Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

ПЕРВЫЕ АВТОТРОФЫ

 

С.Н. Виноградский

С.Н. Виноградский

 

Смотрите также:

 

Биография Виноградского

 

Микробиология

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

 

растения

 

Геоботаника

 

 Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Биология

 

Эволюция биосферы

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Ферсман. Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

СЕРОБАКТЕРИИ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ (1945)

 

Моя первая работа появилась в ту эпоху (1885), когда в молодой микробиологической науке безраздельно господствовали идеи и методы двух школ — школы Пастера и школы Коха. Эти методы были строго стандартизованы и считались обязательными для всех исследователей. Я только что начинал тогда работать в области микробиологии и делал все возможное, чтобы приноровиться к ним, но был достаточно дальновиден, чтобы сомневаться в успехе: серобактерии представляют собой исключение из обычного типа бактерий и до того времени были совершенно неизвестны. Я пошел своим путем, придерживаясь строго индуктивного метода, гарантирующего наиболее надежно от всех заблуждений и ошибок.

 

Выбранный метод отличался элементарной простотой: микрокультура на предметном стекле в капле сероводородной воды, которую часто сменяют в течение дня; продолжительные наблюдения над нитями Beggiatca и других серобактерий; изучение метаболизма при помощи микрохимических реакций.

 

Метод продолжительного наблюдения над микрокультурой, несомненно, ближе всего подходил к цели и в этом смысле был наиболее совершенным, несмотря на всю его простоту и полное отсутствие техники. Между тем не было недостатка в критике, обвинявшей в отклонении от принципов, на которых построены методы современной микробиологии.

 

Дюкло, тепло встретивший это первое начинание, посвятил ему один из своих изящных критических обзоров, где он высказывал сожаление, что автор «не искал с большей настойчивостью прямого пути, который привел бы его быстрее к цели и позволил бы разрешить некоторые важные вопросы, оставленные в тени».

 

Прямой путь — это, очевидно, исследование стандартными бактериологическими методами этого своеобразного объекта — серобактерий.

 

Нижеследующие работы показали, что классические понятия не всегда согласуются со здравым смыслом. Всякий метод хорош, поскольку он приводит к надежным результатам. К тому же ценность всякого метода, как бы совершенен он ни был, определяется уменьем исследователя, применяющего его.

 

Прошло ровно 25 лет до появления новых исследований о серобактериях (1887—1912). Только в 1912 г. вышла работа Кейля (Keil) , озаглавленная «К физиологии серобактерий». Работа начинается с критики метода, которым я пользовался. «Если считать,— пишет автор,— что исследования Виноградского имеют значение и в настоящее время, то они страдают одним большим недостатком: он работал только с микрокультурами; они, несомненно, могут быть очень полезны для ориентировки, но этот метод совершенно недостаточен для того, чтобы получить чистую культуру; кроме того, он употреблял растворы неизвестного состава. Таким образом, ему не удалось выяснить физиологические особенности этих организмов».

 

Итак, прежняя работа страдала большим недостатком и не смогла осветить физиологию этих существ.

Этот строгий приговор не мешает все же Кейлю признаться, что его работа основана главным образом на результатах исследования Виноградского.

«... Моя работа построена, в основном, на приведенных выше результатах исследований Виноградского».

 

Посмотрим, каковы же результаты прежней работы, для того чтобы сравнить их с результатами новой.

1.         Две исследованные серобактерии окисляют сероводород, накопляя серу в виде капель полужидкой консистенции. В живых клетках сера никогда не образует кристаллов.

2.         Сера подвергается в клетках окислению до серной кислоты, которая немедленно нейтрализуется карбонатами среды и удаляется из клеток в виде сульфатов,

3.         С исчезновением серы движение клеток прекращается и через несколько дней они погибают.

4.         Они способны хорошо развиваться в растворах, содержащих лишь следы органических веществ; в этих растворах организмы, лишенные хлорофилла, не могли бы существовать.

5.         Окисление серы по энергии эквивалентно дыхательному акту. Этот процесс является единственным источником энергии, которым располагают серобактерии.

6.         Эти необыкновенные особенности позволяют нам рассматривать серобактерии как новый физиологический тип, существенно отличающийся от того типа, к которому принадлежит громадное большинство живых организмов.

 

Перейдем теперь к заключениям в новой работе, цитируя их in extensio.

«Обе формы серобактерий — Beggiatoa и Thiothrix — окисляют сероводород и откладывают серу. У обеих форм эти включения представляют собой мелкие капельки мягкой аморфной серы.

Сера окисляется до серной кислоты и нейтрализуется карбонатами, содержащимися в среде.

В отсутствие сероводорода движение и жизнедеятельность прекращаются; наступает смерть.

