Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

ПЕРВЫЕ АВТОТРОФЫ. Серобактерии

 

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

 

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРОБАКТЕРИЙ

 

Физиологические исследования серобактерий я опубликовал в 1887 г.  13 другой, более пространной работе   я показал, что эти многочисленные существа, составляющие 15 родов и более 25 видов, образуют своеобразную физиологическую группу. Микроорганизмы этой группы отличаются тем, что их жизнь тесно связана с превращениями серы.

Чтобы отметить эту физиологическую особенность, я назвал их серобактериями или сульфобактериями.

 

Изучение этих организмов затруднено тем, что при исследовании невозможно применить известные испытанные микробиологические методы. Нее попытки получить чистую культуру Beggiatoa, Thiothrix, Chromatium и других серобактерий на жидкой питательной среде в пробирках оказались безуспешными. На плотной среде эти микроорганизмы быстро гибнут, что препятствует выделению их в совершенно чистом состоянии.

 

Как я показал, причина этого заключается в своеобразном питании этих существ, чем они отличаются от всех других организмов, лишенных хлорофилла. Они развиваются только в сероводородных водах, содержащих в растворе умеренное, постоянное количество сероводорода. Кроме того, необходим доступ воздуха, чтобы могло происходить окисление серы. Серобактерии, повидимому, совершенно не требуют органических веществ. Все эти условия можно вполне осуществить только в том случае, если часто возобновлять культуральную жидкость; это как раз и происходит в сероводородных источниках. Этим и объясняется пышное развитие серобактерий в этих источниках и трудность развр1тия в других условиях.

 

Все указанные трудности заставили меня придумать простой метод — м и к р о ф и з и о л о г и ч е с к о е исследование помещенных в каплю воды пучков, величиной с булавочную головку, состоящих из нитей Beggiatoa. Этот метод может иметь лишь ограниченное применение, если вопрос касается банальных форм, в данном же случае он быстрее приводит к цели и дает более надежные результаты, чем макрокультура. Всегда можно легко найти группу почти чистых нитей Beggiatoa или очистить их механически. Такая «получистая» культура не годилась бы в большинстве других случаев, но она вполне пригодна для исследований в микрокультуре, под контролем микроскопа, при помощи которого можно следить день за днем и час за часом за развитием и жизнедеятельностью исследуемых микроорганизмов. Более того, варьируя состав пи- iai-ельной. среды и наблюдая за ростом и размножением нитей Beggiatoa, можно установить потребность их в питательных веществах и сделать это точнее и надежнее, чем в чистой культуре в пробирках.

 

Имитируя условия, в которых серобактерии встречаются в природе, мне удавалось длительное время (неделями и месяцами) культивировать в капле сероводородной воды различные виды серобактерий — Beggiatoa, Thiothrix и др. Я мог наблюдать непосредственно влияние среды на их размножение и видимые явления их метаболизма. Химические явления, которые обнаруживаются в культуральной жидкости при помощи микрохимических реакций, можно .связать с деятельностью серобактерий лишь после ряда наблюдений. Для этого требовалось обстоятельно изучить развитие этих микроорганизмов и выяснить характер нормального роста, а также удостовериться в отсутствии посторонних форм, видимых под микроскопом.

 

Трудность изучения серобактерий заключается именно в том, чтобы отличить их нормальные физиологические явления от ненормальных, патологических явлений. Вот характерный пример.

 

Все ученые, изучавшие серобактерии, наблюдали следующее. Если куски бактериальной пленки поместить в склянки, наполненные водой, и плотно закрыть их, то в сосуде неизменно образуется сероводород. Считалось, что образование сероводорода связано с жизнедеятельностью микроорганизмов пленки. Факт образования сероводорода действительно наблюдается, но толкование его неправильно. Исследуя систематически под микроскопом содержимое сосудов, я заметил, что погруженные нити быстро гибнут в этих условиях. Через 3—5 дней, когда сероводород начинает только появляться в среде, значительное количество нитей уже мертво. Еще через несколько дней, когда вода становится насыщенной H2S, живых нитей уже не находят. Набухшие и полураспавшиеся нити, видимые под микроскопом, не содержат уже включений серы, всегда имеющихся в здоровых клетках.

