Академик Н.Д. Иерусалимский

 

Е.Л. Головлев МИКРОБИОЛОГИЯ том 68 № 6 1999

ВВЕДЕНИЕ: ДВЕ НАУКИ

Чем истинный Ученый, т. е. один из тех немногих деятелей науки, который своим талантом, прозрениями и трудом определяет ее направления развития, базовые идеи и концепции, положение в системе культуры и практической деятельности человека, - чем он отличается от тысяч и тысяч эпигонов и ремесленников разного ранга, от старшего лаборанта до академика, разрабатывающих, дорабатывающих (иногда - с блеском) сформулированные, намеченные, намеком обозначенные мысли тех, кто были первыми?

Рискнув задать этот сакраментальный вопрос, рискну на него ответить так: истинный талант отличается от посредственности, конечно же, многим, но одна из главных, характерных для работников науки такого масштаба черт - наличие собственной философии объекта своего интереса и своих исследований. Многим этот ответ покажется частным, легковесным или претенциозным, спорным и даже вздорным. Впрочем, чтобы почувствовать правомочность его и смысл, достаточно обратиться к наследию нескольких славных поколений российских микробиологов, работавших (наверное, точнее будет сказать - "творивших") особенно плодотворно в первой половине XX века. "Обратиться к наследию" - значит внимательно перечитать не только общепризнанные, широко известные и особенно ценимые следующими поколениями исследователей труды, но, в частности и в особенности, и то, что написано ими в период начала расцвета их творческой активности. И, можно не сомневаться, что за старомодным слогом и манерой аргументации, за словесными ухищрениями, цель которых - вывести себя из-под удара жестокой и неумолимой машины идеологического террора "советского творческого дарвинизма", помноженного на сталинский тоталитаризм, мы найдем многое, что с опозданием на несколько десятилетий заново открывается, но уже другими авторами, приобретает популярность, становится предметом моды, но уже в связи с другими (и, увы, чаще всего - зарубежными) именами.
Виноваты в этом здесь, впрочем, не только недостатки преподавания истории науки в университетах и, потому, невежество следующих поколений исследователей, и не недостаточная широта мышления эпигонов, но и фундаментальные законы развития науки, которые действуют так же неумолимо и бесстрастно в истории науки, как и в любой другой сфере человеческой деятельности.

Одним из таких фундаментальных законов является развитие и усиление редукционистской методологии по мере развития науки или направления. Причем не редукционизма "вообще" как болезни современной, ставшей слишком технологичной во второй половине XX века биологической науки, не редукционизма как врожденного порока отдельных ученых и признака их профессиональной творческой ограниченности, не редукционизма как увлечения эмпиризмом в ущерб теоретическому анализу. Речь идет о закономерном углублении в частные аспекты, стремлении "докопаться до механизмов", глубоко проработать отдельные разделы и детали созданного вначале концептуально, может быть, в значительной степени - умозрительно, можно сказать - натурфилософски, но по сути иногда - грандиозного конструкта. И, как закономерность, позднее именно эти частные разделы (на самом деле -фрагменты), обогащенные новым и большим экспериментальным материалом, основанные на более жесткой и доказательной логике, снабженные и усиленные с помощью использования часто изощренного математического аппарата, новейшей аппаратуры и аналитической техники, прежде всего и привлекают внимание последователей как самостоятельные и крупные проблемы, начиная, таким образом, собственную независимую жизнь в науке.

Так и существует одна наука в двух ипостасях: одна - изначально сформированная, как правило -комплексная и тяжеловесная для восприятия, но многогранная, многоаспектная, сложно организованная концепция - идея-система-конструкция, с пока еще плохо понимаемой иерархией подсистем, пытающаяся априори учесть богатство, сложность и разнообразие внутрисистемных и внешних связей. Вторая - возникшие из и на базе первой углубленные исследования, как правило, деталей и механизмов разных разделов первичной конструкции, формирование на их базе новых, крупных, хотя и более частных, проблем и направлений, генезис которых уже не только забыт, но уже и как будто не важен. Новые данные, новые результаты позволяют приходить к новым выводам и формулировать новые идеи, многие (ну, скажем, - некоторые) из которых в лучшем случае - повторение хорошо забытого старого, но иногда - и движение вспять. И крайне редко приходится слышать, как автору этих строк, фразу типа "Это обнаружили русские микробиологи еще в 30-х годах" (речь шла о так называемой "микробиологической петле" в экологии озера), "сейчас нам приходится многое открывать заново".
ПРОЧТЕННЫЙ И НЕПРОЧТЕННЫЙ АКАДЕМИК ИЕРУСАЛИМСКИЙ

Чтобы было яснее, что автор имеет в виду в статье, посвященной творческому наследию академика Николая Дмитриевича Иерусалимского, представим невероятное: будто некий почтенный научный кворум от микробиологии принялся играть в детскую игру "слова-ассоциации". Вопрос:

- какие ассоциации возникнут в аудитории в связи с именем Н.Д. Иерусалимский?

