|
|
 |
 |
 |
 |
||
Микробы и их жизнь в экстремальных условиях - краткий очерк проблемыИсследователи, получившие биологическое образование и работающие в области биохимии млекопитающих, либо изучающие такие "стандартные" микроорганизмы, как Escherichia coli или Bacillus subtilis, склонны считать, что жизнь возможна лишь в благоприятных условиях: при давлении в одну атмосферу, в хорошо аэрируемых сыворотках или питательных средах, при почти нейтральных значениях рН и температурах, близких к 37°С. Если рассматривать жизнь в окружающей среде более широко, то становится очевидно, что "Природа" может быть гораздо более враждебной и что организмам приходится бороться за жизнь при температурах около точки замерзания воды (например, большинству обитателей океанов) и даже ниже ее. Давно известно, что жизнь встречается в самых суровых условиях: в горячих источниках, которые к тому же нередко отличаются повышенной кислотностью; в соленых озерах и солеварнях (бассейнах, из которых получают соль, выпаривая морскую воду); в источниках с повышенной кислотностью (например, в рудничных стоках), которые могут содержать также токсичные тяжелые металлы в высоких концентрациях; в кислых лабораторных реактивах с еще более высоким содержанием токсичных металлов; на сухих поверхностях скал; в пустынях и в морских глубинах, где давление достигает 1000 атм и более. Интерес к подобным формам жизни не ограничивается интересом к микроорганизмам. Наблюдения над животными, растениями и микробами, встречающимися в холодных, горячих, соленых и глубоких местах обитания на Земле, проводятся уже свыше ста лет (см. ссылки на соответствующие работы в книге Heib brtmn, 1943, а также многие обзоры, упоминающиеся в данной книге). Если вспомнить, что такое ракообразное, как Arternia salina, способна развиваться в насыщенных соляных озерах, что беспозвоночные живут в глубинах морей, некоторые рыбы хорошо чувствуют себя в морской воде при -2°С, а насекомые и деревья выдерживают охлаждение до -40°С, то невольно возникает вопрос: в чем же состоят особенности микроорганизмов, обеспечивающие их адаптацию к экстремальным условиям существования? Казалось бы, в качественном отношении микроорганизмы не отличаются от других форм жизни по своей способности к подобной адаптации. Однако хорошо известно, что они могут существовать в гораздо более суровых условиях, чем другие формы жизни. Только микроорганизмы встречаются в самых горячих местах горячих источников и в самых соленых из озер (например, в Мертвом море). Только они способны выдерживать наиболее высокие температуры (Brock, 1969). Кроме того, у микроорганизмов воздействию окружающей среды открыта вся наружная поверхность клетки. Поэтому у них исключена возможность появления под действием внешних условий специализированных тканей, таких, например, как железы морских птиц, позволяющие им пить соленую воду, или особые каналы у растений-галофитов, произрастающих на засоленой почве. Несмотря на то что о способности некоторых животных приспосабливаться к пониженной температуре, повышенному содержанию солей и другим необычным условиям известно уже довольно много, пожалуй, все-таки легче выяснить механизм адаптации микроорганизма, чем какого-либо животного (Hochachka, Somero, 1973). Большой интерес к адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям был вызван и долгое время поддерживался поисками жизни на других планетах. Даже наиболее подходящая для существования на ней жизни планета Марс отличается суровыми условиями с земной точки зрения: низкими температурами, которые, правда, периодически поднимаются выше точки замерзания воды, и чрезвычайной сухостью. Единственными сравнимыми с Марсом местообитаниями на Земле являются сухие долины Антарктики, отдельные участки почвы которых совершенно бесплодны (Heinrich, 1976; гл. 2 данной книги). В то время как пишутся эти строки, станция Викинг продолжает вести поиски жизни на Марсе; не исключено, что к моменту выхода книги в свет мы уже будем знать что-то определенное о том участке планеты, где проходили поиски. Сравнительно недавно был проведен ряд симпозиумов, посвященных жизни микроорганизмов в экстремальных условиях, и опубликованы их материалы (Heinen, 1974; Heinrich, 1976). Последняя цитируемая книга представляет собой отчет о проходившей в 1974 г. конференции NASA, на которой обсуждалась проблема жизни в