 

Судя по этому, я пришел к заключению, что сероводород образуется за счет серы, находящейся внутри клеток, но связать это превращение с деятельностью живых серобактерий вряд ли возможно.

 

Сомнения эти полностью оправдались при систематическом изучении этого явления под микроскопом. Несколько пучков нитей Beggiatoa, богатых включениями серы, помещают в каплю воды на предметном стекле. Каплю покрывают покровным стеклом, размером 22—25 мм так, чтобы нити находились в центре капли, которая, расплющиваясь, окружает их со всех сторон. Затем нити умерщвляют, промывая их дистиллированной водой. Ежедневные наблюдения в течение некоторого времени показывают,-что по мере того, как сера исчезает из мертвых клеток, у края покровного стекла препарата образуется желтоватый ободок из кристаллов серы. Вместе с тем появляется заметный запах сероводорода, не исчезающий до тех пор, пока в центре капли остается сера. Наконец, нити совершенно распадаются и становятся неузнаваемыми.

 

Не трудно понять, как протекает это явление. В отсутствие воздуха сера восстанавливается водородом, а сероводород, окисляясь при соприкосновении с воздухом, выделяет серу. Таким образом происходит перемещение серы из центра к периферии. Но каким образом связывается сера с водородом? Этот вопрос не относится к физиологии серобактерий, как показали ранее поставленные опыты, так как в начале процесса, когда сероводород только что появляется, клетки нежизнеспособны и к тому времени, когда он достигает своего максимума, все клетки мертвы.

 

Возможно, что он образуется в результате деятельности гнилостных микроорганизмов, которые быстро появляются в капле и развиваются вокруг мертвых нитей. Известно, что сероводород образуется при гниении всех веществ, содержащих серу.

 

Я должен обратить особенное внимание на этот опыт и его точное толкование. Он дает указания, которыми мы сейчас воспользуемся. Ло- тар Мейер, Кон, Плоило, Этар и Олйъье считали, что серобактерии обладают способностью восстанавливать сульфаты с образованием сероводорода в сероводородных водах. Согласно Этару и Оливье, «редукция происходит в протоплазме живых существ», о чем свидетельствует появление гранул серы, которыми богаты серобактерии в сероводородных водах.

На основании своих опытов я пришел к совершенно противоположному заключению, а именно: серобактерии не принимают никакого участия в восстановлении сульфатов в присутствии органических веществ; образование сероводорода вызывается посторонними микроорганизмами.

 

Легко убедиться с первых же опытов, что образование капель серы в клетках серобактерий не является результатом восстановления сульфатов, а результатом окисления сероводорода. Если погрузить в раствор сульфатов достаточно чистые нити Beggiatoa, то капли серы быстро исчезают из клеток и не образуются вновь, как бы долго они ни оставались в этом растворе. Но стоит только ввести в среду сероводород, как через несколько минут капли серы появляются снова и, спустя несколько часов, они заполняют клетки. Итак, не остается никакого сомнения в происхождении серы, накопляемой серобактериями.

 

Какую же роль в физиологии серобактерий играет сера, так энергично и так обильно откладываемая протоплазмой живых клеток?

Я долго изучал этот вопрос и пришел к заключению, которое недавно оспаривал Оливье : серобактерии окисляют серу в серную кислоту. Можно просто и точно показать это, пользуясь моим методом. Я не понимаю, в чем можно упрекнуть этот метод, и если Оливье применял его, то как мог он оспаривать результаты.

