У источника жизни, или о сложности простейших

…Если вы хотите докопаться до самых первоначальных биологических корней человека — вам сюда, в лабораторию природных микробиоценозов Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, которую возглавляет доктор медицинских наук Наталия Вячеславовна Немцева.
 

Недавно сотрудниками лаборатории выпущена в свет монография «Альгофлора Оренбуржья». Возможно, непосвященному покажется, что на его страницах представлены плоды буйной фантазии модного ювелира – подвески, браслеты, перстни, броши, диадемы… Совсем нет! Если мы попросим стать проводником по этой «малахитовой шкатулке» Наталью Вячеславовну, то не без удивления узнаем, что героиней этого роскошного разнообразия, является… клетка, которая составляет целый организм! Знакомьтесь: первый эукариот (ядерная клетка), положивший начало целой плеяде организмов, увенчавшейся человеком.


 

— Вот эти бактерии, водоросли, простейшие, способы их взаимодействия и составляют предмет изучения в нашей лаборатории, — говорит Наталья Вячеславовна. — Каким образом формируются экосистемы? Здесь есть своя специфика. Возьмите биоценозы человека — они ограничены температурой, химизмом тела «хозяина» даже территориально. Что же касается водоема — температура в нем широкой амплитуды. Если говорить о составе микроэлементов — это вся таблица Менделеева, включая элементы радиоактивные. Многое зависит от географического положения водоема. Естественно, мы, оренбуржцы, ограничиваемся водоемами степной и лесостепной зоны, но результаты наших исследований представляют интерес для обширной территории страны. Пока мы с вами говорим о чистой науке — изучении механизмов выживания микроорганизмов в определенных условиях, их возможностях занять свою экологическую нишу, удержать ее рубежи. Дело осложняется тем, что в водоемы поступают промышленные, бытовые стоки, а вместе с ними и их микрофлора. Когда-то считалось, что в изменившихся условиях эти микроорганизмы в водоеме должны погибнуть. Оказывается — нет! Они могут найти нового «хозяина», нового соседа и, может быть, даже достаточно благоприятные условия существования. Более того — у многих есть перспектива возвратиться в мир, который они покинули. Разве не может, например, вернуться к человеку та же кишечная палочка? В водоеме она сохраняется и даже размножается в теле простейших, моллюсков… Целый ряд патогенных микроорганизмов способен выживать здесь. Для некоторых даже обязателен сапрофитизм как фаза существования, они должны попасть в водоем, чтобы удовлетворить свои физиологические потребности и вернуться к паразитическому образу жизни.
 

— И здесь чистая наука начинает интересовать практиков?
 

— Да, результаты наших наблюдений становятся интересны с точки зрения санитарно-экологической характеристики водоемов. К этому мы еще вернемся, а сейчас рассмотрим собственную микрофлору водоема. Она должна быть готовой к агрессии, должна иметь какие-то механизмы, дающие возможность пережить химическое давление, которое оказывает человек, и механизмы, позволяющие микроорганизмам уживаться с соседями.
 

— Значит, в каждом озерце кипит бурная жизнь?
 

— И понимать ее очень важно для нас. Каждая группа микроорганизмов занимает свою экологическую нишу, она предназначена ей природой. Живя на определенном субстрате, расщепляя его, эта группа передает конечный продукт следующему виду, который в свою очередь его утилизирует, передавая эстафету дальше, пока все это не превратится в простые химические элементы: водород, кислород, углекислый газ…
 

— И человек существенно зависит от этих процессов?
 

— В большой степени, да: жизнь так устроена, что вода имеет архиважное значение. Во-первых, она входит в перечень лимитирующих факторов, без которых невозможна жизнь; во-вторых, имеет социальное значение: чистая вода — не только источник жизни, но и необходимое условие здоровья и цивилизованного быта. Так что, загрязняя воду, человек рубит сук, на котором сидит. Исходя из этого, лаборатория определила для себя несколько направлений. Главное — сам по себе природный водоем, разнообразие круга обитающих в нем биологических организмов. Чтобы сохранять для блага человека природную среду – в нашем случае водоем — мы должны знать, «чего и сколько» в нем существует. Для этого нужно, так сказать, провести его инвентаризацию. Как известно, существует мировая программа «Биоразнообразие», стартовавшая в Рио-де-Жанейро в 1992 году. В ее федеральном варианте мы и участвуем. Вот эта книга, лежащая у меня на столе, содержит списки обитателей наших степных водоемов —одноклеточных водорослей, создающих большие неудобства в пору их цветения. Цветение — процесс, связанный с преимущественным развитием одного из видов, а значит и свидетельство изменений экологических условий. Чаще всего это сопряжено с поступлением большого количества легко доступного для усвоения органического вещества. Оно могло попасть с отмершими организмами, удобрением, навозом и т.п. И в результате один вид в буквальном смысле слова процветает, на остальное же «население» водоема изменение действует избирательно.
 