экстремальных условиях; такие конференции проходят раз в два года, начиная с 1970 г. Том трудов конференции, вышедший в свет в 1976 г., посвящен д-ру Вольфу Вишняку, пионеру в области этих исследований, который погиб в 1973 г. в Антарктике, изучая ее сухие долины. К более кратким общим обзорным статьям, написанным на тему настоящей книги, относятся работы Брока (Brock, 1969), Александера (Alexander, 1976) и Кашнера (Kushner, 1964, 1966, 1971). Последняя публикация является частью материалов симпозиума на тему о происхождении жизни - тему, представляющую бесспорный интерес для поисков жизни на других планетах. Зная границы жизни на Земле, можно составить представление о физических и химических пределах, в которых жизнь могла возникнуть не только на нашей, но и на других планетах. Эти два направления исследований неотделимы одно от другого и привлекают к себе внимание сходных по интересам специалистов и читателей. В последние годы мы были свидетелями плодотворного роста исследований жизни в экстремальных условиях. Об этом говорит появление многочисленных обзоров, посвященных отдельным сторонам этого вопроса - прежде всего жизни при высоких и низких температурах, а также при повышенной концентрации солей. В настоящей книге мы попытались как можно полнее охватить данную проблему, сведя воедино работы, в которых подробно рассмотрены ее различные аспекты. Лучше всего изучена жизнь при высоких и низких температурах; каждому из этих вопросов отведено по две главы: в одной из них обсуждается экология микроорганизмов в данных условиях, а в другой - их физиология. Не удалось, конечно, избежать некоторого перекрывания между разными главами. Микроорганизмы, обитающие в горячих источниках с повышенной кислотностью, рассмотрены в главах, посвященных влиянию высокой температуры и крайних значений рН. Микроорганизмы, которые встречаются в рудничных водах с повышенной кислотностью, часто подвергаются также действию, как правило, токсичных ионов металлов в высоких концентрациях. Эффекты температуры и давления взаимосвязаны. В гл. 2, написанной Бароссом и Моритой, а также в гл. 4, авторами которой являются Маркиз и Мацумура, обсуждается экология микроорганизмов, обитающих в глубинах морей. Следует отметить, что действие больших давлений на рост микроорганизмов проявляется значительно сильнее при низких температурах. Сухие долины Антарктики представляют собой не только одно из наиболее холодных мест на Земле, но, пожалуй, и самое засушливое* В этой книге не дается точного определения понятия "экстремальные условия"; отмечается лишь, что многие из рассматриваемых условий оказались крайне неблагоприятными для человека. В ней мы будем говорить в основном об условиях окружающей среды, в границах которых способны существовать микроорганизмы, а также о механизмах, при помощи которых они выживают в этих условиях. Последние определяются химической природой веществ и физической природой Земли. Все формы жизни нуждаются в жидкой воде. Из всех неблагоприятных воздействий, которым подвергаются живые организмы, высушивание относится, пожалуй, к наиболее сильным. Крайне сомнительно, чтобы какой-либо организм мог расти, если активность (aw) содержащейся в нем воды составляет менее 0,6, т. е. менее 60% активности чистой воды, да и этот предел доступен лишь немногим грибам. Большинство микроорганизмов нуждается в гораздо "более высоких значениях aw. Область температур, в границах которой могут развиваться живые организмы, - это в сущности те температуры, при которых вода остается в жидком состоянии, а именно ~273-373°К. [Несколько предположений об условиях, которые позволили бы воде оставаться жидкой при гораздо более низких температурах, например при температурах, присущих некоторым из лун Юпитера, высказаны в одной из работ (Kush-пег, 1976). Впрочем, надо признать, что эти предположения чисто умозрительны. В общем, температура развития наиболее теплоустойчивых микроорганизмов всего примерно на 37% превышает самую низкую температуру, при которой возможно существование наиболее холодоустойчивых микробов. Однако этот факт не мешает нам по-прежнему рассматривать условия в кипящей воде как экстремальные. Возможны самые разнообразные вариации окружающей среды. Микроорганизмы могут существовать при концентрациях водородных ионов, различающихся на несколько порядков; отдельные микроорганизмы растут при рН 10 и даже