Начнем с основ...

Груша-сейф

О биотехнологии сегодня наслышаны все. Она — модная тема газет и журналов, ее достижениям посвящены радио- и телепередачи, а за успехами напряженно следят и специалисты, и люди, совершенно в науке не сведующие.

В чем же секрет такой популярности? Думается, что причин здесь сразу несколько. Во-первых, в самом появлении на свет этого загадочного термина уже содержится элемент сенсации. Как это — биотехнология? Разве слово «жизнь», а именно так переводится с греческого «био», сочетаемо с «технологией» — способом, методом индустриального производства?

Была и вторая причина, по которой молодая наука и одноименный научный метод, а несколько позднее — целое направление научно-технического прогресса, стали предметом жгучего интереса общественности всех стран. Дело в том, что достижения биотехнологии наших дней все чаще базируются на достижениях генетики, представляющей собой ни мало ни много подлинный взлет пытливой человеческой мысли, проникшей в самые интимные механизмы сущего. Союз этих двух наук способен творить такие чудеса, что с высот объединенных усилий действительно не всегда просто разглядеть то, что стало в свое время их общим объектом изучения — живую клетку, познать которую всегда стремились и та и другая. Но почему столь важным представляется ученым ее изучение?

Да потому, что все на Земле начиналось когда-то с одноклеточных организмов. Они и поныне — главная движущая сила великого множества глобальных процессов, происходящих на планете. От них, к примеру, зависит плодородие наших полей, взрастившее, в конечном счете, и разум и могущество самого Человека.

Плодородие — уникальное свойство природного образования — почвы. Откройте любой энциклопедический справочник или словарь, полюбопытствуйте, как именно определяется в них это понятие. Так вот, «почва — природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов».

«Живых организмов» — вот что интересует нас в данном случае. Ибо среди великого разнообразия «специализации» микроорганизмов значится и почвосозидание. И потому в восстановлении плодородия земли, все чаще и все в больших масштабах утрачиваемого под воздействием антропогенного влияния «преобразующей» природу деятельности человека, значение этих невидимых земледельцев переоценить просто невозможно. Особенно если помнить, что согласно данным тех же энциклопедических изданий почва в сельском хозяйстве — основное средство производства. Да мы и без всяких справочников это прекрасно знаем. Но весь вопрос в том, насколько разумно используется это самое «основное средство», не вредим ли мы своим вмешательством жизнедеятельности «генетически связанных горизонтов», сложным внутренним процессам биогеоценозов, в которых со всеми прочими сосуществуют и бактерии — одни из главных героев нашего сегодняшнего повествования.

Бактерии — одноклеточные организмы, относящиеся к самым древним на Земле, еще «доядерным» формам, так называемым прокариотам, о жизнедеятельности которых можно было бы поведать много любопытного. Но ограниченные избранной темой остановимся лишь на способах их питания. Так вот, одни из них всегда предпочитали «диету» органическую и потому получили имя «гетеротрофов» (то есть питающиеся другими).

Другие стали автотрофами, что означает дословно в переводе с греческого — питающиеся сами. При строгом дефиците органики на Земле, когда жизнь на ней была представлена одними микроорганизмами, питаться самому означало единственное — научиться утилизировать неорганику, превращая ее в органику. Так бактерии взяли на себя функции уникальных посредников между «живым» и «мертвым», как бы соединив тем самым воедино все три стихии нашей планеты — землю, воду и воздух.

Здесь, вероятно, самое время упомянуть об одном весьма курьезном случае, память о котором летопись истории науки, бережно хранящая в своих анналах разные факты, свидетельства и даже анекдотичные случаи из ее становления, донесла до наших дней. Произошел он во Франции в самом конце XVIII столетия. Здесь «по вине» компетентнейшей из комиссий, возглавляемой самим Лавуазье, один из главных элементов земной атмосферы нарекли «безжизненным» (именно так звучит в переводе с латинского слово «азот»).

Между тем, в состав каждой белковой молекулы входит азот, а значит, ему наряду с кислородом обязана своим возникновением жизнь, поскольку при всей сложности и многогранности ее проявления она лишь форма существования белковых тел.

Азот — это три четверти земной атмосферы. Он — составная часть органических и неорганических соединений и потому вездесущ. Он — в реках, морях, океанах. Мы каждую секунду вдыхаем и выдыхаем его. Но, увы, не усваиваем... И только крохам микроорганизмам оказалась по плечу столь сложная и необычная работа, как ассимиляция молекулярного азота. Прославленные «имена» отдельных родов бактерий, специализирующихся на усвоении атмосферного азота, известны науке давно. Это, прежде всего, азотобактер, клостридиум, ризобиум. Так что на символической Доске почета, существуй такая в действительности, их «имена» за великие заслуги перед человечеством были б в первую очередь высечены на мраморе. А вслед за тремя вышеназванными родами такой чести, вероятно, удостоились бы и цианобактерии, обитающие в почве, водах, рисовых чеках. Те самые бактерии, что заставляют, к сожалению, все чаще «цвести» многие наши водохранилища, пруды, реки и озера. Осклизлая ряска в считанные дни затягивает еще вчера чистую зеркальную гладь, перекрывая доступ кислорода в глубь водной толщи. Гибнут рыбы, растения, насекомые.