 

Серобактерии могут развиваться в среде, не содержащей даже следов органического вещества. Органические вещества в небольших концентрациях они переносят без ущерба. Однако они не оказывают никакого сти- мулирующего действия на их жизнедеятельность. Необходимо довольно значительное количество карбонатов щелочноземельных металлов, которые, вероятно, связывают серную кислоту.

Beggiatoa и Thiothrix используют аммонийные соли как источник азота.

Углекислота одна служит источником углерода».

 

Напомним, что хемосинтез у нитрифицирующих бактерий был установлен количественными опытами в 1890 г. В связи с этим было показано, что они отрицательно относятся к органическим веществам. Открытие способности к хемосинтезу у нитрифицирующих бактерий тогда уже дополнило представления о физиологическом типе бактерий, названных автотрофами, с которыми мы впервые встретились в 1887 г. Из этого заключения следовало, что обе группы микроорганизмов принадлежат, без сомнения, к одному типу. Эта точка зрения разделялась также выдающимися фитофизиологами. Так, например, JI. Иост  говорит следующее: «Только что рассмотренные нами свойства нитрифицирующих бактерий проливают новый свет на физиологию серобактерий. Обращает внимание не только тот факт, что у первых дыхание происходит за счет NH3, а у вторых за счет H2S, но также и неспособность усваивать органические вещества, присущая и Beggiatoa, В высшей степени вероятно, что серобактерии являются также автотрофными микроорганизмами (Виноградский, 1890) и что они могут лучше развиваться при полном отсутствии органических веществ, чем на средах с органическими веществами, непригодными для них».

 

Таким образом, заслуга Кейля заключается только в том, что он подтвердил прямыми опытами физиологические свойства серобактерий, уже намеченные ранее. Эти свойства выявлялись и в его опытах. Кроме того, он внес некоторые дополнения в азотное (аммиак) и солевое питание их и разработал методику культивирования серобактерий в атмосфере из смеси газов (H2S + Н2 + 02) в чан^кад Петри, помещаемых под колпаком. Он установил также давление газов, наиболее благоприятствующее развитию. Но основные физиологические свойства группы были уже прочно установлены работой, вышедшей 25 лет назад (1887—1912).

 

Автор полагает, что ему удалось получить чистые культуры Beggiatoa и Thiothrix простым отмыванием нитей, но это только его личное мнение и мнение мало вероятное. Приводимые им доказательства в данном случае, так же как и в других, недостаточны и не указывают на полное отсутствие неактивных клеток посторонних микробов. К тому же чистая ^культура совершенно бесполезна при работе со средами, столь высоко элективными, какой является естественная и искусственная сероводородная вода; совершенно очевидно, что применение чистой культуры не оказало бы никакого заметного влияния на точность полученных результатов.

 

Мне казалось необходимым подчеркнуть то, что касается открытия автотрофов — открытия, знаменующего собой дату в истории нашей науки.

 

Этот поучительный случай демонстрирует педантизм критики, предписывающей обязательный метод и оценивающей результаты под этим углом зрения, не обращая внимания на ценность самих результатов. Характерные примеры этого можно найти и в дальнейшем изложении.

 

Что касается серобактерий, то я убежден, что мне никогда не удалось бы выяснить их физиологию, если бы я пользовался обычными микробиологическими методами. Достаточно сказать, что лишь спустя 50 лет (1936) Ван-Нилю (Van Niel) удалось выделить чистую культуру пурпурной серобактерии (Thiorhodaceae). В 1887 г. подобного рода микроорганизмы исследовались впервые; предшествующие исследования сеяли только заблуждения. Эти с трудом поддающиеся исследованию организмы являлись камнем преткновения, как только применялись методы, испытанные с хорошо известными микроорганизмами. Предстояла задача раскрыть это загадочное явление. С другой стороны, их физиологические свойства наиболее ясно обнаруживались в явлениях, которые можно было контролировать под микроскопом. При помощи микрокультуры выяснилось следующее: сероводород необходим для их развития; движение клеток наблюдается только в присутствии сероводорода; внутри клеток откладываются капли серы; серобактерии длительно поглощают большие количества сероводорода; нити, лишенные серы, гибнут, аэротаксис бывает положительным или отрицательным в зависимости от содержания сероводорода в среде и т. д. Итак, поведение серобактерий прослеживалось визуально (de visu) в течение месяцев, в нормальных экологических условиях — в их естественной среде, а не в каких-либо бактериологических средах, способных вызвать физиологический артефакт. Жидкая среда, т. е. сероводородная вода, многократно сменялась в течение дня, что содействовало удалению посторонней микрофлоры, неспособной развиваться в сероводородной минеральной среде. Очевидно, что в этих условиях принцип чистой культуры теряет свое значение.