 

Я начал с изучения микрохимических реакций, которыми можно обнаружить присутствие серной кислоты, и выбрал раствор хлористого бария, подкисленного соляной кислотой. Если в жидкости содержатся соли кальция, то можно ограничиться простым высушиванием и наблюдать под микроскопом друзы кристаллов, столь характерные для сульфата кальция. Но я предпочел реакцию с хлористым барием.

 

Ни в коем случае нельзя пользоваться дистиллированной водой, так как Beggiatoa погибают в ней. Ее можно с успехом заменить водой из источников, очень бедных сульфатами. Вода, которой я пользовался, содержала 0,0014% серной кислоты. Указанное количество недостаточно для того, чтобы при добавлении капли хлористого бария образовались кристаллы сульфата бария, различимые под микроскопом. Для этого необходимо, чтобы концентрация серного ангидрида была не ниже 0,004%. Таким образом, микрохимическая реакция оказалась в данном случае менее чувствительной, чем макрохимическая. Но я использовал это обстоятельство как преимущество; оно позволяло мне получать реакциюг видимую под микроскопом, независимо от содержания сульфатов в исходной воде. Для того чтобы можно было обнаружить эту реакцию, требовалось значительно обогатить ангидридом воду, которой я пользовался.

 

Берут несколько, по возможности совершенно одинаковых, пучков нитей Beggiatoa, богатых серой. Нити промывают, а затем размещают в серию капель одинакового объема, нанесенных на предметные стекла. Их челят на две группы, относя к контрольной группе капли с большим количеством нитей. Затем нити умерщвляют легким нагреванием или парами хлороформа. Нити в первой группе капель сохраняются живыми, и их состояние подвергается тщательному микроскопическому контролю в течение всего опыта.

 

Испытывая раствором хлористого бария капли каждой серии через 24, 48 часов и т. д., я был поражен ясностью результатов опыта. Капли, содержавшие живые нити Beggiatoa, давали значительное количество кристаллов сульфата бария (или сульфата кальция). В контроле же, содержавшем большее количество нитей, обогащенных серой, реакция не обнаруживалась. Некоторое представление об интенсивности процесса окисления, вызываемого живыми клетками, можно получить, сравнивая иод микроскопом количество кристаллов сульфата бария, выпадающих в каплях с живыми нитями Beggiatoa, с количеством кристаллов, выпадающих в каплях титрованных растворов.

 

В одном из опытов я получил следующие цифры, выражающие в процентах количество серного ангидрида в капле, имеющей объем 0,2—0,3 мл. Концентрация ангидрида в исходной воде источника составляла 0,0014%. Капли содержали минимальное количество нитей.

Через 24 час              0,0066%

» 48 »              0,0093%

» 5 дней                     0,0445%

» 8 » ......         0,0486%

 

Приведенные данные показывают, что количество серной кислоты в воде, содержавшей живые нити, возросло в 34 раза по сравнению с исходной; в контрольных же каплях оно оставалось ниже предельной концентрации чувствительности микрохимической реакции.

Таким образом, воздействие, оказываемое серобактериями, по своему характеру является типичным окислением. Сероводород окисляется в плазме клеток; при этом образуются капли серы, которая окисляется в свою очередь и затем выделяется наружу. Протоплазма принимает активное участие в этом процессе окисления и активизирует его. Как я показал, главным и, по моему мнению, даже единственным источником энергии бесцветных серобактерий является энергия, освобождающаяся в этом окислительном процессе.

 

Читатели «Анналов института Пастера» знакомы уже с некоторыми данными по этому вопросу. Я считаю необходимым настоятельно рекомендовать мои методы, так как они позволили мне получить данные, опровергающие возражения Оливье.

 

Оливье интересуется на этот раз физиологической ролью серы, накопляющейся в клетках этих «серных организмов, образующих пленку и слизь» . Это название обозначает то же, что я называю гораздо более коротко — серобактерии. Он пользуется все тем же методом исследования, который я рассмотрел критически ранее в своей работе и отверг как ненадежный. Он помешал в бутыль с дистиллированной водой куски бактериальной пленки, промытые предварительно этой же водою, поставлял их в бутыли на довольно продолжительное время.

