Книга: Следопыты в стране анималькулей

О маленькой буре и большом открытии

<<< Назад
Вперед >>>

О маленькой буре и большом открытии

Весна 1889 года. Над Петербургом висит туман и моросит дождь, словно поздней осенью. Окна Института экспериментальной медицины выходят в старый парк Каменного острова. Сквозь потоки стекающих по стеклу дождевых капель видны ряды деревьев, выстроившиеся вдоль глухой улички петербургской окраины. Туманными ночами в парк проникает голубоватый свет редких газовых фонарей. Лужицы на дорожках парка отражают этот свет и, будто оловянные зеркала, подсвечивают снизу стволы деревьев, потемневшие от сырости.

Все это всем давно знакомо, и поэтому редко кто бросает взгляд на плачущие стекла больших окон.

Лишь в лаборатории микробиологии у окна подолгу простаивает человек, что-то пытливо высматривающий за серым пологом моросящего дождя.

Человек этот еще молод, худощав и строен. Русые волосы зачесаны назад, брови сосредоточенно сдвинуты над серыми глазами.

Это Сергей Николаевич Виноградский. Решение загадки серобактерий, открытие роли железобактерий и другие исследования создали ему громкое имя в науке.

А теперь он стоит на пороге нового открытия. Но оно упорно не дается в руки. Он снова и снова берется за свои пробирки и колбы, часами просиживает у микроскопа. А потом, убедившись в неудаче еще одного опыта, стоит на привычном месте у окна и размышляет.

И, как страницы невидимой книги, мелькают перед ним, сменяя друг друга, события и факты, которые, быть может, подскажут верный путь в стране невидимок.

Он видит: на открытой террасе богатой приморской виллы сидит тучный старик и пишет. Груда пергаментных свитков постепенно растет перед стариком. Все в древнем Риме знают и чтут этого старца — известного писателя и ученого Марка Теренция Варрона. Он немало видел, многое знает и на склоне своих дней спешит поделиться этими знаниями с потомством.

Где-то, на одном из бесчисленных пергаментных свитков, в перечне наблюдений за явлениями природы он сообщает о чудесном свойстве бобовых растений.

«Значит, — размышляет Виноградский, — еще в древние времена было известно, что бобовые растения — клевер, люцерна, горох, лупин, фасоль — хорошо растут даже на таких почвах, где другие растения дают плохие урожаи».

Причину этого объяснить в древности, конечно, не могли, но заметили, что если на малоурожайной почве росли хотя бы один год бобовые травы, то там можно уже выращивать другие растения и получать хорошие урожаи.

Плохая почва чудодейственным образом становилась хорошей. Это также было непонятно. Но этим свойством бобовых пользовались.

Знаменитый ученый и писатель древности Гай Плиний Старший почти всю жизнь писал многотомный труд о живой и мертвой природе. Он тоже не забыл упомянуть о бобовых и даже оставил рецепт, проверенный сотнями земледельцев на его родине: «Если после пшеницы сеять бобы, то можно повысить плодородие почвы».

Проходили века, слава бобовых продолжала жить, но знали о них не больше, чем люди древнего мира.

Только через две тысячи лет после Варрона и Плиния ученые впервые исследовали химический состав зеленых растений. При этом особенно много было найдено соединений железа, кальция, магния, фосфора, азота…

А когда почвоведы исследовали состав почв, то и там нашли все эти соли, только одних было больше, других меньше.

Все, конечно, понимали, что растения получают необходимые им соли из почвы при помощи корней. Но какие из этих солей более всего необходимы растениям? Это продолжало оставаться неясным. А между тем знание потребности растения в питательных веществах позволило бы управлять жизнью растений. Тогда ученые стали выращивать растения в растворах: одни растения в растворах, где были все соли, обнаруженные в растительных тканях, а другие — в растворах с теми же солями, но без какой-нибудь одной. Были проделаны сотни таких опытов с различными растениями.

И вот результат: чтобы растения хорошо развивались, им нужны почти все соли, имеющиеся в почве. Но есть и такие соли, без которых растения вообще существовать не могут. Особенно большое значение имеют минеральные соединения азота, — соли азотной кислоты, — так как азот входит в состав белков — главной составной части всех живых клеток и тканей.

Азота очень много в воздухе. Однако растения не могут усваивать газообразный азот. Рождаясь и живя в воздушном океане, три четверти веса которого составляет азот, растения все же погибнут, если в почве не будет растворимых соединений азота.

Опыты неизменно подтверждали это. Достаточно было добавить в почву немного азотных соединений, и растения развивались хорошо, давали большой урожай.

