Господин Свещаров Биология за всички

Бактерии — разузнавачи на земните недра
Крупни залежи от течното „черно злато“ — нефта — на много места по света са били открити от геолозите благодарение на това, че изработеният в резултат на жизнената дейност на бактериите асфалт плътно е покривал месторождението на находището. По този начин асфалтът не само е образувал един своеобразен похлупак над нефтеното находище, но и е посочвал по най-сигурен начин на търсачите на нефт, че под земята се намира търсеният ценен продукт.

Този факт е навел изследователите на мисълта да започнат да използуват микроорганизмите като индикатори при търсенето на нефт. Те са въвели различни методи за доказване наличието на газове, отделяни от почвата над нефтените находища. За целта били „впрегнати“ в работа различни разновидности от микроорганизми, притежаващи способността специфично да усвояват като хранителни вещества само газовете метан, пропан или бутан и някои други въглеводороди. Тези микроорганизми се размножават само в среда, лишена от кислород, на базата на въглеводородните съединения. Бактериите се поставят в сондажната дупка на дълбочина 1 м. Ако на даденото място са разположени нефтоносни или газоносни пластове, бактериите се размножават добре. В противен случай те загиват. Микробиологичното разузнаване се е оказало ефективно в 60% от случаите при търсене на нефт. С помощта на нефтените бактерии-разузнавачи е било открито газовото находище край гр. Ставропол в СССР и още много други находища по света.

Макар възможностите за използуване на бактериите като търсачи на нефт и газ да не се прилагат в необходимите мащаби, ние имаме всички основания да смятаме, че отсега нататък геолого-проучвателните експедиции заедно с обичайните инструменти и прибори ще вземат със себе си и… епруветки с бактерии. Защото макар и сравнително млад клон на науката, микробиологията на нефта усилено се развива в страни като СССР, САЩ, Англия и др., разполагащи със силно развита нефтена промишленост. Тя открива широки възможности както при търсенето, така и при преработването на нефта.

Откриването на железни бактерии от родовете Галионела, Лептотрикс и Креотрикс е сигурен указател за това, че в дадени райони могат да се открият значителни залежи от железни руди. Палеомикробиолозите със сигурност са доказали, че формирането на железнорудни месторождения в огромни мащаби е станало още през архайската ера. В течение на много милиони години неуморимите микроскопични „труженици“ най-добросъвестно са извличали огромни количества желязо. За тази им дейност хората могат да им бъдат безкрайно благодарни. Но не бива да оставаме с погрешна представа, че микробите са искали да ни направят някакво благодеяние — те просто са използували химичната енергия, получена при превръщането на железните соли, за осъществяване на жизнените си процеси. Още през 1888 г. акад. С. Н. Виноградски е посочил, че източник на енергия, необходима за асимилацията на въглерода от въглеродния двуокис и за синтезата на органични вещества на железните бактерии, е химичната енергия, получена при окисляването на феросолите до ферихидроокиси (фиг. 8).

{img:biologija_za_vsichki_f08_zhelezni_bakterii.jpg|#Фиг.8. Железни бактерии от реликтния вид Галионела феругинеа, около които личат ферихидратни отложения.}

Железните бактерии са, общо взето, доста големи (например родовете Лептотрикс и Кренотрикс имат нишковидна форма и в напречен разрез достигат до 20 микрона и дължина до 1 см). Натрупване на железни руди, продукт от жизнената дейност на споменатите бактерии, се открива предимно в райони с влажен умерен или горещ климат, каквито са тайго-подзолистите райони на Евразия и Северна Америка, а също и в субтропичните области На Южна Америка, Централна Африка, Южна Австралия, Малайския архипелаг и Индия. Големи запаси от желязна езерна руда (образувана също от микроби) са открити в много езера на Швеция и Съветския съюз. Някои железни бактерии имат свойството да окисляват освен железни и манганови съединения, благодарение на което с тяхна помощ са открити значителен брой железно-манганови залежи.