 

Если сравнивать метод длительных наблюдений над микрокультурой, продолжающихся изо дня в день в течение месяцев, с методом макрокультуры, с его случайностями, то последний является менее эффективным в данном случае. Кроме того, микроскопический контроль над макрокультурой дает скорее суммарный результат. Еще более ценные услуги оказал мне метод микрокультуры при изучении морфологии этих бактерий, о чем будет речь во второй части.

 

Критики, настаивающие на ненарушимости принципа чистых культур, не поняли этого.

Переходя к пурпурным серобактериям — Thiorhodaceae, обладающим бактериопурпурином, следует указать прежде всего на замечательные исследования В$н-Ниля, Мюллера (Muller) и Ролофсена (Roelofsen). Эти исследования установили, что пурпурные серобактерии являются ф о- тотрофами.

 

Ван-Ниль  первый доказал, что Thiorhodaceae действительно осуществляют фотосинтез. Одна из главных трудностей заключалась в объяснении ролиН2ЗиЗ, окисление которых позволяет бесцветным серобактериям осуществлять хемосинтез и без которых серобактерии не могут обойтись в естественных условиях их существования.

Автор пришел к выводу, что H2S является донатором водорода. Это становится совершенно ясным при сравнении классического уравнения фотосинтеза с уравнением, выражающим данный процесс:

С02 + 2Н20 СН20 + Н20 + 02 С02 + 2H2S СН2 О + Н20 + 2S

Из приведенных уравнений видно, что донатором водорода в последнем случае является не Н20, a H2S, и вместо молекулярного кислорода освобождается элементарная сера. Действительно, она откладывается или внутри клеток (пурпурные серобактерии) или около клеток зеленых бактерий.

Эти наблюдения выясняют основные особенности питания серобактерий и согласуются с экологией этих микроорганизмов. Далее автор ставит своею целью углубленное изучение потенциальных свойств пурпурных серобактерий. Чистая культура предоставляла ему полную возможность для постановки исследований такого рода.

Прежде всего автРор установил, что Chromatium и 7 hioeystis дегид- рогенерируют не только H2S, но и сульфиты и тиосульфаты Далее он поставил вопрос — способны ли они развиваться за счет органических веществ. Ему удалось получить культуры на дрожжевой вытяжке, в растворе пептона и на средах с лактатом и с солями пировиноградной кислоты. Однако лучистая энергия необходима им и в этом случае* в темноте микроорганизмы совершенно не развиваются.

Мюллер1, сотрудник Ван-Ниля, исходя из этих наблюдений, проводит углубленное исследование об изменении процессов питания, происходящих в результате изменений условий культивирования. Оказалось, что Thtorkodaceae способны использовать ряд органических веществ, в частности, соли органических кислот — молочной, пировинограднои, яблочной, янтарной, масляной и уксусной. Органические вещества используются медленно и слабо. При длительном культивировании на свету (20—80 дней) потребляются лишь незначительные количества вышеуказанных веществ. По мнению автора, не может быть речи о процессе брожения. Вряд ли также можно допустить, что эти органические вещества могут служить пластическим материалом, как только культуры этих фо- тотрофных микроорганизмов выставляют на свет. Автор полагает, что органические вещества подвергаются только дегидрогенизации, заменяя H2S, который обычно служит донатором водорода. Микроорганизмы не нуждаются в них для получения энергии, источником которой, как и у зеленых растений, является лучистая энергия.

Во всяком случае он показал, что пурпурные серобактерии могут быстро развиваться на средах, содержащих безазотистые и азотистые вещества в отсутствие соединений серы, способных окисляться. Долгое время это считалось невозможным. Этот факт заслуживает внимания, замечает автор, «так как по мнению Виноградского, высказанному еще в 1931 г , развитие пурпурных серобактерий происходит только на минеральных средах, содержащих сероводород».

И действительно, обнаружился неожиданный факт: чистая культура серобактерий оказалась способной выносить отсутствие сероводорода в среде, что в корне противоречило ее поведению в естественных условие ях, в местах ее обитания. Значит ли это, что серобактерии легко теряют свои свойства автотрофов, превращаясь в обычную гетеротрофную форму в отсутствие серы? По нашему мнению, факты, вскрытые голландскими учеными, не ведут так далеко. Совсем напротив, они подсказывают мысль, что исследованный вид прочно сохраняет свойства ав- тотрофного организма. Обладая, однако, дегидрогеназой, активной не только по отношению к H2S, но и по отношению к некоторым органическим веществам, он может покрывать свою потребность фототрофного организма в активном водороде, за счет веществ, обычно не используемых, будучи принужден к этому длительным культивированием в ненормальных условиях.

Было бы бесполезно спорить — является ли полученный таким образом своеобразный вид автотрофным или гетеротрофным организмом; он, прежде • всего, искусственный продукт — физиологический артефакт.

