Удивительная биология

Вездесущие невидимки

В повседневных делах и заботах мы обычно не думаем о мириадах невидимых существ, которые сопутствуют нам на каждом шагу и буквально заполняют окружающий мир. И когда говорят о микробах, в нашем сознании прежде всего всплывает мысль о болезнях. Вероятно, где-то внутри нас живут воспоминания о трагических событиях прошлых столетий, когда чума и холера уносили тысячи и миллионы человеческих жизней, а оставшиеся в живых пребывали в паническом страхе перед неведомыми грозными врагами. После того как в XVII в. Антони ван Левенгук открыл мир невидимых существ, ученые вот уже 300 лет продолжают охотиться за микробами. Долгое время в микробах видели источник всех зол, но постепенно среди них были найдены не только враги, но и активные помощники человека. Теперь можно смело утверждать, что польза, приносимая микроорганизмами, превосходит причиняемый ими вред.

«Ломоть хорошо испеченного хлеба составляет одно из величайших изобретений человеческого ума», – сказал как-то К. А. Тимирязев. Не нужно забывать, что задолго до того, как виновники основных микробиологических процессов были открыты и изучены под микроскопом, они надежно служили людям. Веками подымалось в квашне тесто, молоко, прокисая, превращалось в простоквашу, в чанах бродило пиво, а из виноградного сока получалось вино, веселившее души наших предков.

Незримые союзники растений

Всем зеленым растениям необходима минеральная пища. Высасывая из почвы различные соли, они постепенно лишают ее плодородия. И если, например, из года в год на одном и том же поле высевать только рожь или пшеницу и не вносить никаких удобрений, то в конце концов собранного урожая и на семена не хватит.

Однако среди зеленых потребителей выделяется группа растений, которые не только берут из почвы нужные им вещества, но и обогащают ее одним из самых важных для всего живого элементом – азотом. Химическая промышленность всех стран мира, вместе взятых, производящая азотистые удобрения, не в силах тягаться с естественными подземными фабриками бобовых.

К этому надо добавить, что посев бобовых культур – самый экономичный способ вернуть почве плодородие. Ведь азот, накопленный этими культурами, по существу дармовой. Вот почему во всех странах мира широко практикуют севообороты, при которых посевы основной культуры (скажем, каких-нибудь зерновых) чередуют с посевами бобовых. О свойстве бобовых повышать плодородие почвы знали со времен классической древности. О нем писали Теофраст, Катон, Варрон, а Вергилий и Плиний даже указывали, что бобы, люпин и вика удобряют почву не хуже навоза, и давали практические рекомендации по их использованию. Однако все эти ученые и не подозревали, что «утучнению земли» способствуют не сами растения, а бактерии, поселяющиеся на их корнях. Об этом стало известно только в конце XIX в.

В почве обитает огромное количество разнообразных микробов. Каждый из них осуществляет какие-то важные превращения почвенных веществ путем брожения, окисления, синтеза. Есть среди них микробы, способные улавливать атмосферный азот и связывать его в молекулах сложных соединений (в науке этот процесс называют азотфиксацией). Одни из азотфиксаторов, например азотобактер или клостридиум, умеют это делать сами, живя в почве самостоятельно, другие – только в содружестве (симбиозе) с высшими растениями. Будущие симбионты активно проникают в корешки бобовых, образуя на них галлы – маленькие клубеньки. Корни, зараженные такими микробами, похожи на клубок ниток с множеством узелков. Поэтому микробы и называют клубеньковыми бактериями. Научное же название их – ризобии.

Большую часть своей жизни ризобии проводят в почве, ведя совершенно самостоятельный образ жизни. Подобно другим почвенным микроорганизмам, они питаются готовыми органическими веществами и никакого азота не фиксируют. Ризобии могут так просуществовать десятки лет в ожидании встречи с подходящим растением. Но как только счастливый случай представляется, они охотно расстаются со «свободой» и, проникнув в корни растения, строят на них свои домики-клубеньки. Тут-то ризобии и обретают свое чудесное свойство – начинают фиксировать азот.

Все начинается с проникновения бактерий в корневой волосок растения. Дотоле очень энергично передвигавшиеся с помощью жгутиков, они, войдя в контакт с волоском, вдруг перестают двигаться, одевают себя слизью и, готовясь к «штурму» корешка, образуют так называемую инфекционную нить. Через некоторое время покровы корешка в месте прикрепления этой нити разрушаются, и бактерии беспрепятственно вторгаются во внутренние ткани, вызывая их разрастание в виде клубеньков. Утратив жгутики и размножившись делением, все они через две-три недели после образования клубенька превращаются в более крупные клетки – бактероиды. В пору цветения растения-хозяина бактероиды заполняют собой весь клубенек.

Если разрезать зрелый клубенек, то внутри он окажется розовым из-за содержащегося в бактериях пигмента. По составу этот пигмент очень близок гемоглобину животных и назван леггемоглобином. Он и фиксирует газообразный азот. Все попытки обнаружить леггемоглобин в незараженных корешках и изолированной культуре ризобий дали отрицательные результаты. Он оказался продуктом их симбиотического союза. Что же касается основного активного начала азотфиксации – фермента нитрогеназы, то его несут с собой бактериальные клетки.

В однолетних бобовых клубеньки функционируют один сезон, в многолетних – несколько лет подряд. Но в конце концов и они стареют и отмирают. Старые клубеньки становятся темно-бурыми и дряблыми. При надрезе из них вытекает водянистая слизь, и они превращаются в сплошную кашу. Никаких бактероидных клеток в них уже не обнаружить, все они разрушены.

Тесное сожительство клубеньковых с корнями бобовых – пример одного из самых взаимовыгодных эндосимбиозов. Помимо азота, ри-зобии снабжают своего хозяина витаминами, а возможно, и ростовыми веществами; растение же кормит их тем, что в изобилии производит само, – углеводами. Однако первая встреча будущих симбионтов проходит отнюдь не дружелюбно. Бактерии идут в атаку, а растение активно обороняется. Основной способ его самозащиты заключается в том, что клетки корневых волосков усиленно делятся, очевидно, чтобы локализовать вторжение (в результате деления и образуются клубеньки). Кроме того, из волосков выделяются токсичные для бактерий вещества. При этом растение, реагируя на пришельцев, не делает никаких различий между ризобиями и какими-нибудь паразитическими микробами. Не говорит ли это о том, что некогда клубеньковые начинали свою симбиотическую «карьеру» с простого паразитизма? Между прочим, английский исследователь Н. Торнтол убедительно доказал, что если в почве нет бора, клубеньковые бактерии становятся настоящими паразитами своего растения-хозяина.

Однако с того момента, как бактерии принимаются за «работу» на пользу хозяину, между ними и растением устанавливаются мир и сотрудничество. Строятся они на самой глубокой и прочной основе – взаимодействии генов обоих симбионтов. Вопрос о том, кто же теперь управляет симбиозом, большинство ученых решает в пользу растения. Как-никак, а оно все-таки организм высший, и ему не подобает быть в подчинении у одних из самых примитивных существ-невидимок, с которых, возможно, начиналась жизнь на Земле.

Сначала думали, что ризобии не очень разборчивы в выборе растения-хозяина и могут поселяться на корнях любой бобовой культуры. Но потом оказалось, что, как и везде в живой природе, у них есть свои «вкусы» и «склонности». В зависимости от вида растения, на котором клубеньковые устраивают свое «жилье», они делятся на виды и расы. Кроме того, для жилья им подходит лишь десятая часть существующих бобовых растений (из 13 тыс. видов этого семейства клубеньки пока обнаружены у 1300, в том числе приблизительно у 200 сельскохозяйственных культур). К этому надо добавить, что среди ризобий есть и неэффективные расы, которые хотя и образуют клубеньки, но азот не фиксируют: в их клубеньках нет леггемоглобина. Следовательно, растение «даром» кормит своих «постояльцев».