«Зацвести» озеро или водохранилище побудила искусственно активизированная азотфиксирующая деятельность бактерий, спровоцированная обильными минерализированными стоками с полей. К такому водоему подойти страшно — зловонная яма, да и только. То разлагается, портится, пропадая всуе, бактериальный белок, который можно и должно использовать по-хозяйски. (Во многих странах мира, кстати, так и поступают, снимая с «цветущих» водоемов не одну, а две белковых «жатвы» в год.)

Но нельзя ли позаимствовать у бактерий, во-первых, способность быстро и в таких огромных количествах утилизировать молекулярный азот, а, во-вторых, не менее производительно синтезировать на его основе белок?

Разумеется, можно, но только в том случае, если таинственный механизм бактериальных трансформаций будет познан. Вот почему тысячи лабораторий мира столь настойчиво изучают эту уникальную способность одноклеточных организмов созидать из неживого органику. Недаром наш выдающийся биохимик академик А. Н. Бах писал по поводу попыток «копирования» естественных возможностей бактерий в лабораторных и даже промышленных условиях.

«Подобно тому как теоретическое изучение механизма полета птиц привело к построению летательного аппарата, более тяжелого, чем воздух, мы надеемся путем теоретического изучения сопряженного действия биологических окислительно-восстановительных катализаторов, обусловливающих связывание атмосферного азота бактериями, выявить наиболее благоприятные условия для технического синтеза аммиака».

Не диво ль? Крохотная клетка легко и естественно ведет как по нотам сложнейшую «партитуру» фиксации азота, написанную для нее природой. Она-то ведет, а современной промышленности такая «партия», оказывается, не по силам. Ей для производства аммиака подавай условия «изысканные» — температуру в 500 градусов и давление не менее чем в 350 атмосфер. А микроклетке ничего этого не требуется. Она и без тепла и давления легко разрывает все три внутримолекулярных связи инертного азота.

Но... из ничего, как известно, ничего и не бывает. И потому, предположили ученые, бактерия наверняка должна владеть каким-то необычным и очень мощным источником энергии. Такой источник в конце концов был установлен. Им оказалась так называемая нитрогеназа — сложнейший комплекс высокоэффективных ферментов. Он не только безотказно снабжает бактерию энергией, но, что особенно важно, снабжает без ограничений. Компактная, самопроизводящая внутреннее топливо азотфиксирующая клетка-фабрика, воссозданная природой невообразимо огромным тиражом, стала крупнейшим поставщиком для всего живого азота, а в конечном счете и крупнейшим производителем белка. Этот биотехнологический процесс, отлаженный самой эволюцией, длится миллиарды лет.

Невидимые и непознанные, его без устали творят азотфиксирующие бактерии. И хотя с незапамятных времен земледельцы всех стран мира несметное число раз наблюдали неожиданное возрождение своих порядком истощенных длительными монопосевами (когда культура сеется по той же самой культуре) полей, ни понять, ни осмыслить происходящее они не могли. Да и первые научные попытки объяснения данного феномена тоже, надо сказать, удачными никак не назовешь. Но почему? — сам собою напрашивается вопрос. Ведь благотворное воздействие на ниву бобовых растений, корни которых нередко оказывались унизанными как бусинами малюсенькими клубеньками, подмечено пахарем чуть ли не от начала земледелия. По крайней мере, еще задолго до нашей эры.

Да, подмечено действительно было, но лишь подмечено — не объяснено. И только в конце прошлого столетия французский исследователь Буссенго, ставивший опыты по изучению севооборотов, установил сенсационный факт: посевы клевера и люцерны настолько обогащали почву азотом, что она не нуждалась в подкормке навозом — самом эффективном органическом удобрении.

Так бобовым растениям достались лавры главных азотобогатителей почвы. Правда, на сей раз исследователь оказался очень близок к истине, ведь загадочные клубеньки на корнях растений, как покажут в дальнейшем самые многоплановые работы, не что иное, как обиталище азотфиксирующих бактерий. А их симбиоз с растением — самый благотворный для почв союз. Однако пройдут еще годы и годы, прежде чем наш выдающийся соотечественник, один из создателей русской микробиологии Сергей Николаевич Виноградский выскажет гипотезу о восстановлении молекулярного азота микробной клеткой. И он же впервые в мире выделит из почвы (1893 г.) свободноживущие азотфиксирующие бактерии, один из видов которых назовет именем великого Пастера, первооткрывателя загадочного мира микроорганизмов.

