Введение к работе
Актуальность ігооблевд. Пройдена существования ензни в экстремальных условиях является одной из центральных проблей биология.
Актуальность изучения действия екстремальних факторов на шв-рооргашзмы диктуется необходимостью получения теоретических и экспериментальных данных о границах вьшяваемостя шшроорганизиов, о длительности сохранения шш яизяеспоеобносгн и о механизмах адаптации микроорганизмов к неблагоприятным условиям среда обитания. Эти данные позволяет познать защитные реакции организмов, ответственные за устойчивость 1С вкстрзшльным воздействиям. На их основа эколога вносят постоянные коррективы в суждения о крайних границах биосферы, в познание сущности жизни. Вопросы, рассмат-ряваеиыв в диссертация, имеет непосредственное отношение к проблемам существования внеземной янзни. Особая актуальность придается изучению действия экстремальных факторов, имеющихся па других планетах авоспроизводимых экспериментально в специальных установках, на различные грушш микроорганизмов. Общяе закономерности приспособления живых систем к комбинированному воздействия) различных экстремальных факторов (как имеющихся в природе, так и создаваемых в лаборатории) служат одним из главных аргументов в пользу существования внеземной жизни. В свою очередь, данные зкзобиологии имеет непосредственное отношение к решению общей проблеш современного естествознания - проблема происхоядения и распространения етвки во Вселенной, нредставлящай огромное философское и биологическое значение.
Соотоякив вопроса, тали, задачи. Литературные данные свидетельствуют о той, что многие микроорганизмы характеризуются высокой устойчивостью к экстремальным условиям среды (температура, рН, еь , радиация, давление и т.п.), широкий разнообразием реакций, используемых для нукд енэргетаческого а конструктивного обмена, что позволяет им развиваться в условиях, практически исклшающх возможность, существования других известных форм жизни.
Вместе с теы необходимо откатить, что, несмотря на огроьшнй интерес к проблемо существования жизни в экстремальных условиях, данная проблема изучена все еще в недостаточно полном обьеш.
Идащиеся данные не позволяют составить представленая об истинных резервных возможностях организмов; слабо изучены особенности приспособления микробов к дейотшв таких факторов, как различный газовый состав атмосферы, шзкая влажность среды, низкое барометрическое давление» присутствие каталитически активных минералов, высокие концентрации перекиси водорода и т.д. Недостаточное внимание уделено изучению действия комплекса экстремальных факторов на микроорганизмы.
В СЕяза с неопределенностью данных» полученных станциями
"Вщшнг" при биологическом изучении Марса, в значительной дере ослаб интерес к экзосиологичеетшм исследованиям. Однако, дополнительная хшформация о физических и химических параметрах Марса побуждает в ином аспекте изучить вероятность существования микробной аизни в марсианском грунте как возможной уникальной экологической нише, но встречавдейся в природных условиях на Земде.
Актуальность всех перечисленных вопросов и обусловила вкб-раиннз дели и задача проведенных исследований. Диссертация относится к новому направлению в микробиологии - экологии экстре-шльнкх сред обитания микроорганизмов.