Бобовые – не единственные «счастливчики», сумевшие заманить в свои сети микробов-азотфиксаторов. Кроме них сейчас известны еще 6 семейств высших цветковых растений, у которых на корнях также вырастают желанные розовые клубеньки. Только поселяются там не ризобии, а какие-то другие микроорганизмы, природа которых точно еще не установлена. Зато доподлинно известно, что в клубеньках ольхи, лоха и казуарины вместо бактерий живут актиномицеты. Они тоже умеют фиксировать атмосферный азот. А вот в коралловидных корнях (они отличаются тем, что растут не вниз, а вверх) австралийских саговников уже давно обнаружены сине-зеленые водоросли. Примечательны они тем, что способны улавливать азот, находясь как в корнях саговника, так и в изолированной культуре.

В отличие от клубеньковых бактерий, которые поселились в самих растениях, бесчисленные легионы их разнообразных сородичей окружают растения снаружи. Почва – их родной дом. Приведя все к одному масштабу, мы могли бы сказать, что в земле микробов во много раз больше, чем муравьев в муравейнике. По приблизительным подсчетам микробное население 1 г почвы может достигать нескольких миллиардов. Если вести расчет не по количеству, а по массе, то окажется, что в пахотном слое хорошо возделанной почвы на площади в 1 га живет от 300 до 3000 кг микроорганизмов. Общая же их масса на Земле в 25 раз превышает массу всех животных!

Если бы вдруг исчезли все почвенные микробы, то очень скоро, исчерпав запасы минеральных солей, погибли бы и растения. За ними последовали бы животные. Только благодаря неустанной работе этих бесконечно малых и в то же время бесконечно многочисленных существ на нашей планете незримо совершаются «великие дела».

Ни одно живое существо не способно «трудиться» с такой энергией, как микробы. За сутки они могут переработать количество пищи, в десятки раз превышающее их собственную массу. Поэтому только им и по силам вращать гигантские «маховики» круговорота веществ.

Кроме азота, микроорганизмы вносят в почву фосфор, калий, серу, магний, поставляют растениям витамины, ауксины, гиббереллины, антибиотики и многие другие важные для их жизни вещества.

Невидимки, населяющие почву, совсем не безразличны к растущим на ней травам, деревьям и кустарникам. Их, словно магнитом, так и притягивает к корням. Окружая корни со всех сторон, микроорганизмы создают вокруг них как бы сплошную живую муфту (ее называют ризосферой), которая почти полностью изолирует корни от земли. Фактически большую часть того, что растение извлекает из почвы, оно получает с помощью микробов, среди которых есть мастера любых «профессий».

Однако растение подпускает к себе далеко не всех почвенных обитателей. Оно отбирает лишь тех, с кем ему выгодно вступить в содружество. Корни активно сопротивляются «атакам» всевозможных болезнетворных микробов, и в этом им помогают друзья-симбионты.

Содружество с растениями не ограничивается ризосферой. Микробы поселяются на листьях, ветвях и стеблях, образуя так называемую эпифитную микрофлору. Их незримый мир окружает будущее растение с первых шагов его вступления в жизнь. Толпы бактерий, точно заботливые няньки, берут на свое попечение прорастающие семена. Американский физиолог А. Ровир определил, что на пяти сухих семенах овса существовало 3 тыс. микробов. Через день, когда они набухли, микробов на них стало уже 58 тыс., а еще через три дня, когда они наклюнулись, – 840 тыс.! Обосновавшись на проростке, микробы начинают выделять незаменимые для его развития соединения – витамины, аминокислоты, антибиотики, разные ростовые вещества. Для микробов это во многом продукты выделения, так сказать, «шлаки», а для растения – важнейшие стимуляторы роста.

По-видимому, 40 % всех микроскопических обитателей проростков так или иначе помогают их развитию. Существует даже гипотеза, что большей частью своих гормонов роста – ауксинов растение обязано окружающей микрофлоре. Веществ этих много не нужно. Ведь они выполняют роль катализаторов, действующих в ничтожно малых количествах. Правда, когда растение вырастает, оно и само начинает вырабатывать гормоны.

Те же ауксины и витамины вырабатываются микробами, поселяющимися на листьях, которые сразу же эти вещества и поглощают. В Индии растет интересное растение – паветта. На ее листьях микробактерии образуют желвачки, аналогичные клубенькам бобовых. В желвачках происходит фиксация азота воздуха. Получается, что растения «одеты» микробами «с ног до головы» и постоянно обмениваются с ними разными веществами через все свои органы и ткани. Здоровая листва не хуже корня способна дать отпор пришельцам-вредителям и укрепить иммунитет растения благодаря союзу с полезными обитателями. Кроме того, против разносчиков инфекции у нее есть еще одно оружие – фитонциды, которые попутно стоят на страже и нашего здоровья.

Невидимки внутри нас

Человек рождается свободным от микробов. Но стоит новорожденному сделать первый вздох и открыть рот, чтобы возвестить миру о своем появлении на свет, как вездесущие бактерии вторгаются внутрь его организма и отныне получают в нем постоянную прописку.

К концу первых суток жизни ребенок уже заселен 12 видами бактерий. На третий – седьмой день они проникают в его кишечник. По мере дальнейшего взросления ребенка его микробное население быстро растет. В организме взрослого человека оно представлено уже сотнями видов, численность которых достигает астрономических цифр. Так, в 1 см3содержимого желудка в среднем обитает 25 тыс. бактерий, а в 1 г содержимого толстых кишок их можно насчитать до 30—40 млрд! Мало где еще в природе встретишь столь высокую плотность живых существ. Специалисты выделяют среди микробных обитателей желудка и кишечника до 250 видов.

Но не надо пугаться такого обилия бактерий. Для нашего кишечника это совершенно нормальное явление. Его мирные сожители не только не причиняют нам ни малейшего вреда, но многие из них бдительно охраняют наше здоровье, помогая в борьбе со случайно попавшими в организм болезнетворными микробами – дизентерийными, брюшнотифозными, гнилостными и прочими. Другие обитатели кишечника синтезируют необходимые для нас витамины, аминокислоты и ферменты. Мы поглощаем эти вещества вместе с их производителями, но бактерии размножаются быстрее, чем мы успеваем их «съедать».

Как говорит русская пословица, «что имеем – не храним, потерявши – плачем». Всю пользу микросимбионтов начинаешь сознавать только лишившись их. Чаще всего это случается, когда, не спросясь врача, мы при первом же недомогании принимаемся глотать антибиотики. Для большинства микробов, поселившихся в животе, – это яд, которого они не переносят. В результате вместе с вторгшимися носителями инфекции гибнут и наши друзья. Теперь проникшие в организм вредные микроорганизмы не встречают сопротивления и начинают усиленно размножаться. Так возникают разные осложнения, нередко оказывающиеся серьезнее основного заболевания.

Полезная микрофлора есть и в кишечнике большинства зверей, птиц, рыб, насекомых и т. д., где она выполняет примерно те же функции. А результаты опытов на мышах и крысах позволили лишний раз убедиться в ее значении и для здоровья человека.

В одном из экспериментов мышей оградили от возможности заразиться патогенными микробами. Микрофлора их кишечника резко отличалась тем, что содержала много полезных молочнокислых бактерий, однако в ней совсем не было потенциально хотя и болезнетворных (в случаях сильного размножения), но и в то же время обычных представителей кишечной флоры – кишечной палочки, бактерий родов протей и псевдомонас. Мыши быстро росли и проявляли большую устойчивость к бактериальным ядам. Стоило дать им пенициллин (или тетрациклин) и заразить чистой культурой кишечной палочки, как, судя по экскрементам, эти бактерии вместе с энтерококками очень быстро вытеснили молочнокислые бактерии. В результате мыши стали терять в весе.

Значение бактерий-симбионтов было ясно продемонстрировано на крысах с убитой микрофлорой, которым давали корм, лишенный то одного, то другого витамина. Так, при отсутствии витамина K, необходимого для нормальной свертываемости крови, у них через неделю возникали кровотечения, которые прекращались, как только им вводили кишечную палочку или сарцину. Если крысам не давали тиамина (витамина В1), но позволяли поедать свои экскременты, то все оставалось нормальным. Стоило их лишить такой возможности, как у них начинали развиваться болезненные симптомы – исключительно от нехватки этого витамина.