Первая скрипка

Проблемами бактериальной азотфиксации занимался и Дмитрий Иванович Прянишников — основатель русской и советской агрохимической школы. А знаменитая обзорная статья ученого «Аммиак как альфа и омега обмена азотистых веществ в растении», посвященная памяти К. А. Тимирязева, и поныне считается настольной книгой всех, кто занимался проблемами почвенного плодородия. В знак признания заслуг ученого перед нашей страной Академия наук СССР учредила специальную золотую медаль его имени. Она присуждается раз в три года за выдающиеся результаты в области изучения азотного питания растений. Одним из лауреатов этой медали за цикл работ «Роль биологического азота и пути его использования в земледелии СССР» стал академик Е. Н. Мишустин. Творчески развивая идеи Прянишникова, ученый со всей убедительностью доказывает в своих трудах, что в том симбиотическом содружестве, в котором живут и развиваются микроорганизмы, именно им, а не растениям, принадлежит роль «первой скрипки» в восстановлении атмосферного азота. Более того, рассекретив интимный механизм, с помощью которого свободноживущие бактерии-азотфиксаторы в минимальные сроки возвращают почве утраченное плодородие, ученый блестяще доказывает его полную идентичность механизму бактерий симбиотических. Между тем, именно этот вопрос был предметом долголетних споров и дискуссий на международном уровне. И лишь открытие нитрогеназы подтвердило верность взглядов советского академика.

Но вклад Е. Н. Мишустина в познание фундаментальных основ микробиологии и почвоведения на этом отнюдь не завершается, ибо целая серия по-настоящему красиво поставленных и очень доказательных опытов позволяет сделать исследователю еще один сенсационный вывод: азотфиксирующая способность изучаемых бактерий — их главная, но не единственная функция. Есть еще и вторая: в процессе жизнедеятельности они одновременно с азотфиксацией синтезируют и биологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие посевов.

Сегодня гиббереллины, ауксины, цитокинины, синтезируемые бактериями-азотфиксаторами, стали своеобразным эталоном, по образу и подобию которого микробиологическая промышленность страны выпускает множество наименований всевозможных биостимуляторов роста.

Но вернемся вновь к уникальной способности бактерий фиксировать атмосферный азот, а вернее, к идее ее стимулирования высказанной несколько выше. Нельзя ли, в самом деле, увеличить скорость ассимиляции микроорганизмами молекулярного азота? На языке практики это означало бы и ускорение процесса восстановления плодородия почв.

Оказывается, можно. Существует даже несколько путей решения этой довольно сложной проблемы. Первый из них был предложен в свое время членом-корреспондентом АН СССР А. М. Кузиным. Суть же решения заключалась в том, чтобы путем радиационного воздействия на внутренние биологические мембраны клетки наиболее полно выявить ее наследственные признаки. Причем оригинальная методика, разработанная ученым, открывает возможность из поколения в поколение усиливать эти признаки, все констрастнее проявляя свойства, практически полезные для хозяйственной деятельности человека. Реализованная в промышленных масштабах, она позволила поставить на индустриальный поток культивирование высокоэффективных штаммов микробов-азотфиксаторов.

Второй вариант решения все той же проблемы ускорения азотфиксирующей способности бактерий предложили биотехнологи, использовав при этом им одним присущее сочетание чисто биологических подходов к эксперименту с технической виртуозностью его проведения. Другими словами, биотехнология в данном случае воспользовалась тончайшими методами генетической инженерии.

Работа осуществлялась в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР под руководством академика А. А. Баева. Ученые шли к той же цели, что и А. М. Кузин (ускорение бактериями азотфиксирующей деятельности), но своим, оригинальным путем. Познание молекулярно-генетических основ симбиотических взаимосвязей — вот что стало их программой-максимумом. Вспомните-ка энциклопедическое определение понятия «почва», на сей раз его первую часть: «природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов...» Но зачем ученым понадобилось столь углубленное проникновение в симбиотические взаимосвязи?

Для того чтоб, разобравшись в них, получить возможность управлять процессом азотфиксации. А достигнуть задуманное оказалось возможно лишь путем направленного конструирования бактериальных суперштаммов, наиболее перспективных для использования в земледелии.

По сути дела речь шла о том, чтобы усовершенствовать с помощью генетической инженерии и передать в таком улучшенном виде последующим поколениям новый штамм бактерии-азотфиксатора, оптимально проявляющего себя в условиях биогеоценоза. Конструирование нового организма шло по отработанной, хорошо известной современной биотехнологии методике: часть генетического аппарата (весь он называется геномом) одного микроба переносилась в другой. Жизнедеятельность обоих при этом не страдала, а рабочие качества возрастали. Подвергшийся трансплантации организм по сути дела становился новым организмом с иными возможностями и качествами. Он теперь воссоединял в себе все достоинства двух перенесших генетическую операцию организмов. Конечно, генетическое конструирование нового штамма азотфиксирующих бактерий и само по себе — дело нелегкое, но главная трудность, с какой сталкиваются обычно исследователи при его реализации, — технология извлечения из генома какого-то одного, но вполне конкретного оперона (часть генетического материала, ответственная за реализацию того или иного признака).

Но характер проявления азотфиксирующих свойств зависит не только от биологических особенностей самой бактерии, но и от соседей по симбиозу, продуктов их жизнедеятельности, способных подавлять или, наоборот, усиливать уникальные качества азотфиксаторов.