- Паян к задачи» Б связи о вышеизложенным основная цель настоящей работы заключалась в том, чтобы изучить жизнеспособность кзкрооргаяизков в-экстремальных гашштаческнх и фззако-хвшческих условиях» близких к марсианским» и теоретически обобщать.экспериментальные данные относительно возможности существования внеземной яшна. Для изучения вдашавносік шкроорганизмов выбраны наиболее характерные клаштичаскае факторы; циклы зашраяивания-отгаавания, низкое давление, высокая ультрафиолетовая радиация» утяекаедоткая атмосфера, низкая влажность, а также воздействие каталитически активных природных минералов и высоких концентраций перекиси водорода. Выбор данных факторов был предопределен теы, что'на Марсе многие из перечисленных факторов обнаружены в ходе космических исследований. Чтобы достичь поставленной цели, планировалось решить следущяе задачи:
- разработать методы и создать аппаратуру для воспроизведения в лабораторных условиях перечисленных выше экстремальных факторов и воздействовать ими на бактерии, относящиеся к отдельным физиологическим группам;
изучить фязшсо-хяшчзасве коїодіі» нсаодьзуешэ в зкологлз гакроорганизмов, я разработать принципи зх применения для общ-ружєняя някроорганявмов в гкстрешльїйс: .условиях среда обитания;;
изучать динамику росїа* размножения а нетаболизма ыикро-органаваов при действия на них вксгрбкаяышх доз таких факторов, паї: низкая влаяность, преобладаний в атмосфере углекислого газа, присутствие в питательных средах каталитически активных каявра-лов и высоких концентраций перекиси водорода.;
с зетэдью модальных опытов изучить мехакигмы, спссобствуз-щие відагоаедастл микроорганизмов в экотремалъпнх условиях» воспроизводимых в эксперименте;
создать лабораторные аналоги марсианского грунта и провоста эксперименты по моделированию биологических исследований Марса, осуществленных по программе "Викинг";
~ экспериментально доказать,, что марсианской грунт пригоден для обаташя микроорганизмов,
SMMIMLiiSSSiaJLJJi2BM2fii&. Комплекс вопросов, решенных в диссертации, направлен на развитие одного из совремелних разделов микробиологии - экологии экстремальных сред обитания микроорганизмов. Задачей данного направления является изучение вшн-ваеглости микроорганизмов при действии на них экстремальных климатических а других абиотических «факторов, встречавдихся как в естественных условиях, так и воспроизводимых в лаборатории. Цель исследований состоит в определении резервных возможностей кякроб-ноа клетки, а такге в установлении экологических границ жизни на Земле я других планетах.
На основе новейшх данных о Марсе создана камера "искусственный Марс", позволяющая воспроизводить комплекс основных фаг-торов, опредаляютас климат планеты: суточный "ход" температур, низкое барометрическое давление, газовий состав атмосферы, высокое ультрафиолетовое излучение, низкая влазность грунта. В сочетании с каталитической активность» аналогов гранта, создавши; в лаборатория, данные параметры впервые в максимальной объеме воссоздают условия существования гипотетической марсианской шкрофяоры.
Получены новые данные о влияние комплекса екстремальних факторов и отдельных из них на различные группы микроорганизмов.
причем показано, что при комплексных экстремальных воздействиях стабильность микробных популяций может повышаться за счет антагонистических взаимодействий отдельных факторов. Установлено, что токсическое действие перекиси водорода снижается в присутствии каталитически активных железосодержащих минералов; в совокупности с этюда минералами углекислый газ способствует обогащению микробных популяпдй спорообразувдями бактериями. Впервые сформулировано положена о сопряженности некоторых физиолого-Екологических свойств микроорганизмов, обусловленном синэргиче-скиы взаимодействием экстремальных факторов; его суть состоит в том, что экстремальное воздействие, направленное на выявление того ила иного аколого-физиологаческого свойства шкроорганиз-шв (например, температурной устойчивости), способствует выявлению другого сопряженного свойства, прямо необусловленного данным воздействием (например, ксерофитности). По-видимому, это положение имеет общебиологическое значение.
Впервые получены данные о жизни олиготрофных бактерий при суммарном воздействии факторов в камере "искусственный Марс". Замедленный тип обмена у этой группы микроорганизмов не является основным критерием, опредаяявдим их реакции на внешние экстремальные воздействия.