 

Что представлял собою материал, с которым оперировал автор? Был ли он достаточно чистым? Состоял ли из одного единственного вида или из смеси организмов, сходных по своим физиологическим свойствам? Я многократно исследовал под микроскопом белый налет из серобактерий, характерный для сероводородных вод, изучая его тут же на месте непосредственно у источников. Этот белый налет всегда состоит из представителей рода Beggiatoa и Thiothrix и почти не содержит примеси других серобактерий. Однако в слизистой массе налета содержатся всякого рода загрязнения, от которых нельзя освободиться механически. В них встречаются различные бактерии, осциллярии, много инфузорий, черви, мертвые Beggiatoa, растительные остатки, кристаллы серы, комочки ила, богатого сернистым железом, и пр.

 

Тем не менее Оливье рассматривает продукты брожения, образующиеся под влиянием этой разнородной массы организмов, исключительно как результат физиологической деятельности серобактерий. Он устанавливает образование углекислоты, сероводорода и роданистого аммония. Открытие этого последнего соединения в продуктах разложения автор считает совершенно новым фактом, который указывает на то, что во внутриклеточных реакциях сера играет особую, до сего времени в физиологии неизвестную, роль, а именно: она замещает кислород в процессе превра- щения белка в амиды и вообще в процессах окисления живой материи.

 

Эта теория мне кажется мало обоснованной, а толкование явления, которое описал Оливье, расходится с моим. Мы уже знаем, что организмы, с которыми он работал, очень чувствительны и легко гибнут, если они находятся в условиях, несвойственных им. Автор помещал их в дистиллированную воду в отсутствие воздуха и ничего не говорит о том, контролировал ли он культуры под микроскопом. Далее, изучая физиологические свойства их, он не рассматривает вопроса, в каком состоянии находились клетки, не утратили ли они способности к движению и пр. Между тем совершенно очевидно, что процесс гниения не замедлит охватить мертвые нити и различные остатки других организмов. Нет ничего удивительного, что в этих условиях образуются углекислота и сероводород, так как это представляет собою обычное явление при разложении органических веществ, содержащих серу. Что касается роданистого аммония, то было бы трудно приписать этому соединению то значение и ту роль, какие придает ему Оливье.

 

Я должен заметить, кстати, что появление роданистой кислоты в продуктах клеточного обмена является уже известным в физиологии фактом. Ролэн (Raulin) нашел ее в культурах Aspergillus niger, Мунк (Mnnk) — в человеческой моче в количестве 0,08 г на 1 л. По анализу Гшейдлена (Gscheidlen) в 1 л мочи ее содержится только 0,0225 г. С тех пор роданистая кислота найдена в моче очень многих животных.

 

Что касается значения этого соединения, то все данные Оливье указывают на то, что оно образуется в весьма малых количествах, но всегда легко обнаруживается, так как реакция на роданистую кислоту отличается очень большой чувствительностью. Кроме того, нет никаких указаний на то, что количество исчезнувшей из клеток серы соответствует количеству серы в образовавшейся роданистой кислоте.

 

Наконец, Оливье ставит целый ряд опытов, для того чтобы показать, что образование сероводорода в бутыли с дистиллированной водой, в которой куски бактериальной пленки находятся без доступа воздуха, не объясняется окислением серы внутри клеток с образованием сульфатов и последующим восстановлением последних, но является результатом непосредственного восстановления элементарной серы до сероводорода. В этом Оливье прав. Ничего другого и не могло произойти в пучках нитей в условиях, когда воздух замещен водородом. Мы хорошо знаем, что сероводород может также легко образоваться при гидрогенизации серы, как и при восстановлении сульфатов. Если в жидкости нет и следов сульфатов, то он может образоваться только первым путем. Но это заключение, совершенно бесспорное, не имеет ничего общего с моими идеями и выводами о физиологической роли серы в жизнедеятельности серобактерий. В данном случае дело идет не о физиологическом явлении, а о процессе гниения клеток серобактерий.