Что за странность, скажете вы, поедать собственные испражнения?! Не иначе как поголовное патологическое извращение, вполне достойное этих многими презираемых тварей. Однако если поинтересоваться, где у крыс живут бактерии-симбионты, этот врожденный «порок» получит ясное и простое объяснение. У большинства животных бактериальная флора концентрируется в желудке или в основной части кишечника, где происходит всасывание пищи. У крыс же она сосредоточена главным образом в задней кишке, то есть уже позади зоны максимального всасывания. Вот и получается, что все витамины, выработанные бактериями, попадают в экскременты и вместе с ними выводятся наружу. Чтобы эти витамины даром не пропадали, животные и вынуждены исправлять оплошность природы – заглатывать в качестве витаминизированных «пилюль» собственные экскременты.

Можно сказать, что жизнь наших буренок и вообще рогатого скота целиком зависит от микробного населения их желудка. Не было бы у них симбионтов – не быть бы им сытыми травой и не быть жвачными!

Из школьного курса зоологии многие, наверное, помнят, какой большой и сложно устроенный желудок у коров. Четыре пятых его объема занимает самый важный первый отдел – рубец. Вместимость рубца около 100 л. Фактически это огромный бактериальный бродильный чан. В нем растительная пища, смешанная со слюной, в течение 12 ч остается всецело во власти богатого микробного населения. Желудочный же сок выделяется у коровы только в последнем отделе желудка – сычуге.

Благодаря ферментам главных обитателей рубца – руминококков, бактероидов и бутиривибрионов, «работающих» без доступа кислорода, основа растительной пищи – клетчатка, или целлюлоза, разлагается на сравнительно простые продукты, которые тут же всасываются стенками рубца. Микробы снабжают животное белками и всеми необходимыми витаминами. Поэтому жвачные могут нормально расти и существовать без белковой пищи. Коровам можно давать, например, в качестве источника азота такой дешевый продукт, как мочевина. Из нее эндосимбионты сами вырабатывают нужный их хозяину белок, причем он ничем не хуже белка, содержащегося в пищевых продуктах. Кормовые белки бактериального происхождения давно выпускаются промышленностью.

Вместе с бактериями в рубце жвачных обитает несколько родов жгутиконосцев и инфузорий, которые больше нигде в природе не встречаются (исключая пищеварительный тракт бегемотов и лошадей). Они тоже способны расщеплять клетчатку и вносят свой вклад в общее дело.

Спустимся теперь сразу на много ступенек вниз по «животной лестнице» и присмотримся повнимательнее к насекомым. У них микросимбионтов для изучения более чем достаточно.

Давно известно, что тараканы могут месяцами, а то и всю жизнь питаться бумагой, тряпьем, ватой, картоном, оставаясь при этом абсолютно здоровыми и продолжая регулярно размножаться. Что это за удивительная способность? И какие питательные вещества могут быть в бумаге?

Разгадка секрета все та же. В кишечнике тараканов обитает масса помощников-симбионтов, облегчающих суровую жизнь своих хозяев. Это всевозможные микробы и простейшие. Бактериями, кроме того, буквально забита часть клеток (их называют мицетоцитами) так называемого жирового тела, активно участвующих в обмене веществ. А у самок они концентрируются также в яичнике, где незадолго до откладки кокона ими заражаются яйца. Молодые личинки, едва появившиеся на свет, уже заражены бактериями в полном ассортименте.

От бактерий зависит еще одно удивительное свойство тараканов, которого нет у высших животных: они способны использовать для постройки своего тела минеральную серу. Насекомым специально добавляли в пищу сульфаты, содержащие радиоактивный изотоп серы. Вскоре такую меченую серу находили уже в составе их белков. Прусаки, лишенные симбионтов, подобную способность утрачивали.

Еще интереснее симбиоз у близких родственников тараканов – термитов. Термиты способны питаться древесиной благодаря помощи жгутиконосцев. Впервые об этом поведал миру в начале 30-х гг. ХХ в. американский протозоолог Лемюэль Кливленд. Его открытие было подлинной научной сенсацией, которая неожиданно привлекла к миру шестиногих внимание многих исследователей с совершенно новой стороны. Теперь стало легче подбирать ключи к тайнам однообразного «меню» других насекомых, потому что руководящая идея уже была найдена и торжествовала: надо искать симбионтов!

Термиты «отвели» для своих постояльцев заднюю кишку. Она у них сильно расширена и буквально набита жгутиконосцами, бактериями и спирохетами. Большинство видов этих жгутиконосцев нигде, кроме как у термитов (и еще одного вида тараканов), до сих пор не обнаружено.

Кливленд убивал жгутиконосцев, помещая термитов на несколько часов в камеру с повышенным давлением и достаточным количеством кислорода, что не причиняло насекомым непосредственного вреда, но губительно воздействовало на жгутиконосцев. Таких термитов он продолжал кормить обычной пищей – древесными опилками и фильтровальной бумагой, соблюдая и прочие необходимые условия. Через две-три недели все подопытные термиты, лишенные жгутиконосцев, погибли. Смерть удавалось предотвратить, если в садок к неполноценным насекомым подсаживали несколько нормальных, у которых те слизывали капельки выделений из задней кишки. Жизнь термитов можно было также продлить, давая им глюкозу.

Вывод, сделанный из этих опытов, совершенно очевиден: жгутиконосцы играют в жизни термитов ту же роль, что бактерии у жвачных. Кливленду удалось даже наблюдать в микроскоп, как эти неутомимые «работяги» захватывали кусочки древесины. Затем из их компании выделили первый вид из рода трихомонас и заставили его расти в специальной среде вне тела хозяина. От него получили и чистый фермент, разлагающий клетчатку, – целлюлозу. Секрет питания термитов был окончательно раскрыт.

Ученые стали изучать симбионтов обстоятельнее и, в частности, обратили внимание на одного жгутиконосца, выделенного из австралийских термитов. Кажется, весь он покрыт жгутиками. На переднем конце клетки торчит пучок из четырех жгутиков, которые постоянно колышутся. Исследователи рассмотрели жгутики в электронный микроскоп – и тут их ждало открытие. Оказалось, что из четырех жгутиков только один, самый длинный, действительно настоящий и принадлежит этому одноклеточному существу; остальные три – вовсе не жгутики, а отдельные бактериоподобные организмы, прозванные за спиральную форму тела спирохетами.

Подобными организмами оказались и все остальные «жгутики», покрывающие клетку симбионта. По поверхности этой клетки выстроились небольшие выросты в виде полукруглых петелек. С задней стороны на них сидит по одной спирохете, с передней – по одной бактерии-палочке. Внутри самого жгутиконосца обитают еще какие-то бактерии.

О назначении обоих типов бактерий ничего не известно. Что же касается спирохет, то они играют роль основных «двигателей»: с помощью их волнообразных движений, каким-то образом точно скоординированных, жгутиконосец энергично передвигается.

Странного симбионта со «жгутиками», «смонтированными» из других организмов, удачно назвали «миксотриха парадокса», что в переводе с латинского означает «парадоксальный организм с разными жгутиками». С его открытием обнаружилось, что симбиоз строится у термитов как бы в два «этажа» и по своей идее напоминает русскую матрешку: внутри главной фигуры симбиоза – термита – обитают жгутиконосцы, а внутри и на теле жгутиконосцев – бактерии и спирохеты.

Примерно в то же время, когда открыли этот двойной симбиоз у термитов (казавшийся тогда уникальным), была разгадана и непонятная способность тараканов довольствоваться скудной диетой. Тогда же обратили внимание на их тропических сородичей, питающихся одной древесиной. В их задней кишке без особого труда обнаружили массу бактерий, а у крупного яванского таракана панестии прибежищем для бактерий служила передняя кишка.

Но если у тараканов клетчатку помогают переваривать бактерии, то, может быть, и у термитов главные помощники – не сами жгутиконосцы, а их микробы? Тем более, что термиты и тараканы – довольно близкие родственники. Действительно, вопрос этот возник сразу, однако окончательный ответ на него до сих пор не получен. Судя по некоторым фактам, бактерии жгутиконосцев не остаются простыми «нахлебниками»: они доступными только им средствами помогают своим хозяевам в их нелегком «труде».