Мысленные эксперименты - вещь всегда рискованная, но почти со 100%-ной уверенностью можно предвидеть, что будет назван следующий список проблем, тем и достижений:

- развитие теории непрерывного культивирования,

- развитие математического моделирования вмикробиологии,

- математическое описание и модель торможения роста микробной культуры продуктами обмена,

- разработка проблем физиологии лимитированного роста микробной культуры,

- исследования в области контроля физиологии растущей культуры макромолекулярными механизмами клетки,

- развитие теории и математическое описание динамики роста и развития микробной популяции в условиях периодического культивирования,

- исследование физиологии бактериальных брожений - ацетонобутилового, пропионовокислого, маслянокислого, уксуснокислого,

- исследование азотного и витаминного питания бактерий,

- участие в создании промышленного получения некоторых продуктов бактериального брожения,

- учебник "Основы физиологии микробов",

- теоретическая разработка и участие в организации промышленного производства дрожжевых белково-витаминных концентратов на базе нормальных парафинов нефти,

- разработка первых отечественных аппаратов для непрерывного контролируемого культивирования микроорганизмов и участие в создании опытно-конструкторского и промышленного выпуска таких ферментационных комплексов.

Возможно, что будет названо что-то еще, менее значимое. Но можно почти не сомневаться, что будет обойдена молчанием проблема, которую Н.Д. Иерусалимский считал главным делом своей научной биографии, - теория бактериальной культуры.

ТЕОРИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КУЛЬТУРЫ - ИСТОКИ ПРОБЛЕМЫ

Явная тривиальность, на слух современного микробиолога, названия этого научного направления на самом деле кажущаяся: это связано с неоднозначностью интерпретации термина "бактериальная культура". Если в сознании современного микробиолога "теория бактериальной культуры" неизбежно связывается с теорией управляемого культивирования бактерий в соответствующих аппаратах, как правило - в гомогенных условиях и с применением соответствующих аналитических и технических средств, то Иерусалимский применял понятие "культура" даже шире, чем современная "популяция", причем природная популяция при всей сложности и нестабильности природных условий ее существования как в пространстве, так и во времени.

Теории бактериальной культуры посвящена прежде всего докторская диссертация Николая Дмитриевича под названием "Физиология развития чистых бактериальных культур" [1], защищенная им в 1952 г., - труд, глубоко фундаментальный по сути и впечатляющий по объему: два тома, 787 страниц машинописного текста, список литературы на 57 страниц (более 1000 источников).

Иерусалимский утверждает, что создал "теорию бактериальной культуры" как альтернативу трем другим господствовавшим в то время в мировой литературе теориям. Что было отправными точками этой теории, вернее - от чего отталкивался Николай Дмитриевич при ее разработке?

Сам он называет три такие отправные точки -три господствующие в то время (приблизительно с начала века до 50-х гг.) в мировой литературе тенденции трактовать физиологию, динамику и прежде всего изменчивость в бактериальных культурах. Условно он называл их теориями: популяционная, онтогенеза бактериальных культур и теория реактивности. Критика положений именно этих трех теорий была сосредоточена при разработке Иерусалимским своей "теории бактериальной культуры".

Сторонники первой, популяционной теории рассматривали бактериальную клетку как обособленный индивидуум, хотя и одноклеточный, но биологически эквивалентный более высокоорганизованным существам. Феномен колонии и ее биологический смысл игнорировались. Каждая клеточная генерация считалась равносильной индивидуальной жизни, а бактериальная культура - суммой независимых особей. На этом фоне разного рода генетическая изменчивость приводит к механической смеси генетических вариантов, отбор и конкуренция определяют ее состав и суммарные свойства в каждый момент, но в целом такая динамика бактериальной культуры идентична скорее филогенезу, чем онтогенезу [1,2].

То, что Иерусалимский называет "теорией онтогенеза бактериальных культур", в современной ему литературе это фактически своеобразный вариант органицизма: она ставит знак равенства между возрастными изменениями тканевых клеток многоклеточного организма и изменением бактериальных клеток в развивающейся культуре. С этой точки зрения развитие бактериальной культуры - процесс, безусловно, онтогенетический, с одной лишь оговоркой - он аналогичен и мало чем отличается от онтогенеза высшего организма.

