Микроорганизмы в почве
Почва – это не просто верхний слой твёрдой оболочки Земли. Это ещё и вместилище живых организмов, причём самое насыщенное. Именно здесь, в частности, обитает большая часть всех земных микроорганизмов. Мельчайшие одноклеточные существа, конечно, есть в любом месте на Земле – в воде, в атмосфере и т. д., однако по сравнению с их количеством в почве содержание их в других сферах мизерное.
Взять, к примеру, бактерии. В одном кубическом метре атмосферного воздуха их содержится от единиц до тысяч. В воде их количество куда выше – там всего на один кубический сантиметр приходится более миллиона бактерий. Однако в почве на тот же кубический сантиметр приходятся уже миллиарды бактерий. Но группа микроорганизмов включает в себя ещё и грибы и простейших, и они тоже массово населяют почвенные «просторы». Иногда к микроорганизмам причисляют и некоторых многоклеточных животных – это черви, нематоды, коловратки и другие. В почве также живёт огромное количество насекомых, клещей и других членистоногих. Получается, что почва – это просто гигантская живая масса; иногда саму почву считают своеобразным живым организмом, в таком случае мелкие и не очень мелкие живые существа в ней служат своего рода «клетками» этого организма.
Любопытно, что почва занимает лишь небольшую часть поверхности нашей планеты, и её глубина редко где превышает десятки сантиметров; но, несмотря на это, живых организмов здесь гораздо больше, чем в других, более объёмных сферах и оболочках Земли.
Почему же так произошло? На это есть несколько причин.
Подземный дворец
Одна из таких причин кроется в самом физическом строении почвы. Нам она кажется сплошной серой (или коричневой, иногда чёрной и даже красной) массой. Но в действительности это совокупность сложных агрегатов разного размера. В почве есть капилляры и трещины, которые могут иметь микроскопические размеры, поэтому они для нас и не видны; но для мельчайших организмов это – огромные тоннели, залы, переходы, пещеры и ущелья. Они заполнены водой, в которой растворены разнообразные питательные вещества. Получается своего рода многоэтажный дворец или небоскрёб, в «комнатах» которого микроорганизмы могут закрепляться, питаться и размножаться; здесь относительно безопасно, почвенные пустоты служат укрытиями от неблагоприятных климатических условий и хищников. Жизненного пространства в почве куда больше, чем представляется людям, которым она видится просто гладкой поверхностью.
На почве растут растения
Этот очевидный тезис – вторая причина разнообразия почвенных микроорганизмов. Большинство из них являются гетеротрофами, то есть питаются только готовыми органическими веществами (как животные и люди). А растения – это как раз те существа, которые эту органику производят из неорганических веществ и обильно выделяют её в почву, причём в удобном растворимом состоянии. Именно поэтому больше всего микроорганизмов обитает в ризосфере – так называется верхний слой почвы, занятый корнями растений. Здесь рекордным является не только количество микроорганизмов, но и их видовой состав. Последнее тоже имеет простое и ясное объяснение.
Верхний слой почвы состоит из самых разных локусов, то есть участков с конкретными условиями. На одном участке органических веществ много, на другом – мало; на одном капилляры заполнены водой, на другом – воздухом; один участок имеет кислую реакцию, другой – щелочную – и тому подобное. Поэтому в верхнем слое почвы могут обитать микроорганизмы с самыми разными потребностями. Локусы могут со временем менять свои свойства, и многие микроорганизмы об этом «знают»: если нет подходящих условий, они всё равно будут находиться в данном локусе и ждать, когда условия поменяются. Есть микроорганизмы, способные проводить в таком ожидании долгие годы.
Реактор планетарного масштаба
Что же делают микроорганизмы в почве? Конечно, живут. Прежде всего они там питаются; они потребляют одни вещества и выделяют другие. Таким образом, в почве осуществляются тысячи химических реакций с поглощением и выделением колоссального количества вещества и энергии. Это, выходит, гигантский реактор, созданный самой природой. Циклы существования многих химических элементов так или иначе связаны с деятельностью почвенных микроорганизмов; такими веществами, в частности, являются азот, углерод, фосфор, кислород, — а всё это элементы, необходимые и для человеческого существования.
Работа микроорганизмов с химическими элементами отличается многообразием. Например, они могут усваивать атмосферный азот и превращать его в азотсодержащие соединения, пригодные для потребления высшими существами (животными, людьми); но могут и наоборот – разрушать азотсодержащие вещества и возвращать в окружающую среду молекулярный азот. Точно так же они поступают и с углеродом – то поглощают органические вещества и выделяют его (в виде углекислого газа), то потребляют углерод и превращают его в трудноразлагаемые органические соединения. Такими способами микробы оказывают решающее влияние на состав атмосферы, состояние окружающей среды в целом, а также на человеческое сельское хозяйство. В последнее время общество озабочено проблемой контролирования состава атмосферы и улучшения всей окружающей среды (а также её спасения); но чтобы этим успешно заниматься, нужно разбираться в жизнедеятельности почвенных микроорганизмов – главных участников этого процесса.
Микробы кормят растения
Микроорганизмы интересны ещё и тем, что они обеспечивают питание растений. Процесс этот взаимный – растения кормят мельчайших почвенных существ, а они, в свою очередь, поставляют необходимые питательные вещества для растений. Для них они «достают» даже ферменты и гормоны роста.
В качестве примера можно привести микоризу – колонии микроскопических грибов, растущих на корнях деревьев и вступающих с ними в симбиоз. Микориза присутствует и на корнях многих травянистых растений. Эти грибы помогают растениям усваивать из почвы воду и минеральные вещества. Существуют и более тесные и интересные сообщества – такие, например, как клубеньки на корнях бобовых растений; в них поселяются микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот из воздуха, который растения потреблять не могут, и превращают его в содержащие азот аммонийные соединения, доступные для усвоения растениями. Есть микроорганизмы, которые защищают растения от других, патогенных микроорганизмов.
Знания о таких взаимоотношениях между растениями и микробами уже давно помогают людям в сельском хозяйстве. Примером могут служить биоудобрения, состоящие из нужных растениям клеток микробов и грибов, которые вносятся в почву подобно обычным удобрениям.
Почвенные микроорганизмы как сырьё для медицины
Всё вышесказанное – не единственные причины интересоваться жизнью почвенных микроорганизмов. Ведь они уже вовсю используются как источник для создания медикаментов – например, антибиотиков. Их используют и для получения ферментов, пригодных в промышленности и медицине. А с недавнего времени почвенные микроорганизмы превратились ещё и в «сырьё» для генной инженерии. Используя климатические камеры, исследователи и медики выбирают почвенные микробы в силу их огромного разнообразия; ведь если нужно найти организм, вырабатывающий какой-то новый фермент или содержащий требуемый набор генов, то поиски такого организма логичнее всего начать с почвенных микробов, и чаще всего на них эти поиски и заканчиваются.
Такая работа, однако, натыкается на препятствия. Из-за них подавляющее большинство обитающих в почве микроорганизмов так и не исследовано должным образом. Дело в том, что они не поддаются культивированию на искусственных питательных средах. Получается, что учёные могут извлекать эти микроорганизмы из почвы и изучать их под микроскопом, но выращивать культуры этих микробов в лаборатории пока не удаётся. Из-за этого большая часть жизненного цикла и свойств этих существ науке пока не известна. Единственным методом исследования, который способен хоть