Пурпурните и зелените серни бактерии имат способност да отлагат чиста сяра в клетките си или извън тях. Намирането на тези бактерии може да бъде указател за наличието на значителни количества сяра, имаща промишлено значение. Такива залежи са открити в Северното езеро в СССР, където още по времето на Петър I се е добивала сяра. Подобни месторождения на сяра има в Киренайка, Дагестан, Алтай и др. Предполага се, че серни бактерии са отложили пластовете сяра през далечни геологични епохи.

Интерес представляват изследванията върху възможностите на бактериите да разделят изотопите на елементите. Известно е, че този процес създава големи грижи на химиците, тъй като за целта се прилагат много скъпи и сложни методи и апаратура. Типичен пример за това е разделянето на изотопите на урана с атомно тегло 235 и 238 с помощта на бактерии. Способността на бактериите да разпознават изотопите се прилага и за разпознаване на изотопите на сярата, които имат атомно тегло 32 и 34.

Индикаторни микроби, използувани в медицината и микробиологичната промишленост
През последните десетилетия учените широко използуват микробите като индикатори при определянето на витамини, витаминоподобни вещества, аминокиселини, антибиотици, токсини и отрови, биогенни стимулатори и пр. С тяхна помощ изследователите получават бърз и точен отговор, тъй като микробите притежават висока чувствителност и голяма специфичност. Микробен тест за определяне на витамини от групата B е използуван още през 1935 г.

Както е известно, антибиотиците са биологично активни вещества от микробен произход, които имат свойството избирателно да подтискат развитието и растежа на микроорганизмите — бактерии, микроскопични гъби, актиномицети, микроскопични водорасли и първаци. Микроорганизмите, образуващи антибиотици, играят особено важна роля във формирането на природните микробни съобщества и в борбата с болестотворните бактерии. Действието на антибиотиците е специфично. Всеки от тях има свой спектър на действие, като въздействува на един или повече видове чувствителни към него микроорганизми. По този признак те се разделят на антибиотици с ограничен и на антибиотици с широк спектър на действие.

Понякога микробиологичните методи са предпочитани за определянето на аминокиселини, витамини и други биологично активни вещества, даже и пред такива широко известни модерни и прецизни методи, като мас-слектрометрията, йонообменната хроматография и др. Това предпочитание не е просто каприз — микробиологичните методи не изискват сложна и скъпа апаратура, в много случаи са по-точни и могат да улавят незначителни количества от тези вещества. Например един от най-известните методи за определяне количеството на така ценния витамин B{sub}12{/sub} (цианкобаламин) и неговите производни е микробиологичният. Най-добрият индикаторен микроорганизъм е чревната бактерия Ешерихия коли, която в присъствие на различни концентрации от витамин B{sub}12{/sub} дава различни по големина зони на растеж, а колониите й са ярко червени (фиг. 9).

{img:biologija_za_vsichki_f09_esherihia_koli.jpg|#Фиг.9. Електронномикроскопска снимка на бактерията Ешерихия коли, заснета в момент на делене.}

Микробите бяха едни от първите „космонавти“. Изследванията, проведени с помощта на изкуствени спътници на земята от СССР и САЩ, показаха, че около нашата планета има пояси от повишена радиация, силата на които постоянно се изменя. За да може да се прогнозира точно силата на тази радиация, преди изстрелването на управляеми от хора космически апарати учените използуваха „услугите“ на микроорганизми главно от вида Ешерихия коли, които сигурно регистрираха границите на опасната радиация и даваха „зелена улица“ на хората в Космоса.

Микробите са отлични показатели за санитарното състояние на околната среда и с тяхна помощ лесно и бързо се контролира чистотата на питейната вода, на хранителните продукти, на работните и учебните помещения, на жилищата и пр.