Откуда же пополняются запасы азота в почве? Ведь за долгую историю Земли растения должны были бы уже давно поглотить все его запасы.

Вот тут-то ученые и вспомнили древний рецепт с посевом бобовых растений. Оказалось, что там, где растут бобовые, содержание азота в почве не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.

«Так вот оно что! — обрадовались агрономы. — Значит, именно бобовые растения накапливают азот в почве!»

Однако наука не терпит домыслов. Она требует фактов, только фактов. И ученые продолжали поиски. Исследователи взяли песок и прокалили его хорошенько на огне. Потом добавили в него все питательные вещества, кроме азота, и посеяли клевер с горохом. И что же? Бобовые растения не только не накопили азота, а сами погибли от азотного голода.


Решение загадки упорно не давалось в руки Виноградскому.

«Вот так штука! — развели руками те, кто еще недавно радовался разгадке тайны бобовых. — Выходит, что бобовые растения вовсе и не накапливают азота в почве».

Между тем исследования почв по-прежнему подтверждали: там, где растут бобовые растения, количество азота в почве не уменьшается, а увеличивается.

В чем же дело? Вместо того чтобы проясниться, вопрос еще больше запутался.

Помог решению этой загадки природы русский ботаник Михаил Степанович Воронин.

Ученый с мировым именем, он много лет занимался изучением микроскопических грибков и своими открытиями в этой области завоевал всеобщее признание.

Михаил Степанович Воронин тоже заинтересовался загадкой бобовых растений. Он обратил внимание, что на корнях этих растений всегда есть какие-то наросты, вроде маленьких клубеньков. Об их существовании знали и раньше, но не придавали им значения. А Воронин тщательно исследовал содержимое клубеньков и в 1866 году обнаружил, что они буквально набиты «одноклеточными живыми существами». Это были мелкие подвижные бактерии в виде палочек неправильной формы.


Слева — клубеньковые бактерии в первоначальном виде; справа увеличенные формы их после разрастания внутри клубеньков.

«Нет ли какой-то связи между этими бактериями и накоплением азота в почве? — подумали микробиологи. — Но как это проверить?»

Тогда за исследование клубеньков взялись химики. Они подтвердили, что бобовые растения накапливают азот в почве только в том случае, если на их корнях есть клубеньки. В прокаленной почве или песке, где нет никаких бактерий, клубеньки на корнях бобовых не образуются и азот в почве не накапливается. Но если прокаленную почву или песок «заразить» обычной почвой, то на корнях бобовых появляются клубеньки и начинается накапливание азота.

Значит, догадка была правильной. Именно клубеньковые бактерии накапливают азот в почве. Они внедряются в корневые волоски, размножаются там и проникают дальше в корень. Под влиянием бактерий, клетки корня разрастаются и образуют клубеньки.

Клубеньковые бактерии и бобовые растения — еще один пример взаимопомощи в природе. Бактерии усваивают азот непосредственно из воздуха и превращают его в вещества своего тела. Бобовые растения пользуются азотом, накопленным в теле бактерий, а последние в обмен берут из соков корня нужный им сахар.

Когда бобовые травы скашивают или они отмирают сами, то их корни вместе с клубеньками сгнивают. Тогда азотные соли, накопленные бактериями, остаются в почве и могут использоваться уже другими, не бобовыми растениями.


Различные виды клубеньков, наполненных бактериями, на корнях бобовых растений 1 — на горохе; 2 — на клевере; 3 — на сераделле; 4 — на люпине; 5 — на доннике.

Взаимосвязь между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями возникла, конечно, не вдруг, а сложилась в течение длительного времени. Различные виды клубеньковых бактерий приспособились к жизни на корнях разных бобовых растений. Одни клубеньковые бактерии живут на корнях клевера, другие — люцерны, третьи — люпина, четвертые — фасоли и т. д. А эти растения могут пользоваться услугами только «своих» клубеньковых бактерий.

Веками ломали люди голову над таинственной славой бобовых растений. Теперь поняли, что слава эта была заслуженной, но приобрели ее бобовые лишь благодаря «дружбе» с клубеньковыми бактериями.

Ученые сделали важное открытие. Однако оно еще не решило вопроса в целом. Ведь бобовые растения есть не везде. И там, где их нет, растения все же получают азот из почвы.

Откуда же он берется?

Поисками ответа на этот вопрос и занялся Сергей Николаевич Виноградский.

Вновь и вновь размышляет он над явлениями, которые давно известны, но все еще не объяснены наукой.