Надо сказать, что симбиотические привязанности бактерий весьма консервативны. Как убедительно доказано наукой, клубеньковые микроорганизмы, например, очень неохотно меняют растение-хозяина, места обитания и собственные «вкусы». Одни из них предпочитают клевер, другие — люпины, а третьи — горох. И только в этих привычных условиях их азотфиксирующие особенности срабатывают наиболее эффективно. Отсюда вывод, сделанный биотехнологами: конструируя новый организм, необходимо учитывать взаимозависимость всех сожителей симбиоза.

Проверяется терпимость нового, созданного с учетом вышеназванных особенностей, штамма к тому или иному соседу по симбиозу довольно просто — путем взаимного слияния бактериальных клеток, симбиотирующих с определенной парой растений. Ну, например, клевером и фасолью, горохом и люпином. Если новый штамм «охотно» внедряется в корневые волокна растений, значит, он будет активно продуцировать в их среде не только в лабораторных условиях.

Еще более жесткой проверке подвергалась способность микроорганизма к азотфиксации. Осуществлялась она сразу несколькими путями. Скажем, бактерии определенное время выдерживались при значительно более высокой, чем в привычных, «родных» для них условиях, температуре. Некоторые из них после этого теряли способность внедряться в корневые волоски растения-хозяина. Столь губительной оказывалась для оперона, контролирующего «влечение» конкретного микроорганизма к конкретному растению, чрезмерно повысившаяся температура среды обитания. Пробовали и другое — наделить свойствами азотфиксации бактерии, не обладавшие прежде столь уникальным даром. И что же? Волшебное действие перенесенного из другого организма оперона, кодирующего Данное качество, срабатывало. Правда, не всегда, всего лишь в одной попытке из пяти, но срабатывало. А это уже успех, и немалый. По крайней мере такой, за которым опять же видится практическая отдача — скажем, перспектива создания микробной клетки высочайшей конкурентоспособности или устойчивости к негативным воздействиям биогеоценозов почвенных горизонтов.

Характер всех вышеназванных здесь работ, а вернее, их направленность была предопределена еще более десяти лет назад Брукхейвенским (США) симпозиумом «Генетическая инженерия для фиксации азота». Его участники, основываясь на реальном положении дел и тенденциях развития современной микробиологии и микробиологической индустрии, пришли к выводу, что резкого повышения продуктивности биологического азота можно достичь только объединенными усилиями всех научных направлений, причастных к решению данной проблемы. Причем собравшимися особенно подчеркивалось значение и роль в этом творческом союзе таких современных методов исследования, как генетическая инженерия и биотехнология.

С тех пор прошло достаточно много времени, чтобы оценить верность избранного почвоведами, химиками, микробиологами и генетиками пути. И хотя оценка той памятной конференции и с сегодняшних позиций может рассматриваться положительной, время внесло коррективы в тогда лишь просматривавшиеся тенденции.

Какие же направления в решении проблемы фиксации биологического азота наметились сегодня? Их несколько. Но основных, на мой взгляд, два.

Первое предполагает создание микробных штаммов, способных симбиотировать не с одним растением, а с несколькими. Разве не заманчиво, к примеру, создать бактерии, образующие на корнях той же пшеницы клубеньки? Конечно, и заманчиво и перспективно. Ведь в таком случае перед учеными и практиками открылись бы сразу две уникальных возможности: значительно повысить урожайность злаковых и не менее значительно сократить подкормку их посевов минеральными удобрениями, сэкономив последние для других нужд или просто снизив их производство.

Второе направление развития работ в области фиксации азота остается традиционным: конструирование штаммов, обладающих в высшей степени выдающимися способностями утилизации молекулярного азота.

Разумеется, каждое такое направление подразделяется на великое множество ответвлений, нередко пересекающихся друг с другом в своем развитии. Наиболее значимыми среди этих пока что «боковых» ответвлений на символическом древе современной микробиологии представляются мне молодые его побеги, развитие которых стимулировала все та же генетическая инженерия. Смысл задуманной ею операции по совершенствованию азотфиксирующей деятельности микроба сводится к тому, чтобы изъять из его генетического аппарата балластные, с точки зрения практических интересов человечества, опероны.

Такая «модернизация» микроорганизмов позволила бы всю их жизнедеятельность подчинить единственной задаче — фиксации атмосферного азота, не растрачивая уникальную клеточную энергию на то, что, опять же с нашей точки зрения, представляется балластом.

И еще пример весьма заманчивого использования «ответвления» главного направления. Взять ту же проблему внутриклеточной энергии, от которой в конечном счете зависит, насколько результативна бактериальная деятельность по ассимиляции атмосферного азота. Производит энергию, как мы теперь знаем, нитрогеназа. Но даже такая экономная хозяйка, как она, не всегда рационально использует свои возможности: сорок процентов всей вырабатываемой ею энергии расходуется на выделение атомарного водорода. Но он ни для жизнедеятельности самой клетки, ни находящемуся с ней в симбиотическом союзе растению не нужен. Вот и получается, что дефицитная энергия сжигается напрасно. Между тем существуют клубеньковые бактерии, обладающие еще одним ферментом, так называемой гидрогеназой, способной утилизировать выделенный клеткой водород, практически целиком его используя для всевозможных внутриклеточных нужд.

