Запасные части для коммунальной и дорожно-строительной техники

Биология

2003. Завальский Л.Ю., "Преимущества корпоративной жизни, или тайный язык микробных сообществ".


Преимущества корпоративной жизни,
или тайный язык микробных сообществ.

Завальский Л.Ю.

15 сентября 2003 года.
http://www.inauka.ru/biology/article35812.html

        Человек с присущей ему страстью к самоопределению делит микробы на хорошие и плохие, на полезные и вредные. Хорошие помогают жить самому человеку, а вредные мешают. Полезные способствуют росту урожайности, борются с сорняками, укрепляют здоровье, разлагают органические и неорганические отходы, производят бытовую энергию. Вредные делают все наоборот: вызывают болезни, эпидемии, мор, разрушают здания, дороги, портят продукты и производят дурной запах изо рта.
        Вот было бы хорошо раз и навсегда избавиться от всех вредных микробов, оставить только полезные. В этом направлении работают японцы: они определили группу из 86 полезных микробов и на ее основе создают эффективные технологии. Эффективные микроорганизмы (ЭМ) они используют для удобрения почвы, в качестве биологических добавок в пищу животным.
        Эффективные микроорганизмы – это ферментированная смешанная культура молочнокислых, фототропических (фотосинтезирующих) бактерий и дрожжей. Эти микроорганизмы естественным образом существуют в природе и используются для производства пищи и как пробиотики (нормальная микрофлора, заселяющая кишечник, имеет важное значение для регулирования оптимального уровня метаболических процессов, протекающих в организме) для домашнего скота. Культура ЭМ содержит смесь из разновидностей перечисленных микроорганизмов в кислой среде, она не содержит никаких генетически измененных микробов.
        Результаты, как рекламируют сами японцы, потрясающие. Микробиологические технологии позволяют увеличить урожайность по сравнению с минеральными удобрениями (которые дают прибавку на 10-20%) на 100-200 и даже на 500%. В Японии урожайность по сравнению с нашей выше на 1000-2000% на разных культурах. Например, японцы в среднем с куста помидоров убирают 120-150 кг, в России - 3-5кг. В Краснодарском крае получают риса 50 ц/га, а лучший японский фермер - до 500ц/га. Некоторые результаты применения российского ЭМ-удобрения "Байкал-ЭМ1" говорят сами за себя: урожайность картофеля возросла на 83%, укропа на 50%, петрушки на 40%, редиса на 47%, помидоров и огурцов в теплицах на 50%. Это свидетельствует о том, что биоудобрение "Байкал-ЭМ1" (содержащее порядка 40 культур микроорганизмов в отличие от 86 в Японии) пока еще не является таким эффективным комплексом микроорганизмов, как в Японии и других странах, но справедливости ради надо отметить, что цифры по России даны по одному году использования ЭМ, через 3-5 лет они могут возрасти в 3 раза.
        В целом ЭМ-агротехнологии позволяют:
        • Быстро (в течение 3-5 лет) повысить плодородие почвы;
        • Нейтрализовать вредные вещества в почве и воде;
        • Подавить вредные микроорганизмы;
        • Остановить процессы гниения и устранить неприятные запахи и популяцию мух;
        • Значительно ускорить процесс ферментации органики;
        • Повысить устойчивость растений к заморозкам;
        • Поднять иммунитет растений;
        • Сократить сроки созревания;
        • Увеличить сбор урожая и его качество;
        • Бороться с насекомыми-вредителями;
        • Бороться с сорняками;
        • Устранить необходимость в севообороте на полях и замену грунта в теплицах, парниках;
        • Снизить производственные затраты.
        Большое значение придается использованию отходов животноводства (навоз, канализационные стоки) как удобрений. ЭМ помогают процессу разложения органических материалов в почве через брожение, и производят необходимые органические кислоты, биоактивные вещества и витамины. Ключевой компонент в этом процессе - органическое вещество, которое образуется, при переработке (компостировании) остатков урожая, зеленых удобрений и животного удобрения (навоза). Этот процесс ведет к увеличению перегноя в почве.
        Вообще, как всегда, подтвердилась простая истина: с хорошими микробами иметь дело намного легче, чем с плохими. Раньше были попытки объявить о всемирной победе над тем или иным инфекционным заболеванием (например, чумой, оспой), однако все из них оказывались преждевременными. Патогенные микроорганизмы изобретательно модифицируются в ответ на активную борьбу с ними (прежде всего, повсеместную антибиотикотерапию). Доказано, что более 90% генетического фонда планеты хранится в бактериях, и избавиться человеку от "ненужной" части этого генетического фонда задача непосильная. Иметь же в запасе искусственных хранилищ "вредоносные" штаммы микроорганизмов необходимо хотя бы потому, чтобы в случае эпидемии быстро получить необходимые вакцины против прогрессирующего заболевания.
        В последние годы обнаружилось много нового в механизмах образования «вредоносительства» и вирулентности большинства известных микробов. Например, было выяснено, что гены бактерии холеры – заболевания, ежегодно уносящего сотни тысяч жизней – совершенно не похожи гены той же бактерии, определяющие передачу инфекции между людьми. Культура холеры, культивируемая в лабораторных условиях, оказалась "непатогенной" для человека и животных, тогда как в условиях реальной жизни бактерия холеры вызывает смертельное заболевание. Так, лабораторно выращенные штаммы холеры в 700 раз менее вирулентны, чем их собратья, выделенные из экскрементов больных холерой в республике Бангладеш. "Настоящие" бактерии холеры сохраняли патогенность в течение 5 часов в чистой воде и полностью утрачивали вирулентность после 18 часов культивирования в питательной лабораторной среде. Таким образом, несмотря на "одинаковость" генотипа, один и тот же вид может быть "патогенным" и "непатогенным". Вирулентность штамма, как оказалось, определяется условиями обитания и роста колоний.
