Путешествие в страну микробов

На корнях ольхи также встречаются клубеньки, в которых живут микробы, усваивающие азот из воздуха. Это тоже пример симбиоза, как и у бобовых растений.

Чрезвычайно интересные растения — лишайники. В полярной тундре это почти единственная пища растительноядных животных. Они интересны тем, что представляют сочетания грибов и водорослей: среди клеток грибов живут более мелкие клетки зеленых или сине-зеленых водорослей.

В теле лишайников того или иного вида обычно находится какой-то один постоянный вид водоросли. Правда, у некоторых лишайников, произрастающих в альпийском поясе, имеются два вида водорослей, относящихся к совершенно различным группам (один вид к зеленым, другой — к сине-зеленым водорослям), и здесь мы встречаемся уже с тройным симбиозом: гриб + зеленая водоросль + сине-зеленая водоросль. При этом сине-зеленая водоросль играет особую роль, так как она обеспечивает углеродное питание остальным членам системы за счет фотосинтеза и усваивает азот из атмосферы.

Лихенологам (лихенология — наука о лишайниках) удалось выделить из лишайников обоих партнеров — и гриб и водоросль — и выращивать их отдельно в чистых культурах. Из таких чистых культур они осуществили обратный «синтез» этих организмов в лишайники, что схематически изображено на рисунке.

Схема, показывающая выделение из лишайников чистых культур гриба и водоросли и последующее их соединение.

С помощью радиоактивного углерода. ¹⁴С было доказано, что углеводной пищей лишайников обеспечивают водоросли. Последние связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза, из углекислоты и воды вырабатывают сахара и переправляют их грибным клеткам. В одном из опытов было установлено, что уже по прошествии 45 мин после поступления радиоактивного углерода в грибных клетках оказалось 60 % углерода, прошедшего через процесс фотосинтеза.

Шведский исследователь К. Мосбах из Лундского университета так описывает скорость синтеза лишайниками сравнительно сложной гирофоровой кислоты. Уже через минуту после поступления радиоактивной углекислоты в ее составе обнаружен углерод ¹⁴С. Это можно объяснить тем, что радиоактивный углерод сначала был поглощен клетками водорослей и затем в ходе реакций фотосинтеза был включен в состав молекул сахаров. Молекулы сахаров были переданы в грибные клетки лишайника и там под влиянием ферментов сначала разложились на более простые соединения с двухатомным углеродом, а затем при содействии других ферментов из них образовалась гирофоровая кислота, содержащая в своей молекуле 24 атома углерода. Весь путь атомов радиоактивного углерода можно упрощенно представить в виде следующей схемы:

Сложные процессы фотосинтеза, разложения и повторного синтеза биохимик провел бы по многим этапам и использовал бы для осуществления отдельных химических реакций по меньшей мере 10 ферментов. Но в клетках микроорганизмов все эти операции совершаются меньше чем за минуту; через минуту первые продукты — молекулы гирофоровой кислоты — уже готовы. Сколь примитивен и несовершенен автоматизированный конвейер на наших фабриках в сравнении с «производством» этого вещества в природе! При этом нельзя забывать, что в то же время и в тех же клетках в безупречной гармонии идут сотни других химических реакций!

Водоросли в лишайниках способны осуществлять процесс фотосинтеза при внешней температуре —5 °C, а в некоторых случаях даже при температуре —24 °C.

Как показали опыты лихенологов, водоросль снабжает своего грибного «партнера» также витаминами, а сине-зеленые водоросли — еще и азотной пищей. Гриб со своей стороны поставляет водорослям водные растворы минеральных солей и обеспечивает защиту от неблагоприятных воздействий внешней среды.

Тем не менее создается впечатление, что водоросли являются своего рода пленниками и подневольной рабочей силой у грибов. При отделении партнеров друг от друга грибы нуждаются в «искусственном» питании, тогда как зеленые и сине-зеленые водоросли — вполне самостоятельные организмы и сами синтезируют все необходимые органические соединения.