Много лет назад, в середине XVI столетия, корабли европейских путешественников и купцов стали все чаще приставать к берегам Индии, Китая и Южной Америки. Рассказывали потом, что в этих странах много залежей какой-то белой соли. Она лежит неглубоко в земле и похожа на пласты слежавшегося снега. Образцы этой соли привезли в Европу, и вскоре караваны судов отправились за ней в дальние страны. Белая соль, которую назвали селитрой, оказалась очень ценной — из нее можно было делать порох.

Но и в те давние времена далеко не все ученые думали над созданием новых взрывчатых веществ. Были и такие, что работали не ради истребления людей, а для их благополучия. И они обратили внимание на рассказы моряков, привозивших селитру. А моряки видели, что в местах, где лежит селитра, земля покрыта особенно богатой растительностью.

«Быть может, эта соль нужна для питания растениям? — предположили ученые. — Что, если испробовать ее для удобрения полей?»

И когда испробовали, то результаты превзошли все ожидания. С полей, удобренных селитрой, были сняты небывалые урожаи.

Еще больше кораблей стало отправляться ежегодно за океан за белой солью. Потом химики проверили состав селитры и объяснили, почему она повышает плодородие почвы. Селитра оказалась солью азотной кислоты, той самой, в которой больше всего нуждаются растения.

Откуда же берется селитра? Быть может, она выносится из глубоких недр земли водными потоками? Или выбрасывается вулканами?

Пока ученые спорили о происхождении селитры, корабли продолжали перевозить ее через моря и океаны. Чудесную «соль плодородия» выгружали в различных европейских портах. И доставка селитры обходилась так дорого, что ее часто не окупала прибавка в урожае. Получалось, как в известной русской пословице: «За морем телушка — полушка, да рубль перевоз».

Но разве селитра образуется лишь в заморских странах?

Сергей Николаевич Виноградский вспоминает кое-что другое: в России еще при Петре Первом умели добывать селитру на месте, без далеких экспедиций в страны Востока и Запада.

Возле Астрахани есть село Селитряное. Вот там-то в особых сараях — селитряницах — и изготовляли селитру. В сараи сваливали разные отбросы и навоз, смешанные с рыхлой землей и негашеной известью. Через некоторое время в кучах отбросов накапливалась селитра.

«Не проще ли всего предположить, — говорил себе Виноградский, — что селитра накапливается в результате жизнедеятельности микробов, разлагающих органические остатки?»

Собственно, к этой мысли пришли и другие ученые. Но, чтобы доказать правильность предположения, надо найти микроба, накапливающего селитру, а он остается неуловимым, хотя исследователи гоняются за ним вот уже двенадцать лет.

Было известно и другое: селитра накапливается только там, где в растворах или почве есть аммиак. Это бесцветный газ с резким, неприятным запахом. Вместе с водой он образует известный всем нашатырный спирт. Аммиак выделяется при гниении растительных и животных остатков и содержит много азота.

Ученые не раз повторяли один и тот же опыт. В жидкость с примесью аммиака бросали комочек земли. Когда в растворе размножались микробы, попавшие туда вместе с землей, то аммиак постепенно исчезал, а взамен него появлялась селитра. Тогда попробовали в жидкость с аммиаком бросить комочек земли, прогретой предварительно при температуре выше ста градусов. В этом случае микробы уже не размножались, а селитра не накапливалась. Но стоило к такой прогретой земле добавить хотя бы крошечный комочек свежей, как все шло по-прежнему: микробы бурно размножались, аммиак исчезал, а взамен появлялась селитра.

Можно ли было более убедительно доказать, что именно микробы накапливают селитру? Однако выделить таких микробов в чистом виде не удавалось.

Сергей Николаевич Виноградский десятки раз ставил этот опыт. Но как угадать, какой из целого полчища микробов, населяющих почву, «виновен» в превращении аммиака в селитру?

На поверхности жидкости с аммиаком обычно появляется тонкая пленка — скопление множества микробов. Виноградский отделил едва заметный кусочек пленки, перенес ее в свежую воду и разбавлял ее до тех пор, пока в каждой капле воды осталось не более одного микроба.

Оказалось, что пленку образовали микробы пяти разных видов. Все они хорошо размножались на поверхности питательного студня. Теперь оставалось только испытать каждый микроб в отдельности и таким образом найти тот, который накапливает селитру.

И вот проведено еще пять опытов. И еще столько же повторно. Но ни один из пяти выделенных микробов не накапливал селитры.