Изучение влияния отдельных экстремальных факторов показало, что ведущим климатическим фактором, регулируицнм распространенность микроорганизмов в природных и модельних системах, является влажность. Впервые из почвы холодной пустыни острова Диксон выделен микроскопический гриб РепісіНіші adametzii , сохраняющий жизнеспособность при влажности, близкой к максимальной гигроскопической, и растущий при aw = 0,55. Представлены данный о том, что перекись водорода в умеренных концентрациях оказывает на популяции някроорганизмов двоякое действие: она может быть токси-чэсшш агентом для каталазоотрицатальвых организмов, но вместе с тем при ее разложении усиливается аэрация и стимулируется рост аеробних микроорганизмов. Сделан вывод о том, что каталитическая активность марсианского грунта в совокупности с климатическими условиями не нешпочает возможности существования на данной планете шкробной жизни. Экспериментально установлено, что положительные результаты, полученные стансияка "Викинг", могут быть объяснены как биологическими, так а жнмаческида процессами^'
- 7 -это не позволило сделать определенный вывод о присутствия илн отсутствии жизни на этой планете. Подчеркнуто, что такие физико-химические методы, как нефелометрия, рВ-мвтрия, спвктрополяри-метрия, радиореспироштрия, пиролиз-газовая хроматография куль-туральншс жидкостей я другие, могут в комплексе о методом концентрирования микроорганизмов на поляризуемых носнтелях достоверно обнаружить микроорганизмы в почвах а грунтах, обладащах каталитической активностью.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологические и методические принципы обнаружения микробной аизш в экстремальных условиях создает основы для создания и применения автоматических приборов для контроля состояния окружающей среды и в космобиологических целях. Трудности, связанные с обнаружением дисперсно распределенных шкроорганизмов в природных средах могут быть преодолены при применении метода электроудерш-ваная макроорганизмов на поляризуемых материалах. Основные принципы создания установок для воспроизведения комплекса экстремальных факторов стимулируют развитие исследований по изучению резервных возможностей микроорганизмов, представлявдих я.терес в различных отраслях народного хозяйства.
Данные о сохранении жизнеспособности микроорганизмов при высоких концентрациях перекиса водорода требуют изменения асептических норм, основанных на применении этого вещества в медицине. Так как проведенные исследования показывают, что микроорганизмы обладает значительной устойчивостью к воздействию экстремальных факторов, подчеркнута необходимость проведения жесткой стерилизация космических аппаратов, направляемых на другие планеты, а также осуществления всех возможных карантинных мероприятий при возвращении их на Землю.
Апробапая работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на заседаниях Ученого Совета Института микробиологии АЛ СССР (1980, 1983 гг.), на научной конференции отделов HHL2I АН СССР (1931 г.), на методологическом (философском) семинаре ИЩИ АН СССР (1985 г.), на сессиях Международного Комитета по косавь чэскЕЫ исследованиям (КОСПАР): Ш в Ленинграде (1970 г.), ХУТ в Констанце (ФРГ, 1973 г.); ПХ в Лоо-Андаеласе (США, 1976 г.). Ш в Инсбруке (Австрия, 1978 г.), ХШ в Банголорв (Индия, 1979г.), ХШ в Будапеште (Венгрия, 1980 т.), а также на X Меддународаоы
биофизическом конгрессе в Москве (1972 г.)» на Международных симпозиумах по биологии почв в Шопронв (Венгрия, 1972, 1985 гг.), на УП съезде Всесоюзного микробиологического общества в Алма-Ате (1935 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 38 наунних работах.
Основные защищаемые положения лиссертадии.
Моделирование в лаборатории климатических экстремальных факторов и воздействие ими на почвенную шкрофяору позволяет обнаруживать и выделять микроорганизмы, устойчивые к этим воздействиям.
Присутствие микроорганизмов, дисперсно распределенных в екстремальних природных и модельных системах, может быть достоверно обнаружено общепринятыми физико-химическими методами после концентрирования микрофлоры на поляризуемых носителях с помощью аяектроудерживания.
В природе обитает микроорганизмы, выниваюоде при действии на них климатических факторов, имеющихся на Марсе.
Микроорганизмы способны расти и размножаться в почвах и иоделышх системах, содержащих жвлеэосодераащие минералы и высокие концентрации перекиса водорода.
Замедленный тип оомена у олиготрсфшх бактерий не является доминируют! фактором, опредаляида! реакцию данной грушш микроорганизмов на внешние экстремальные климатические воздействия.
Полсдагаелъные результаты, переданные станциями "Викинг1*, могут быть объяснены как биологическими процессами, так и химическими реакциями.
Марсианский грунт с точки зрения шкробиологки - еозиое-ная уникальная экологическая ниша.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из "Введения", 15 глав, сгруппированных в три раздела, выводов и списка литературы. В конце диссертации помещается "Обсуждение", в котором обобщается теоретические и экспериментальные исследования. Материал изложен на 299 страницах учетного машинописного текста,