В дополнение ко всем рассказанным «чудесам» из жизни термитов стоит еще отметить, что в этих с виду жалких обитателях темных подземелий, лишенных радости видеть красоту мира, обнаружены еще и бактерии-азот-фиксаторы, поставляющие им материал для постройки белков.

«Дружба» с грибами

У самых разных насекомых – да и не только у них – были открыты и описаны сотни всевозможных симбионтов. Выяснилось, что без микроскопических квартирантов не могут обходиться клопы, вши, комары, мошки, клещи и даже некоторые пиявки – все те животные, которые питаются кровью. Лучше всех в этом убедила ученых африканская муха цеце.

То, что кровососы действительно нуждаются в определенных сожителях, можно косвенно подтвердить, сравнивая их с ближайшими сородичами, для которых кровь – не постоянная пища. У многих таких сородичей сожителей нет. Все дело в том, что в крови животных и человека кровососам не хватает витаминов и еще некоторых веществ, необходимых им для роста. Все это они и получают от своих симбионтов.

В симбионты выбираются чаще всего актиномицеты, или дрожжи. Еще в начале прошлого века немецкий протистолог Фриц Шаудин обнаружил в теле обыкновенного комара особые мешкообразные расширения пищевода, заполненные грибками. Допущены они сюда не про сто так. Когда комар вонзает свой тонкий хоботок в кожу человека, он делает сильное дыхательное движение, повышает давление собственной крови и с силой впрыскивает в ранку небольшую порцию слюны, углекислого газа, выделенного грибками, и часть самих грибков. Углекислота препятствует свертыванию крови, а грибки, попавшие в ранку, благодаря особым ферментам увеличивают приток крови к хоботку комара и вызывают на коже сильное местное раздражение. Под действием выделяемых грибками веществ на месте укуса вскакивает зудящий волдырь. Роль грибков в этом деле Шаудин доказал вполне убедительно: вводя в кожу тонкую иглу, смоченную эмульсией из комариных грибков, он искусственно получал точно такие же волдыри. Значит, грибки, обильно размножающиеся в пищеводе комара, несут вполне определенную функцию – облегчают ему сосание крови.

А вот пример участия грибков во вредном для человека симбиозе другого типа. В природе широко распространен особый гриб, поражающий мякоть яблок плодовой гнилью. Яблоками питается и жук казарка. Вместе с мякотью он поедает также споры гриба, которые, пройдя через его кишечник, остаются невредимыми. Для откладки яиц самка казарки выгрызает в здоровых плодах небольшие камеры, в каждую из которых помещает по одному яйцу. Проделав эту операцию, она замуровывает камеру экскрементами, в которых содержатся споры грибов. Так, откладывая яйца, казарка одновременно заражает яблоки плодовой гнилью. Одна самка производит до 200 яиц. Дней через 5-10 из них выходят личинки, которые начинают питаться мякотью загнивающего плода и проделывают в нем свои ходы. Важно подчеркнуть, что в плодах, не пораженных грибом, личинки жить не могут. Заражая плоды, казарка способствует расселению гриба. Оба симбионта – и гриб и насекомое – извлекают из своего сожительства взаимную выгоду.

В организме одних насекомых нет подходящего укромного места для симбионтов, и тем приходится жить прямо в кишечнике хозяев. У других от кишок отходят слепые выросты – аппендиксы, очень удобные для поселения симбионтов. Есть они у многих жуков, например майского, у личинок мух, мошек и сверчков. Как не воспользоваться этими тихими, спокойными «затонами» вблизи напряженно бурлящего тракта, по которому день и ночь течет пищевая лавина!

Сначала скрытая жизнь в таких «затонах» была изучена у птиц и зверей. Выяснилось, что аппендикс играет у них жизненно важную роль в питании. Если, например, удалить этот орган у петуха и посадить его исключительно на растительную пищу, то, сколько бы он ни ел отборного зерна, его скорая гибель неминуема. У глухарей, тетеревов и рябчиков аппендиксы ничуть не короче самого кишечника. Такие размеры слепых кишок связаны с тем, что в течение долгой зимы эти птицы кормятся только хвоей, почками, клюквой и брусникой: переваривать все это помогают симбионты.

Однако многие насекомые, у которых нет аппендиксов, «выделили» для своих постояльцев специальные клетки – мицетоциты и даже «сгруппировали» их в отдельные «микробные органы» – мицетомы. И те и другие у насекомых сильно увеличены. Мицетомы хорошо развиты у клопов, тлей, вшей, у мухи цеце, у цикад и цикадок, а также у клещей.

Когда-то, в очень давние геологические времена, микробные клетки и органы возникли как форма защиты от инфекции. С течением эволюции они закрепились наследственно и стали нормальной составной частью организма. Следовательно, все подобные образования насекомых – это свидетельства их давних и прочных «дружественных связей» с полезными микробами и простейшими.

Ближайшие родственники бактерий – грибы. Они, как и бактерии, не имеют зеленой окраски, поскольку в них нет хлорофилла – зеленого пигмента, с помощью которого растения усваивают из воздуха углекислый газ и строят из него и воды органические питательные вещества. Поэтому грибы обитают в такой среде, из которой они могут брать уже готовые питательные вещества.

Грибы – самая загадочная группа современных организмов, и их классификация связана с наибольшими трудностями. Близость грибов к животным подтверждается данными биохимии: у них обнаруживается сходство по многим путям азотного обмена, первичной структуре цитохромов и транспортных рибонуклеиновых кислот.

Уже давно высказывалось предположение, что грибы в широком их понимании не представляют собой естественной систематической группы и, возможно, имеют разное происхождение. Так ряд ученых исключает из грибов миксомицеты (слизистые грибы, или слизевики). Одни авторы, начиная с русского ботаника Х. Я. Гоби (1884) и немецкого ботаника Г. А. Де Бари (1887), выводят происхождение миксомицетов от жгутиконосных простейших, другие относят их к простейшим. Более того, некоторые микологи высказываются за сборный характер миксомицетов, разные группы которых происходят от разных жгутиконосных предков. Окончательно не решен также вопрос, к какому из двух основных царств организмов грибы стоят ближе всего – к животным или растениям. Еще в 1874 г. немецкий ученый Ю. Сакс выдвинул предположение, что миксомицеты произошли от паразитирующих красных водорослей. Кое-кто из современных микологов, основываясь главным образом на морфологических данных, согласен с ним и тоже высказывается за происхождение аскомицетов и базидиомицетов (классы высших грибов) от красных водорослей, однако большинство микологов считает сходство с красными водорослями результатом конвергенции и склоняется к происхождению истинных грибов от миксомицетов, а через них – от простейших.

«Зловредный» вирус

В 1887 г. в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались сложным абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно краска, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.

На место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д. И. Ивановский (1864—1903). Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Просмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10—15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Так Ивановский стал родоначальником новой науки – вирусологии…

С тех пор, как были открыты вирусы, прошло немало времени. Но споры вокруг них не прекращаются. Главный вопрос: «Являются ли вирусы живыми?» Ответ двоякий:

· · если считать живой структуру, содержащую нуклеиновые кислоты и способную воспроизводить себя, то можно принять точку зрения, что вирусы живые;

· · если считать, что живой является только структура, имеющая клеточное строение, то тогда вирусы – неживая форма материи (полимеры).

А. Ленинджер в «Биохимии» рассматривает вирусы как структуры, стоящие на пороге жизни и представляющие собой устойчивые надмолекулярные комплексы, содержащие молекулу нуклеиновой кислоты и большое число белковых субъединиц, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. Среди важнейших свойств вирусов он отмечает:

· неспособность к самовоспроизведению в виде чистых препаратов;

· способность управления своей репликацией (зараженной клеткой);

· широкие вариации вирусов по размерам, по форме и по химическому составу.

Вирусы находятся на самой границе между живым и неживым. Это свидетельствует о существовании непрерывного спектра усложняющегося органического мира, который начинается с простых молекул и заканчивается сложнейшими системами клеток.

