Невидимые друзья и враги

Глава 11 НЕВИДИМЫЕ ПОМОЩНИКИ

изнь возникает даже там, где мы совсем не предполагаем ее найти. Взгляните на скалы. Поверхность их издали кажется совсем гладкой. Но присмотритесь внимательнее — и вы увидите на ровной поверхности камня крошечные углубления, едва заметные трещины.

В каждое углубление, каждую трещинку попадает пыль, занесенная ветром. С пылью оседают и микробы; собираясь в каменной «пещерке», они дожидаются лучших времен. Но вот пройдут дожди, пыль в трещинах намокнет, и микробы тотчас начинают расти и размножаться. Своими ферментами они растворяют и углубляют стенки убежищ. Чем больше становится величина каменной «пещерки», тем больше может попасть в нее пыли и питательных веществ для микробов. Они размножаются все сильнее и больше.

Если дождя долго нет, микробы голодают, жизнь в них только теплится. Но рано или поздно капли дождя их вновь оживляют. Незаметно они завершают работу, начатую солнцем, ветром и водой.

Микробы, которые — каждый в отдельности — производят незаметную работу, в совокупности перетирают в труху обломки самых крепких горных пород.

Мертвая природа «оживает». На поверхности камня появляется тончайшая бурая пленка, результат работы микробов. Ученые называют ее «пустынным загаром». Это уже первый шаг к образованию почвы.

Так длились годы, десятилетия, века. Прошли миллионы лет. Появились первые наземные растения, мхи, травы, кустарники. Образовалась та живая почва, которая покрыла мертвые скалы, та почва, на которой произрастает сейчас вся растительность.

Микробов миллионы, а иногда и миллиарды в одном кубическом сантиметре почвы. Если обыкновенный наперсток наполнить почвой, то в нем окажется микробов больше, чем людей на всем земном шаре. И это не выдумка, потому что микробов можно сосчитать. Для этого надо растереть щепотку земли и отвесить один грамм. Затем развести в ста граммах воды и взболтать. Тогда в одном кубическом сантиметре этой болтушки будет 0,01 грамма растертой почвы. Разбавив еще раз кубический сантиметр этой болтушки и зная степень разбавления, надо вылить ее на твердую питательную среду. Когда вырастут колонии микробов, надо подсчитать их количество. Известно, что каждая колония вырастает из одной бактерии. Мы таким образом узнаем, сколько бактерий содержалось в грамме взятой почвы.

Например, если при разведении в 0,000001 выросло 85 колоний, то количество бактерий в 1 грамме почвы будет равно 85 миллионам (число колоний умножается на разбавление).

Проделав все это, легко убедиться, что в грамме почвы находятся миллионы, даже миллиарды микробов.

Перемешанные с частичками земли в почве, они образуют «микробный покров» — покров особый, живой, единственный в своем роде. В нем жизнь бьет ключом, то вспыхивая, то угасая. В нем растут, стареют и погибают микробы, оставляя после себя молодое поколение. Весь покров земли, вся его масса непрерывно обновляется, и новая жизнь сменяет угасшую.

Чтобы получить еще более реальное представление о живом покрове почвы, его можно взвесить. Ученые действительно не только подсчитывают, но и взвешивают микробов. Так, если взвесить «микробный покров» почвы толщиной в 25 сантиметров, с густотой, примерно, в пять миллиардов микробов в одном кубическом сантиметре на площади в один гектар, то он будет весить до трех тонн и более! Даже трудно поверить, что мы ступаем по такой «населенной» почве.

Микробный покров, как покрывало, окутывает весь земной шар. Только самый верхний слой почвы, освещаемый лучами солнца, почти лишен микробов, потому что они не выносят солнечной радиации.

Украинский ученый, академик Н. Г. Холодный, хотел увидеть невидимую жизнь почвы. Конечно, увидеть ее можно было только в микроскоп. Но нельзя было накопать немного почвы и рассматривать ее, потому что жизнь в ней могла быть нарушена. Надо было видеть ее в нетронутой почве.