Согласно третьей точке зрения, любые изменения, происходящие в культуре, - это проявление непосредственных реакций на изменения условий среды. Ни о каком цикле развития не может быть и речи, а влияние "возраста" культуры на ее метаболизм - не более чем артефакт [2].

Любопытно рассмотреть эти "отправные точки" глазами современного микробиолога. Искушенный читатель легко увидит в критикуемой Иерусалимским "популяционной теории" классический фрагмент синтетической теории эволюции, господствовавшей многие десятилетия в биологии, с характерной для нее опорой на стохастические процессы и с таким же характерным для того времени влиянием на биологию физических парадигм, например - модели идеального газа. Вспомним, что этим принципам вполне соответствовали и предложенная в 1933 г. Клюйвером и Перкеном [3] погруженная, перемешиваемая на качалке культура, и вся последующая многолетняя история гомогенной непрерывной культуры (см., например, [4]). До настоящего времени для микробиологов очень привлекательны идеи, что клетки в культуре, особенно в выделенном из одной колонии варианте, идентичны фенотипически, потому что не накопили еще достаточного диапазона генетического разнообразия, а если и различаются между собой в каждый отдельный момент, то только в результате асинхронности клеточных циклов. До сих пор считается, что в условиях достаточного перемешивания нет различий, детерминируемых средой. До сих пор абсолютным законом является требование, чтобы в достоверном микробиологическом эксперименте культура была гомогенной. Понятно поэтому, что в математическом моделировании растущих микробных культур доминируют неструктурированные нераспределенные модели, описывающие, по сути дела, лишь период наиболее активного роста.

Что касается "теории онтогенеза", сильно замешанной на вульгарном органицизме, то достаточно напомнить шумный успех и популярность на уровне высокой моды появившуюся в самое последнее время концепцию бактериальной колонии как организма [5].

Что касается "теории реактивности", то она в полной мере остается общепринятой и в наши дни, если не считать немногочисленных попыток учесть аутогенные процессы в развитии бактерий и их культур, а также более активные в последние 5-10 лет исследования процессов старения клеток [6, 7].

Основной вывод из рассмотрения основных положений, которые критиковал и отрицал Иерусалимский полвека назад, в основной своей части незыблем до сих пор и признается большинством микробиологов. Сомнения в справедливости перечисленных концепций, постулатов и моделей микробной культуры нарастают постепенно и медленно лишь в течение последних 5-10 лет.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ БАКТЕРИАЛЬНОЙ  КУЛЬТУРЫ Н.Д. ИЕРУСАЛИМСКОГО

Что же противопоставлял Иерусалимский своим оппонентам?

Фенотипическая гетерогенность культуры при стабильном генотипе у него не вызывала сомнений. Естественно, в первую очередь он связывал ее с асинхронностью клеточных циклов отдельных клеток. Особенно наглядно он показал это на примере спорообразующих бактерий. На приведенной им схеме [1] видно, что у ацетонобутиловых клостридий уже через 5-6 ч после начала деления единственной клетки культура становится все более гетерогенной, включая в разных соотношениях вегетативные клетки, проспоры и споры на разных этапах развития, инволюционные и отмирающие клетки, фильтрующиеся ("невидимые в микроскоп") формы. Стохастические процессы, приводящие к тому, что при делении вегетативных клеток образуются неидентичные по многим признакам дочерние клетки, а также диссоциация культуры по морфологическим признакам колоний еще более способствуют возрастанию этой гетерогенности.

В целом, опираясь на тезис Лысенко, Иерусалимский исходил из того, что каждый организм никогда не реализует в полном объеме свой биологический потенциал. Для различных типов развития, которые в разных условиях реализуют бактерии, он предложил термин "приспособительная модификация". "Фенотип и модификация суть результат реализации некоторых из числа наследственных возможностей организма" ([11], с. 148). "Поскольку модификации носят приспособительный характер и не ведут к вырождению и гибели микробов, постольку очевидно, что вызывающие их внешние условия неоднократно повторялись в процессе эволюции, а поэтому были микробами освоены и вошли в число их наследственных потребностей" (там же). Следует подчеркнуть, что Иерусалимский четко отличал "приспособительные модификации" от адаптивного и конститутивного синтеза ферментов - феноменов, о которых он упоминает [11], ссылаясь на работу Карстрема 1930 г. [12].

Не вызывает сомнения, что под "приспособительными модификациями" имелись в виду "фе-нотипические окна генома" Серебровского и "адаптивные нормы реакции" Шмальгаузена [13]. Это подтверждает и фраза "Каждый вид бактерий приспособлен к одному или нескольким, но вполне определенным комплексам условий". Это является показательным примером, как крупные ученые в условиях того времени приходили к идентичным выводам в своей экспериментальной работе, но, учитывая конъюнктуру, вынуждены были лавировать, вписываясь в фразеологию "творческого советского дарвинизма", что нанесло непоправимый ущерб их репутации в дальнейшем. Это коснулось и Иерусалимского. Мы, его ученики 60-х гг., знаем, что Николай Дмитриевич не любил вспоминать о своей диссертации по этой причине, которая с точки зрения содержательной на самом деле является одним из самых глубоких теоретических и масштабных трудов в области мировой микробиологии XX столетия.

