О самых маленьких

Мир микробов известен с XVII в. Но об их способностях разлагать растительные остатки, минералы, создавать сложнейшие природные полимеры, гумусовые вещества, вызывать болезни и смерть животных, людей узнали лишь в XIX столетии. И этим мы обязаны не только Пастеру и Коху, но и исследованиям Костычева и Докучаева. Именно Докучаеву принадлежит создание первой в истории науки программы исследований микроорганизмов в почве. И сделать это он смог только благодаря открытиям Костычева. Надо признать, что основатель генетического почвоведения в этой области уступил приоритет своему вечному оппоненту.

Если Пастер видел в большинстве микробов убийц, то Костычев значительно шире смотрел на их деятельность. Более того, русский ученый отводил им роль скорее созидателей, нежели разрушителей. Их главным творением он считал гумус. "Перегной представляет собой не мертвую массу, но в каждой клетке дышит жизнью в разнообразных ее проявлениях; в нем происходят не только процессы разложения сложных органических соединений, но вместе с тем и процессы образования сложных соединений из простейших, - отмечал Костычев, - ...решающее значение имеют не мертвые химические агенты, а живые существа, начиная с землероев и кончая микроскопически малыми простейшими, грибками и бактериями" [Костычев, 1951, с. 17].

Всего несколько строчек потребовалось выдающемуся ученому, чтобы начертать схему производства сложнейшего природного вещества и указать на главных его созидателей. Впрочем, даже он не смог представить, как широка сфера влияния этих мельчайших из существ. Мы узнали об их деятельности в вулканических пеплах и корах выветривания. Метасоматоз также происходит не без. участия микробов. Действительно, что им стоит проникнуть в цель между минералами толщиной 0,1-5 см? Выходит, глины обязаны своим рождением еще и бактериям? Безусловно. Более того, микроорганизмы одними из первых заселяют неуютные обломки горных пород. В неприхотливости с ними могут поспорить разве что лишайники. Трудно бывает установить, кто кому подготавливает жилье. Там, где появляется корочка сине-зеленого цвета, можно найти и колонии микрофлоры. Вместе они - могучая сила, способная разрушить кристаллическую решетку минерала. Так, диатомовые водоросли разъедают полевой шпат. Бактерии могут даже переделать глины на свой вкус. Известны случаи, когда они превращали каолин в жидкую слизь. И тем не менее самая ювелирная работа микроорганизмов - синтез перегноя.

Известный советский почвовед М. М. Кононова так описывала этот процесс: "Растительные остатки - очень сложные по химическому составу соединения. Сразу перейти из одного состояния в другое они не могут, поэтому бактерии подготавливают их для будущих реакций. Они разбивают природные полимеры па простые составляющие: пептиды, аминокислоты и т. д. Другие микробы выделяют ферменты, ускоряющие реакцию распада. Далее идет объединение осколков прежних молекул в новые образования. В зависимости от природных условий рождаются примитивные соединения типа перегноя тайги и тундры или более сложные степные типы гумуса" [Кононова, 1963, с. 65].

Простое сравнение результатов работы этих "крошек" на севере или юге показывает, что они живут и действуют, подчиняясь законам зональности. Правда, сей факт был признан еще 100 лет назад. А дальше... дальше требовалась все та же перепись микробного населения почвы. Если жуков и червей можно было увидеть невооруженным глазом, то с бактериями все обстояло гораздо сложнее.

Еще в начале нашего столетия ученые пользовались так называемым методом микробиологических реакций, при котором в учет принимался лишь конечный продукт работы бактерий. Такая обезличка хотя и позволяла выявить почвы, где микрофлора активна, а где нет, но сами труженики оставались вне поля зрения специалистов. В своих последних работах Костычев предлагал вместо абстрактных микроорганизмов исследовать конкретные группы и виды, чтобы оценить вклад каждой из них в создание почвы.

Одной из первых приманок при охоте за микробами были агары. Это вещество, получаемое из морских водорослей, содержит много полисахаридов, и многие сластены, населяющие подвалы биосферы, не могут устоять перед таким искушением. Сегодня количество приманок заметно возросло. Бульоны готовятся уже на мясе, желатине, в них часто добавляют аммиак, крахмал. А когда требуется приманка попостнее, применяют экстракт из почвенных соков. Впрочем, наживки меняются не только от почвы к почве. Иногда, чтобы выманить из них как можно больше представителей микромира, используют по очереди все известные среды. Но случается, что разнообразие и питательность предлагаемых специалистами блюд вызывают совершенно обратную реакцию. На них вырастают какие-то малочисленные, с неясным строением колонии микроорганизмов. Так произошло и при открытии проактиномицетов из рода Nocardia. На жирных приманках вырастали колонии, напоминающие скопления бактерий (ближайших родственников актиномицетов). Но достаточно было вместить кусочек испытуемой почвы в среду, где микроорганизмы могли довольствоваться лишь небольшим количеством органических соединений, и группы Nacardia переставали маскироваться. Широкий ассортимент наживок не всегда шел на пользу дела. Конечно, для поиска экзотических микроорганизмов требовались новые агары. Но чем больше способов ловли становилось известно ученым, тем сильнее у них было желание разработать один-единственный универсальный метод. Лет двадцать назад советский микробиолог А. А. Имшенецкий открыл продукт, любимый почти всеми жителями подземного микромира. Им оказался печеночный экстракт. Его популярность у населения подвалов биосферы была так велика, что печенку решили использовать при исследовании лунного грунта. Увы, на этот раз эксперимент не дал никаких результатов. "Почва" нашего естественного спутника оказалась мертва [Мишустин, 1975].