И вот Н. Г. Холодный воткнул нож в почву и сделал в ней разрез. В него он вставил предметное стекло перпендикулярно к поверхности земли. Засыпав сверху разрез землей, он отметил этикеткой место, где находится стекло. Через 2–3 недели надо было его вынуть. Но как сделать, чтобы при этом со стекла не стерлось то, что на нем наросло?

Н. Г. Холодный нашел выход. С одной стороны закопанного стекла он вырыл ямку и в нее опрокинул стекло. Таким образом, на его верхней поверхности все сохранилось нетронутым. Вынув стекло из ямки, ученый положил его в банку с водой верхней стороной вниз. Большие частички земли отмокли и упали на дно банки. И тогда в микроскопе стало видно, что микробы в почве живут колониями — то небольшими, состоящими всего из нескольких клеток, то более крупными скоплениями.

Теперь можно было их сфотографировать, — конечно, специальным оптическим прибором: микроаппаратом, прикрепленным к окуляру микроскопа.

В другой раз Н. Г. Холодный наблюдал за жизнью в почве, как в кино. Для этого он взял небольшой кусочек почвы, немного его утрамбовал, чтобы сделать более плоским, и в центре вырезал маленькое круглое, наподобие колодца, отверстие. Поместив все это под объектив микроскопа, он стал наблюдать.

Вскоре из стенки «колодца» показалась какая-то ниточка. Извиваясь, она поползла на середину. Это проник сквозь стенку «колодца» грибок, живущий в небольшом кусочке почвы! Затем что-то живое появилось в другом месте. Живое потому, что оно росло, выпячиваясь в «колодец». Постепенно из стенки вылезла неопределенной формы продолговатая сероватая масса и медленно, все время меняя свои очертания, двинулась вперед. Это была амеба.

Советский ученый Н. А. Красильников сумел заглянуть в прикорневую жизнь микробов. Он выращивал растения в специально сделанных плоских стеклянных ящиках, наполненных песком или почвой.

Чтобы растущие корни стелились по стеклу и оставляли отпечатки, он устанавливал ящик наклонно, под углом в 40–45 градусов.

Корни, стремясь расти в вертикальном направлении вниз, коснувшись стекла, продолжали свой рост, плотно примыкая к его поверхности. В ящик, с внутренней стороны стеклянной стенки, под растущие корни на разных глубинах Красильников помещал предметные стекла.

Спустя некоторое время он их вынимал и рассматривал в микроскоп. Микробы росли не только колониями, но и беспорядочно. Колонии располагались на поверхности корней или вблизи от них, на корневых волосках и между ними. Местами они окутывали их, как муфтой.

Для того чтобы понять всю мощь прикорневой жизни, надо ясно представить себе корневую массу почвы. Нередко она видна на обрывистых речных берегах.

Цепляясь за землю, над обрывами повисают деревья. Извиваясь подобно щупальцам каких-то чудовищ, то выползая на поверхность, то прячась вглубь, их корни как бы ползут под откос и густыми зарослями окутывают почву. Комочки почвы, свисающие на корневищах, так тесно пронизаны мелкими, тончайшими корневыми волосками, что их с трудом удается стряхнуть.

Ученые измерили длину всех этих корней и получили ошеломляющие цифры. Оказалось, например, что один колос озимой ржи имеет общую длину корней (без волосков) 623,4 километра, то есть почти равную расстоянию от Москвы до Ленинграда. Волосков же на корнях одного растения насчитывается 14,3 миллиарда, а общая длина их составляет свыше 10 000 километров! И все это усеяно микробами.