Принципиально важно подчеркнуть, что Иерусалимский считал фенотипическую гетерогенность культуры не только применительно к условиям периодического выращивания и не только в связи с изменением качества среды в процессе роста. Сам он не успел экспериментально показать это и для условий сбалансированного роста, но ученики и коллеги восполнили этот пробел на примере экспоненциально растущей Bacillus megaterium [8].

Это явно отражало предвидение фенотипических вариаций, все новые варианты которых открываются в последние годы - не только известная еще с начала века диссоциация, но и другие фенотипические вариации в рамках одного и того же генотипа, за которые ответственны не менее десятка разных механизмов. Но осознание этого пришло к современным микробиологам лишь в самое последнее время (см. обзор [9]).

Итак, бактериальная культура крайне гетерогенна фенотипически, не является механической смесью идентичных или очень сходных клеток. А с этим выводом, по крайней мере отчасти, связан другой, не менее важный: "...микробная культура во взаимодействии с окружающей ее средой развивается как нечто целое" [1].

Целостность культуры в процессе ее развития.
Гетерогенность культуры, различная реакция разных клеток на изменения среды, патологии и диссоциация - все это вовсе не предполагает, что ее рост - процесс хаотический. Направление последовательных изменений физиологического состояния, различных фаз индивидуальных клеток имеет общее направление, а достижение определенной плотности культуры и соответствующего физиологического состояния предопределяет дальнейшую координацию развития клеток в общем направлении. Принципиально важно учитывать, что бактериальная культура "...развивается как единая система клеток и условий среды. Культура не является простой суммой клеток и обладает рядом свойств и особенностей, которые у отдельно взятых клеток отсутствуют" [1]. Простейшим аргументом этого положения может быть то, что не только среда действует на бактерии, провоцируя их ответные реакции, но и культура сама активно формирует среду, например корректируя в соответствии со своими потребностями такие параметры, как рН, Eh, снабжая себя доступными источниками питания путем расщепления полимерных веществ экзоферментами, даже обеспечивая себя необходимыми соединениями путем автолиза части популяции. Это, однако, возможно лишь при определенной численности популяции.

В свою очередь, эти изменения среды оказывают воздействие на вызвавшие их бактерии. Причем индивидуальная ответная реакция разных клеток может быть не идентичной, но, еще раз подчеркнем, - это реакция на изменения среды, вызванные всей культурой, а не данной отдельной клеткой. Таким образом, существование и поведение отдельной клетки определяется тем, как взаимодействует со средой популяция в целом и как целостная система.

Важнейшим аспектом существования бактерий в виде культур как целостных, качественно принципиально иных, чем индивидуальная клетка, систем. Иерусалимский считает их микроколониальный образ жизни в природе.

Микроколониальный образ жизни бактерий.
Иерусалимский полагает, что имеющиеся сведения позволяют утверждать, что все бактерии (за исключением таких крупных и подвижных обитателей водоемов, как Chromatium, Rhabdochromatium и др.) являются в известном смысле колониальными организмами. Очевидно, что этот тезис требует особых оговорок применительно к водным местообитаниям, так как здравый смысл любого микробиолога подсказывает ему предпочтительность планктонного свободно-взвешенного состояния бактерий в качестве основного в таких биотопах. Следует, однако, отметить, что к водным местообитаниям это соображение Иерусалимского также относится в полной мере. Причем его невозможно упрекнуть в недостаточном знании предмета - свою научную деятельность он начал именно в водной микробиологии, о чем свидетельствует первая его научная публикация в 1932 г. [10].

Во времена Иерусалимского уже была хорошо известна не только способность, но и естественная склонность бактерий сорбироваться на поверхностях раздела сред, в частности на взвешенных в воде частицах, на почвенных коллоидах. Ссылаясь на данные Новогрудского [14], он пишет, что в пленках влаги, покрывающих почвенные частицы слоем в 1-10 мкм толщиной, "образуются своеобразные бактериальные комплексы, построенные по типу пленок, их можно назвать микроколониями... Эти бактериальные пленки являются природными формами существования почвенных бактерий". Они имеют микроскопические размеры и в большинстве случаев состоят из особей одного и того же вида. Подобные микрокультуры и микроколонии бактерий образуются естественным путем и в других местах обитания.