 

Я остановлюсь еще несколько на опытах Оливье с микрокультурами. Этот ученый, наблюдая ежедневно за нитями Beggiatoa, отмечает, что сера так же легко исчезает из клеток живых нитей, как и из мертвых, обработанных предварительно парами хлороформа или погруженных в 4%-ную карболовую воду или в глицерин. То же самое происходит в препаратах, обработанных хлороформом и помещенных во влажные камеры, через которые пропускается ток водорода.

 

Из этого можно заключить, что жизненные процессы в клетке не оказывают никакого влияния на растворение серы, так как она растворяется одинаково и в нитях, подвергавшихся воздействию антисептиков или анестезирующих веществ. Сера исчезает, не подвергаясь биологическому окислению. В здоровых нитях Beggiatoa я не наблюдал ничего подобного; напротив, я постоянно отмечал, что количество серной кислоты увеличивается по мере исчезновения включений серы. Однако не нужно забывать, что капли серы могут исчезать и из мертвых клеток, как мы это видели ранее, хотя и гораздо медленнее, чем из живых.

 

Это явление вызывается различными причинами:

 

1)        в отсутствие воздуха сера исчезает, превращаясь в H2S под влиянием гнилостных микроорганизмов;

2)        на воздухе она самопроизвольно окисляется с образованием серной кислоты;

3)        в мертвых полуразрушенных клетках включения серы, не защищенные протоплазмой, становятся легко доступны воздействию щелочных или щелочноземельных сульфидов, всегда присутствующих в сероводородных водах;

4)        наконец, включения серы, представляющие собой мелкие капельки, имеющие консистенцию масла, легко освобождаются из мертвых нитей в процессе кристаллизации; это явление описано мною в сообщении № 1.

 

Несомненно, именно это явление и наблюдал Оливье в препаратах, монтированных в глицерине, когда он отмечал, что «включения в нитях уменьшаются в объеме и численно; одновременно в окружающей жидкости появляются мелкие кристаллы в форме октаэдров».

 

Довольно трудно в каждом отдельном случае определить действительную причину фактов, наблюдавшихся Оливье. Одно очевидно, что автор не вполне сознавал, насколько сложно это явление и насколько своеобразны по своей природе исследованные микроорганизмы.

 

Культивирование их требует большого опыта. В начале своих исследований над серобактериями я потерял очень много времени, идя ощупью, и считал большим достижением на некотором этапе, если удавалось поддерживать нити Beggiatoa живыми и в хорошем состоянии в течение 24 часов в опытах с культурами на предметном стекле. И только тогда, когда я изучил, как проявляется их жизнедеятельность, и нашел условия культивирования, отвечающие их особенностям, я пришел к определенным выводам. Оливье ие искал этих условий, по крайней мере он ничего не говорит об этом. Менее всего он пользовался точными указаниями, приведенными в моей работе. Обрабатывая серобактерий дистиллированной водой, фенолом, глицерином и пр., он полагал, что они могут переносить такую обработку по крайней мере не хуже, чем другие бактерии. Но он ошибался. Они так же мало устойчивы по отношению к антисептикам, как некоторые особенно чувствительные зеленые водоросли, например Spirogyra.

 

Ввиду того, что Оливье не удалось научиться культивировать эти микроорганизмы, он и не мог изучить их развитие, а следовательно, и разграничить нормальные явления от патологических. Более того, он не мог отличить даже живые особи от мертвых.

 

Итак, я утверждаю, что его заключения не имеют никакого отношения к физиологии этих организмов и нисколько не поколебали моих выводов.

 

 

 

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