Нет такого места на земле, где не было бы микробов. Они встречаются в самых крайних точках Арктики и Антарктики. Там, где почва оттаивает хотя бы на непродолжительное время, она заселяется в большей или меньшей степени микробами. Советские ученые взяли пробы песка из сыпучего бархана в пустыне Кара-Кум — в Средней Азии. И здесь в каждом наперстке песка находилось более полумиллиона разнообразных микроорганизмов. Откуда же они получают воду в сухих пустынях? Оказалось, что они способны усваивать воду, которая выпадает в виде росы. Но даже в таких местах, где роса выпадает редко, — например, на сухих каменистых плоскогорьях Памира, — микробы все-таки существуют. Их обнаружил здесь советский ученый В. О. Таусон. Он установил, что в абсолютно сухой период, продолжающийся шесть-восемь месяцев в году, микробы высыхают и находятся в состоянии скрытой жизни. Но как только такие высохшие микробы вновь оказываются во влажной среде, они впитывают в себя воду и оживают.

Живут микробы и в горячих ключах Камчатки, не боясь высокой температуры; найдены они и в нефти, и в пластах соли, и в каменном угле. Они буквально вездесущи!

Когда приходишь в палеонтологический музей, видишь вокруг кости и черепа «допотопных» животных, этих безмолвных свидетелей минувшей жизни, — невольно переносишься на несколько миллионов лет назад. Взглянешь откуда-то снизу на скелет десятиметрового динозавра и невольно чувствуешь себя ничтожной букашкой перед этим великаном. Пройдя в другие залы, вы убеждаетесь, что есть скелеты и побольше. Есть, например, одно животное, самое крупное из всех живых существ, обитавших когда-либо на земле, — диплодок, длина которого достигала тридцати метров. У него было 102 позвонка, некоторые из которых с успехом могли бы заменить нам табуретки.

Все эти животные когда-то бродили по болотам и лесным зарослям среди деревьев-великанов в 30–40 метров высоты, со стволами до двух метров в обхвате. Прожив свой век, чудовища умирали, и их мертвые тела падали на землю. Рушились и все высохшие или подгнившие деревья-исполины, которые уже были не в силах противостоять порывам ветра. И все эти трупы — животные и растительные — медленно и постепенно исчезали с поверхности Земли. Куда же исчезало все, что падало мертвым на поверхность почвы?

Главной составной частью живого организма является белок. Теперь известно, что в состав белковых молекул входят сотни и тысячи атомов углерода, водорода, кислорода и — обязательно — азота. Из этих атомов построены очень сложные и большие молекулы белка. Изучить их можно было, только разделив на составные части. Для этого исследователи брали куски кожи или мышцы, клали их в кислоту и кипятили до тех пор, пока они не исчезали. Такое сильное воздействие, как кипячение в кислоте, разрушало молекулы белка. Они распадались сначала на более или менее крупные частицы, а затем превращались уже в углекислоту, воду, кислород и содержащий азот аммиак.

То, чего химики добились в лабораториях, применив кипячение в кислоте, — давно, с возникновения жизни на Земле, делали и продолжают делать микробы в почве, не применяя ни кислоты, ни кипячения, одними так называемыми ферментами. Они сами их вырабатывают и пропитывают ими окружающие их органические вещества.

Ферменты, выделяемые микробами, обладают замечательным свойством: ничтожно малое их количество способно вызывать химические превращения больших масс того или иного вещества. При этом сами ферменты остаются химически неизмененными. Под их-то воздействием в почве всей нашей планеты и происходит непрестанное распадение молекул всего, что лишилось жизни.

Как слюна и другие пищеварительные соки переваривают, то есть разлагают, нашу пищу, так и микробы тоже «переваривают» своими ферментами окружающие их мертвые органические вещества с тем, чтобы сделать их съедобными для себя. Ведь примерно 20 процентов переработанных мертвых остатков они используют для своего питания.

Из микробов почвы каждый занимается своим делом. Одни разрушают белковые вещества и углеводы, другие заняты разложением растительной клетчатки (соломы, стеблей, корней).

Молекулы белков, углеводов, клетчатки, под действием микробных ферментов превращаются в углекислоту, воду, кислород и аммиак. Это все, что остается от умерших людей, погибших животных, засохших растений. Часть остатков в виде газов улетает в воздух. Другая — всасывается почвой. Так микробы расчищают земную поверхность от всего умершего.