 

Я охотно пользуюсь этим выражением, заимствованным у Клюй вера (Kluyver)  из ею работы об искусственных явлениях в культуре. Подводя итоги, он высказывает следующую мысль: «... Культивирование в обычных лабораторных условиях вызывает односторонние проявления у микроорганизмов, что особенно отрицательно сказывается на адаптивных свойствах бактерий; вследствие этого нати чистые культуры несомненно могут быть названы физиологи- ческим артефактом».

С этой точки зрения факт, исследованный Ван-Нилем и Мюллером, в высшей степени показателен и это следует подчеркнуть. С прогрессом биохимии все настойчивее встает вопрос о разграничении естествен- н ы х физиологических свойств, т. е. реальных, с одной стороны, и искусственной модификации их, т. е. свойств потенциальных, с другой стороны. Следует провести резкую демаркационную линию между результатами опытов в ненормальных условиях, которые принуждают микроорганизм проявлять те или иные свойства, и результатами наблюдений над экологическими факторами' в природе. Эти факторы показывают, что микроорганизм приспособился к определенному образу жизни. С этой точки зрения микробиологии остается только следовать примеру более древних биологических наук — ботанике и зоологии, изучающих влияние условий культивирования на растениях и на домашних животных.

Конечно, биохимия приносит нам чрезвычайно важные открытия, которые вскрывают внутренние взаимоотношения и механизм химических процессов, связанных с жизнедеятельностью организмов. Но результаты биохимических исследований нельзя переносить на поведение микроорганизмов в природе. Они требуют предварительного критического рассмотрения. Излишне говорить, что всякому организму присуща физиологическая норма, которую можно поддерживать только в соответствующих нормальных условиях. Биохимия обладает всеми средствами, для того чтобы создать организму условия, отклоняющиеся от нормальных; но биолог должен считать ненормальным, граничащим иногда с патологией, поведение организма в этих условиях.

Разграничение подчас очень трудно, но оно мне кажется необходимым. До настоящего времени, к сожалению, микробиологи не уделяли этому требованию должного внимания. Необходимость этого становится совершенно очевидной: достаточно вспомнить о зеленых растениях, которые представляют собою наиболее чистый тип фототрофов. Тем не менее, физиологам удавалось не раз выращивать их на органических веществах в отсутствие света; однако никому не приходила в голову идея рассматривать их как гетеротрофные организмы — это было бы абсурдно. Впрочем, здесь, как и везде, нет непроницаемых перегородок, которые разграничивали бы различные биотипы.

Если уж настаивать на том, что серобактерии, по своей природе, являются смеш анным типом и способны развиваться в отсутствие H2S за счет органических веществ, встречающихся в местах их обитания, то это утверждение необходимо обосновать прямыми опытами, имитирующими возможно точно естественные условия.

Только тогда можно было бы судить, способны ли действительно пурпурные серобактерии развиваться в отсутствие H2S за счет органических веществ, встречающихся в естественных условиях, их обитания. Думаю, что многое говорит против этого. Ведь только благодаря сероводороду, обеспечивающему анаэробные условия, они могут развиваться в проточной сероводородной воде мелководных источников и канав. Так, по моим наблюдениям, пурпурные серобактерии в изобилии встречаются в воде сероводородных источников Мацесты близ Сочи (Кавказ).

 

Напомним также, что к автотрофам относятся все виды бактерий, изученные различными авторами, способные окислять до серной кислоты серу и ее производные (не вполне окисленные). Наиболее любопытным организмом является Thiobacillus thiooxydans Липмана, Ваксмана и Иоффе1, потому что он образует большие количества серной кислоты, легко переносит чрезвычайно низкую концентрацию водородных ионов (рН около 2,0), а местом его обитания являются почвы и компосты, содержащие элементарную серу.

 

Что касается роли серобактерий в природе, то в те отдаленные времена, когда появилась моя старая работа, нельзя было предположить, что они так широко распространены и, что особенно важно, встречаются в таком большом количестве. Это было выяснено позднее многочисленными исследованиями. Кроме сероводородных источников и стоячих вод, они в изобилии водятся в морских бассейнах и в озерах, глубинные воды которых насыщены сероводородом. Содержание этого газа в таких водоемах постепенно уменьшается к поверхности, а поверхностные слои лишены его совсем. Исследование проб воды, взятых по вертикали, обнаружило уровень зоны, населенной пурпурными серобактериями — Chromatium. Скопления их образуют своего рода живую пластинку, простирающуюся от одного края бассейна до другого. С этой точки зрения особенный интерес представляет Черное море, заслужившее название сероводородного.

 

 

 

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ

 

 

Последние добавления:

 

Ферсман. Химия Земли и Космоса

 

Перельман. Биокосные системы Земли

 

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

 

Вильямс. Травопольная система земледелия

 

История русского почвоведения

 

Качинский - Жизнь и свойства почвы

 

Вернадский - ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО