Книга: Следопыты в стране анималькулей

Невидимки в неволе

Южный берег Крыма. Темно-синее небо, бирюзовое море, фруктовые сады, плантации табака, виноградники… В пышной зелени субтропиков утопают белоснежные дворцы и виллы, превращенные в санатории и дома отдыха для трудящихся.

Люди старшего поколения, те, кому довелось побывать в Крыму в конце 20-х годов, могли встретить здесь двух людей — мужчину и женщину. В противоположность тем, кто приехал сюда на отдых, они не стремились к целебному морскому пляжу, а каждое утро уходили в горы.

Даже в самые жаркие дни их можно было найти на одном и том же месте — на табачной плантации. Словно какая-то неведомая сила влекла их к небольшому участку земли, который ничем не отличался от таких же плантаций, расположенных рядом. Но люди эти были учеными и умели читать между строк в открытой книге природы, видеть то, что оставалось скрытым от других.

Сергей Павлович Костычев и его ближайшая помощница Александра Николаевна Шелоумова встретились на табачной плантации в Крыму с одной из не разгаданных еще тайн природы. Им удалось обнаружить, следы и приметы, которые могли привести к новому открытию. И, как истинные следопыты науки, они не могли допустить, чтобы следы эти были вновь потеряны.

Отец академика Костычева закладывал одновременно с Василием Васильевичем Докучаевым основы научного почвоведения. Сын пошел по стопам отца. Сергей Павлович Костычев стал крупнейшим знатоком жизни растений, почвоведом и микробиологом.

Изучая почвы Крымского полуострова, он обнаружил табачную плантацию, которая надолго привлекла его внимание.

Двадцать лет без перерыва выращивали на этой плантации табак. Двадцать лет в почву не вносили удобрений. А табак все рос и даже давал хорошие урожаи.

В чем тут дело? Как объяснить исключительное плодородие этой почвы?

Самые тщательные и многократные исследования приводили к одному и тому же выводу: почва отличается только большим числом довольно крупных бактерий, способных усваивать азот из воздуха. Под микроскопом бактерии выглядят овальными клетками, принимающими иногда форму шариков и палочек с округлыми концами. Молодые клетки способны самостоятельно передвигаться, а в зрелом возрасте одеваются плотной слизистой оболочкой.

Это был азотобактер. Открытый еще в 1901 году, он тогда не обратил на себя особенного внимания ученых. Ведь азотобактер способен накапливать за лето на каждом гектаре почвы лишь 20–30 килограммов азота, а клубеньковые бактерии за тот же период накапливают 300–400 килограммов.

Правда, азотобактер распространен гораздо шире. Его находили в почвах почти всех частей света, а также и в воде морей и океанов, в поймах рек и в иле прудов и озер. И все же сравнение с клубеньковыми бактериями было явно не в пользу азотобактера.

А теперь этот микроб предстал перед учеными в совершенно ином свете.

По мере того как Костычев и Шелоумова углублялись в изучение азотобактера, тем все яснее открывались перед ними его удивительные особенности, его поистине увлекательная история.

Далекие предки азотобактера жили возле корней растений. Так же как и корневые бактерии, они питались отбросами, которые корни растений выделяли в почву.

Но ведь каждый вид корневых бактерий стремится захватить для себя место получше, пищи побольше. В почве идет постоянная, хотя и невидимая борьба. И азотобактер не устоял в этой борьбе. Он был обречен на исчезновение. И вот тут-то и сказались замечательные свойства этого микроба.

Более сильные, лучше приспособленные к условиям жизни корневые бактерии постепенно вытесняли азотобактер из корневой зоны. И так же постепенно, из поколения в поколение, изменялся сам азотобактер. Испытывая постоянную нужду в пище, он приобрел способность усваивать азот непосредственно из воздуха.

Неисчислимые поколения азотобактера вымирали почти без остатка, пока у него выработалось это свойство. Но оно возникло, и тогда произошло чудо. Слабый азотобактер стал богатырем. Бедный изгнанник, он вновь вернулся к корням растений, но уже как глава многоплеменной армии бактерий.

Азот, добытый из воздуха, азотобактер использует для построения собственного тела. Но при этом часть азотных соединений, образующихся в теле микроба, просачивается в почву. Этим и пользуются бактерии, сопровождающие повсюду азотобактер и составляющие его «свиту». Ведь всем им нужен азот, а сами добыть его они не могут.

Однако, захватывая часть азота из почвы, бактерии в то же время делают большое, полезное дело. Одни перерабатывают растительные остатки и корневые выделения растений, другие превращают питательные вещества в растворимые соли, необходимые растениям. Третьи вырабатывают вещества, уничтожающие вредных и болезнетворных микробов. Четвертые разлагают отмершие клетки самого азотобактера, и тогда содержащийся в этих клетках азот полностью попадает в почву и опять-таки может быть использован растениями…

Значит, чем больше азотобактера в почве, тем лучше работают другие полезные бактерии, тем выше плодородие почвы.

В дальнейшем удалось установить еще одно свойство азотобактера. Этот микроб оказался настоящим кудесником. Он не только накапливает в почве азот, не только подкармливает этим азотом других полезных бактерий, но еще сам создает особые вещества — витамины, ускоряющие рост и развитие растений.

Так был найден ответ на загадку, заданную табачной плантацией в Крыму, и одновременно вскрыта тайна еще одного азотоусваивающего микроба — азотобактера.

И уже там, на табачной плантации, у Сергея Павловича Костычева родилась идея: из чистых культур активного азотобактера создать бактериальное удобрение, подобно тому как нитрагин приготовляется из активных клубеньковых бактерий.

Преждевременная смерть помешала Костычеву довести до конца практическое осуществление этой идеи. Начатое им дело завершили его ученики.

Микробиологи тщательно отбирают и проверяют наиболее активные и «работоспособные» клетки азотобактера. Потомство этих клеток выращивают на питательном студне. Азотобактер быстро размножается, поверхность студня покрывается густой слизью. Слизь эту собирают и смешивают с почвой или торфом, затем выдерживают несколько дней в теплом помещении. И удобрение готово. Теперь в каждом грамме почвенного азотобактерина содержится не менее сорока пяти — пятидесяти миллионов живых клеток азотобактера.

Пользоваться азотобактерином очень просто. Его смешивают с влажными семенами растений. Вместе с семенами азотобактер попадает в почву и оказывается в непосредственной близости от корней растений.

Однако почвенный азотобактерин нельзя долго хранить. Несколько лучше в этом отношении азотобактерин агаровый. Это питательный студень, застывший на внутренней поверхности обычной бутылки. Азотобактер размножается на поверхности студня и так, прямо в бутылках, рассылается на места. В каждой бутылке от сорока до шестидесяти миллиардов живых клеток азотобактера. Этого достаточно для обработки одного гектара посевов.

Целая батарея таких бутылок выстроилась на столе у Леонида Мироновича Доросинского, руководителя лаборатории бактериальных удобрений во Всесоюзном институте сельскохозяйственной микробиологии.

Здесь знают азотобактер «в лицо» в прямом смысле этого слова. По внешнему облику микробных клеток, видимых под микроскопом, по виду слизи, образуемой колониями азотобактера, могут заранее предсказывать его особенности и «работоспособность».

Здесь хорошо изучили «характер» своих воспитанников — микробов и могут поведать много интересного об их свойствах и повадках, потребностях и «капризах». Именно так, ибо азотобактер — микроб капризный.

«Азотобактер, — рассказывает Леонид Миронович Доросинский, — требует свободного притока воздуха. Ведь воздух ему нужен и для дыхания и как источник азота. Поэтому микроб нормально развивается только в тщательно обработанной мелкокомковатой почве».

Азотобактер жаден до влаги. Его почти не бывает в сухих почвах. Зато в почве под овощами и другими полезными культурами он работает особенно энергично.

Не переносит азотобактер также почв кислых, бедных перегноем. В таких почвах он быстро гибнет.

Но выход есть. В почвы, мало подходящие для азотобактера, его можно вносить вместе с гранулированными органо-минеральными удобрениями. Это мелкие зерна, сделанные из смеси навоза или торфа и минеральных солей.

Для нас каждая такая гранула — лишь ничтожная крупинка, а для микробов это целый мир. Вокруг многочисленных гранул в почве создаются очажки благоприятных условий для развития азотобактера.

Азотобактер — микроб, свободно живущий в почве. Поэтому он не связан с корнями какого-либо определенного растения. Бактериальное удобрение азотобактерин можно вносить в почву при выращивании пшеницы и овса, кукурузы и проса, хлопчатника и льна, овощей и картофеля, табака и многих других растений.