Хората все по-често започват да прибягват до „услугите“ на неизброимото множество полезни микроби, населяващи нашата планета. Няма съмнение, че в бъдеще тези невидими наши помощници в ролята на индикатори, детективи и разузнавачи ще допринесат твърде много за благото на цялото човечество (фиг. 10).

{img:biologija_za_vsichki_f10_antibiograma.jpg|#Фиг.10. Петриеви панички с хранителна среда за бактерии. В долния ред няма антибиотици и микробите са образували плътни колонии. Средата в горните панички е третирана с различни антибиотици, които са ограничили развитието на бактериите.}

Контраатаките на супербактериите
В борбата на медиците срещу болестотворните микроорганизми има много светли дати. Една от тях е отбелязана през 1935 г., когато опитите на Домаг в Германия доведоха до синтезирането и производството на сулфамидите (сулфонамидите). Тези препарати дадоха неочаквано голям напредък при усилията на специалистите за лекуване на заразните болести с помощта на химични препарати. Резултатите от приложението на сулфамидите били толкова зашеметяващи, че според известни наблюдатели „обликът на медицината се променил едва ли не за 24 часа“. И наистина, новосинтезираните препарати притежават качества, за които лекарите в миналото можели само да мечтаят. Приемани в подходящи дози от пациентите, сулфамидите убиват различните микроби, без да увреждат организма на болните. Радостта на целия свят от откриването на сулфамидите беше заслужено голяма, защото болести като пневмонията, перитонита, менингита, петнистият тиф и много други причиняваха на хората много страдания и скръб. Разбира се, и преди употребата на сулфамидите мнозина от разболелите се от тези болести хора оздравяваха, но борбата на организма им с болестта биваше продължителна и тежка и не бяха редки случаите, при които оздравелите болни до края на живота си оставаха с някакъв недъг. Още по-ценни бяха тези препарати за хирурзите и акушер-гинеколозите. Родилките се спасяваха от страшната родилна треска, а хирургическите екипи можеха да предприемат много по-сложни операции.

Другата светла дата за химиотерапията е през февруари 1941 г., когато за пръв път бе изпробвана лечебната сила на открития от Александър Флеминг антибиотик — пеницилина. По това време английски лекари се опитаха да спасят живота на един получил отравяне на кръвта полицай. Лекуването вървяло изненадващо благоприятно за пациента в продължение на 5 дни. Той чувствувал подобрение в здравословното си състояние с всеки изминат ден. За негово нещастие нямало произведени достатъчно дози от новото лекарство и полицаят починал, но специалистите могли да се убедят в могъщата сила на новите лекарства — антибиотиците, чийто брой непрекъснато растеше. С тяхна помощ започнаха да лекуват много болести, срещу които дори и „вълшебните“ сулфамиди бяха безпомощни. У някои хора се създаде убеждението, че медицината вече разполага с противобактерийни средства, с чиято помощ лесно и ефикасно ще бъдат ликвидирани бактерийните инфекции. Точно по това време за най-голяма изненада и неудоволствие на медиците стана ясно, че микросветът съвсем не е така беззащитен, за какъвто прибързано бе обявен. Оказа се, че микробите могат успешно да се борят с лекарствата! Примери за съпротивителната сила на микроорганизмите има достатъчно много. От бюлетина на Световната здравна организация лесно може да се научи, че през 1968 г. в един провинциален английски град избухва стомашно-чревна епидемия, която отнема живота на 14 бебета. Наскоро в Гватемала 12 000 души починали от дизентерия, тъй като лекарите не могли да се справят с върлуващите устойчиви на лекарства бактерии. Над 10 000 случая на заболяване от петнист тиф били причинени също от устойчив на лекарства бацил, а т.нар. „болнични“ инфекции продължават да създават големи главоболия на медиците. Изчислено е, че във Франция близо 10% от смъртните случаи в клиниките се дължат на болничните инфекции.