при более высоких. Многие микробы легко выдерживают стократные изменения в давлении. Так, при самом высоком давлении, существующем в морских глубинах, рост многих микроорганизмов лишь слегка подавлен. Развитие одних микроорганизмов угнетается такими концентрациями тяжелых металлов, как Ю-8 М, в то время как другие устойчивы к действию этих металлов в концентрациях в миллион раз больших. Разные виды микробов отличаются друг от друга по своей устойчивости к радиации в тысячу раз. Любой порядок изложения столь разнородного материала не может не быть несколько произвольным. Желая подчеркнуть, что экстремальные условия в природе отнюдь не ограничиваются условиями небольших специализированных ниш, мы решили начать книгу с главы, написанной Бароссом и Моритой об экологии микроорганизмов, обитающих в условиях с низкой температурой: в почвах, океанах и атмосфере, иными словами, в большей части нашей биосферы. Температура морской воды в основном соответствует приблизительно 0°С. Действие низких температур испытывают на себе и многие микроорганизмы в атмосфере; правда, пока еще твердо не установлено, способны ли они там размножаться, Этот аспект особенно интересен в свете рассмотрения форм жизни, которые могли бы существовать на гигантских планетах, где условия, более или менее приемлемые для жизни, возможны лишь в газообразных областях (Ponamperuma, 1976). Подробно рассмотрены в этой главе различные холодные местообитания, прежде всего Антарктика, которая в последние годы привлекает к себе все большее внимание исследователей. В гл. 3 Иннис и Ингрэм рассматривают причины, по которым одни микроорганизмы способны размножаться при пониженных температурах, а другие даже нуждаются в таких условиях. Существование последних может объясняться нарушениями белкового синтеза или повреждениями клеточных оболочек, а также изменениями других жизненно важных клеточных органов и процессов, которые происходят, вероятно, при умеренных температурах. Что же касается первых, то до сих пор неясно, почему рост многих мезофиллов прекращается, а не просто замедляется при низких температурах, превышающих 0°С. Это обстоятельство было весьма подробно и изящно изучено с помощью так называемых холодочувствительных мутантов Е. coli и других мезофиллов. Оказалось, что примерно ниже 10°С в прекращении роста основную роль играют нарушения в функционировании регуляторных ферментов или в образовании рибосом. Модификация мембранных липидов, а следовательно, и изменения в функционировании мембран также представляют собой весьма важный аспект температурной адаптации, хотя и не всегда понятно, почему в отсутствие подобных модификаций невозможен рост при температуре ниже определенного предела, при котором еще происходит размножение. Многие морские микроорганизмы подвержены действию не только низких температур, но и высоких давлений, которые на очень большой глубине превышают иногда 1100 атм. Среднее давление составляет почти 400 атм, причем известно, что в пробах грунта, взятых на разных глубинах, содержится много живых организмов. Однако при сочетании низкой температуры и высокого давления рост микроорганизмов подавляется настолько сильно, что их роль в деградации органических веществ на морском дне все еще остается неясной. Недавно стала вырисовываться интересная возможность, заключающаяся в том, что особенно высокую активность в биодеградации проявляют микроорганизмы из кишечника глубоководных морских бокоплавов и других животных. Эти вопросы, а также история баробиологии и воздействие давлений (в том числе достигающие нескольких тысяч атмосфер) освещены в гл. 4. Подробно было изучено влияние давления на субклеточном уровне. Хорошо известно, что высокие давления вызывают диссоциацию гидрофобных связей и тем самым разрушают клеточные структуры. В связи с этим возникает следующий вопрос, все еще недостаточно изученный на клеточном уровне: каким образом адаптируются организмы, которые могут существовать при высоком давлении или в широком интервале давлений? Способность некоторых микроорганизмов жить при высоких температурах уже давно привлекла внимание биологов; долгое время среди прочих экстремальных условий высокие температуры и их влияние на организмы изучались особенно интенсивно. В горячих источниках и других водах вулканического происхождения исследователи пытались установить экологические взаимосвязи, Об