Потребность в азотобактерине быстро растет. И удовлетворять эту потребность со временем стало трудно. Азотобактер мог размножаться на заводах лишь на поверхности твердого питательного студня, там, куда свободно притекает воздух. Такой способ размножения микробов требовал огромного количества питательного студня. Дело шло медленно, а труда затрачивалось много.

Но и эту трудность преодолели. Ученые нашли способ выращивать азотобактер в питательной жидкости. Она наливается в большие котлы — реакторы — и заражается азотобактером. Одновременно жидкость продувается воздухом, подаваемым в котлы под давлением. Азотобактер при этом может размножаться не только на поверхности питательной смеси, но и во всей ее толще. И дело идет очень быстро.

В реактор помещаются тысячи литров питательного раствора. Потом туда же вносят один миллион клеток азотобактера — только одну каплю бактериальной слизи. А через тридцать шесть часов в каждом кубическом сантиметре жидкости уже один миллиард двести тысяч микробных клеток.

Сколько же их будет в тысячах литров, заполняющих реактор?

Если жидкость из реактора отфильтровать, останется густая сметаноподобная масса. Вся она состоит из живых клеток микробов.

«А что, если их высушить? — подумал Доросинский. — Ведь если клетки азотобактера способны оживать после высушивания, будет получено сухое бактериальное удобрение. Легкое, удобное для перевозки, оно сможет сохраняться неопределенно долгое время».

Однако идея, как бы она ни была плодотворна, — только цель, а не результат научного исследования.

Как поведет себя при высушивании такой влаголюбивый микроб, как азотобактер?

Стоит ли рассказывать о сотнях неудачных опытов, о том, как надежда сменялась горечью разочарования, чтобы, в свою очередь, смениться новой надеждой!

Но вот получена первая порция порошка — сухого азотобактерина. Теперь его можно увидеть не только в лаборатории. Он уже испытывается на наших полях.

Работа велась почти одновременно: в Москве — над получением сухого нитрагина из клубеньковых бактерий и в Ленинграде — над сухим азотобактерином из азотобактера. Почти одновременно были получены первые положительные результаты.

Однако исследования еще не закончены. После увлажнения далеко не все бактерии оживают. До тех пор, пока не преодолен этот недостаток, ученые не могут считать задачу решенной. Но решение не за горами. Быть может, оно придет раньше, чем эта книга увидит свет.

Здесь же, в лаборатории бактериальных удобрений, работает маленькая круглолицая женщина с добрыми глазами, с темными волосами, чуть тронутыми сединой. Это Раиса Аркадьевна Менкина, опытный охотник за микробами, заслуженный следопыт страны невидимок.

Рассказ о ее исследованиях хочется начать с коралловых островов Вест-Индии и… пингвинов, хотя сама Раиса Аркадьевна никогда не покидала родной страны, а пингвинов видела только в зоопарках.

На голых, пустынных островах у берегов Южной Америки издавна жили бесчисленные стаи морских птиц: альбатросы, казарки, пеликаны. Особенно много было пингвинов. Питались птицы морскими рыбами. Одно поколение птиц сменяло другое.

И за много веков на островах из птичьего помета образовались многометровые пласты. Помет подвергался воздействию микробов, слежался и со временем окаменел, превратился в горную породу — гуано. Когда исследовали состав этого странного камня, то нашли в нем много фосфора. Это было радостным событием.

Фосфор необходим всем живым организмам. Он входит в состав мозга, костей и крови животных и человека, в состав тканей растений. Без фосфорных солей не может существовать ни одно растение.

В прежние времена собирали кости, перемалывали их и костяной мукой удобряли почву. Это всегда давало большую прибавку в урожае.

Но много ли соберешь костей? Поэтому, когда в начале прошлого века за океаном обнаружили гуано, то сотни кораблей ежегодно отправлялись за ценным удобрением. Запасы гуано были огромны, а потребность в фосфорных удобрениях еще больше, и запасы быстро истощились. Пришлось искать новые источники фосфора.

В середине прошлого столетия русские геологи отыскали в различных районах нашей страны — под Москвой и Воронежом, на берегах Камы и Днепра, на Урале и в Казахстане — черные камни, в которых иногда попадались остатки раковин или зубы рыб. Стало ясно, что камни эти очень древнего происхождения и образовались из скелетов морских обитателей, живших в те времена, когда над этими местами плескались волны морей.