Откъде се взема тази голяма съпротивителна сила в миниатюрните клетки на микробите? — с право би възкликнал някой наш читател. И това е наистина основателен въпрос. Трябва да признаем, че първоначално дори и най-големите оптимисти, вярващи в чудодейната сила на антибиотиците, също бяха много смутени. Докато в крайна сметка бактериолозите изясниха, че сред всеки бактериен вид могат да се получат известен брой индивиди, които с незначителна промяна в наследствения апарат могат успешно да се справят с атаките на противобактерийните лекарства и да дадат началото на нечувствителен (резистентен) към антибиотиците бактериен щам. Именно на такива резистентни щамове микроби учените дадоха името „супербактерии“.

Специалистите микробиолози успяха да изяснят, че микробите могат да се съпротивяват главно по три начина срещу атаките на антибиотиците. Първият начин е, като синтезират в клетките си ензим (биологично активен белтък), който разгражда даден антибиотик. Като пример може да се посочи синтезираният от някои видове бактерии ензим пеницилиназа, който успешно противодействува (разгражда) пеницилина.

Вторият начин е чрез извършване на химични промени в клетъчната обвивка на микроба. Това е всъщност арената, където се разиграва сражението между антибиотика и нападнатия микроб. Като успее да запази целостта на клетъчната си обвивка, микробът фактически излиза победител в двубоя с антибактерийното средство.

Третият начин се свежда до намаляването на въздействието върху биохимичната активност на ензимите, които болестотворният причинител създава и които медикаментът се опитва да унищожи. По такъв начин ефектът на лечението е незначителен.

След като ненадвитата съпротивителна сила на невидимия патогенен свят бе установена в много страни по света, учените решиха да разгадаят нейната същност. Основният въпрос бе как микробите си създават наследствена способност за невъзприемчивост към действието на някои антибиотици. След редица опити можа да се докаже, че резистентност може да се получи в резултат както на случайна, така и на целенасочена мутация (промяна в генома, която води до придобиване на нови белези, качества или свойства за даден индивид или популация). Това означава, че в наследствения апарат на бактерийното ядро и по-точно в молекулата на ДНК се извършват предаващи се в наследство изменения, които именно водят до резистентност. Мутации, водещи до невъзприемчивост, могат да се появят в резултат на облъчване на микробите с ултравиолетова или друг вид радиация или чрез въздействие с определени химични вещества.

Впоследствие беше изяснено, че случайните мутации сравнително рядко създават устойчивост на микробите спрямо лекарства — химиотерапевтицити, защото се оказа, че микробите от незапомнени времена притежават други начини да си предават един другиму устойчивост срещу антибиотиците. Един от тези начини е т.нар. бактерийна трансформация. Тя може да се разгледа като своего рода „инфекция“ на резистентни индивиди от определен щам върху все още нерезистентни микроби от същия щам. При този процес ДНК на резистентната микробна клетка прониква в нерезистентните клетки и им предава „рецептата“ за изработване на устойчивост. Така например с ДНК от една стрептомициноустойчива култура на чревните бактерии Ешерихия коли може да се предизвика устойчивост в друга коли-култура, чувствителна на стрептомицин.

Другият начин за предаване на устойчивост срещу антибиотици се постига чрез процеса трансдукция. При него ролята на преносители на антибиотикоустойчивост играят клетки от определен микробен щам, които са били инфектирани с фаги (вируси, които разрушават бактерийните клетки). Именно тези фаги притежават удивителното свойство да включват в молекулата на собствената си ДНК комплекса от гени на бактерията, който определя устойчивостта срещу даден антибиотик. Така натоварен с гените на антибиотикоустойчивостта, фагът навлиза в други микробни клетки от същия вид и като се включва в генома им, предава и на тях устойчивост към антибиотика. По този начин например ентеробактериите и стафилококите предават способността си за невъзприемчивост към редица антибиотици.

