Путешествие в страну микробов
Шрифт:
Углерод и энергия жизни
Нам уже известно, что углерод — один из важнейших биогенных элементов. Обычно он связан в соединениях, находящихся во всех клетках организма. Кроме того, мы встречаемся с ним и в атмосфере, где он входит в состав углекислого газа — важного сырья, используемого в процессе фотосинтеза. Связанный углерод содержат и такие горные породы, как известняк или доломит. Всех известных нам в природе углеродных соединений не меньше полумиллиона. Мы находим углерод в сырой нефти, подземных газах, минеральных водах, газообразных веществах, выделяемых вулканами. Но в природе углерод встречается и в чистом виде. Алмаз, самое твердое в природе вещество, — чистый кристаллический углерод. Каменный и древесный уголь, торф — все это формы углерода
При горении угля, торфа или древесины выделяется тепловая энергия. Это и есть та энергия, которая была «законсервирована» в соединениях углерода. При сгорании в присутствии кислорода эти соединения снова переходят в простые вещества — углекислый газ и воду, из которых они образовались.
Процесс «сгорания» происходит и в живых организмах. При этом освобождается энергия, используемая обычно в синтезе сложных соединений, например белков. «Сгорание» в клетках живых организмов идет значительно медленнее, чем при настоящем горении, так как, если бы тепловая энергия освободилась сразу в большом количестве, организм погиб бы. «Горение» осуществляется за счет постепенного разложения сложных сахаров на все более простые соединения, вплоть до конечных продуктов — воды и углекислого газа, уходящего в атмосферу. Огромную роль в этом процессе играют ферменты. При постепенном разложении сахаров скрытая в них энергия освобождается понемногу и клетки имеют возможность расходовать ее очень экономно, сообразно с потребностью организма.
Происходящий в живых клетках процесс разложения сложных сахаров на более простые соединения называется диссимиляцией. Если диссимиляция происходит при достаточном доступе кислорода, мы говорим о дыхании.
Другой пример диссимиляции — брожение, при котором клетка лишена достаточного количества кислорода. При спиртовом брожении образуется спирт, при молочнокислом — молочная кислота.
Чем питаются автотрофные микроорганизмы?
«Приверженцы» фотосинтеза находятся и среди микробов. Кроме зеленых водорослей, ассимилирующих углекислый газ подобно высшим растениям, сюда относятся еще и сине-зеленые водоросли. Это очень непритязательные микроорганизмы, которые не требуют для своего питания никаких органических соединений. Нередко их находят в толще известковых и других горных пород. В 1883 году на острове Кракатау, между Суматрой и Явой, произошло извержение вулкана, уничтожившее 36 000 человек и все живое на острове. Сине-зеленые водоросли были первыми живыми организмами, вновь появившимися здесь после грозной катастрофы.
Большая часть автотрофных микроорганизмов получает энергию, освобождающуюся в процессе химических реакций между некоторыми неорганическими соединениями. Особую группу составляют пурпурные и зеленые серобактерии, имеющие в клетках пигменты, которые напоминают по своим свойствам хлорофилл. В этих бактериях на свету осуществляется фотосинтез. В других серных бактериях, не имеющих красящих веществ, протекает лишь хемосинтез, при котором сероводород постепенно окисляется до серной кислоты.
При окислении сероводорода и превращении его в серную кислоту освобождается энергия, используемая серобактериями для синтеза сахаров. Нередко процесс окисления прекращается в начальных фазах, и тогда в клетках бактерий откладывается сера. В Черном море, содержащем огромное количество сероводорода, на глубине около 2000 м живут серобактерии, которые окисляют сероводород, препятствуя его проникновению в верхние слои, где этот газ сделал бы невозможным существование морских животных.
В железистых водах или в мелких болотах со стоячей водой живут автотрофные железобактерии, окисляющие соли закисного железа до окисных соединений с освобождением химической энергии. На поверхности болот образуется пленка из гидроокиси железа, придающая воде ржавый цвет.