Ближайшие соседи вирусов – хламидии, риккетсии, отчасти микоплазмы. Долгое время этих паразитов роднила с вирусами неспособность размножаться на искусственных средах, фильтруемость. Однако исследования показали, что по химическому составу и строению они сходны с бактериями.

У клеток животных, растений и бактерий в отличие от вирусов есть двухслойная мембрана, отделяющая клетку от внешнего мира. У вирусов мембраны нет. У растительных клеток и бактерий (в том числе хламидий и риккетсий), кроме того, имеется еще и клеточная стенка – «панцирь», в который заключена клетка. У микоплазм есть только мембрана. Бактерии размножаются путем бинарного (пополам) деления. У вирусов совершенно иной путь размножения. Таким образом, эти «соседи» – не родственники вирусов. Между ними – глубокая пропасть: нет ни переходных, ни промежуточных форм.

В то же время соседи вирусов – биологические полимеры и субструктуры клетки. В природе в свободном виде их нет. Общее у них с составными элементами вирусов то, что все они – полимеры. Относительно ближе к вирусам некоторые клеточные органеллы: митохондрии и рибосомы.

«Настоящие» соседи вирусов – фильтрующиеся, реплицирующиеся агенты (прионы). Нуклеиновых кислот они не содержат, но способны запускать свой собственный синтез, используя генетическую информацию клетки-хозяина. Эти агенты вызывают медленно прогрессирующие болезни у человека и животных. У растений известно 11 природных заболеваний (например бугорчатая болезнь картофеля), вызываемых вирусоподобными агентами. Эти агенты, представляющие собой маленькие кольцевые РНК, не содержащие ни структурного белка, ни мембраны, отнесли в группу вириовидов.

А. Ленинджер так описывает процесс инфицирования: «В присутствии РНК-содержащих вирусов рибосомы клетки-хозяина предпочтительно связываются не с молекулами РНК клетки-хозяина, а с молекулами вирусной РНК. Эти последние начинают теперь функционировать в качестве матриц для синтеза белка вирусной оболочки, а также для синтеза некоторых дополнительных ферментов, требующихся для репликации других структурных компонентов вируса, и в частности самой вирусной РНК».

Атака начинается с прикрепления хвостов нескольких десятков фагов вирусов, поражающих бактерии, к определенной части бактериальной стенки. Тотчас же лизоцим растворяет клеточную мембрану. Аппарат хвоста вируса действует наподобие шприца: «мышцы» сокращаются, и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Верхняя «одежда» вируса – белковый чехол – остается снаружи клетки. Так завершается «оккупация» бактерий фагами. Этот процесс длится всего несколько минут.

Нуклеиновая кислота играет главную роль в воспроизведении фага. Это было доказано немецкими учеными в опытах по гибридизации вирусов. Однако не все вирусы так агрессивны, как фаги, не у всех есть хвост с набором необходимых для взлома клетки инструментов. Как же в этих случаях вирус проникает на чужую территорию?

Как ни парадоксально, в этих случаях сама клетка осуществляет внедрение вирусов – она как бы заглатывает их. Вспомним, что на протяжении эволюции у клеток выработался механизм активного захвата из окружающей среды различных твердых частиц (фагоцитоз) и капелек жидкости (пиноцитоз). Этот механизм играет большую роль в нормальной жизнедеятельности клетки. В случае же встречи с вирусом происходит как бы «самоубийство» клетки. В клетке, инфицированной вирусом, вследствие его размножения нарушается обмен веществ. Каждая инфицированная одним вирусом клетка производит около 2 тыс. новых вирусов. Вирусы могут вызывать либо хроническую, либо острую инфекцию. В первом случае вирус, проникший в клетку, не выдает своего присутствия. Соответственно, и инфицированная клетка по виду не отличается от нормальной. Вирус может интегрироваться в ДНК клетки и при делении передаваться ее потомству. Следовательно, клетка при делении воспроизводит вирус. Интегрированный вирус невозможно обнаружить и выделить из клетки.

В опытах in vitro на культивируемых клетках человека удалось воспроизвести хроническую инфекцию вирусом гриппа. Оказалось, что через несколько поколений в культивируемых клетках признаки заражения постепенно исчезали. В конце концов вирус пропадал и долго не проявлял своего присутствия. Но затем внезапно наступала быстрая гибель клеток, свидетельствующая о неожиданном «возвращении» вируса. «Беглец» изменился, стал агрессивнее, приобрел новые губительные для клеток свойства. Изменились и клетки. Они приобрели способность к безудержному росту, то есть стали злокачественными.

Новые данные породили новые вопросы. Интегрируется ли на самом деле геном вируса в геном клетки? Почему вирус повторно активизируется и выходит из «подполья»?

Дальнейшие исследования провели на субклеточных структурах, выделенных из клеток, инфицированных арбовирусами. Арбовируса-ми называют вирусы четырех семейств (тогавирусы, буньявирусы, реовирусы и рабдовирусы), передающиеся при укусе кровососущими насекомыми. Нормальный арбовирус состоит из трех частей: нуклеиновой кислоты – РНК и двух оболочек (внутренней белковой и внешней белково-липидной). Внутреннюю оболочку образуют специфические белки, а внешнюю – наружная мембрана клетки.

У субклеточных структур – незрелых вирусов – нет оболочки. Они состоят только из вирусной РНК и специфических вирусных белков и представляют собой так называемые рибонуклеопротеиды (РНП) – комплексы нуклеиновой кислоты и белка. Впоследствии было открыто, что РНП вызывает инфицирование. При выделении субклеточных структур из инфицированных клеток было получено еще три типа РНП. При введении в здоровые клетки все четыре типа РНП вызывали образование нормальных вирусов.

Как объяснить полученные результаты? Вирусологи предположили, что, кроме истинно вирусного комплекса, состоящего из РНК-вирусного белка, были получены гибридные РНП-молекулярные химеры, у которых нуклеиновая кислота прикрыта не только вирусными белками, но и клеточными. Для доказательства этого предположения из нормальных вирусов выделили РНК, добавили ее к белкам неинфицированных клеток и получили РНП.

При внедрении чужеродного белка организм человека вырабатывает защитные антитела, способные найти и нейтрализовать «пришельца». Гораздо сложнее антителам найти и обезвредить псевдовирус – гибридный РНП. Гибридные РНП приобретают выраженную устойчивость к их действию. Не исключено, что именно этим объясняется устойчивость незначительной доли вирусов к действию антител и в естественных условиях.

Однако не все так безнадежно. Клетки содержат ферменты нуклеазы, расщепляющие попавшие в них, в клетки, нуклеиновые кислоты. Нуклеазы не могут расщепить нуклеиновую кислоту, находящуюся в комплексе с белками. Но при заражении клеток вирус «раздевается», оставляя «белковый плащ» снаружи. Кроме того, при вирусной инфекции активность нуклеаз возрастает, поэтому теоретически они могут атаковать и расщепить «голую» вирусную нуклеиновую кислоту.

Тем не менее вирусные инфекции возможны из-за способности нуклеиновой кислоты вируса образовывать гибридные комплексы с клеточными белками, защищающими ее от нуклеаз.

Вряд ли кто скажет доброе слово о вирусах. Такие вирусные болезни, как оспа, грипп, полиомиелит, желтая лихорадка и масса других унесли миллионы человеческих жизней.

Для борьбы с вирусными заболеваниями и открытия новых возможностей использования свойств вирусов необходимы глубокие исследования в области биологии вирусов, молекулярной биологии, иммунологии, биохимии, биофизики и других наук.

«Сияющие» малютки

Одно из самых замечательных и поражающих наблюдателя явлений в море – его свечение. Можно часами любоваться, сидя ночью на берегу Черного моря, как вспыхивает яркими искрами набегающая на берег волна. Так же прекрасен ночью оставляемый идущим кораблем след, то загорающийся яркими огоньками, то вспыхивающий какими-то голубыми шарами. Спокойные яркие звезды сверкают на южном бархатном небе. Столь же яркие, то вспыхивающие, то гаснущие холодные огни в море будто отражают небесный свод. В более теплых морях подобное свечение бывает настолько сильным, что издали кажется заревом большого пожара, – его можно даже заснять на фотопленку.