В черных камнях нашли много фосфора и поэтому назвали их фосфоритами. Камни стали перемалывать и использовать как удобрение.

А в 1930 году советские ученые открыли на далеком севере, на Кольском полуострове, в огромной горе, носящей трудное название Кукисвумчорр, несметные сокровища. Здесь лежали сотни миллионов тонн апатита — зеленовато-желтой кристаллической горной породы, богатой фосфором.

Чтобы воспользоваться этим богатством, пришлось в трудных условиях, в стране «вечной ночи», построить город — Кировск.

Добытый апатит приходится перевозить на заводы в Москву, Ленинград, Куйбышев, Одессу или подвергать сложной переработке на месте. Только после этого его можно использовать в качестве удобрения.

Как видите, добывать фосфорные удобрения нелегко и стоят они дорого.

Между тем в почве почти всегда скрыты значительные запасы фосфора. Но б?льшая часть этого фосфора находится в составе сложных органических соединений, нерастворимых в воде и недоступных для растений.

Может ли быть положение более досадное! Фосфор находится здесь же, рядом, а его приходится везти за тысячи километров, из-за Полярного круга.

Нельзя ли исправить и эту «ошибку» природы?

Над этой проблемой часто задумывался академик Сергей Павлович Костычев.

«Микробное население почвы велико и многообразно, — говорил он. — Микробы перерабатывают в почве соединения азота, серы, железа, кальция и многих других веществ. Не может быть, чтобы они не делали того же и с фосфором».

Бывает так: на одном участке растения растут хорошо, на другом — испытывают острый фосфорный голод. Если же исследовать состав почвы, то окажется, что содержание фосфора на обоих участках примерно одинаково.

«Не следует ли предположить, — заключили ученые, — что в первом случае в почве работали бактерии, специализировавшиеся на переработке соединений фосфора? А если так, то следует найти этих бактерий. Тогда мы сможем управлять фосфорным питанием растений».

Эта задача увлекла Раису Аркадьевну Менкину, которая тогда была еще совсем молодым, начинающим ученым.

Так определился ее путь в науке.

Задача была не из легких. Как отыскать следы еще неизвестных невидимок среди миллионов других микроскопических обитателей почвы?

Опыт прежних исследователей подсказал, с чего следует начинать. Микробы, как и растения, нуждаются в растворимых фосфорных солях. А если есть микроорганизмы, которые могут сами готовить для себя фосфорное питание, то они должны развиваться там, где таких солей нет.

И Раиса Аркадьевна нашла таких микробов.

Они оказались сравнительно крупными палочковидными бактериями, дающими споры.

Вновь открытые микроорганизмы Менкина назвала фосфоробактериями.

Но это было только начало.

Действительно ли это те самые бактерии, которые готовят фосфорное питание для растений в почве? На этот вопрос мог дать ответ только строгий научный опыт.

И вот в прокаленный песок добавляют все питательные вещества, необходимые растениям, кроме растворимого фосфора. В сосуды с таким песком высаживают растения, а в некоторые добавляют воду и фосфоробактерий. Затем с трепетом ждут результатов. Не зря ли потрачены годы напряженного труда?

И вот результат: в сосудах, где в песке были фосфоробактерии, растения развились прекрасно, а остальные остались слабыми, чахлыми.

Казалось бы, можно было праздновать полную победу.

Однако истинный ученый не может удовлетвориться только лабораторными исследованиями. Окончательное слово всегда остается за опытом в естественных условиях.

Раиса Аркадьевна проводит такой опыт, повторяет его многократно в различных условиях. И фосфоробактерии всюду оправдывают возложенные на них надежды.

Теперь — это было в 1944 году — настало время приготовить новое бактериальное удобрение: фосфоробактерин.

Вначале оно представляло собой мутную жидкость, содержащую большое число фосфорных бактерий. Жидкость хранили в пол-литровых бутылках.

Потом удобрение усовершенствовали. Путь к этому «подсказали» сами фосфоробактерии. Ведь они образуют споры. Значит, из них легко можно приготовить удобрение в виде сухого порошка.

Фосфоробактерин приготовляют теперь на заводах в огромных котлах-реакторах. Питательная жидкость в котлах продувается воздухом. Бактерии быстро размножаются. Но их не торопятся извлечь из реактора. Надо, чтобы они состарились и выбросили споры. Только тогда, отделив жидкость, получают густую пасту, которая состоит из бесчисленного количества спор фосфоробактерий.