Известно, что народная мудрость, основанная на жизненном опыте, нередко опережает научные достижения. Землепашцы, например, давно знали, что если не удобрить землю на полях, то она их не прокормит. Тщательно выгребая навоз из конюшен и хлевов, они берегут его с тем, чтобы ранней весной вывезти на поля.

Теперь эта тайна навоза разгадана. Оказалось, что почва в изобилии населена не только микробами-разрушителями, но и строителями органических веществ, по крайней мере тех первых «кирпичиков», из которых растения создают свои специфические растительные белки.

Давно, еще в XVI столетии, корабли европейских мореплавателей привозили из Индии, Китая и Америки какую-то белую соль, оказавшуюся очень ценной. Из белой соли, названной селитрой, стали делать порох. Позднее выяснилось, что за селитрой русским не было надобности ездить в заморские края — еще при Петре I ее умели добывать в России. Возле Астрахани есть даже село Селитряное, в котором ее изготовляли. Затем стало известно, что селитра — ценное удобрение и что она накапливается только там, где в растворах или в почве есть аммиак.

Ученые не раз повторяли один и тот же опыт. В жидкость с примесью аммиака бросали комочек земли. Когда в растворе размножались попавшие с землей микробы, аммиак постепенно исчезал, а взамен его появлялась селитра. Можно ли более убедительно доказать, что именно микробы образуют ее? Однако выделить таких микробов долго не удавалось.

Этот опыт неоднократно ставил и Сергей Николаевич Виноградский. И вот однажды он обратил внимание на слизистый осадок, образовавшийся на дне сосуда, в котором была жидкость с аммиаком. В осадке оказались бактерии, которые не росли на обычном для них питательном студне. Но как только из слизистого осадка они попадали в аммиак, так начинали размножаться и превращать аммиак в селитру.

Так в 1889 году русский ученый сделал важное открытие — обнаружил живые существа, питающиеся аммиаком. Они были названы «нитрофицирующими», от латинского слова «нитрум» — селитра.

Эти бактерии живут повсюду: в поле, на огороде или в лесу — везде, где есть остатки растений или животных. Они везде делают свое дело. Разлагая белки, превращают их в селитру. Селитра иногда накапливается в почве в огромном количестве. Например, в черноземной почве летом может образоваться до 1500 килограммов селитры на одном гектаре.

И это имеет огромное значение для жизни растений. Дело в том, что растения, окруженные воздушным океаном, три четверти веса которого составляет азот, не умеют добывать этот азот из воздуха. Если бы в почве не было растворимых соединений азота, в том числе и селитры, все растения погибли бы.

Еще в XVII веке ученые заметили, что на корнях всех бобовых растений (горох, бобы, клевер, вика, фасоль) есть особые вздутия — клубеньки.

В 1865 году русский ученый М. С. Воронин доказал, что в клетках этих вздутий, или клубеньков, находится большое количество бактерий. Их так и назвали клубеньковыми.

Это случай взаимопомощи, или товарищества, между растениями и микробами. Бобовые растения снабжают микробов крахмалом и сахаром, которые им очень полезны. Микробы же, в свою очередь, обладают особой силой, которой нет у растений, — они могут азот из воздуха соединять с другими элементами. И бобовое растение получает азотистые соединения, как будто в почве были сложены богатые запасы этих веществ.

То, что клубеньковые бактерии снабжают азотистыми соединениями бобовые растения, было доказано. Однако все попытки заставить их делать то же самое с другими растениями, например с пшеницей, потерпели полную неудачу.

Каким же азотом питаются другие растения?.. Нет ли микробов, которые переносят азот из воздуха в почву?

Этим вопросом задался русский ученый С. Н. Виноградский. Раздумывая над загадкой, ученый пришел к мысли, что микробы, способные усваивать азот из воздуха, смогут прожить в такой почве, в которой азота вовсе нет. Если так, то надо приготовить такую почву и посмотреть, не вырастет ли в ней какой-нибудь микроб.