— И чем это чревато?
 

— Гибелью данной экологической системы.
 

— Это опасно для человека?
 

— Безусловно. Сине-зеленые водоросли при цветении выделяют различные токсины. Энтеротоксин будет вызывать расстройство кишечника. Могут также появиться, особенно у детей, аллергические реакции. Представьте себе, что мы такую воду начнем пить! Ведь такие ситуации характерны не только для открытых водоемов, но и для емкостей питьевой воды. Да, вода прошла систему очистки, но практика показала, что для водорослей это не является непреодолимой преградой. Прибавьте сюда, что в составе водорослей могут находиться болезнетворные бактерии: на микроорганизмы, находящиеся в клетке, не действует даже хлор! Конечно, барьер очистки проходят не все. Но радоваться рано — проходят-то самые стойкие микроорганизмы, обладающие способностями, которые позволяют им выжить почти в любых условиях. Они заработали свои высокие персистентные характеристики во взаимоотношениях с низшими эукариотами, но готовы попробовать свои силы и в организме человека. Этим объясняются инфекции, которые вспыхивают при употреблении недоброкачественной питьевой воды.
 

— Но можно же добиться надежной очистки?
 

— И это непростой вопрос. Конечно, мы стремимся употреблять максимально чистую воду. Самой чистой считается бутилированная вода. Но здесь уместно вспомнить об иммунной системе нашего организма. Она должна постоянно тренироваться. Если же мы помешаем ей стерильностью, она нам отомстит. Надо искать золотую середину.
 

— Как?
 

— Сейчас разрабатываются комбинированные методы очистки воды. На специальных носителях адсорбируются микроорганизмы, способные очищать воду.
 

Мы постоянно оцениваем состояние наших водоемов. Это важно для того, чтобы понять: воздействует определенный химический элемент на экологическую систему или нет, причем и в данный момент, и в перспективе. Следим за тем, как эта экологическая система изменяется: что из нее исчезло, а что появилось. Используя характеристики микроорганизмов, можно определить и свежесть загрязнения. Мы упростили метод определения сапробности. С его помощью определяем наличие микроорганизмов, существующих при определенном уровне органического вещества. Результат оценки сапробности — один из экологических и вместе с тем санитарных показателей. Используя физиологические характеристики микроорганизмов, сумели этот метод упростить. Представляете, что значит в шестистах вариантах просмотреть сапробные индексы? А если основываться на физиологических реакциях, объем исследований значительно сокращается. Таким образом, мы, не отвергая количественных показателей, рекомендуем использовать и качественные характеристики. Они дают существенный выигрыш во времени и в точности.
 

Одно из главных направлений работы лаборатории — поиск дополнительных источников биологически активных веществ. Водоросли во всем мире являются резервной кладовой и продуктов питания, и сырья для лекарственных препаратов. Поскольку мы работаем с водными биоценозами, то выделяем из них микроорганизмы в чистой культуре. Сегодня у нас есть несколько перспективных культур, которые могут в дальнейшем рассматриваться как антиоксиданты, как источники получения витамина А. Сейчас ищем среди них наиболее продуктивные и учимся их выращивать. Конечно, эта работа ведется не только нами, но вот что заманчиво: наши микроорганизмы можно выращивать в условиях средней полосы России, они неприхотливы и производство не потребует больших затрат.
 

— Какие проблемы помогут решить выигранные вами гранты?
 

— Мы, как я говорила, занимаемся исследованием механизма, который позволяет микроорганизмам выживать во взаимодействии друг с другом. В течение нескольких лет под руководством члена-корреспондента РАН Олега Валерьевича Бухарина изучаем систему «лизоцим-антилизоцим». Здесь стоит сделать маленькое отступление. Складывается впечатление, что природа как бы тренировалась на одноклеточных, создавая систему защиты высших организмов. Думаю, этот тренинг — «нападение–защита» — будет существовать вечно.
 