Немало в природе и других примеров сожительства микробов с иными организмами. На корнях деревьев в почве живут гифы грибов, проникающие в ткани корней. Грибы — постоянные спутники этих деревьев. Оказывается, их жизнь на корнях имеет большое значение для древесных пород. Растения выделяют в почву через корни углеводы, используемые грибами. Гифы проникают и внутрь корней, но растение регулирует их активность в корневой системе, причем верхушечные клетки гиф иногда растворяются веществами, содержащимися в выделениях корней. Растения в свою очередь используют вещества, находящиеся в гифах, и, таким образом, грибы в известной мере способствуют их питанию. Такое сожительство грибов с растениями называется микоризой. Эта связь хорошо известна грибникам, собирающим плодовые тела микоризных грибов — белых, маслят, лисичек. Плодовые тела вырастают из грибницы (сплетения гиф, находящиеся в почве в тесном контакте с корнями деревьев). Поэтому белый гриб мы чаще всего находим под дубами, подберезовик — под березами, а подосиновик— под осинами.

Дружба с животными

У каждого животного есть свой определенный «нормальный» состав микроорганизмов. Интересны взаимоотношения микробов и жвачных животных. В растительной пище жвачных содержится большой процент целлюлозы. И хотя пищеварительный аппарат этих животных не выделяет фермент целлюлазу, расщепляющий целлюлозу вплоть до молекул глюкозы, целлюлоза усваивается организмом полностью.

Желудок жвачных состоит из нескольких отделов, в которых пища подолгу задерживается и перемешивается. Здесь и происходит разложение целлюлозы.

Этот процесс обеспечивают бактерии и простейшие, которые находятся там в огромном количестве. Растительная пища еще в ротовой полости животного перемешивается со слюной, хотя и не имеющей в своем составе ферментов, но содержащей много солей. Соли служат пищей микробам, разлагающим целлюлозу в первом отделе желудка — рубце. Условия для жизнедеятельности микробов здесь благоприятны. Рубец жвачного [20] служит своего рода «термостатом», в котором микробы получают все необходимые питательные вещества. В 1 мл здесь может быть до 10 000 000 000 микробов. Целлюлоза и другие полисахариды в результате жизнедеятельности микробов разлагаются на более простые соединения — органические кислоты и газы. Органические кислоты через стенки рубца проникают в кровь, а газы выходят наружу. Микробы, количество которых, естественно, сильно возрастает, с обработанной пищей попадают в следующие отделы желудка, где под действием ферментов микробные клетки разлагаются до аминокислот и освобождают витамины, играющие вместе с аминокислотами важную роль в питании животных.

20

Рубец жвачных можно сравнить с ферментёром, в котором происходит размножение микроорганизмов, являющихся дополнительным (до 30 %) источником белка для животных. — Прим. ред.

Не меньшее значение для животных имеют и кишечные бактерии [21] , образующие, как показали исследования, витамины, необходимые организму животного. Бактерии, живущие в толстой кишке человека, поставляют организму витамины В₁ и К, способствующие процессу свертывания крови. Однако витамины, получаемые организмом человека от бактерий, не покрывают всех его потребностей, поэтому человек должен принимать их и с пищей.

Симбиоз насекомых и микробов

21

В кишечнике человека, так же как и в пищеварительном тракте травоядных животных, разложение целлюлозы происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов, образующих фермент целлюлазу. — Прим. ред.

В теле насекомых, как правило, находятся бактерии, дрожжевые и другие микроскопические грибы. Они живут в клетках особого органа, получившего название мицетом. Там они синтезируют витамины, а возможно, и другие жизненно важные вещества, которыми снабжают своего хозяина.

Жуки при откладывании яиц выделяют вместе с экскрементами огромное количество дрожжей, и яйца приходят в контакт с симбиотическими микробами. Личинка при выходе из яйца поедает часть его внешней оболочки, и дрожжевые грибы попадают в ее кишечник, где начинают размножаться.

Живущая на банане мушка Drosophila, откладывая яйца, обволакивает их бактериями. В яичниках вшей также находятся бактерии, причем на каждое яйцо приходится до 200 бактерий.

Карл Фриш, профессор кафедры зоологии Мюнхенского университета, описывает, каким образом обеспечивает свое потомство симбиотическими бактериями клоп Coptosoma, и характеризует этот процесс как «достойный фантазии сочинителя сказок».

Симбиотические бактерии клопа живут в мицетоме, соединяющемся с желудком. При откладывании клопом яиц эти бактерии, приобретая прочную оболочку, выходят в желудок. Клоп аккуратно перекладывает яйца бактериями из своих запасов. Когда личинка выскальзывает из яйца, она хоботком прокалывает оболочку, содержащую бактерии, и втягивает их в себя, «как бы зная, что заряжается эликсиром жизни».