И вот Виноградский приготовил питательный раствор, лишенный азотистых веществ, и опустил в него комочек садовой земли. Через несколько дней со дна колбы с раствором стали подниматься пузырьки газа. А еще через несколько дней вся поверхность жидкости покрылась матовой пленкой микроорганизмов. Среди них, конечно, были различные микробы, внесенные в колбу с комочком земли Сергей Николаевич осторожно извлек крошечную частицу пленки и поместил ее в другую колбу, также лишенную азотистых веществ. Расчет его заключался в том, что большинство микробов в таком растворе погибнет от азотного голода; выживут только те, которые способны усваивать его из воздуха. И вот после многократных переносов пленки последовательно из одной колбы в другую С. Н. Виноградский выделил овальной формы бактерию — она жила в почве возле корней растений, усваивая азот из воздуха. Он назвал ее «клостридиум».

Позднее голландский ученый М. Бейринг, применив методику Виноградского, нашел в почве еще одного азотусваивающего микроба и назвал его «азотобактер».

Теперь понятно, для чего нужен в почве навоз: микробы приготовляют пищу для растений.

Страшно подумать, что было бы, не будь микробов на Земле. Ведь без них не было бы ни гниения, ни брожения. Земля покрылась бы толстым многометровым слоем из погибших животных и растений. Ведь нашли же на Крайнем Севере, в вечно мерзлой почве, где нет микробов, целого мамонта, пролежавшего несколько тысяч лет.

Итак, микробиология приподняла завесу над одной из великих тайн природы — над тайной невидимых химиков, поддерживающих круговорот азота в природе.

Отмершие растения и животные попадают в распоряжение гнилостных бактерий. В результате гниения образуется аммиак. Под влиянием бактерий он превращается в соли азотной кислоты — селитру. Другие же бактерии превращают в азотные соединения азот из воздуха. Питаясь азотистой пищей, растения строят свой белок. Травоядные животные, питаясь растениями, перерабатывают его в животный белок. Человек, питаясь тем и другим, образует свой специфический белок. И затем все начинается сначала.

Не один только азот участвует в круговороте. Миллионы живых существ на земле выдыхают в атмосферу углекислоту. Зеленые листья растений улавливают ее с помощью световой энергии, превращают в сложные углеводы: крахмал, сахара, клетчатку — важнейшие источники питания каждого организма. Затем организмы погибают, разлагаются — и снова получается углекислота. Опять благодаря микробам все начинается сначала.

Таким образом, круговорот углерода в природе благодаря микробам не прекращается.

Взгляните вокруг себя: на дымящиеся трубы заводов и фабрик, на проносящиеся поезда, на корабли, бороздящие морские просторы. Везде сгорает уголь — и углерод вновь возвращается в ту атмосферу, из которой когда-то был извлечен.

Подобные сложные превращения происходят в почве и с другими веществами, необходимыми растениям: фосфором, серой, железом. Кругооборот каждого вещества «обслуживают» группы особых микробов. Одни разрушают животные белки на отдельные «кирпичики»: на фосфор, железо, серу. Другие готовят из них пищу растениям.

Весной на поверхности земли расцветают цветы, зеленеют деревья. Изо дня в день растет спрос на азотистую пищу. И, пока шумит листва, цветут травы, наливаются хлеба, у микробов много дела.

Но вот вступает в свои права осень. Жизнь начинает замирать. Листья становятся золотыми и осыпаются, на лугах стоит в стогах скошенная трава, хлеб с полей убран. Природа приготовилась к зимней спячке.

Но под землей микробам еще много работы. Им надо уничтожить корни отжившей растительности, превратить их в перегной, в новые запасы пищи для растений. Микробы должны все подготовить к весне, освободить место для новой жизни, для новых молодых корней. Они должны успеть это сделать до наступления холодов, пока землю еще не сковал мороз. Только с наступлением зимы жизнь под землей замирает на долгие месяцы.