Мы прослеживаем развитие этой драматической борьбы. И борьбы изобретательной: микроорганизмы способны использовать защитные реакции «хозяина» для собственного выживания! Кстати, таких систем много — например, «гистон-антигистон». Возможно, она сложилась позднее. Гистоны — это особые белки, которые вступают в структурную композицию хромосом. Но у них есть и антибиотическая функция. Бактерии, проникая в клетку, используют гистоны. Какая драма разыгрывается в клетке, до конца мы сказать не можем. И совсем последние разработки — система «каталаза-пероксид водорода». Эти работы заинтересовали Фонд фундаментальных исследований. То есть взаимоотношения простейших с бактериями под углом зрения этих систем. Мы получили грант РФФИ на изучение водорослей, способных продуцировать биологически активные вещества.
 

— Какими же силами вы ведете эту работу?
 

— Нас девять человек. Кандидат биологических наук Сергей Владимирович Шабанов занимается водорослями. Недавно к нам пришла Татьяна Николаевна Яценко-Степанова из Оренбургского педагогического университета, с которой мы давно сотрудничаем. Сейчас она выполняет у нас диссертационное исследование, готовится защитить докторскую. Есть Андрей Олегович Плотников — кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, увлечен простейшими.
 

Молодежь сегодня приходит в науку обычным, нормальным путем, и это замечательно, что она приходит!
 

Душа нашего коллектива — Татьяна Николаевна. Она увлеченный человек, участвует да и организует экспедиции. Ее имя известно в кругах альгологов. Есть в лаборатории совсем молодые — Леночка Селиванова, тоже занимается микробиологией с первого курса академии, и с этого времени она со мной. Изучает микроорганизмы с экстремальными условиями жизни, обитающие, например, в гиперсоленых водоемах. Ее блестящая конкурсная работа заняла первое место в области. Интересная история у Жени Комлевой. Она эколог, пришла к нам студенткой IV курса, чтобы у нас сделать дипломную работу. Заниматься Женя почему-то хотела исключительно трихомонадами. Видимо, ее вдохновляла социальная значимость проблемы. Мы начали соблазнять ее нашими свободноживущими простейшими. И соблазнили! Девочка стала неистовым исследователем. Сейчас изучает влияние на простейших тяжелых металлов.
 

А Олю Гоголеву интересует влияние нефтепродуктов на биоту, что для нашей области весьма актуально. Но вот в какие сюжеты складываются порой научные интересы. Два года назад коллеги из Тольятти пригласили нас участвовать в проекте по изучению речки Чапаевки. Оля в составе экспедиции выехала на эту Чапаевку. Оказалось, что она скорее похожа на систему озер, чем на реку: биота в каждом ее отрезке абсолютно разная! Общим оказался только высокий уровень химического загрязнения. Ольга обратила внимание на то, что микроорганизмы своеобразно реагируют на загрязнение. Сейчас она пытается ответить на вопрос: как можно следить за тем, будут ли разрушаться нефтепродукты. Сыграют ли в этом роль обитающие в реке микроорганизмы или окажутся бесполезными?
 

— А как вы сами пришли в науку?
 

— В Оренбургской медицинской академии занималась у Олега Валерьевича Бухарина, Александра Абрамовича Стадникова, Бориса Александровича Фролова — ученых, которые умеют увлечь. Увлекалась гематологией, гистологией, микробиологией. Позже я твердо выбрала микробиологию и пришла в аспирантуру. Олег Валерьевич в то время только начинал свои исследования по антилизоцимной активности микроорганизмов. Мне в этой работе достались очень интересные бактерии с красивым именем шигеллы (которые вызывают дизентерию). Тогда я уже занималась инновациями, у меня было два авторских свидетельства и заявка на изобретение. Мы искали свой способ диагностики дизентерии, основанный на биологической природе и сущности самого паразита. Он и сейчас достаточно хорош.
 

— На чем он основан?
 