Впрочем, Иерусалимский не был единоличным автором идеи микроколониального распространения микроорганизмов в природе. Он сам здесь часто опирается на труды и точки зрения многих коллег, и прежде всего Красильникова. Идея микроколониальности для него важна в данном случае с другой точки зрения - для обоснования и доказательства естественной природы и природного происхождения чистых культур бактерий.

Чистые культуры бактерий - естественный их способ существования в природных ценозах.

Мысль, прямо скажем, явно нетривиальная и очень смелая. И дело не только в том, что в этом проявилось участие Иерусалимского в шумной, но, по сути дела, схоластической дискуссии того времени на тему "Что же такое чистая культура? Лабораторный и промышленный артефакт, отклонение и насилие над бактериями, существующими в природе в составе сложных смесей, комплексов, пейзажей и ценозов (недаром для выделения чистых клонов требуются специальные, иногда - нешуточные, усилия), или природа сама не чужда хотя бы в отдельных случаях поддерживать, “культивировать” чистые культуры?". Ответ на этот вопрос был принципиален для Иерусалимского потому, что только доказательство "природности" чистых культур давало ему возможность сформировать свое, оригинальное и, скажем в скобках, - лишь сейчас заново рождающееся представление о бактериальной культуре как целостной единой системе.

Итак, Иерусалимский настаивал на том, что чистые культуры бактерий существуют и поддерживаются в природе, если не считать всякого рода симбиотических ассоциаций и одноклеточных крупных планктонных организмов. Логика доказательства этого тезиса была следующей.

Бактерии, кроме всего прочего, отличает от других организмов способность к очень быстрому размножению (при наличии соответствующих условий). Сорбировавшись на подходящей поверхности, микрочастице, образовав агрегат из нескольких особей или колонизировав микропленку воды на какой-либо поверхности или микроскопической частице, они начинают быстро делиться, увеличивая численность этой локальной культуры. В некоторых случаях само местообитание изолирует образующуюся микроколонию или микрокультуру от внешней среды (например, ограниченный объем микропленки воды и сила поверхностного натяжения на границе раздела "вода-воздух" в почве). Но еще более важен, считает Иерусалимский, тот факт, что, быстро размножаясь и, следовательно, активно метаболизируя субстрат, растущая микроколония или микрокультура так же активно выделяет неблагоприятные продукты обмена. Таким образом, вокруг образовавшейся микрокультуры образуется зона, обладающая следующими свойствами: во-первых, она истощена питательными веществами, а скорость диффузии недостаточно велика, чтобы быстро восполнять этот дефицит из соседних микрозон; во-вторых, накапливающиеся неблагоприятные продукты обмена также концентрируются в этой окружающей микрокультуру застойной зоне, причем они более вредоносны для посторонних микробов, чем для их синтезировавших (великолепным примером этому являются антибиотики и некоторые другие вторичные метаболиты); в-третьих, в этой застойной микрозоне формируются физико-химические условия (рН, Eh и пр.), к которым данная культура также более адаптирована, чем культура посторонняя. Суммируя все сказанное, легко прийти к выводу, что эта условная граница - застойная зона, окружающая колонию, изолирует ее от внешней среды почти так же надежно, как стеклянные или металлические стенки лабораторных и промышленных систем культивирования.

Другая сторона того же процесса: в микрозоне обитания сформировавшейся микроколонии формируются условия, к которым адаптирован именно этот организм. Это, с одной стороны, является фактором самоочищения культуры, - феномен, на который указывал еще Пастер, с другой - происходит более глубокая адаптация культуры к этим условиям; это в значительной степени ориентирует и эволюцию данной культуры. Таким образом, у бактерий культура является эволюционирующей единицей, как и популяция у высших организмов.

Итак, микробные пейзажи, ассоциации, ценозы в природе, во всяком случае - в почве, представляют собой сложную мозаику микрозон, обитаемых практически чистыми культурами разных бактерий. Как взаимодействуют они между собой? Для Иерусалимского этот вопрос так же необычайно важный, так как ответ на него влияет и на его оценку проточных систем культивирования, и на представления о цикличности развития культур, их онтогенез и пр.

Является ли проточная система моделью природного процесса? Традиционная критика пространственно замкнутых периодических лабораторных и промышленных культур заключалась во времена Иерусалимского (и до сих пор) в том, что развитие бактерий в них неестественно форсируется в условиях оптимальной среды и так же быстро подавляется при ее истощении и отравлении самой культуры. "С этой точки зрения проточные культуры с искусственно регулируемым постоянным составом среды представляются более близкими к природным условиям, чем обычные замкнутые культуры" (см., например, Утенков[15]).