Получалось, что один вывод науки прямо противоречил другому. В первом случае было доказано, что именно микробы, живущие в почве, накапливают селитру. А из опыта Виноградского, наоборот, вытекало, что они этого делать не могут.

Нетерпеливый исследователь, пожалуй, отчаялся бы и махнул рукой на эту, казалось бы, неразрешимую загадку. Именно так и сделали многие.

Но не таким был Виноградский.

«Это был, — рассказывал потом его ученик, академик В. Л. Омелянский, — талантливый натуралист. В лабораторной работе он отличался большой ловкостью и находчивостью. Он избегал проторенных путей, где все существенное уже сделано, и предпочитал избирать новые, оригинальные темы для своих исследований…»

Вот почему неудачи первых попыток не только не разочаровали Виноградского, а наоборот, увлекли его трудностью задачи. Он придумывает все новые опыты и наконец обращает внимание на слизистый осадок, который образовался на дне сосуда, где была жидкость с аммиаком. В этом осадке Виноградский находит короткие палочковидные бактерии. На питательном студне, где так быстро размножаются и образуют колонии все другие микробы, эти палочки не проявляют даже признаков жизни. Для них совсем не годится пища, пригодная для других микробов.

Но, как только бактерии из слизистого осадка попадают в среду аммиака, они начинают размножаться и превращают аммиак в селитру. Значит, аммиак поддерживает жизнь этих бактерий. Они питаются аммиаком точно так, как серобактерии — сероводородом.

Загадка была решена, и вновь открытые бактерии получили название «нитрофицирующие», от латинского слова «нитрум» — селитра.


Бактерия-нитрификатор, найденная в почве С. Н. Виноградским; переводит аммиачные соли в соли азотной кислоты.

А в 1894 году в Москве собрался съезд ученых-естествоиспытателей. Все знаменитости присутствовали здесь. Вступительную речь сказал Климент Аркадьевич Тимирязев. Он же предоставил слово одному из основных докладчиков — Сергею Николаевичу Виноградскому.

«Не только зеленые растения могут жить за счет неорганической пищи, — сказал Виноградский. — Есть и среди микробов такие неприхотливые существа. Они отыскивают всякие отбросы, берут из них аммиак и углекислый газ и, питаясь этими веществами, проделывают огромную работу — создают селитру.

Там, где для этих микробов есть благоприятные условия, они могут накапливать огромные количества азота. Именно так образовались залежи селитры в Индии, Китае, в Америке».

А у нас, в Туркменской республике, есть большая Дурунская пещера. В ней живут десятки тысяч летучих мышей. Их помет постоянно разлагают бактерии. В результате образуются аммиак и аммиачные соли. А нитрофицирующие бактерии перерабатывают аммиачные соли в селитру. В Дурунской пещере накопилось так много селитры, что ее добывают для нужд промышленности и сельского хозяйства.

Нитрофицирующие бактерии живут повсюду. Будь то в поле, на огороде или в лесу — везде, где есть остатки растений и животных или навоз, внесенный в качестве удобрения, бактерии делают свое дело. В результате гниения выделяется аммиак, но он не исчезает: его перехватывают бактерии-нитрификаторы и превращают в селитру.

Проблема образования селитры в почве, казалось, была решена. Но сам же Виноградский усомнился в правильности своих выводов.

Для того чтобы могли образоваться залежи селитры, подобные тем, какие мы находили в Индии, Китае и Америке или Дурунской пещере, нужно не только длительное время, но и исключительные условия. В обычной же почве нитрифицирующие бактерии не могут накопить такое количество аммиака.

Простой подсчет показывает, что азота в органических остатках, попадающих в почву, недостаточно для покрытия потребностей растений. Ведь значительная часть селитры постоянно вымывается из почвы водой. Кроме того, в почве наряду с нитрифицирующими живут еще бактерии, которые не накапливают, а, наоборот, разлагают соединения азота. Азот при этом улетучивается в атмосферу и вновь становится недоступным для растений.

И все же растения почему-то не погибают от азотного голода. Остается предположить, что наряду с нитрификаторами в почве есть бактерии, которые способны усваивать азот из воздуха. К такому выводу и пришел Виноградский.

«Я не могу примириться с мыслью, — заявил он, — что существа, способные усваивать азот из воздуха, селятся только на корнях бобовых растений. Такие существа должны быть в почве, и их надо найти. Только тогда можно будет считать вопрос полностью решенным».

И Сергей Николаевич Виноградский предпринимает новое путешествие в страну невидимок.