Колосья растущие на букве

Вот бы наделить столь полезными свойствами все бактерии! Тогда бы им и ассимиляция «безжизненного» элемента обошлась бы намного дешевле, поскольку гидгогеназа благодаря своему ферментативному совершенству значительно сокращает энергетические расходы на процесс азотфиксации. Но возможно ль такое? Сегодня и на этот вопрос наука в состоянии ответить утвердительно. И хотя такого рода работы в промышленном масштабе пока что перспективны лишь для клубеньковых, то есть для симбиотических бактерий, возможности применения генетической инженерии столь широки, что нет никаких сомнений в том, что со временем промышленное производство высокопродуктивных штаммов свободноживущих бактерий тоже окажется экономически выгодным. Думается, что к решению этой проблемы ученые подойдут уже в ближайшей перспективе. По крайней мере, практические нужды земледелия диктуют им свои сроки.

Разговор о перспективах, связанных с микробиологическими и биотехнологическими аспектами повышения почвенного плодородия, можно было бы продолжать еще довольно долго. Ограничимся, однако, еще только одним рассказом. Речь на сей раз пойдет о методе бактеризации семян, довольно прочно вошедшем в сельскохозяйственную практику.

Бактеризация — предпосевное «заражение» семян азотфиксирующими микроорганизмами. Попадая вместе с семенами в почву, такие микробы селятся на формирующейся корневой системе растения, образуя на ней клубеньки. Далее все идет по заранее известной схеме. Но вот что интересно: как установлено, стимулирующее влияние на развитие растений способны оказывать не только симбиотические клубеньковые бактерии, предпочитающие содружество с бобовыми, но и бактериальное сообщество, населяющее клубеньки небобовых травянистых растений. Что же дает такое открытие?

Очень многое. И в первую очередь возможность понять механизм восстановления плодородия почв с помощью многолетних трав. Речь, прежде всего, идет о перспективах восстановления утраченной урожайности естественных угодий, к которым относятся пойменные и естественные пастбища, сенокосы, луга.

Это, как говорится, задача из задач. Без ее решения Продовольственной программы стране не выполнить. Недаром еще пять лет назад на одном из Пленумов ЦК КПСС речь шла о рациональном использовании резервов естественных кормовых угодий. «За повышение продуктивности всех лугов и пастбищ надо браться безотлагательно, всеми силами и со всей настойчивостью» — говорилось в документах Пленума. А что способен дать луг, который культурно, со знанием биологии растений, почв, водного режима, связей биоценоза

(то есть всех организмов, сосуществующих в его пределах) эксплуатируется, — науке хорошо известно. Как говорится, хотите верьте, хотите проверьте, но в хозяйстве Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института кормов имени В. Р. Вильямса (ВИК) есть опыт, заложенный белее полувека тому назад.

Собственно, слово «заложенный» здесь вряд ли соответствует своему общепринятому смыслу, поскольку никто ничего специально с естественным лугом не делал. Речь идет о другом: о сохранении на протяжении десятилетий данного ему природой многотравья. Луг этот никогда никакими удобрениями не подкармливался, не поливался, не орошался, на нем никогда не производили подсевы, а между тем вот уже более полувека он остается единственной кормовой базой высокопродуктивного стада животных. Аналогичный опыт проводится в ВИКе и с естественным пастбищем, на котором выпас животных ведется по специально разработанной технологии, обеспечивающей быстрое восстановление растений (так называемой отавы) взамен уже съеденных, как говорят специалисты, потравленных животными.

Как же должен быть богат азотом тот луг, плодородно то пастбище, чтобы 50 лет кряду, ничего не получая взамен, полностью обеспечивать ценнейшими кормами породистое дойное стадо! И они действительно богаты и сильны, потому что не нарушена, не растрачена всуе по неведению и бесхозяйственности основа их благоденствия — биоценоз, ядро которого составляет содружество растений и азотфиксирующих бактерий.

К сожалению, о бактериальных сообществах, населяющих клубеньки многих травянистых небобовых растений, наши агрономы и селекционеры, можно сказать, ничего не знают. Между тем практические возможности таких бактерий-азотфиксаторов столь многоплановы и широки, что использование их в земледелии позволило бы вести его на иной, гораздо более приближенной к естественным условиям, основе. При этом интенсификация последнего не только не снизилась бы, но и многократно возросла. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов, проведенных в самых широких масштабах. Причем велись они с основными нашими хлебными культурами — ячменем и пшеницей, семена которых подвергались бактеризации с помощью микроорганизмов, симбиотирующих с небобовыми травянистыми растениями. И что же?

Посевы злаковых поднимались, к великой радости исследователей, «как на дрожжах». Азотный допинг, полученный ими от бактерий, оказался столь мощным, что они нашли в себе силы противостоять и всевозможным гнилям (традиционным болезням злаковых), и нашествию насекомых-вредителей, и, что главное, дать по осени урожай, значительно превышающий тот, что собирают с полей, засеянных небактеризованными семенами.

Вот что значит для жизнедеятельности растений и плодородия почвы бактериальный азот! Но почему не раз и не два звучит в нашем рассказе это словосочетание — бактериальный азот? — может полюбопытствовать читатель. Разве есть какой-то иной способ обогащения почвы этим элементом?