Интересно, что эта точка зрения обычно приписывается самому Иерусалимскому. И это неудивительно - всем известно, как много сделал он для развития теории и практики непрерывных культур, создания аппаратуры для непрерывного культивирования, популяризации этого метода в СССР. В задачу автора данной статьи не входит обзор и анализ работ Николая Дмитриевича, которые уже давно стали достоянием учебников и всем доступны и, как правило, известны. Тем не менее очень коротко следует напомнить, что одна из моделей роста проточной культуры известна под названием "модель Моно-Иерусалимского" и рассматривается как весьма прогрессивная в связи с тем, что учитывает не только ограничение роста концентрацией лимитирующего фактора и/или заданной скоростью протока, но и ингибирующее действие продуктов [16, 17]:

Целый ряд и других работ посвящен различным аспектам этой темы: принципам регулирования роста микроорганизмов [18], значению метода проточных культур для анализа функций клетки (например, [19, 20]), применению непрерывных культур для получения практически ценных метаболитов и/или биомассы микроорганизмов [23-25], разработке аппаратуры для непрерывного культивирования - от серийно выпускаемого промышленностью знаменитого комплекса АНКУМ [26] до множества специализированных стеклянных кустарных мини- и микроустановок. Так, количественные закономерности ингибирования продуктом брожения - пропионовой кислотой скорости роста образующей ее бактерией Propionibacterium shermani были установлены на стеклянном проточном культиваторе объемом 50 мл [27], селекция активных штаммов - продуцентов биомассы при росте на углеводородах проводилась в проточной двухстадийной установке с культиватором на 100 мл с возвратом биомассы простейшим пневматическим способом из накопителя объемом 200 мл [28], условия спорообразования изучались в уникальной миниатюрной микрокамере объемом не более 1 мл, размещенной на предметном столике микроскопа, что позволяло непрерывный микроскопический контроль спорообразования в потоке среды варьирующего состава [29]. 
Цикличность развития бактерий в природе.

Несмотря на то что в результате этих работ Иерусалимский вошел в историю мировой микробиологии как классик исследования непрерывных культур, его ученики знают, что сам он относился к непрерывной культуре в лаборатории как к "острым проточным опытам" исследования определенных аспектов физиологии бактерий и способу моделирования физиологического состояния конкретного этапа онтогенеза бактериальной культуры. Поэтому неудивительно, что после приведенной выше цитаты из Утенкова [15] о том, что проточные культуры более близки природным условиям, чем периодические, у Иерусалимского [1] (с. 75] следует такой текст: "Этот вывод можно считать правильным лишь отчасти. Сама по себе периодичность развития не чужда бактериям". Это очевидно вытекает из его представлений о микрозональном мозаичном способе существования микрокультур бактерий в природе. "Пребывание в покоящемся или малоактивном состоянии, затем вспышки размножения, возникающие благодаря соприкосновению с запасами питательных веществ, и переход снова в неактивное состояние - таковы обычные этапы жизни бактерий в природных условиях". Итак, цикличность развития, а не непрерывность является естественным способом существования бактерий.

В процессе своего эволюционного развития бактерии неминуемо должны были приспособиться к таким условиям существования. Поэтому все фенотипические изменения, которые претерпевает культура при переходе в стационарную фазу, - это не только (вернее - не просто) реакция на ухудшение условий среды, но естественное, запрограммированное и закрепленное в своей форме предыдущей эволюцией завершение очередного цикла развития, т. е. очередного онтогенеза культуры.

Онтогенез бактериальной культуры как специфический феномен.

Вокруг проблемы онтогенеза и во времена Иерусалимского и по настоящее время ломаются копья дискуссий и создаются все более эффектные модели. Иерусалимский категорически протестовал против попыток получить онтогенез культуры простым сложением индивидуальных онтогенезов, т. е. процессов развития и дифференциации отдельных бактериальных клеток, исходя из уже упомянутого постулата, что культура - не механическая сумма клеток. С другой стороны, он предостерегал и от упрощенных спекулятивных подходов, неправомочных аналогий и, тем более, попыток поставить знак равенства между развитием бактериальной культуры и онтогенезом высших организмов. (Такие попытки остаются модными и в настоящее время; см., например, идеи Шапиро [5] о бактериальной колонии как организме.) "Для понимания движущих сил онтогенеза бактериальной культуры необходимо учитывать, что она развивается как единая система клеток и условий среды" ([1], с. 157). "Основное условие для прохождения жизненного цикла культуры состоит в том, чтобы жизнедеятельность микробов могла заметно влиять на состав среды" ([11], с. 143); добавим - речь идет не просто о влиянии на среду, а о взаимосвязи или, если можно так выразиться, о каждомоментном взаимопроникновении условий среды в процессы жизнедеятельности бактерий и, наоборот, продуктов этой жизнедеятельности в среду -микроокружение культуры, причем все это - в значительно большей степени, чем это происходит у высших, и, главное - с участием специфических и уникальных связей в системе "культура-среда" и в самой культуре. И еще раз подчеркивается функциональная целостность культуры в онтогенезе: "Покоящиеся и репродуктивные формы являются функцией развития всей культуры в целом, а не “частным делом” тех вегетативных клеток, из которых они образовались" ([1], с. 160].