Люди наблюдали свечение моря с незапамятных времен. С наступлением темноты поверхность моря начинает вдруг фосфоресцировать, озаряясь холодным искрящимся сиянием. Если набежавший ветерок подымет легкое волнение, сияние разгорается, словно прогоревшие угли, на которые подули.

Кто только не восторгался этим романтическим явлением природы: Крузенштерн и Беллинсгаузен, Дарвин и Гоген, Гончаров и Римский-Корсаков, Амундсен и Хейердал… Но лишь сравнительно недавно ученые твердо установили, что всю эту «лучезарную романтику» в море создают живые существа – и очень разные. Чаще всего море засвечивают мелкие планктонные организмы перидинеи-ночесветки и веслоногие рачки (особенно эуфаузииды). Они сияют то зеленоватым, то голубоватым, а то и оранжево-красным светом.

Вот как, например, описывал И. А. Гончаров во «Фрегате „Палла-да“ свечение перидиней у берегов Японии: „Штиль, погода прекрасная: ясно и тепло… Множество красной икры, точно толченый кирпич, пятнами покрывает в разных местах море. Икра эта сияет по ночам нестерпимым фосфорическим блеском. Вчера свет был так силен, что из-под судна как будто вырывалось пламя; даже на парусах отражалось зарево, сзади кормы стелется широкая огненная улица; кругом темно…“. Красной икрой Гончаров назвал перидиней-ночесветок, у которых фосфоресцируют их липоидные вещества.

Перидинеи вызывают свечение не только валов прибоя и его пены, заливающей берега. Прибрежный песок или снег, пропитанные содержащей перидиней морской водой, светятся там, где на них ступает нога путника: он оставляет за собой в ночной темноте цепочку ярко горящих следов. Свечение смоченного морской водой снега характерно и для Шпицбергена, и для островов Де-Лонга. В Альпах и на Севере обширные снежные равнины нередко имеют красный, зеленый, синий или коричневый цвет. Это объясняется тем, что на снегу могут в массовых количествах развиваться различные окрашенные жгутиковые: красные гемато-коккус пульвиалис, зеленые хламидомонас нивалис и другие.

Свет, как известно, привлекает морских животных, и этим издавна пользуются рыбаки. Стаи рыб устремляются ночью к месту свечения в расчете поживиться теми, кто светится. При этом, как всякий движущийся в воде предмет, они еще больше усиливают сияние вод и тем невольно выдают свое присутствие. Опытный глаз рыбака легко различает очертания стаи рыб, следы всплесков акул и даже кашалотов, ныряющих за рыбой. По пульсирующим вспышкам, быстро бегущим по воде, нетрудно опознать дальневосточных кальмаров, которые сами, однако, не светятся.

Животных можно привлечь и искусственным светом. У берегов Индии, Индокитая, Северной Африки, на Адриатике – в тех тропических и умеренно теплых морях, где особенно часто бывает свечение, при ночной ловле рыбы используют факелы. В Средиземном море мерцающие огни газовых светильников, зажигаемых на рыболовных судах, видны во мраке на многие мили вокруг. На их свет лучше всего идут стайные рыбы – сельдь и кефаль.

Для увеличения улова рыбаки островов моря Банда в Индонезии в качестве наживки используют светоносную железу маленькой рыбки – фотоблефарона, а жители Сесимбра на юго-западе Португалии – кусочки сильно пахнущего мяса собачьей акулы, обмазанные желтой светящейся жидкостью, получаемой из поджелудочной железы макруруса.

Круг животных, способных устраивать «иллюминацию», очень широк. Это многие бактерии, перидинеи, радиолярии, медузы, гребневики, черви, ракообразные, голожаберные, двустворчатые и особенно головоногие моллюски, морские звезды, голотурии, офиуры, сальпы, пирозомы, рыбы.

Светящиеся бактерии играют двойную роль. Они могут создавать разлитое «молочное» свечение, когда живут в море самостоятельно (правда, их там негусто), а могут «озарять» других животных, когда поселяются в их специальных органах, подобных мицетомам насекомых. Животные же, излучающие свет, делятся на две группы: у одних свет от симбиотических бактерий, у других – свой собственный. Вторых в природе, по-видимому, намного больше, чем первых, но решить, у кого из морских обитателей какой природы свет, совсем не просто. Во-первых, сплошь и рядом трудно выделить предполагаемых виновников свечения; во-вторых, часто бактерии, казалось бы, пойманные «с поличным», будучи извлеченными из своих хозяев, тут же «гаснут». Пока что симбиотическая природа люминесценции достоверно установлена только у рыб, каракатиц и кальмаров.

В мелководных бухтах японского побережья живет окунек моноцен-трис, размерами и формой тела напоминающий кедровую шишку. На нижней челюсти у него сидит пара сравнительно несложно устроенных светящихся органов – фотокоров, способных испускать свет несколько часов подряд. В каждом их них есть небольшая камера, где скапливается жидкость с бактериями-светлячками. Камера сообщается с окружающей средой. В момент опасности рыбка выпрыскивает ее содержимое в воду и исчезает из поля зрения преследователя под прикрытием светящегося облачка.

В морях, омывающих Индию и Большие Зондские острова, на рифах и вдоль берегов обитают две совершенно необычные рыбки – аномалопс и фотоблефарон. У них под глазами сидят, словно огромные бородавки, какие-то странные вздутия бобовидной формы. Описавший их еще в 1920 г. крупнейший американский специалист по светящимся животным Ньютон Гарвей доказал, что эти «бородавки» представляют собой светоносные органы, заполненные люминесцирующими бактериями.

Зеленоватый свет, испускаемый фотофорами аномалопса круглые сутки, все время пульсирует: 10 с он горит, а 5 – «выключен». Ночью он напоминает отражение луны, как бы колышущееся на легких волнах. Стайка же фотоблефаронов, обосновавшаяся между прибрежными камнями, создает впечатление, будто воду подсветили гирляндой маленьких мигающих лампочек. Свет одной из этих рыбок бывает настолько силен, что при окружающей полной темноте позволяет рассмотреть стрелки карманных часов на расстоянии 2 м от рыбы.

Светоносные бактерии поселились на голове аномалопса и фото-блефарона, видимо, в очень давние времена. С той поры рыбы успели «отрастить» для них специальные вместилища и, чтобы с толком для себя использовать их благодатное сияние, «возвели» на бактериальных вместилищах фотофоры-прожекторы очень сложного устройства.

Фотофоры состоят из многочисленных железистых трубочек, открывающихся своими наружными концами в подкожные полости бобовидного органа, лежащего сразу под глазом. Полости снабжены микроскопическими отверстиями, через которые они сообщаются с внешней средой. Пространство между трубочками прoнизано кровеносными капиллярами. На внутренних концах трубочек сидят особые клетки, заполненные блестящими кристаллами гуанина. Они выполняют роль маленьких зеркал, отражающих свет. Далее идет светонепроницаемый слой, сложенный из черных пигментных клеток (хроматофоров).

Есть рыбы, пользующиеся свечением бактерий для приманивания добычи. С этой целью многочисленная семья удильщиков обзавелась еще настоящей рыболовной снастью и, похоже, достигла в ее строении предельной изощренности.

В морях, омывающих Европу, а у нас – в Баренцевом и Черном, на глубине от 50 до 200 м обитает рыба лягва, или морской черт, достигающая полутора метров в длину. Прозвана она так за свой несуразный и совсем не рыбий вид. Действительно, тело лягвы производит впечатление какого-то обрубка, куска мяса, из которого природа словно только начала лепить что-то живое. Зато сколь совершенна ее «удочка»!

Первый луч спинного плавника у морского черта сильно удлинился, сдвинулся на голову, ближе ко рту, и превратился в великолепное удилище, на конце которого сидит «приманка» – маленький светящийся шарик. В нем и помещаются светоносные бактерии.

