Итак, мы видели, что определение жизни, данное К. Бернаром, вполне применимо к миру микробов. Микробы растут и размножаются. Рост и размножение макроорганизмов относительно легко наблюдать и изучать. Так например, размножение культурных растений можно определять, подсчитывая их урожай, а размножение животных — подсчитывая их потомство. Прирост или уменьшение населения в определенной области устанавливается периодическим подсчетом жителей. В более мелком масштабе можно проследить изменения в росте или весе отдельных лиц и изобразить это графически.
Как же наблюдать с достоверностью рост и размножение микроорганизмов? Как подсчитывать мельчайшие клетки бактерий или дрожжевых грибов? Этим вопросом занимался Ж. Моно из Пастеровского института в Париже в период, казалось бы, наименее благоприятный для подобных исследований, — в первые два года второй мировой войны. Свои наблюдения и заметки он опубликовал в книге «Исследование роста бактерий», вышедшей в 1942 году. Книга Ж. Моно и его методы стали классическим достоянием современной микробиологии. Размножение бактерий ученый графически изобразил при помощи «кривой роста», показывающей изменение численности бактерий за определенное время.
Для своего времени Моно был очень точен в оценке роста бактериальных культур. Он уже имел опыт ряда предшественников, внесших свой вклад в изучение размножения микробов. Некоторые из них использовали и понятие «кривая роста», а Лэйн-Клейпон установила четыре последовательные фазы роста бактерий.
Согласно Моно, размножение популяции бактерий происходит следующим образом. При посеве бактерий на свежую питательную среду они приспосабливаются к новым условиям и первое время не размножаются; этот период принято называть лаг-фазой. После него следует фаза быстрого размножения с логарифмической зависимостью числа клеток от времени выращивания, что выражается экспоненциальной кривой. В связи с этим описанная часть кривой роста называется логарифмической фазой, или лог-фазой. Постепенно, однако, питательные вещества из раствора исчезают, а среда обогащается продуктами выделения бактерий, часто тормозящими процесс размножения. Бактерии вступают в стационарную фазу. Затем они начинают отмирать и распадаться, и кривая роста входит в фазу отмирания.
Подобные кривые роста могут быть построены и при изучении размножения других микроорганизмов. В процессе наблюдения можно отмечать и изменение диаметра растущих колоний. На фото 31 и 32 мы видим растущие колонии дрожжей. Клетки почкуются, и колония постепенно растет. Среди примеров различных кривых роста мы приводим кривую роста опухолевых клеток человека HeLa, выращиваемых в питательном растворе. Она заимствована из опытов автора, исследовавшего действие антибиотиков на клетки HeLa в лаборатории профессора Г. Гарриса в Оксфордском университете.
Заслуги Ж. Моно в развитии микробиологии не ограничились только изучением кривых роста. Позднее он был удостоен Нобелевской премии в области физиологии и медицины, о чем еще будет рассказано в одном из дальнейших разделов.
Кривые роста — не только количественные показатели. Результаты исследований последних лет показали, что в отдельные фазы кривой роста происходят существенные качественные изменения внутри клеток, в их ферментативной активности, в образовании различных соединений или телец, обеспечивающих в дальнейшем рост и размножение микроорганизмов.
Верно ли, что микробы бессмертны?
Мы познакомились с огромной потенциальной возможностью размножения микробов. Но мы узнали также и о том, что оно встречает существенные преграды. Более того, на кривой роста Моно мы нашли заключительную фазу, свидетельствующую о гибели микробов. А что мы знаем об основных причинах их смерти?
Как показали наши вычисления, размножение микробов не безгранично. Это значит, что некоторые из клеток гибнут, так и не дожив до деления. Чаще всего причиной их гибели бывают неблагоприятные внешние условия (недостаток питательных веществ, накопление в среде вредных для микроорганизмов продуктов жизнедеятельности и т. д.).
Гибель бактерий можно наблюдать при их выращивании в жидкой питательной среде. Вскоре после посева количество клеток начинает постепенно возрастать и так продолжается вплоть до достижения известной предельной концентрации в среде. С этого момента процесс размножения начинает замедляться и некоторые клетки перестают делиться. И не только делиться. Бактерии просто исчезают, их клетки гибнут и распадаются. Количество живых клеток резко уменьшается. Какова же причина их смерти? Из неживых соединений питательной среды клетки бактерий создали живое вещество. Число их постоянно увеличивалось, а запас питательных веществ соответственно сокращался, и для миллионов образовавшихся клеток не стало хватать пищи. Бактерии начали голодать, и очень скоро наступила их смерть.
Кроме того, в процессе жизнедеятельности микробы выделяют в окружающую среду продукты, количество которых с возрастанием числа клеток все увеличивается. Наконец их скапливается такое множество, что они начинают оказывать вредное влияние на выделившие их клетки, ослабляют их и, таким образом, ускоряют гибель.
Но микробов подстерегает в природе и насильственная смерть. Их может убить солнечный свет, в воде они становятся жертвой мелких водных животных. Наконец, многие микроорганизмы враждуют между собой, и борьба за жизнь часто бывает одной из причин их гибели. Но самым опасным для них врагом стал человек. Он узнал, что их могут погубить высокие температуры, и ввел различные методы стерилизации, создал активные химические вещества, способные умерщвлять миллионы микробов, и многими другими средствами научился создавать невозможные для их жизни и развития условия там, где присутствие микробов для него нежелательно.
Пределы жизни микроорганизмов
Жизнь и размножение микробов зависят от многих внешних факторов. К основным относится прежде всего температура окружающей среды. Самая низкая из известных нам температур, при которой прекращается тепловое движение молекул и атомов, — это —273 °C (так называемый абсолютный нуль). Теоретически эта температура является пределом жизни и для микробов, хотя у многих из них жизненные процессы прекращаются уже при температуре ниже 0 °C, которая, однако, их не убивает. Некоторые болезнетворные микроорганизмы сохраняли жизнеспособность в течение нескольких дней при —190 °C. Не вызывала их гибели и температура —250 °C, при которой газообразный водород переходит в жидкое состояние. Выдерживали бактерии в течение нескольких часов и охлаждение до —270 °C!
Где же находится верхний температурный предел жизни микробов? Обычно бактерии погибают при длительном нагревании до точки кипения воды. Впрочем, нам известны и случаи более высокой