Онтогенезы разных бактерий разнообразны. Если какой-нибудь выбрать за типовой, немедленно обнаружится масса отклонений от типа. Это видно даже на таком простом примере: у ацетонобутиловых клостридиев споры начинают образовываться еще в процессе активного роста культуры, а у маслянокислых бактерий - только в стационарной фазе [30].

"Онтогенетический анализ" (термин Иерусалимского) разных бактерий демонстрирует множество примеров такого рода [30, 31], наиболее детально некоторые из них, на примерах различных бродильщиков, описаны в диссертации [1].

Метаболизм как основа онтогенеза и разнообразия его типов.
Центральное положение онтогенеза для понимания естественной биологии культуры привлекало к нему внимание Иерусалимского как с количественной, так и с качественной стороны. Всем известны, и здесь нет нужды цитировать эти работы, характеризующие вклад, сделанный Николаем Дмитриевичем в количественное описание динамики периодической культуры [32]. Основу этой динамики он искал в особенностях метаболизма; именно поэтому (не все обращают на это внимание) с появлением известного университетского учебника Иерусалимского "Основы физиологии микробов" [32] физиология микробов стала другой, включив в себя биохимию в том объеме, в каком она тогда была доступна. К сожалению, с легкой руки Перта [4], появилась тенденция считать физиологией науку о культивировании микроорганизмов, дополненную исследованиями макроскопических параметров жизнедеятельности микробов на уровне культуры - рост, дыхание, потребление субстратов, выделение продуктов, реакции на факторы среды и т.д., все это - усиленное соответствующими математическими описаниями и моделями, тем более что этот ракурс проблемы близок к физиологии высших организмов. Автор данной статьи придерживается убеждения, что именно линия развития физиологии, установленная Иерусалимским, с максимальным привлечением к интерпретации физиологических проявлений жизнедеятельности микроорганизмов биохимии и того, что сейчас называют клеточной биологией, станет магистральным путем эволюции этой науки.

На то, что научная идеология самого Иерусалимского развивалась в этом направлении, указывают многие факты. Пытаясь понять механизмы, контролирующие динамику онтогенетического развития культуры, он настойчиво искал их в особенностях метаболической организации, регуляции и координации метаболических путей [18, 33, 34]. Так он пришел к концепции "узких мест метаболизма" [18, 35, 36]. Иерусалимский отдал значительную дань времени и труда этой тогда уже известной идее. Его работы, вместе с исследованиями многих ученых в разных лабораториях мира, внесли, безусловно, ценный вклад в фонд знаний, на базе которого сложилась современная метаболическая инженерия. Убедительно выглядит его попытка интерпретировать механизм внешнего лимитирования в хемостате и при несбалансированном росте с позиций возникновения "узких мест метаболизма", их переключения и скольжения по метаболическим путям [1, 18, 35].

Впрочем, идея контроля метаболических потоков в клетке только на уровне ферментных реакций его не удовлетворяла. В течение последних лет жизни и деятельности он явно находился под влиянием Копенгагенской школы микробиологов, которые первые обратили внимание на связь скорости роста с динамикой макромолекул, в особенности - белоксинтезирующего аппарата, что нашло отражение в нескольких его совместных работах с сотрудниками лаборатории академика Белозерского в МГУ и, позднее, с Хмель [20, 21]. Но этому циклу работ уже не суждено было завершиться.

НЕМНОГО О ПОЛЬЗЕ НАТУРФИЛОСОФИИ,

А ТАКЖЕ О МФИЛОСОФИИ БАКТЕРИЙ Н.Д. ИЕРУСАЛИМСКОГО С ВЫСОТЫ ПОЛУВЕКА
Пройдут еще многие десятилетия после завершения труда и жизненного пути академика Иерусалимского, когда будут открыты метаболические механизмы, ответственные за те внутрипопуляци-онные связи и связи бактериальной культуры со средой, которые обеспечивают поведение бактериальной культуры как целого. Иерусалимский не знал о сенсорно-сигнальных системах и сигнальных молекулах, ответственных за так называемое "тестирование плотности популяции" (quorum sensing) и контролирующих многие процессы онтогенеза (образование спор, плодовых тел, сложные формы движения) [37, 38]. Однако именно плотность популяции он считал стимулом перехода культуры в более поздние фазы развития ([I], с. 246]. Тогда еще не были развиты представления о сигнальных молекулах, но в процессах регуляции онтогенеза Иерусалимский не ссылался на пресловутый лысенковский "тип метаболизма" и даже более позднее и благопристойное "физиологическое состояние", а пытался найти конкретное действующее соединение, как, например, дефицит аминокислот как сигнал, стимулирующий начало спорообразования у некоторых спорообразующих бактерий [30].

