Микробушки. Взгляд в бесконечность, полную жизни

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.

Такие микроорганизмы, которым не требуется кислород, называются анаэробными или, коротко, анаэробами («аэрос» – воздух, приставка «ан-» означает отсутствие). Самые хитрые из них приспособились переключаться с одного режима на другой – их называют нестрогими или факультативными анаэробами (как факультатив в школе – когда посещение вроде как не обязательно, если, конечно, завуча не боишься). Так ведут себя, например, коринебактерии – некоторые из них в норме обитают на слизистой носоглотки человека, но вот коринебактерия дифтерии может вызвать тяжёлую респираторную инфекцию. В довакцинальную эпоху дифтерия была причиной смерти множества детей (взрослые ей тоже болеют, но летальность у детей выше по причине некоторых особенностей дыхательной системы: например, у детей более узкий просвет воздухоносных путей, и они быстрее перекрываются из-за специфического дифтерийного воспаления).

Однако некоторые бактерии настолько «увлеклись» бескислородной жизнью, что кислород начал оказывать на них губительное воздействие. Они вообще не живут и не размножаются в его присутствии. Типичным представителем таких облигатных анаэробов являются бактерии-возбудители ботулизма. Их споры переносят открытый воздух, но размножаться начинают только в герметично укупоренных банках, домашних консервах и вакуумных упаковках, в результате чего возможно сильнейшее пищевое отравление – от ботулизма до сих пор бывают смертельные случаи. Другие представители того же рода бактерий, клостридии столбняка и газовой гангрены – возбудители раневых инфекции, при которых споры бактерий прорастают в глубине раны и выделяют токсины. Столбняк у непривитых людей легко может закончиться смертью от паралича дыхательных мышц, а газовая гангрена – летальным исходом от заражения крови, если раньше не произвести ампутацию поражённой конечности.

Ну а некоторым микроорганизмам кислород всё же требуется, но в очень небольшом количестве – они носят романтичное название микроаэрофилы («микро» – мало, «филос» – любящий, ну а «аэрос» вы уже должны были запомнить). К таковым относятся кампилобактерии – возбудители кишечных инфекций – и хеликобактерии (доказана роль хеликобактер пилори как одной из причин воспаления слизистой желудка – гастрита, – с последующим развитием у человека язвенной болезни желудка).

Справедливости ради нужно сказать, что наши клетки тоже умеют функционировать в режиме анаэробиоза, правда, не все и недолго. Например, когда вы в спортзале, кряхтя, не можете поднять штангу, потому что «забились» мышцы, это в них «забилась» молочная кислота – кровь не успевает снабжать кислородом миоциты, мышечные клетки, и они временно переходят на молочнокислое брожение. Нужно тренироваться постепенно, но систематически, чтобы адаптировать кровеносное русло и биохимию мышц. Чем вы хуже бактерий?!

Однако не все решают моральную дилемму «хуже—лучше» честным путём – что в нашем мире, что в мире микробов. Зачем упахиваться фотосинтезом, если можно расщепить готовое? Зачем ждать, пока соседняя клетка «уйдёт на радугу», чтобы поживиться её остатками, если можно ей «слегка помочь»? Среди микробов немало таких же падальщиков и коварных хищников, как и в макромире.

Однако прежде чем начать «грабить к0р0ваны» живых клеток, нужно чтобы было кого грабить. Говоря в терминах экологии, нужны те, кто переведёт неорганический углерод и солнечную (чаще всего, но – как мы только что видели – возможны другие варианты) энергию в органические соединения и энергию их химических связей. Нужны продуценты! Какие организмы ими являются, мы уже упомянули выше.

Все живые существа не вечны, и даже если кто-то не «помог» им закончить жизненный путь раньше времени, всё равно обычный цикл рождения и роста закончится отмиранием. Но складывающие их органические молекулы при этом не пропадают бесследно. Да, под действием окружающей среды они будут деградировать: тот же кислород является прекрасным окислителем и сам по себе, вне биохимических циклов клеток. Но полный распад в обычных условиях потребует много времени. Поэтому было бы странно, если бы не нашлось охотников до такого количество дармовой органики. Хотя на самом деле это не «охотники» вовсе, а «подбиратели» всего, что плохо лежит. Однако не нужно с пренебрежением относиться к роли организмов-редуцентов: только представьте, какие завалы отмершей органики покрыли бы планету за миллиарды лет, если бы они не помогали в её разложении. Микроорганизмов-редуцентов называют сапрофитическими или сапротрофными (от «сапрос» – гниющий). Причём некоторые сапротрофы могут произвольно менять свой жизненный путь с сапрофитического на свободноживущий и обратно в зависимости от условий среды.