        Итак, "заразность" (свойство инфицировать – проникать в организм человека) и "патогенность" (свойство вызывать заболевание) оказались разными свойствами одной и той же бактерии. Тщательные исследования показали, что у "заразной" бактерии холеры 237 генов работают иначе, чем у "незаразной": 44 из них включены, тогда как 193 выключены.
        Среди "выключенных" генов находится и группа "патогенных" генов, ответственных за выработку смертельно опасного холерного токсина, вызывающего заболевание. В условиях низкого содержания в среде кислорода, железа и питательных веществ активизируются гены, ответственные за выживаемость, тогда как для выработки токсина требуются другие условия. Поэтому и оказываются неэффективными вакцины, которые ученые создали на базе протеинов бактерий, выращенных в лабораторных условиях.
        Две формы – инфицирующая (заразная) и вызывающая (патогенная)– характерны и для некоторых других опасных инфекций, например, малярии.
        Экспрессия разных групп генов, как и развитие различных бактериальных форм на основе одного и того же целостного генетического организма, во многом определяется условиями окружающей среды и обменом сигнальной информацией между самими бактериальными клетками – членами микробного сообщества (так называемый эффект quorum-sensing – кооперативной чувствительности микробов).
        Сенсорное (чувствительное) восприятие окружающего пространства бактерии осуществляют при помощи систем хемотаксиса и quorum-sensing: первая проявляется как инфицирующий фактор, вторая – как вызывающий фактор.
        Система хемотаксиса экспрессируется в условиях обедненной питательной среды и ответственна за выживание клеток в трудных условиях. Внешне система хемотаксиса проявляется в повышенной подвижности бактерий (за счет вращения спиралевидных жгутиков) и двигательной реакции на химическое окружение.
        Система подвижности и хемотаксиса бактерий реагирует на разные классы химических соединений: аминокислоты, сахара, полициклические ароматические углеводороды, ионы металлов, пептиды, опиатные белки, гидрофобные молекулярные комплексы, антибиотики, токсические вещества, различные яды природного и искусственного происхождения, нейромедиаторы, отравляющие вещества, лекарственные препараты и другие активные химические соединения. Такая чувствительность объясняется наличием специфических рецепторов на поверхности клетки, а также значительной ролью трансмембранного протонного потенциала в механизме хемотаксиса бактерий. Помимо специфической реакции связывания рецепторов с субстратом, малейшие изменения электрического потенциала на мембране приводят к двигательной, то есть хемотаксической реакции.
        Система хемотаксиса бактерий в ходе миллионов лет эволюции послужила основой для развития сенсорных систем высших организмов, и во многом сохраняет их специфичность, которая проявляется на клеточном уровне. Немаловажна и роль подвижности и хемотаксиса бактерий в экологических отношениях микроорганизмов. По-видимому, хемотаксис бактерий можно использовать в качестве интегрального показателя экологической сбалансированности и незагрязненности окружающей среды.
        Система quorum-sensing (QS) проявляется в условиях повышенной плотности бактерий, когда концентрация популяция достигает некоторой критической величины, за которой следует либо лизис (разложение) культуры в жидкости, либо прикрепление к твердой поверхности с образованием биопленки. Физиологические функции бактерий изменяются в результате продукции клетками внеклеточных сигнальных молекул (аутоиндукторов) – относящихся к классам хинолов, лактонов и пептидов. Под контролем QS-системы находятся гены, определяющие синтез факторов вирулентности, протеолитических систем, антибиотиков. Образование биопленок является основной стратегией выживания бактерий в окружающей среде, поскольку именно в составе биопленки они защищены от таких антибактериальных воздействий, как антибиотики, бактериофаги, фагоциты.
        Биопленки – это высокоорганизованные микробные сообщества, живущие в липополисахаридном "многоквартирном доме" на твердой поверхности. Микробные "квартиры" связаны каналами водоснабжения для распределения питательных веществ и канализации для удаления отходов жизнедеятельности, а "скелет" дома служит защитной крепостью. Как показали исследования, профили экспрессируемых генов для свободно живущих бактерий и бактерий из сообщества биопленки разительно различаются. Это означает, что выполнение общественных функций существенно повышает способность к выживанию.
        Также и патогенные болезнетворные бактерии, атакующие клетку хозяина, синтезируют факторы патогенности только после достижения ими определенной плотности, когда внедрение в организм достаточного количества патогенных факторов обеспечит успешное развитие инфекционного процесса.
        Таким образом, чтобы победить в борьбе с "вредоносными" микробными сообществами, недостаточно познать их "злостную" генетическую природу, надо изучить их язык "парламентского" общения, чтобы вести с ними мирные переговоры.
Справка:

Завальский Леонид Юлианович (1957 г.р.), пос. Оболенск Московской области, кандидат физико-математических наук. Окончил Факультет молекулярной и химической физики МФТИ (1980). Ведущий научный сотрудник Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии (ГНЦ ПСМ).
E-mail: Zavalsky@obolensk.org