Третият начин за предаване на резистентност е процесът конюгация. При него две бактерийни клетки — една носеща в генома си невъзприемчивост към антибиотик се доближава до друга, „незапозната“ с тайната на невъзприемчивостта микробна клетка от същия щам. Помежду им се създават протоплазмени мостчета, с помощта на които в клетката-приемник прониква „тайната рецепта“ за съпротива към лекарствата. Тук му е мястото да отбележим, че това е най-ефикасният метод на бактериите в съпротивителните им борби срещу антибиотиците. Той е особено характерен за т.нар. Грампозитивни бактерии (които по метода на Грам се багрят в ясно червен цвят) и с негова помощ бактериите могат да придобият множествена устойчивост. Това ще рече, че конюгацията дава възможност да се пренесат не една, а повече „рецепти“ за устойчивост дори срещу шест вида антибиотици.

Като прочете написаното дотук, някой читател може да остане с погрешното убеждение, че хората са загубили тежката битка с враговете от невидимия свят. За щастие това не е така. Изследователите установиха, че оставени на спокойствие, болестотворните бактерийни видове след определен период губят съпротивителните си способности към антибиотиците и отново стават уязвими на тяхното въздействие. Предполага се, че нерезистентните микробни щамове имат по-голяма вероятност да продължат съществуването си като вид в условията на естествения отбор в сравнение с резистентните си събратя.

С описаните случаи обаче не се изчерпват начините за микробна съпротива. В своята практика лекарите се натъкнаха на случаи, при които патогенните бактерии оставаха незасегнати от въздействието на антибиотик, въпреки че нямаха резистентност към него. Първоначално това предизвика смут сред учените, но скоро и тази тайна бе разгадана. Оказа се, че се касае за т.нар. микробна перзистентност. Без да са резистентни в истинския смисъл на думата, те избягват въздействието на дадено лекарство, като се укриват в определени места на организма. Случва се патогенни микроби да бъдат погълнати от макрофагите (клетки от защитната система на човека) и под тяхна защита да просъществуват до разрушаването им, тъй като са надеждно прикрити от тях срещу атаките на антибиотика. В други случаи микробите умело перзистират, като се загнездват в загниваща тъкан или се оказват на места, където количеството кислород или киселинността на средата не благоприятствуват активното действие на антибиотика.

В други случаи микробите показват изключителна издръжливост спрямо дадени химиотерапевтични средства и са в състояние дълго време да „стимулират“ изтощение и след това внезапно да се активизират. Такова поведение на микробите може да се наблюдава, когато дадена болест още в началото не се атакува с големи дози антибиотик. При това положение защитните механизми на организма омаломощават патогенните възбудители и забавят чувствително обмяната на веществата в клетките им. Същевременно обаче микробите твърде слабо или въобще не приемат антибиотика. Ето защо констатираните болести трябва още в началото да се лекуват с високи дози антибиотици, за да може микробната популация да се намери във фаза на най-висока жизнена активност и обмяна на веществата, при която нерезистентният микробен вид ще бъде и най-уязвим от антибактерийния агент.

Едва в последно време започна да става по-ясна природата на някои болести, които дълго време бяха голяма загадка за учените. Тяхната „тайнственост“ се дължеше и на това, че те дълго време бяха завоалирани от болести като петнистия тиф, едрата шарка и др. Сега вече се знае, че тези упорити хронични форми се предизвикват от т.нар. Л-форми на бактериите и микоплазмите. Затова и проучванията върху тях имат такова голямо значение за здравеопазването на хората.

Микробиолозите нарекоха с условното име Л-форма особеното състояние на някои бактерии, при което те под въздействието на защитните сили на организма или на химични вещества се освобождават от клетъчната си обвивка, тъй както насекомите правят това в стадия на ларвната метаморфоза. Това „събличане“ на микробите има дълбок биологичен смисъл — те стават значително по-нечувствителни на въздействието на антителата и антибиотиците, защото, както се каза по-горе, антибиотици от типа на пеницилина атакуват именно клетъчната обвивка на редица предизвикващи болести у човека бактерии.