Да, он существует. Но в отличие от бактериального, клеточного, называется небиологическим. Азот, полученный таким способом, в буквальном смысле слова рожден громами небесными, а у его «колыбели» стояли фотохимические реакции, сопутствующие грозе. Этот азот для земли — манна небесная, и не только в переносном смысле, но и в прямом: азотные соединения и в самом деле проливаются на землю с дождем.

Существует и другой вид азотистой небиологической подкормки земли. У него совершенно иное происхождение, потому что он — детище антропогенного воздействия на природу. Дымы и мелкие частицы твердого вещества, вылетающие в многочисленные заводские и фабричные трубы, несут с собой тысячи тонн аммиачного и нитратного азота, которые со временем опять же попадают в почву. А там его может оказаться и без того достаточно... Ведь земледельцы, если они настоящие рачительные хозяева, наверняка подумали о том, чтобы заранее подкормить землю азотом. Азот на азот — не много ли? Чем обернется такое непланируемое обилие для почвы и микроорганизмов, в ней живущих? Как скажется оно в конце концов на самочувствии растений?

Разумеется, отрицательно. Не о подобной ли ситуации рассказала нам как-то одна из столичных газет, сообщив о том, что на одной из московских овощных баз «потекли» две тысячи тонн картофеля, заложенного на хранение. «Все стало ясно и без лабораторных знализов, — пояснила своим читателям газета, — картофель прислали зараженный почвенным удушием. ...Виновников надо искать в колхозах и совхозах, где неправильно обработали посевы, внесли в землю больше, чем положено, удобрений, словом, среди тех, кто выращивал овощи и тогда уже знал, что долго они не пролежат, пойдут в отходы».

Что ж, факты действительно безобразные. И «перекармливание» растений, безусловно, налицо. Но я все же не стал бы столь категорично утверждать, что в данном случае наличествует должностное преступление. По крайней мере, до тех пор пока не проверил, не произошло ли здесь как раз то самое «накладывание» азота на азот, о котором только что говорилось.

Завод, черный дым и буквы

Ну, в самом деле, мог главный агроном не знать о наличии в атмосфере азота антропогенного происхождения? Мог, потому что районная химическая лаборатория не сообщает ему результатов замера воздуха. И не потому, что не хочет или «не положено по инструкции», а по простому недомыслию. С ее-то позиций анализы воздуха никакого отношения к содержанию азота в почве, с которой агроном работает, не имеют. А раз специалист не знает, какой «подарок» готовят ему небеса, то и действует согласно требованиям технологии, то есть «заправляет» почву азотными удобрениями. Далее события развиваются приблизительно так: обильная подкормка оказывается чрезмерной даже для бактерий-азотфиксаторов, и они не справляются со своей исконной задачей по ее ассимиляции, в буквальном смысле слова захлебнувшись в антропогенном азоте. Но растениям, сосуществующим в одном симбиозе с бактериями, так же, как и людям, молекулярный, не утилизированный микроорганизмами азот усваивать не дано. И происходит то, что и должно было произойти... И о чем сообщила пресса читателям.

Предполагаемая ситуация представляется мне более реальной, чем описанная газетой, сразу по двум причинам. В первую очередь, потому, что допустить возможность специального, преднамеренного перекармливания почвы азотом, значит, предположить вариант сознательного уничтожения плодородия земли. А на ней и агроному, и хозяйству работать долго, всю жизнь. Во-вторых, могли ведь просчитаться в своих выводах и экологи, все чаще использующие в работе так называемый «обратный» способ определения чистоты окружающей среды, смысл которого в том, что о содержании в воздухе молекулярного азота судят по его наличию в почве. Если такого азота в ней мало, то и в воздухе нет веществ, вредных для жизнедеятельности человека, животных и растений. Но кто знает, не принесет ли их ветер уже после замера? Где, над какими полями сбросит он свой «груз»? Так что прежде, чем обвинять земледельцев в заведомом превышении норм азотсодержащих удобрений, неплохо было бы выяснить, какие предприятия и каких городов находятся в пределах местной розы ветров. Ну а какой вывод можно сделать из этой довольно грустной истории?

Единственный, хотя он, вероятно, и покажется кое-кому парадоксальным: вина за подобные происшествия лежит на каждом из нас. Потому что если металлургический завод, где вы работаете, выбрасывает в воздух вредоносные дымы, они со временем обязательно обернутся невкусным зерном, «текущей» картошкой, неспособными к лежке яблоками. Одним словом, за сохранение почвенного плодородия отвечает не только тот, кто живет и работает на селе, хотя он в первую очередь. И надо ли говорить, сколь повинны перед землей и народом те из земледельцев, что нерачительно, безграмотно ведут свое хозяйство? Неплохо бы, например, механизаторам и агрономам той же Таврии — крупнейшей житницы страны и Украины — полюбопытствовать у ныне здравствующих стариков, сжигали ли когда-либо их отцы и прадеды пожнивные остатки? Нисколько не сомневаюсь, что ответ будет отрицательным. Потому что крестьянин по собственному опыту знал: перепаханная стерня повышает урожай. О том, какие процессы стоят за этой немудреной процедурой, земледелец, разумеется, не догадывался, но землю, которая его кормила, берег. Так позволительно ли нам стерилизовать степь бесчисленными пожарами, от которых над ней стеною стоит смрад? Ведь в них горят не только растительные остатки, но и наши бесчисленные верные помощники — бактерии, над интенсификацией жизнедеятельности которых идет непрекращающаяся работа во многих крупнейших научных центрах мира.

