого распада, производимого микробами.
Ясно, что при таком чрезвычайном разнообразии способов питания и дыхания условия, благоприятствующие жизнедеятельности микробов, оказываются значительно более широкими, чем для человека, животных и высших растений. Становится понятным широчайшее распространение микробов на поверхности нашей земли.
Попав в пищевые продукты, столь богатые высокопитательными соединениями, микробы очень быстро здесь размножаются. На поверхности человеческого тела микробы питаются пóтом, клетками эпителия и выделениями сальных желез. В ротовой полости, кишечнике микробы находят просто роскошные условия жизни — тепло, влагу, остатки пищи — и размножаются здесь не хуже, чем в лабораторном бульоне. Некоторым микробам удаётся пробраться и в кровь человека и во внутренние органы его. Преодолевая защитные силы организма, такие болезнетворные микробы быстро здесь размножаются, вызывая в таких случаях заболевания человека.
В почве, воде, на поверхности скал и в глубинах морей и океанов микробы также находят для себя необходимое количество пищи. Некоторые виды микробов способны довольствоваться самыми простейшими соединениями, содержащими углерод и азот, или усваивать такие несъедобные вещества, как каменный уголь, нефть, керосин, нафталин, бензол и даже ядовитую карболовую кислоту, если она даётся в небольших концентрациях (0,05 процента). Ясно поэтому, что развитие микробов нередко совершается в самых трудных для жизни условиях.
Вот эта-то исключительная способность микробов использовать самые различные соединения и определяет их огромную роль в общем круговороте веществ в природе.
3. Как наблюдать жизнь микробов
Несложно было устройство лаборатории первых микробиологов. Основное «орудие производства» — лупа или примитивный микроскоп. Стеклянные или слюдяные пластинки, на которые при помощи тонкой стеклянной трубочки помещалась капелька мутного зловонного настоя травы или сена, цветов или мяса и прочих попавших под руку животных и растительных остатков. Вот и все оборудование лаборатории ученого XVIII и первой половины XIX веков.
В капле гниющей жидкости перед взором любознательных микроскопистов открывался неведомый мир разнообразных мельчайших существ. В одном и том же поле зрения микроскопа виднелись и быстро пробегающие клетки простейших животных, и одноклеточные растения с длинными жгутиками, и медленно двигающиеся, постоянно изменяющие форму своего тела амёбы, и более мелкие, извитые наподобие штопора нити, и мельчайшие шарики и палочки, форму и строение которых уже почти не удавалось рассмотреть.
Трудно было разобраться во всем этом многообразии форм, и совсем немыслимо было изучать в этой смеси биологию каждого отдельного представителя микробного мира.
Для того, чтобы подробно изучить жизнедеятельность отдельного микробного вида, его цикл развития, его физиологические функции, необходимо было изолировать его из всей массы различных организмов и пересадить в свежую питательную среду, в которой он мог бы размножаться, как теперь говорят, в чистой культуре, т. е. без примеси других организмов.
Для этого нужно было так приготовить питательную среду, чтобы она не содержала других посторонних зародышей. Среда должна была быть обеспложена, простерилизована[3].
Микробиологи той эпохи еще не были знакомы ни с методами изолирования микробов в чистые культуры, ни с методами приготовления обеспложенных — стерильных питательных сред.
Пастер первый научил нас приготовлять вполне обеспложенные питательные среды; колбы и пробирки он закрывал ватными пробками и стерилизовал сухим жаром при 150°—170° (рис. 20). После стерилизации сосуды наполнялись питательным мясным бульоном и кипятились. После кипячения бульон оставался стерильным, так как зародыши убивались нагреванием, а ватная пробка, хорошо пропускающая воздух, являлась вместе с тем надёжным препятствием для микробов, оседавших в её толще.