— Микроорганизмы, попадая к человеку, внедряются в клетку и используют лизоцим «хозяина», что и позволяет им в оккупированной клетке находиться достаточно долго. А это значит, что и искать их нужно именно в клетках. И выделять из организма больного в среду, привычную для данных бактерий. Так же разработали и метод подбора антибиотиков — именно для внутриклеточных микроорганизмов.
 

— Таким образом, с поступления в аспирантуру и до сих пор вы занимаетесь по существу одной проблемой? Микроорганизмы неисчерпаемы?
 

— Выходит, что так. Сейчас мы продолжаем изучение тонких механизмов, которые помогают микроорганизмам выживать, регулировать биоценотические взаимодействия.
 

— Связь с коллегами из Тольятти продолжается?
 

— Вместе с ними мы применили новые подходы к мониторингу. Будет создана монография, в которой мы подготовили свою часть, касающуюся микробиологических подходов к оценке экологического состояния водоемов. Это перспективные методы, поскольку микроорганизмы — наиболее мобильная часть, они настолько адаптивны и пластичны, что первыми откликаются на любые воздействия. А это важно — видеть, как на загрязнение будет реагировать живой организм. Трудно вообразить, что, подсчитав другими способами «чего и сколько», вы нырнете в эту среду, чтобы выяснить, чем она вам грозит. Конечно, нужен другой биологический объект — легко доступный, который всегда под рукой. Микроорганизм просто напрашивается на эту роль! Его отклик позволяет спрогнозировать, какова угроза здоровью человека.
 

В этой части работы мы связаны с экологами из Москвы, п. Борок Ярославской области, Пензы, Башкирии, Украины.
 

— Очевидно, самая «романтическая» часть вашей работы — экспедиции. Как они выглядят?
 

— Это куча ящиков, книг, специальные микроскопы, химическая посуда, приспособления, которые позволяют добывать материал и со дна водоема. Урал, Сакмара, речка Черная, река Илек, Соль-Илецкие соленые озера.… Здесь все просто: сажаем Андрея Олеговича в лодку, и он отправляется на середину озера. Если пробы нужно отбирать по часам, в лодке он и ночует, а девочки с берега кричат ему, когда приходит время «ч» — отбора проб. У нас бывают почасовые пробы, где измеряются и химический состав, и биологические циклы преобразований свободного органического вещества. Много процедур, которые производятся непосредственно у воды. Тоже не без особой романтики: Олечка Гоголева садится на стульчик, рядом ставится ящик и начинается процесс фильтрования и титрования. Пробы концентрируются, и, если нужно, везутся в город. Дома продолжается исследование. И зимой выезжаем в экспедиции, но уже с ледобуром. Вот такая романтика!
 

— Наталия Вячеславовна, в разговоре с вами нельзя удержаться от вопроса: как поживает уникальное озеро Оренбуржья Развал?
 

— Оно действительно уникальное — это водоем концентрированного раствора поваренной соли. В нем как в водоеме с экстремальными условиями обитают особенные микроорганизмы. Среди них есть древние формы. Это простейшие, водоросли, бактерии. Самое интересное, что благодаря необычным условиям существования они выработали способ защиты от гиперсоленых условий. Микроорганизмы синтезируют так называемые осмопротекторы, которые помогают им выживать. Еще интереснее, что они могут делиться осмопротектором с другими, и эти другие благодаря этому тоже выживают! Правда, срок их жизни в гиперсоленой воде ограничен, но он есть! Так что знаменитый наш Развал требует постоянного внимания ученых-экологов. Понятно, что экологическая нагрузка должна соответствовать его возможностям. Как любой природный объект, он нуждается в бережном и разумном отношении. Важно сохранить эту поистине жемчужину Оренбуржья — здесь сама природа поставила уникальный эксперимент и убедила нас, что жизнь возможна везде. Она неистребима.
 

— Спасибо за беседу и особенно — за последний аргумент, вселяющий так необходимый всем нам оптимизм!
 

Беседу вела Евгения ПАВЛОВА, г. Оренбург
 

На фото:

Зав. лабораторией природных микробиоценозов доктор медицинских наук, профессор Н.В. Немцева и кандидат медицинских наук А.О. Плотников.

Вот она, экспедиция!

Ведущий научный сотрудник, доцент Татьяна Николаевна Яценко-Степанова.

Отбор проб на берегу соленого озера ведут А.О. Плотников и Е.А. Селиванова.