Способность утилизировать молекулярный азот — редчайший дар. Им наделены природой далеко не все микроорганизмы, и «обучить» подобным навыкам другие бактерии — тяжелейший труд, требующий объединенных усилий самых разных специалистов.

И кто знает, может, придет пора и сбудется научное пророчество академика Андрея Сергеевича Фаминцева, предвидевшего иную, нежели сегодня, основу развития земледелия: «Не без основания может быть поставлен вопрос: не сведется ли в будущем успешная культура и богатые урожаи хлебных растений на приспособление почвы к роскошному развитию в ней микроскопических существ».

«Очень привлекательно усилить азотфиксацию там, где она нормально происходит, — говорит академик А. А. Баев, — и, еще более, создать ее там, где она в естественных условиях не наблюдается, например, у пшеницы, подсолнечника, свеклы. Теоретически это не исключено, так как весь комплекс из 17 генов азотфиксации удается перенести в лабораторных условиях от одной бактерии к другой».

Социальную значимость данной проблемы переоценить невозможно. Ибо все на Земле дано землей, идет от щедрот ее плодородия. Недаром же, оценивая невиданно возросшее могущество человека, неразрывно связанного узами родства с нею, мы все чаще употребляем очень верную, хотя и аллегорическую фразу: и в космос хлеб летал.

Уникальное природное образование — почва — сегодня всецело во власти тех, кого она взрастила и выпестовала когда-то своими соками. Не пришла ли пора и нам всерьез подумать над тем, чтобы не разрушать, а наращивать удивительное свойство «мертвой» земли творить живой колос? Вот почему я и позволю себе завершить эту часть рассказа о биотехнологии и ее возможностях ссылкой на вполне реальный и очень поучительный опыт зарубежных коллег, с которыми познакомил советских людей журналист и писатель В. Губарев. Речь идет о биологическом методе утилизации бытового мусора, разработанного в США и успешно применяющегося на предприятии, производящем почву.

«...Итак, исходное сырье — городской мусор. Вокруг конвейера хлопочут рабочие — их задача отобрать все, что можно использовать. Например, какие-то приборы с цветными металлами, аппаратуру — что греха таить, иногда на свалке оказываются и вполне добротные телевизоры, и телефонные аппараты и так далее. «Чистый» мусор попадает в измельчители. И вот уже стальные жернова превращают диван в кучу дерева, кусков кожи, из которой торчат обрывки пружин. А дальше — «биологическая» печь. При температуре 170 градусов начинается процесс разложения сырья.

Как обычно в биотехнологии, здесь используется помет с птицефабрик, различные илы, фекалии, то есть, по сути, на промышленном уровне воспроизводятся те процессы, которые идут в природе. Ну, конечно, как бы в концентрированном виде. И потому уже через шесть дней, а не миллионы лет здесь получают первичный продукт — органический компост. Его сразу же можно использовать в качестве удобрений в теплицах. Однако создатели предприятия повели технологическую цепочку дальше — до получения искусственной почвы...»

Думаю, что развитие подобного рода предприятий можно лишь приветствовать, и я обязательно вернусь к этой теме в последующих главах книги, в той ее части, где речь пойдет о возможностях биотехнологии в деле охраны окружающей среды. Сейчас же хочу напомнить читателю, что едва приступив к обсуждению темы плодородия и роли бактерий-азотфиксаторов в его сохранении, я предложил тогда же к обсуждению, казалось бы, чисто риторический вопрос: нельзя ли позаимствовать у бактерий, во-первых, способность быстро ив больших количествах утилизировать молекулярный азот, а во-вторых, не менее производительно синтезировать на его основе белок?

Надеюсь, что на первую часть этого вопроса я уже ответил всем своим предыдущим рассказом. Что же касается второй его части, то ответ на него еще впереди. Ибо мы лишь приступаем с вами к разговору о задачах микробиологической промышленности — главного поставщика кормового белка животноводству страны.

Но прежде чем завершить эту часть рассказа, вероятно, все же необходимо привести в некоторое соответствие основные термины и определения, в ней используемые. И те, с которыми вы уже встречались, и те, без понимания которых продолжение повествования оказалось бы весьма затруднительным.

Корова держит ключ

Итак, что такое «бактерии», читатель уже знает, но он также наверняка подметил, что вместо данного термина автором не раз и не два употреблялись в процессе раскрытия темы слова: «микроб» и «микроорганизмы». Правомочна ли такая замена? Вполне. Ибо «микроб» и «бактерии» — синонимы, а понятие «микроорганизмы» включают в себя и то и другое. В Энциклопедическом словаре последнего издания, например, приводится такое его определение: «Мельчайшие, преимущественно одноклеточные, организмы, видимые только в микроскоп: бактерии, микоплазмы, риккетсии, микроскопические грибы и, водоросли, иногда простейшие и вирусы...» И далее: «Играют большую роль в круговороте веществ в природе. Используются в пищевой и микробиологической промышленности (виноделие, хлебопечение, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, белка и др.). Патогенные микроорганизмы вызывают болезни растений, животных и человека».