Почти всю свою жизнь лягва проводит на рыбалке, притаившись среди камней и водорослей и выставив наружу волнообразно извивающийся конец удилища. Часами может пролежать она совершенно неподвижно в ожидании своей жертвы. Бурая окраска хищника сливается с окружающим фоном и делает его совершенно незаметным. Но лягва не дремлет. Ее глаза, вращающиеся независимо друг от друга, как у хамелеона, зорко следят за всем, что происходит вокруг: один смотрит в одну сторону, другой – в другую.

Вот к соблазнительно шевелящейся перед самой пастью морского черта приманке приближается какая-то рыба. Ей кажется, будто перед ней извивается светящийся червь. Не успев его клюнуть, незадачливая рыба оказывается в огромной зубастой пасти чудовища. Захват происходит с молниеносной быстротой, неуловимой для человеческого глаза.

Сейчас известно свыше 250 видов удильщиков, большинство из которых живет на больших глубинах. У каждого своя оригинальная «удочка». Есть удочки короткие и длинные, толстые и тонкие, жесткие и гибкие, простые и складные. У одних удильщиков они чуть ли не в 10 раз длиннее тела, у других только кажутся короткими, но могут, словно резиновые, растягиваться до такой же длины. Светящаяся на конце удочки приманка похожа на зажженный фонарик, сидящий на длинном шнуре. Внутри «фонарика» имеется полость, поделенная на ячейки и заполненная слизью с плавающими в ней бактериями. Полость выстлана прозрачными, собирающими свет клетками, а снаружи одета черным покровом из пигментированных клеток. Когда эти клетки сокращаются, свет через образовавшиеся промежутки свободно пробивается наружу.

Удильщики знамениты еще одним свойством. Все, что сказано об их «рыболовных снастях», относится исключительно к самкам. Самцы у них крошечные, по массе во много тысяч раз меньше своих подруг, и живут как паразиты, прочно прирастая к телу самок. При этом у них исчезают челюсти, глаза, кишечник и прочие органы, кроме кровеносной и дыхательной систем и, конечно, органов размножения. Понятно, что при такой ситуации чем самец меньше, тем лучше. Впрочем, самки совсем не в проигрыше: в нужный момент, когда созреет икра, самцы оказываются у них «под рукой», и искать супруга во мраке бездны не приходится. Самцы же находят своих избранниц, пользуясь в основном своим феноменальным обонянием. Возможно, им в этом помогают и светящиеся «фонарики» самок.

Железы с бактериями-светлячками обнаружены у многих морских рыб, относящихся к девяти семействам. В каких только частях тела они не помещаются! На голове, на нижней челюсти, на брюхе, вокруг пищевода, внутри пасти, вдоль боковой линии, возле прямой кишки и даже на хвосте! Вероятно, немало случаев аналогичного симбиоза у рыб еще предстоит открыть.

Большой специалист по части светящихся животных японец И. Ханеда описал маленькую стайную рыбку лейогнатус, водящуюся в Индийском и Тихом океанах. Железа с неугасимым «огнем» у нее кольцом обхватывает пищевод. Светящиеся бактерии, заглатываемые рыбкой вместе с морской водой, через пищевод проникают в эту железу. Испускаемое бактериями сияние, пройдя сквозь прозрачные мышцы лейогнатуса, создает иллюзию зажженной молочно-белой лампочки. Если рыбку потревожить, она начинает светиться еще ярче и при этом издает какие-то хриплые звуки. У рыбки газы, тоже изученной Ханедой, светящаяся железа расположена там же, но испускаемые ею лучи падают на плавательный пузырь, который одновременно служит рефлектором.

Каракатицы, кальмары и осьминоги всегда поражают своими огромными сложными глазами. Подобно тому как соцветие складывается из множества отдельных цветков, так и глаза этих моллюсков «сложены» из сотен и тысяч мелких глазков. Собранные воедино, они обеспечивают животному хорошее зрение. Казалось бы, зачем вообще кальмарам и осьминогам глаза, коль скоро большинство из них живет на больших глубинах, где царит вечный мрак?

Оказывается, у многих глубоководных видов имеются мощные фотофоры прожекторного типа, причем не менее сложно устроенные, чем глаза. Ими животное освещает себе путь. Но в этих органах нет желез с бактериями, и они светятся своим собственным светом. Однако наряду с «прожекторами» кальмары и осьминоги приобрели также мешочки с бактериями, а зачастую и необходимый арсенал линз, рефлекторов и т. п. Чаще всего такие мешочки помещаются в мантийной полости и испускают спокойный, ровный свет.

Многочисленных туристов издавна влечет в японский залив Тояма полюбоваться ярко-голубым свечением маленького кальмара ватазении. Весной, в пору размножения, он устраивает сказочную иллюминацию чуть ли не по всему заливу. Светящиеся органы разбросаны у него повсюду – на нижней стороне головы, на брюшных щупальцах, в мантийной полости, воронке; место для них нашлось даже на глазах.

Именно кальмары и каракатицы сумели использовать свет бактерий для дезориентации своих врагов. Днем они устраивают «дымовую завесу», а ночью и на больших глубинах выпускают слизь со светоносными бактериями, создающими легкое облачко искрящихся огоньков.

У каракатиц, например сепиол, светящийся мешочек тесно связан с чернильной железой. Он или прилегает к ней снаружи, или помещается в ее углублении. Благодаря такому устройству некоторые каракатицы, когда нужно «потушить свет», выделяют в мантийную полость несколько капель чернил; растекаясь по мешочку с бактериями, они создают на время затемнение.

Любопытно, что одни виды каракатиц передают драгоценные бактерии своему потомству через скорлуповые железы, другие, по-видимому, заражаются ими прямо через морскую воду. Впрочем, случается, что подобной лучезарной «инфекцией» на время «заражаются» и такие морские обитатели, которые специальных жилищ для бактерий не приготовили.

С чем же связана таинственная способность морских животных и бактерий испускать свет? Установлено, что у первых имеется особое жироподобное вещество люциферин, содержащее фосфор и способное окисляться, и фермент люцифераза, который ему в этом помогает. При окислении люциферин и начинает «фосфоресцировать». Естественно, что для свечения нужен кислород. Чем больше его в воде, тем ярче свет. Предполагают, что те же вещества заставляют сиять и симбиотические бактерии, хотя до сих пор их не удалось выделить.

Бактериальный свет достаточно силен. Световые возможности малюток оценены с математической точностью. Чтобы составить о них наглядное представление, достаточно такого примера. Если бы можно было тонким слоем культуры светлячков покрыть купол собора св. Петра в Риме, то на площади перед собором было бы светло, как в лунную ночь. Известны даже случаи, когда залы музеев освещали стеклянными колбами, в которые наливали культуру светоносных бактерий.

Нужен ли свет самим бактериям? По крайней мере, для поддержания жизни он не требуется. Ученые считают свет побочным результатом их основной жизнедеятельности, особым проявлением бактериального дыхания. Иными словами, не светясь, бактерии не могли бы дышать.

«Детективы» микромира

Амебы нередко поедают друг друга. Удавалось наблюдать, как амеба веррукоза заглатывала нитчатые водоросли, превосходившие ее длиной во много раз. При этом амеба помещалась на средней части нити, обволакивая ее, и растекалась по длине водоросли; конец нити она сгибала в петлю. Затем амеба снова растекалась, но уже со всех сторон охваченной нити, и снова ее скручивала; это повторялось до тех пор, пока животное не втянуло в себя целиком всю нить, скрученную в клубок. Американскому биологу Г. С. Дженнингсу (1868—1947) довелось увидеть, как амеба «охотилась» за шаровидной цистой эвглены. Амеба догоняла шарик, а он от нее каждый раз откатывался – и так далее; амеба выпускала то одну тонкую длинную псевдоподию (ложноножку: временный вырост, используемый для увлажнения и захватывания), то две короткие; охота продолжалась некоторое время, причем амеба много раз меняла свою форму; кончилось все тем, что добычу угнала инфузория.