Рис. 20. Сушильный шкаф для стерилизации стеклянной лабораторной посуды:
а — внешний вид; б — схема устройства
Правда, некоторые бактерии, обладающие спорами, выдерживают кипячение в течение нескольких часов. Чтобы убить споры, приходится нагревать питательные среды при более высокой температуре — 125°, которая создаётся добавочным давлением в автоклаве. Аппарат, стерилизующий под давлением, — автоклав, — который теперь применяется для обеспложивания во всех микробиологических лабораториях, был внедрён в конце прошлого столетия в бактериологическую практику русским врачом Гейденрейхом.
Существуют питательные среды, которые изменяют свой химический состав при нагревании в автоклаве. Для таких сред был разработан метод так называемой дробной стерилизации, позволяющий добиться полного обеспложивания путём трёхкратного кипячения при температуре 100° с промежутком в одни сутки. Этот метод основан на том, что споры, не убитые при первом кипячении, прорастают, теряя тем самым стойкость к нагреванию, и убиваются при повторных прогревах.
Те же жидкости, которые совершенно не выдерживают нагревания, стали обеспложивать процеживанием через мелкопористые фильтры, сделанные из угля, асбеста и каолина, инфузорной земли. Если пропустить жидкость, содержащую микробы, через такой фильтр, то даже самые мелкие бактерии прилипнут к порам фильтра и застрянут в них. Жидкость окажется обеспложенной. Только самые мельчайшие микробы — фильтрующиеся вирусы — пройдут через такой фильтр. Пройдут через фильтр также и жизнеспособные частицы бактериальной клетки, так называемые фильтрующиеся формы бактерий.
Таким образом, сейчас в распоряжении микробиолога имеется целый ряд способов получения обеспложенных стерильных питательных сред.
Как же вырастить в такой среде чистую культуру микроба, т. е. культуру, происходящую из одной единственной клетки интересующего нас вида? Как выделить нужную нам клеточку диаметром в несколько тысячных долей миллиметра из смеси миллиардов особей, населяющих разводку микробов в жидкой среде?
Было предложено разводить такую среду какой-нибудь простерилизованной жидкостью (водой, солевым раствором) до тех пор, пока в одной её капле не будет содержаться только одна клетка микроба. Такой каплей заражали стерильную питательную среду.
Но этот сложный и трудоёмкий метод не давал всё же абсолютной гарантии чистоты культуры: можно ли быть уверенным, что в капельке действительно находится только одна микробная клетка? Удостовериться в этом можно было только при помощи микроскопа. Выделение чистых культур из одной клетки производится под микроскопическим контролем: на поверхность тоненького стерильного стёклышка (так называемого покровного стекла) стерильным чертёжным пёрышком наносят ряд крошечных капелек из разведённой питательной жидкости, содержащей микробов. Покровное стекло с каплями накладывается на предметное стекло с углублением, края обмазываются вазелином, и получается невысыхающая влажная камера. Микробиолог тщательно просматривает под микроскопом содержимое капелек и отмечает те капли, где находится только по одной клетке. Затем микроскоп вместе с препаратом ставится в особый шкаф — термостат — прибор, сохраняющий постоянную температуру, в котором культивируются разводки микробов. При благоприятной температуре микробная клетка начинает делиться, и скоро в капельке разрастается целое скопление микробов — потомков одной клетки. При помощи простерилизованной над пламенем горелки платиновой иголочки или петельки, вставленной в петледержатель, такой капелькой можно заразить колбу или пробирку с питательной средой и получить в нужном количестве чистую культуру из одной клетки. В последние годы сконструированы особые приборы, так называемые микроманипуляторы, которые дают возможность под контролем микроскопа подхватить тончайшей стеклянной петелькой или пипеткой одну микробную клетку и перенести её в свежую питательную среду. Советский ученый проф. Б. В. Перфильев недавно разработал способ изготовления тончайших стеклянных капилляров. Его прибор, так называемый микроселектор, позволяет под контролем глаза выловить и затянуть в капилляр одну клеточку мельчайшей бактерии, затем автоматически стерильно отломить содержащий эту клетку кусочек капилляра и заразить им свежую питательную среду.