этом кратко говорится в гл. 5, написанной Теней и Броком, которые наиболее подробно останавливаются на экологическом распространении термофильных грибов. В этой главе показано, что на Земле очень много самых разнообразных мест с высокой температурой, верхние слои почвы, кучи компоста, стога сена, горы стружки, отвалы угля, кучи шлака, помет аллигатора и охлаждающие устройства ядерных реакторов. За исключением первого и последнего случаев, высокая температура в таких местах, достигающая порой 60СС и больше, вызвана в значительной степени жизнедеятельностью микроорганизмов. Это может служить одним из примеров экстремальных условий, которые своим возникновением обязаны самим микроорганизмам; другие приведены в последующих главах. Механизмы устойчивости к высоким температурам были изучены более подробно по сравнению с соответствующими механизмами, используемыми в других экстремальных условиях. Как полагают Амелунксен и Мердок (гл. 6), температурная адаптация микроорганизмов обусловлена изменениями в скоростях метаболизма, а также в структуре мембран, рибосом и отдельных белков. Мы не будем умалять роли остальных причин, однако считается общепринятым, что наиболее важными для адаптации к высоким температурам являются изменения в структуре белков. При тех высоких температурах, при которых растут термофилы, многие их ферменты сохраняют как активность, так и регуляторные свойства. Несколько подобных ферментов выделено в высокоочищенном виде, что дает прекрасную возможность установить взаимосвязь между их химическими свойствами и температурной адаптацией. И все-таки, несмотря на множество работ, проводимых в этом плане, мы еще далеки от полного понимания структурных свойств, которые определяют способность белков функционировать при высоких температурах. По-видимому, особенности ферментов термофилов нельзя объяснить резкими изменениями в относительном содержании неполярных или каких-нибудь других аминокислот. Ключом к пониманию термофилии служат, очевидно, более тонкие структурные различия, выяснить которые поможет только анализ пространственной организации этих белков. При изучении таких белков становится очевидным, что их функции в огромной степени определяются незначительными изменениями в их структуре. Многие горячие источники обладают повышенной кислотностью; известны также и другие многочисленные места с низкими значениями рН. В некоторых из них, например, в болотах и кислых рудничных водах, низкие величины рН обусловлены жизнедеятельностью микроорганизмов. Существуют также зоны со щелочными значениями рН, правда, они изучены менее детально, не исключено, что в них будут найдены весьма интересные микроорганизмы. Одной из причин возникновения высоких величин рН, обусловленных микробной активностью, служит разложение мочевины до аммиака. Уже давно известно (гл. 7), что многие микроорганизмы способны размножаться в интервале значений рН, в котором их внутриклеточные ферменты не функционируют. По-видимому, несмотря на то что рН окружающей среды может меняться, внутри своих клеток эти организмы поддерживают постоянную кислотность. В последние годы это предположение подтвердилось для ряда организмов, особенно для тех, которые существуют в условиях повышенной кислотности. Структуры на поверхности клеток у таких организмов должны быть приспособлены к крайним значениям рН, что и было действительно показано для некоторых из них. Наружные слои клеток микроорганизмов, живущих в условиях повышенных температур и кислотности, отличаются, надо полагать, характерным химическим составом, который необходим им для того, чтобы выдерживать такие необычные условия. Некоторые организмы обладают жесткими мембранами с очень низким содержанием липидов; в этом отношении, а также свойствами своих липидов их мембраны напоминают мембраны экстремально-галофильных бактерий. Галофильные бактерии, а также ряд других организмов, живущих в условиях высокого содержания солей либо иных растворенных веществ, мы рассмотрим в гл. 8. Экстремальные галофилы занимают особое место среди микроорганизмов, существующих в экстремальных условиях, поскольку они представляют собой пример полной (и внешней, и внутренней) адаптации к очень высоким концентрациям солей, а также потому, что они обладают уникальными биохимическими свойствами. С недавних пор стало ясно, что организмы, живущие при высоких концентрациях растворенных