Дженнингс приводит и иллюстрирует такой случай. Одна амеба схватила (если можно так выразиться) другую. Жертва разорвалась пополам, и передняя половина уползла. Поскольку псевдоподии у победительницы сомкнулись не полностью, то, когда она изменила направление своего движения, добыча выскользнула и стала уползать. Нападавшая амеба направилась вдогонку ускользнувшей добыче и начала ее заглатывать. Так было два раза. Наконец, почти заглоченная амеба все же выскользнула и ушла.

Не только высокоорганизованные животные объединяются вместе для охоты на крупную добычу. Крошечные солнечники (одноклеточные организмы), временно соединяясь в группы по 10—20 особей, нападают даже на многоклеточных – коловраток, мелких рачков. Прикасаясь к добыче аксоподиями (у солнечника так называют ложноножки), они парализуют ее, а потом уже поедают. После совместного переваривания добычи солнечники вновь расходятся. Пример жгутиконосцев убеждает, что даже простейшие, эти самые примитивные животные, все тело которых состоит из одной крохотной клетки, могут давать приют еще более мелким и просто организованным живым существам.

Действительно, в простейших сплошь и рядом поселяются водоросли, грибы, бактерии, риккетсии и вирусы. Конечно, не все такие квартиранты приносят хозяевам ощутимую пользу (ведь среди них есть и паразиты!) и могут быть названы добрым именем «симбионты», то есть организмы, находящиеся во взаимно полезных друг для друга отношениях. Чаще всего о пользе вообще ничего не известно по той простой причине, что их еще никто не изучал. Однако и полезные, и вредные, с нашей человеческой точки зрения, сожители ведут себя довольно скромно и внешне мало чем себя проявляют.

Но, изучая жизнь парамеций (род инфузорий) аурелий, исследователи столкнулись с необычным явлением. Некоторые их расы убивали парамеций других рас того же вида, когда их пробовали содержать вместе. Сначала думали, что парамеции из расы «убийц» выделяют в воду какие-то ядовитые вещества, перед которыми их жертвы беззащитны. Однако никаких подобных веществ обнаружить не удалось. Истинное оружие парамеций-убийц открыл американский протозоолог Трейси Соннеборн. Им оказались какие-то загадочные микроскопические существа, погруженные в цитоплазму клетки-хозяина. Приступив к их обстоятельному изучению, Соннеборн вскоре убедился, что по своим свойствам они не могут быть отнесены ни к одной из известных групп микроорганизмов, и назвал их нейтрально – каппа-частицами.

Каппа-частицы бывают двух типов. Частицы одного типа содержат одно или несколько преломляющих телец (R-тела), благодаря которым они так и сверкают под микроскопом. Их называют поэтому В-частицами (от англ. bright – «светлый», «блестящий»). Частицы другого типа таких телец не содержат, выглядят темными и называются N-частица-ми (от nonbright – «неблестящий»).

Оба типа частиц сходны и по строению, и по биохимическому составу. Но способностью убивать «чужие» парамеции обладают только В-частицы, да и то далеко не все. И вот что удивительно: парамецию заражают и превращают в убийцу N-частицы, способные делиться. Из них, очевидно, каким-то образом и образуются блестящие В-частицы.

Поскольку в В-частицы входят R-тела, на них теперь и перекладывают всю вину за «кровожадность» агрессивных рас парамеций. Опыты показали, что заглатывание обычной, «мирной» парамецией преломляющего тельца не проходит безнаказанно: у нее после этого возникают явные признаки «отравления». С помощью электронного микроскопа удалось разглядеть, что преломляющее тельце представляет собой ленту, скрученную в тугую пружину, которая может при определенных условиях мгновенно развернуться и нанести сильный удар. Некоторые специалисты считают, что акт убийства как раз и связан с этим внезапным раскручиванием.

Каппа-частицы задали ученым немало задач. Самый главный вопрос: если это живые организмы (а сомнений в этом, кажется, ни у кого не возникало), то куда их отнести – к водорослям, риккетсиям, бактериям или вирусам? Тут-то, пожалуй, полностью оправдывается поговорка: «Сколько людей, столько и мнений».

Действительно, суждения о природе каппа-частиц были и остаются самыми различными. Говорит это только о том, что перед нами что-то совершенно особое. Многое свидетельствует как будто об их сходстве с бактериями – размер, внешняя форма, химический состав, способность размножаться делением. Как и у бактерий, у каппа-частиц нет ядра. Но в отличие от бактерий у них нет и клеточной оболочки, почти или совсем нет ферментов, а хроматиновые вещества не отделены от цитоплазмы. Получается, что они намного примитивнее бактерий. От рик-кетсий и особенно вирусов каппа-частицы отличаются прежде всего более крупными размерами. Зато их поведение во многом напоминает поведение вирусов бактерий-бактериофагов, точнее, их неинфекционных зачатков – профагов.

Подобно профагам, каппа-частицы прочно соединены с наследственным аппаратом парамеции. Они дают ей иммунитет против угрозы со стороны других парамеций, влияют на ее обмен веществ. Но в отличие от профага, включенного в бактериальную хромосому, каппа-частицы диктуют свою генетическую «волю», находясь в цитоплазме хозяина. Долгое время их считали особыми органеллами парамеций – плазмогенами. Кроме того, новые фаговые частицы появляются на свет ценой гибели взрастившей их бактериальной клетки, а только что образовавшиеся каппа-частицы, выбираясь на волю, оставляют парамецию целой и невредимой. Все это характеризует каппа-частицы как в высшей степени загадочных эндосимбионтов. (Эндосимбиоз – сожительство двух форм, при котором одно животное обитает в теле другого).

Судьбы каппа-частиц и парамеций неразрывны, и, как было сказано выше, эта неразрывность закреплена наследственно. Каппа-частицы стали известны как первые носители так называемой цитоплазмаической наследственности, которой до их открытия не могли найти правильного объяснения. Впрочем, иногда хозяин начинает проявлять независимость, но она оборачивается для него пагубными последствиями. Случается, что под воздействием парамеций размножение каппа-частиц сильно замедляется, отставая от размножения хозяина. Тогда молодые парамеции, освободившиеся от симбионтов, рискуют каждую минуту стать жертвой каннибализма своих зараженных сородичей. Выходит, что каппа-частицы превратились в необходимое средство личной безопасности. Кто их не имеет, обречен на гибель.

У парамеции аурелии были открыты и более крупные, похожие на каппа, частицы, которые получили название лямбда-частиц. Они также выступают в роли убийц, причем остаются смертоносными даже тогда, когда их выделяют из тела хозяина. Но в дополнение к этому основному свойству лямбда-частицы, по-видимому, еще и снабжают парамецию-хозяина витамином – фолиевой кислотой. Возможно, на нечто подобное способны и каппа-частицы. Если это будет доказано окончательно, то загадочный симбиоз каннибалов обогатится мирным, пищевым содержанием.

Содружество с микробоподобными частицами свойственно не одним парамециям. Подобный симбиоз был открыт, например, у флагелляты критидии, которая паразитирует в кишечнике клопов, живущих на латуке. В клетке критидии обычно обитает лишь пара похожих на бактерии телец, которые размножаются простым делением. То, что их не становится больше, объясняется, очевидно, тем, что размножением телец, как и у парамеций, заведует клетка-хозяин. Впрочем, в опытах при определенных условиях их удавалось заставить плодиться с такой быстротой, что, переполнив тело критидии, они приводили ее к гибели. В последнее время в парамециях и других одноклеточных обнаружили массу новых, не менее таинственных частиц. Пожалуй, в простейших их оказалось больше, чем в ядре атома. По традиции эти частицы обозначают греческими буквами альфа, бета, мю, пи, эпсилон и т. д. Есть опасение, что если описание «незнакомок» из симбиотического микромира будет продолжаться такими же темпами, то в греческом алфавите для них скоро не хватит букв.

Из всех существующих в природе микросимбионтов микробные частицы простейших, обозначаемые греческими буквами, – самые интересные. Они влекут к себе исследователей, во-первых, заманчивой перспективой проникновения в сокровенные глубины живого микромира и, во-вторых, вполне реальной возможностью заставить частицы, подобно многим «настоящим» микроорганизмам, служить не только парамециям, но и человеку.