Агары и другие питательные среды помогли познакомиться со многими видами микроорганизмов и выяснить их склонности. Удалось найти специалистов по разложению и восстановлению различных соединений азота и углерода, любителей клетчатки и пр.

Охота с приманкой имела и свои недостатки. Численность бактерий и других малюток с ее помощью устанавливалась лишь приблизительно, до порядка. Перепись почвенных микроорганизмов требовала иных методов. А что если воспользоваться микроскопом? Такую мысль еще в 1924 г. высказал известный советский ученый С. И. Виноградский. Первые наблюдения опрокинули представления о численности микробов. До сих пор анализы питательных сред показывали, что в 1 г почвы их несколько миллионов. Но оптический микроскоп дал иные результаты - более миллиарда.

С появлением электронных микроскопов связаны новые открытия в микромире почв. Увеличение в десятки и сотни тысяч раз дало возможность узнать о неизвестных формах, а общая численность микрофлоры возросла еще на несколько порядков. Однако агары не были преданы забвению. Напротив, они хорошо дополняли наблюдения под микроскопом. Ведь с помощью простого созерцания не получишь исчерпывающей информации о микроорганизмах. Да и живые клетки на предметном стекле почти невозможно отличить от мертвых.

Сегодня микроскопы и агары - одни из самых распространенных способов оценки микромира почвы, но не единственные. Существуют и косвенные определения, принцип которых схож с уже известным нам методом микробиологических реакций. По количеству аммиака, окислов азота, углекислого газа и т. д., иными словами, по конечному продукту можно сравнивать население и активность микрофлоры в тех или иных грунтах.

Но если из комочка земли удается выжать так много информации, то с помощью одного метода, примененного в различных природных зонах, нетрудно выяснить и географию микробного населения почв. Мы уже знаем - с севера на юг численность микроорганизмов увеличивается. А меняется ли их состав? Этот вопрос встал перед советским микробиологом Д. И. Никитиным. Дело в том, что при исследовании земель в тундре он обнаружил множество бактерий, не реагирующих на агар, сдобренный почвенным экстрактом. Подобное случалось и южнее, в лесных, степных, даже в тропических почвах. Но на севере на приманку клевало в сотни тысяч раз меньше микробов, чем в любой другой зоне. Может быть, всему причиной - разница в населении холодных и теплых областей? Электронный микроскоп опроверг это предположение. Доля не охваченных питательной средой микроорганизмов в карликовых почвах тундры оказалась наивысшей.

Академик Е. Н. Мишустин в своей книге "Ассоциации почвенных микроорганизмов" [1975] предложил два объяснения этого явления. Одно из них заключалось в том, что круговорот элементов в Заполярье замедлен. Вспомним, перегной в местных почвах не успевает "дозреть", как его расхватывают растения и животные. Естественно, что многим из них ничего не достается. Поэтому они приспособились получать питание из других источников. И настолько изменили свои вкусы, что не реагируют на сладкие агары. Что же это за источники? Возможно, минералы. Второе объяснение проще. В северных районах разрушение опада идет медленно и он скапливается на поверхности. А как мы знаем, под микроскопом невозможно отличить мертвые клетки от живых. Вот и приходится считать все подряд.

В книге Е. Н. Мишустина немало интересных наблюдений. В ней изображена живая, динамичная картина явлений, происходящих в подвалах биосферы различных зон. Северные почвы неожиданно предстают перед читателем в новом свете. Долгое время многие специалисты считали, что в землях тундры так мало пищи для растений потому, что здесь нет высококачественного, сладкого гумуса. Причина - неблагоприятные климатические условия. Но теми же условиями объяснялись отсутствие густой растительности, маломощность рыхлых наносов и т. д. Климат действительно важный фактор, но ссылка на него ничего не проясняет. Другое дело, если связать его с механизмом круговорота элементов.

Перед нами новое звено природного конвейера. Сюда уже поступили останки чахлой северной растительности, переработанные немногочисленными беспозвоночными. За дело пора браться самым искусным творцам плодородия. Но увы, среди микробного населения Заполярья мало истинных мастеров своего дела. Здесь живут в основном неквалифицированные, неспороносные бактерии. Бациллы и актиномицеты, способные обогатить землю доступными растениям веществами, подготовить органические останки для рождения высокомолекулярных соединений гумуса, уступают им в численности на два, а то и на три порядка.