веществ или способные размножаться в широком диапазоне концентраций, представляют собой крайне увлекательный объект исследования. Любой организм, живущий при наличии высоких концентраций растворенных веществ, находится также в условиях низкой активности воды (aw). Нередко эти два эффекта невозможно отделить один от другого. Изучению влияния доступности воды для микроорганизмов, размножающихся в природных условиях, посвящена гл. 9, написанная Смитом. Существует два вида стрессов: осмотический - для микроорганизмов, находящихся в растворе, и матричный - для микроорганизмов, растущих на поверхностях, например на частицах почвы. Создается впечатление, что микроорганизмы более чувствительны к стрессу второго типа. Хотя для своего размножения микроорганизмы нуждаются в определенном уровне содержания воды, она не требуется им для выживания. Как указывает Смит, многие микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в течение долгого времени в отсутствие воды и начинают размножаться, как только она снова становится доступна для них. Две последние главы этой книги частично касаются экстремальных условий, которые своим возникновением обязаны деятельности человека. Токсичность тяжелых металлов представляет собой проблему скорее для человека, чем для микроорганизмов, которые научились по-разному приспосабливаться к таким веществам. Действительно, как указывает в гл. 10 Эрлих, сами микроорганизмы способны осуществлять трансформацию тяжелых металлов в окружающей среде: выщелачивать металлы из руд в кислых рудничных стоках, изменять валентность металлов, как, например, при трансформации ртути в более или менее токсичные формы, а также при образовании таких особых форм скоплений металлов, как марганцевые конкреции. Земля и первые формы жизни на ней подвергались действию ЕЫСОКИХ доз радиации, прежде чем выделение кислорода не создало своего рода защитный экран против солнечного коротковолнового ультрафиолетового излучения. По нашей вине над нами вновь нависла угроза воздействия очень высоких доз радиации, прежде всего - ионизирующей. Как указывают Насим и Джеймс в гл. 11, микроорганизмы сильно отличаются друг от друга по своей устойчивости к радиации. Многие из них способны выдерживать дозы радиации, летальные для других форм жизни. Подобная устойчивость вызвана рядом факторов, наиболее важным из которых представляется способность микроорганизмов к репарации их ДНК, поврежденных облучением. Многообразие способов, при помощи которых микроорганизмы противостоят радиации, высокая скорость их размножения и способность существовать в защищенных микротрещинах и щелях могут сделать их последними обитателями на Земле или, напротив, первыми поселенцами на Земле, разрушенной атомной войной. В этой книге мы не рассматриваем еще одно условие, которое вполне обоснованно можно также считать экстремальным, а именно жизнь при очень низкой концентрации питательных веществ (Hanson, 1976)!. Многие микроорганизмы способны довольствоваться следовыми количествами питательных веществ, содержащихся в чистой воде в природе или даже в дистиллированной воде в лаборатории. До сих пор исследователи пренебрегали такими организмами, составляющими, возможно, весьма важную часть биоты, отдавая предпочтение тем микроорганизмам, которые размножаются гораздо быстрее, хотя и требуют больше пищи. В самом деле, многие организмы, существующие в экстремальных условиях, были несправедливо обойдены отчасти из-за трудностей, связанных с их изучением и получением пригодных для публикации результатов. Конечно, требуется большое терпение, для того чтобы исследовать микроорганизмы, при выращивании которых лаборатория наполняется паром, а крышки центрифуг покрываются солью; к тому же многие из них растут так медленно, что для проведения эксперимента требуются не часы, а недели; наконец, генетика этих организмов либо неизвестна, либо почти не поддается изучению. Однако упорство исследователя будет вознаграждено как удовлетворением от работы, так и свободным временем, остающимся для размышлений у того, кто не идет проторенной дорогой; кроме того, он будет, несомненно, восхищен необычностью этих микроорганизмов и теми весьма хитроумными способами, при помощи которых они приспосабливаются к столь широкому диапазону окружающих условий. Мы надеемся передать часть этого восхищения читателям настоящей книги. Основные разделы:
|