Снова десятки и сотни опытов. Снова временный успех сменяется неудачей, разочарование — новым успехом.

«Если в почве есть микроорганизмы, способные усваивать азот из воздуха, — рассуждал Виноградский, — то они могут жить там, где совсем нет соединений азота».

И ученый приготовил питательный раствор, лишенный азотистых веществ, и опустил в него комочек садовой земли. Через несколько дней со дна стеклянной колбы с раствором начали выделяться пузырьки газа. Потом брожение усилилось, на поверхности жидкости в колбе разыгралась маленькая буря. А еще через несколько дней вся поверхность жидкости покрылась матовой пленкой микроорганизмов.

Виноградский понимал, конечно, что вместе с комочком земли он внес в колбу различных микробов. Для решения поставленной задачи следовало выделить азотоусваивающий микроб из многих тысяч других.

Но как это сделать?

И Сергей Николаевич нашел выход. Тончайшей платиновой иголкой, предварительно прокаленной на огне, он извлек крошечный комочек пленки из колбы.

Как ни мал был этот комочек, в нем все же были тысячи различных микробов. Всех этих микробов исследователь поместил в другую колбу, где был питательный раствор, также лишенный азотистых веществ.

Это была своего рода «военная хитрость», которая, по расчетам Виноградского, должна была принести ему успех. Он рассуждал примерно так:

«Большинство микробов, перенесенных в раствор, лишенный азотистых веществ, должно погибнуть от азотного голода. А микробы, которые способны усваивать азот из воздуха, выживут все. Значит, если многократно повторять этот опыт и переносить комочек бактериальной пленки последовательно из одной колбы в другую, то в результате должны остаться только азотоусваивающие микробы».

Хитрость удалась. Виноградский выделил микроба и назвал его «клостридиум». Это были бактерии овальной формы, свободно живущие в почве возле корней растений и усваивающие газообразный азот.


Бактерия, усваивающая из воздуха азот, открыта С. Н. Виноградским и названа им «клостридиум пастерианум» (увеличение в 1000 раз).

Так маленькая буря в лабораторной колбе подсказала ученому путь к большому открытию.

А несколько позже, в 1901 году, голландский ученый Мартин Бейеринк, применив методику Виноградского, нашел в почве еще одного азотоусваивающего микроба и назвал его «азотобактер». Оказалось, что свободно живущие азотоусваивающие бактерии могут за лето накопить до пятидесяти килограммов азота на каждом гектаре почвы.

Но предел ли это?

Ведь если научиться управлять деятельностью азотоусваивающих бактерий, то они, быть может, смогут «работать» еще продуктивнее? Тогда не нужно будет перевозить удобрения на далекие расстояния. Соль плодородия будет создаваться на месте в таком количестве, в каком это необходимо растениям.

Мысль эта была так заманчива, что уже сотни ученых в различных странах занялись исследованием нитрофицирующих и азотоусваивающих микроорганизмов. С каждым годом все более прояснялась картина происходящих в почве явлений.

Благодаря микробам в почве совершается постоянный круговорот азота. На каждом этапе этого круговорота, словно на отдельных участках конвейера, работают разные микроорганизмы.

Начинается с того, что отмершие растения и животные попадают в распоряжение грибов и гнилостных бактерий. В результате гниения образуется аммиак, который под влиянием нитрофицирующих бактерий превращается в соли азотной кислоты — селитру.

Селитра потребляется растениями, но может также попасть на «обеденный стол» вредным бактериям, разлагающим азотнокислые соли. В таком случае из селитры вновь выделится газообразный азот. Но и он не весь будет потерян. Клубеньковые и свободно живущие в почве азотоусваивающие бактерии перехватят этот азот и вновь превратят его в азотные соединения, пригодные для питания растений.

Подобные сложные превращения происходят в почве и с другими веществами, необходимыми растениям: фосфором, серой, железом, углеродом, кальцием, калием, магнием… Кругооборот каждого вещества «обслуживает» группа особых микробов. А все вместе они придают почве то замечательное свойство, которое мы называем плодородием.

Познание богатого микроскопического населения почвы, многообразных и сложных процессов, совершающихся там, — все это потребовало усилий многих ученых, специальных знаний. Из армии исследователей страны невидимок выделился особый отряд, родилась новая отрасль науки — почвенная микробиология.

Основателем этой науки по праву считается русский ученый Сергей Николаевич Виноградский. А его последователи, русские и советские ученые, вписали в историю молодой науки новые замечательные страницы.


<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 1.818. Запросов К БД/Cache: 3 / 1
Вверх Вниз