Совсем иная картина в черноземах и каштановых почвах. Их микромир наполовину состоит из бацилл и актиномицетов. В результате степные земли не долго страдают дефицитом питательных веществ и мягкого гумуса.

Кстати, различные потребности почв в удобрениях также во многом объясняются составом их микрофлоры. Чем больше в ней квалифицированных рабочих, тем полнее используются растениями компосты и минеральные добавки. Поэтому на подзолах их доза значительно выше, нежели на черноземах. В свою очередь, навоз и вещества, содержащие азот, служат стимулом для размножения бактерий. Фактически, подкармливая почву, мы заменяем или ремонтируем одно из звеньев биогеоценоза - звено микроорганизмов-сапрофитов.

Но микрофлора не простая часть природной системы, а сложный механизм. Только что мы были свидетелями того, как она производит питание для растений из самих же растений. Впрочем, разрушение не единственная ее забота. Она способна создавать запасы питательных веществ в почвах. Существуют группы микробов, специалистов по захвату тех или иных химических элементов. Например, добычей азота занят целый клан бактерий. Грубые растительные остатки разлагаются маслянокислыми микробами. Когда же переработанное вещество обогатится белками, витаминами и аминокислотами, за него принимаются и ближайшие родственники - ацетонбутиловые микроорганизмы. Самая же привилегированная каста в клане - род азотобактеров. О его положении можно судить уже по тем почвам, в которых он обитает. А живут эти бактерии в хорошо увлажняемых черноземах. Севернее и южнее их они проникают редко, да и то ненадолго. Азотобактеру нужен целый комплекс удобств: во-первых, землям, претендующим на их благоволение, необходим достаток в фосфоре, калии и микроэлементах; во-вторых, они должны быть обеспечены теплом и влагой; в-третьих, иметь нейтральную реакцию, т. е. поровну кислот и щелочей. Поэтому в пустынях на сероземах азотобактер встречается только весной, а на серых лесных землях когда солнце прогреет их до нужной температуры. Подзолы и особенно почвы тундры он оставляет маслянокислым и ацетонбутиловым микробам.

Переселить азотобактер на север способен лишь человек. С помощью удобрений и других агротехнических приемов он исправляет недоделки природы и создает уютные квартиры для этих изнеженных организмов.

Мы познакомились с цехом, где идет переработка растительного материала в высококачественные продукты питания и подготавливаются вещества, из которых чуть позже родится гумус. Однако даже самое совершенное производство не обходится без отходов. Не все листья и травы, пропущенные через желудки червей и насекомых, обработанные бациллами, актиномицетами, азотобактером и другими, исчезают бесследно. Случается, и довольно часто, что на самом конце пищевого конвейера скапливаются их останки. Но в природе ничего не пропадает даром. Находятся любители и на них. Они получили название олиготрофных, что в переводе с древнегреческого означает "малоешка". На олиготрофах и заканчиваются метаморфозы растительных остатков в почве.

Неприхотливость этих микробов вовсе не означает, что им по душе бедные земли севера. Конечно, малоешкам нетрудно ужиться в подзолах и даже в суровых условиях Заполярья, но многие из них все-таки предпочитают богатые и влажные черноземы. Ведь в них больше отбросов, которые оставляют их собратья.

А теперь представим, что на олиготрофах заканчиваются процессы круговорота вещества в биогеоценозах. Куда же дальше? Все элементы разложены буквально по полочкам. Одни из них предназначены для растений, другие - для образования перегноя. Но гумус не может только рождаться, только накапливаться. Он непременно должен разрушаться, минерализоваться, отдавать накопленные в нем питательные вещества. А какие силы заставят его расстаться с нажитым богатством? Солнце, ветер, вода? Но они сильны на поверхности и почти не затрагивают нижние слои. Может быть, деревья и травы? Да, корни способны разложить часть перегноя, но лишь самую незначительную. Главную роль в этом процессе играют микроорганизмы, получившие название автохтонных, или туземных. Они долго могут обходиться без свежей пищи, добывая энергию из гумуса.

Было время, когда ученые считали, что автохтоны - многочисленное племя, действующее обособленно от остальной микрофлоры. Но последние опыты показали, что четкой границы между ними и остальными микробами нет. Например, некоторые грибы могут одновременно питаться свежими салатами из листьев и корней, а также перегноем. Такая всеядность микрофлоры объясняет ее живучесть.

Самые маленькие обитатели нашей планеты обладают множеством достоинств, помогающих заселять им сушу и моря, термальные источники и кратеры вулканов. Но эти положительные качества у многих из них, увы, с лихвой компенсируются целым рядом недостатков их ближайших родственников - микробов, приносящих растениям, животным и людям болезни и смерть.