Жизненная энергия
Зеленые растения, аккумулирующие при фотосинтезе энергию солнца, накапливают ее в форме химической энергии в сахарах, где она и сохраняется вплоть до их диссимиляции. Если растения станут пищей других организмов (в том
Энергия, освобождающаяся при диссимиляции сахаров, служит не только для внутренних потребностей клеток. Немалая ее часть излучается в окружающую среду в виде тепловой энергии. Такое освобождение тепла нам знакомо, например, когда разлагается влажное сено или конский навоз. Если влажное сено сложить в стога, в нем начнут размножаться бактерии и плесневые грибы, и температура будет повышаться, порой достигая 70 °C. Иногда в результате подобной жизнедеятельности бактерий образуются химические вещества, вызывающие самовозгорание сена.
Микробы и брожение
Происходящее под влиянием микробов превращение глюкозы в спирт или молочную кислоту — процесс очень сложный. Глюкоза при участии ферментов преобразуется, проходя целый ряд этапов, в «ключевое» соединение — пиро-виноградную кислоту, в молекуле которой ровно в два раза меньше углеродных атомов, чем в молекуле глюкозы. Эта кислота возникает при спиртовом, молочнокислом, а также при других типах брожения.
Количество энергии, выделяемое при разложении одного и того же количества глюкозы, зависит от степени распада вещества. Чем проще конечный продукт распада, тем большее количество энергии высвобождается. Максимальное ее количество выделяется при дыхании, когда углеводы разлагаются, окисляясь кислородом воздуха до углекислого газа и воды.
Соединения, образующиеся при разложении сахаров, по своему химическому составу бывают очень разные. Одни из них возникают в отсутствие кислорода, другие — только в его присутствии. При брожении сахаров с участием микробов образуются органические кислоты (молочная, масляная, лимонная, щавелевая), а также некоторые органические растворители (ацетон, бутиловый и пропиловый спирты и др.).
Микробы и гниение
Разложение сахаров, вызываемое микробами, мы назвали брожением. Но многие микробы участвуют и в разложении белков отмерших организмов или их выделений. Если в этом процессе используется кислород воздуха, белки распадаются на все более простые соединения, вплоть до минеральных (неорганических) веществ; тогда уже говорят о «минерализации» белков. Разложение в присутствии кислорода называется аэробным гниением. Его вызывают чаще всего грибы.
Анаэробное разложение, или гниение, белков происходит в отсутствие кислорода. Когда-то этот процесс считали чисто химическим, пока Пастер не доказал, что гниение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов. С процессами гниения мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Им подвержены все продукты, содержащие белки. Так, постоявшие несколько дней молоко или творог приобретают неприятный запах, что указывает на начало процесса гниения.
При разложении белков прежде всего высвобождаются аминокислоты, а уже из них аммиак, углекислый газ и сероводород. Нередко при гниении белков выделяются соединения с резким, неприятным запахом — индол и скатол, — содержащиеся в экскрементах. Они образуются в результате деятельности микроорганизмов, живущих в толстых кишках. К таким микроорганизмам относится и широко распространенная бактерия Proteus vulgaris. Ее родовое название говорит о сильной изменчивости этого микроба. (Протей в греческой мифологии был волшебником-великаном, по желанию изменявшим свой облик.)
Гниению подвержены захороненные трупы; при этом образуются сильноядовитые вещества, которые объединяют под общим названием птомаинов (от греческого слова ptoma — труп). Поскольку по своему химическому составу эти вещества схожи с растительными ядами — алкалоидами, в прошлом они нередко были причиной судебных ошибок: осуждали ни в чем не повинных людей за отравление только потому, что в мертвых телах находили сходные с алкалоидами птомаины, возникшие в результате жизнедеятельности микробов. Гниющие тела разлагаются под действием микроорганизмов до минеральных соединений; даже скелет, более устойчивый к гниению, и тот по прошествии длительного времени превращается в прах.