Но зачем понадобилось данное разъяснение? — возможно, удивится читатель. Не все ли равно, какие именно организмы входят в понятие «микро».

Конечно, «не все». Потому что каждое новое открытие в этой области чревато новыми уникальными возможностями для человека и человечества. Еще совсем недавно, например, науке было известно всего 35 видов лучистого грибка (актиномицета). Сегодня — сотни. А ведь сорок пять лет назад один из таких видов стал исходным материалом для получения стрептомицина — теперь всемирно известного антибиотика. Едва пройдя клинические испытания, он сразу же вступил в борьбу с тяжелейшими недугами людского рода, в кратчайшие сроки став основным средством медикаментозной терапии при различных формах туберкулеза, бруцеллеза, бубонной чумы.

Тысячи раненых, переполнявших к тому времени (шли последние годы второй мировой войны) госпитали, обязаны неведомому грибку своим спасением. Стрептомицин подарил жизнь миллионам обреченных. И разве не с микроорганизмами связываем мы сегодня надежды победить СПИД, возбудителем которого оказался тоже микроорганизм — на сей раз вирус.

Нет, недаром известный французский историк науки П. Таннери еще в минувшем веке говорил по поводу удивительных перспектив, связанных с миром микроорганизмов: «Перед лицом бактериологических открытий история других естественных наук за последние десятилетия XIX столетия кажется несколько бедной». И это о достижениях прошлого века! А если б ученый мог знать, какой триумф ждет микробиологию в 50-х годах столетия двадцатого! Каких только удивительных созданий не разглядывают в окуляры своих микроскопов современные исследователи, какое разнообразие форм, способов размножения и питания не наблюдают! Иногда результаты такого рода изучений потрясают самих экспериментаторов. Да и как оставаться спокойным при встрече с чудом.

А разве не подлинное чудо, скажем, длинные многоклеточные бактерии (симонсиеллы), у которых верхняя поверхность выпуклая, а нижняя — вогнутая? Но самой великой неожиданностью для всей биологической науки стало, пожалуй, установление сенсационного факта - способности бактерий к выделению в окружающую среду и поглощению из нее генов и целых блоков из них (фрагментов дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК). Такой способностью наделены как бактерии, так и сине-зеленые водоросли — существа безъядерные, относящиеся, как читатель уже знает, к «надцарству» прокариотов. Чего же вправе ожидать в таком случае наука от эукариотов — обладающих так называемым истинным ядром (в отличие от кариоса — еще не оформленного ядра прокариотов), окруженным мембраной?! Сколь широки и перспективны могут оказаться возможности этих представителей живого мира, если учесть к тому же, что к эукарйотам относятся все грибы, высшие растения, животные, водоросли (кроме синезеленых).

Чем больше мы узнаем о мире микроорганизмов, тем больше поражаемся его уникальности, а добытые нелегким трудом знания все чаще заставляют нас, дабы не погрешить перед истиной, отказываться от ело жившихся представлений, переоценивать ценности. Так, широко используемые в микробиологической промышленности для многотоннажного производства различные виды дрожжей и плесневых грибов совсем недавно считались низшими растениями, теперь они признаны потомками простейших животных. Но, может быть, благодарное человечество несколько завысило эволюционный «ранг» этих существ, как бы отдавая им тем самым заслуженную дань признательности?

Ни в коем случае! Более того, наука располагает весомым доказательством того, что именно симбиозу простейших животных с синезелеными водорослями обязаны своим появлением на свет растения — уникальные посредники между Землей и Солнцем. Знаменитые хлоропласта, в которых совершается таинство фотосинтеза, согласно теории симбиогенеза, не что иное как синезеленые водоросли, внедрившиеся в одноклеточное животное.

Но значит ли это, что природа завершила процесс совершенствования микроорганизмов, создав столь великое разнообразие их видов и форм?

Конечно, нет. И тому есть серьезнейшие доказательства. «Геология свидетельствует, что некоторые из самых простейших форм, инфузории и корненожки, в течение громадных периодов времени сохранились такими же, какими мы их знаем теперь, — писал Чарлз Дарвин, — но предположить, что большинство ныне существующих низших форм нисколько не продвинулось вперед с самой зари органической жизни, было бы крайне опрометчиво, так как всякий натуралист, исследовавший какой-нибудь из этих организмов, которые теперь, как думают, стоят на очень низком уровне, конечно, бывал поражен их поистине изумительной и прекрасной организацией».

Эволюция продолжается. Не учитывать этого факта нельзя. Ибо практическое овладение особенностями данного процесса означает для человечества реальную интенсификацию тех направлений науки и отраслей производств, основу которых составляет изучение и использование возможностей живых организмов. Или, как называл их Карл Маркс, живых автоматов.