Микоплазмите са особен вид извънредно малки бактерии, много сходни на Л-формите. Те причиняват тежки заболявания като пневмония, която протича с остри, хронични или т.нар. „дремещи“ поражения на белите дробове при човека. Те предизвикват също така и септични (остри възпалителни) процеси в различни органи и тъкани на организма.

Сега с голям интерес се следят изследванията на съветските учени акад. В. Тимаков и проф. Каган върху Л-бактерийните форми и микоплазмите. Те публикуват интересни данни за изолиране на Л-форми на бактерии от кръвта на болни от ревматизъм, септичен ендокардит, както и на болни от различни форми на менингити и менингоенцефалити. Благодарение на техните изследвания бе създадена методика за ранно откриване на скрити форми туберкулоза. Освен това на опитни животни бяха предизвикани с Л-форми бактерии менингит, ангина и други болести. По такъв начин станаха известни причинителите на редица хронични болести и причините за устойчивостта им срещу лекарствата (фиг. 11).

{img:biologija_za_vsichki_f11_mikoplazma.jpg|#Фиг.11. Електронномикроскопска снимка на микоплазма.}

В наши дни биолозите и медиците водят трудна и продължителна война със стафилококовите инфекции. Те се причиняват от микроскопични кълбовидни бактерии, които на времето първи станаха жертва на пеницилина. За съжаление стафилококите проявиха голяма пластичност и бързо се приспособиха към новопоявилия се неприятел. Техните антибиотикоустойчиви мутанти днес са около 80% от всички стафилококови щамове. Затова и поутихналите преди години гнойни инфекции, предизвиквани от стафилококи, отново плъзнаха в болничните заведения и създават неприятности на пациенти и лекуващ персонал. Това даде основание на някои хора да нарекат стафилококовата инфекция „чумата на XX век“. И с пълно право, защото от нея днес загиват много повече хора, отколкото от дифтерит, дизентерия и коремен тиф. Тези невидими врагове се намират в огромни количества навсякъде около нас. Те причиняват близо 90% от бактерийните бронхопневмонии при малките деца, над 50% от гнойните ангини, а по бойните полета много ранени умират вследствие на загнояване на раните, получаващо се пак в резултат на тяхната жизнена дейност. Най-отчайващо беше, че срещу стафилококите антибиотиците действуват слабо, а опитите да се създаде ваксина даваха незадоволителни резултати, тъй като количеството на антителата бе малко и създаваният имунитет — нетраен. Ето как учените отново бяха изправени срещу един прастар и същевременно модерно „превъоръжен“ враг.

Изобретателният човешки ум успя да намери правилното решение и на тази трудна задача. Медиците решиха да получат готови противостафилококови имунни серуми, които да бъдат преливани на заболели хора веднага след констатирането на стафилококовата инфекция. Една стабилна и сигурна методика за получаване на такива серуми бе разработена от ленинградски специалисти под ръководството на проф. Филатов. За целта те инжектирали на хора стафилококи с отслабена жизненост, които не могат да причинят заболяване, но предизвикват образуване на антитела и временен имунитет срещу тези микроби. След това от кръвната плазма на тези хора извличали само тази съставка, която съдържа противостафилококовите имунни антитела. По такъв начин дарителят на тези толкова скъпоценни антитела не се лишава от голямо количество кръв, а болни в критично състояние могат да получат повече дози от спасителния серум.

На времето проф. Г. Домаг беше направил твърде оптимистичното изказване, че химиците и фармацевтите ще надхитрят „разума“ на някои микроби. В наши дни учените са по-предпазливи в прогнозите си и с право твърдят, че не бива да се подценяват съпротивителните сили и маневри на микробите. Борбата на живот и смърт между най-низшите организми и най-усъвършенствуваната форма на живот продължава и крайният резултат все още е неизвестен. Иска ни се да вярваме, че шансовете на хората да победят супербактериите са се увеличили значително, още повече че бактерийната генетика все още не е казала своята решаваща дума.

Разгаданите тайни на наследствеността