После высушивания паста превращается в светло-желтый порошок. В каждом грамме такого порошка до ста миллиардов спор. И каждая даст жизнь новой бактерии.

На один гектар почвы достаточно пятидесяти миллиардов фосфоробактерий. Значит, если пользоваться порошком из одних только спор, пришлось бы возиться с очень мелкими, аптечными дозами удобрения. А это неудобно. Поэтому споры смешивают с порошком из сухой глины — каолина. Так получается белый с желтоватым оттенком порошок — сухой фосфоробактерин, который теперь можно встретить в различных районах нашей страны. Особенно хорошие результаты дает он на черноземных почвах, как старопахотных, так и на новых — целинных.

Клубеньковые бактерии, азотобактер и фосфоробактерин — это только первые шаги в увлекательном деле овладения тайнами «незримых земледельцев». Ведь растения нуждаются не только в растворимых соединениях азота и фосфора. Необходимы им еще многие другие вещества.

Вот, например, калий.

Белые, голубые, желтые, красные, горькие на вкус соли калия называют иногда «камнем урожая». И неспроста. Без калийных солей растения чахнут, плохо переносят засуху и холод, не могут сопротивляться микробам, вызывающим заразные болезни. Подкормка калийными солями во много раз увеличивает урожай.

Но где взять эти соли?

Их нашли на севере, в Соликамске, там, где уже много сотен лет добывают поваренную соль.

В этих местах пятьсот миллионов лет назад лежали большие соленые озера — остатки мелководных заливов древнего моря. Солнце и ветер делали свое дело: озера высыхали, а соли скапливались на дне озер.

Когда калийные соли обнаружили в Соликамске, туда отправилась целая армия рабочих. В пустынной местности вырос новый город. В земле проложили глубокие шахты и коридоры, в которых добывают «камень урожая». На поверхности земли построили большие заводы, где этот камень превращают в калийное удобрение. Сотни поездов развозят его по всей стране.

Стоят калийные удобрения дорого, еще дороже, чем фосфорные. А между тем калий лежит у нас буквально под ногами. Когда ученые исследовали почву, они были поражены. Оказалось, что в слое почвы на площади в один гектар и толщиной в один метр заключено до трехсот пятидесяти тонн калия. Этого количества хватило бы для питания растений в течение нескольких тысяч лет.

Почему же растения часто испытывают недостаток в калии?

Дело, оказывается, в том, что почвенный калий входит в состав очень сложных солей — силикатов, из которых растения извлекать его не могут.

Но как тогда объяснить, что даже дикие растения, которым никто не дает калиевых удобрений, всегда имеют в своем составе калий? Откуда они его берут?

«Видимо, — решили ученые, — есть в почве и такие микроорганизмы, которые готовят для растений калийную пищу. Там, где таких микробов много, растения не испытывают недостатка в калии, растут лучше».

И вот вскоре из Одессы пришло сообщение, что советский ученый Василий Герасимович Александров отыскал в почве бактерии, которые способны разрушать силикаты и освобождать содержащийся в них калий.

В соответствии с их «профессией» бактерий назвали силикатными. Это палочки с закругленными концами, одетые в слизистый чехол.

Все чаще приходят к нам вести об удивительных открытиях искусных следопытов страны невидимок, объединенных в отряде сельскохозяйственных микробиологов. Все быстрее развиваются наши знания о почве и жизни существ, ее населяющих.

В лабораториях Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии сотни чашечек Петри, бутылок и пробирок с клубеньковыми бактериями, азотобактером, с фосфорными и силикатными бактериями.

Это микробы в неволе. За ними внимательно наблюдают, они проходят одно испытание за другим. Их даже «воспитывают», приучая к «работе» в определенных условиях. Потом лучших, наиболее жизнеспособных размножают и отправляют на заводы, где они дают начало миллиардам себе подобных.

И вот бутылки с азотобактером и нитрагином, пакеты с фосфоробактерином и силикатными бактериями уже совершают путешествие в вагонах поездов, в трюмах пароходов, на борту самолетов.

Приходит время, когда микробы снова получают свободу. Невидимой, но могучей армией вступают они в почву, чтобы помочь нам в борьбе за высокие урожаи.