Итак, подведем итоги. По прошествии 30 с лишним лет после кончины академика Иерусалимского мировая микробиология, неимоверно обогатившись новыми знаниями из всех сфер биологии микробов, не ближе, а, рискну сказать, дальше от понимания сути таких феноменов, как бактериальная культура как целостная система, ее онтогенез, ее статус в ряду: клетка-суспензия клеток-организм-популяция. Натурфилософия академика Иерусалимского 40-50-х годов позволяет думать, что статус бактериальной культуры выходит за рамки приведенного выше перечня. Возможно, что последние работы о генетических процессах в стареющих популяциях и колониях бактерий [39, 40] позволят ответить и на этот вопрос, но пока что в литературе не просматривается даже плодотворной идеи по этому поводу.

Приблизительно то же можно сказать и о концепции Иерусалимского природной бактериальной популяции. Процессы сорбции на поверхностях, агрегации в пленки и зооглеи, самоорганизации системы чистых культур и их самоочищения, циклические режимы роста как основной способ существования; другими словами - сложнейшая структурированная организация природной бактериальной популяции в пространстве и во времени начинает осознаваться микробиологами лишь в самые последние годы.

А нам остается лишь гадать - на сколько же лет академик Иерусалимский опережал свое время и какие исторические обстоятельства могли сформировать этого замечательного русского самородка такого масштаба в нашей науке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иерусалимский Н.Д. Физиология развития чистых бактериальных культур: Дис. ... докт. биол. наук. М.: ИНМИ АН СССР, 1952. 787 с.

2. Иерусалимский Н.Д. О физиологических стадиях в развитии бактерий // Микробиология. 1946. Т. 15. С.405-416.

3. Kluyver A.J., Perquin L.H.C. // Biochem. Zeit. 1933. V. 266. P. 68 (цит. по [4]).

4. Пирт СДж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978. 331 с.

5. Bacteria as multicellular organisms / Eds. Shapiro J.A., Dworkin М. New York: Oxford Univ. Press, 1997. 398с.

6. Orr W.C. Senescence: In search of causality // Develop. Genetics. 1996. V. 18. P. 93-98.

7. Kennedy В.К., Guartente L. Genetic analysis of aging in Saccharomyces cerevisiae 11 Trends Gen. 1996. V. 12. P.355-359.

8. Иванова И.И., Шафоростова Л.Д., Работнова ИЛ., Сотников Г.Г. Роль катаболитических и анаболитических процессов в связи с неравномерным ростом Bacillus megaterium в экспоненциальной фазе роста // Микробиология. 1972. Т. 41. С. 64-67.

9. Головлев ЕЛ. Метастабильность фенотипа у бактерий //Микробиология. 1998. Т.67. С. 149-155.

10. Иерусалимский Н.Д. Опыт исследованиям бактериального населения Москвы-реки и ее притоков по методу непосредственного счета // Микробиология. 1932. Т. 1.С. 147-175.

11. Иерусалимский Н.Д. Азотное и витаминное питание микробов. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. 167с.

12. Karstrom H. Enzymatische Adaptation bei Microorganismen //Ergeb. Enzymforsch. 1930. V. 7. P. 350-376.

13. Медников Б.М. Проблема видообразования и адаптивные нормы // Журн. общ. биологии. 1987. Т.48. С. 15-26.

14. НовогрудскийД.М. Внутривидовые и межвидовые взаимоотношения почвенных микроорганизмов и некоторые вопросы бактериальных удобрений // Изв. АН Каз. ССР. 1950. С. 109-120.

15. Утенков М.Д. Микрогенерирование. М.-Л.: Сов. наука,1941.

16. Степанова Н.В., Романовский ЮМ., Иерусалимский Н.Д,. Об одной модели роста микроорганизмов при проточном культивировании // Управляемый биосинтез. М.: Наука, 1966. С. 24—28.

17. Степанова Н.В., Романовский ЮМ., Иерусалимский Н.Д. Математическое моделирование роста микроорганизмов при непрерывном культивировании // Докл. АН СССР. 1965. Т. 163. С. 1266-1269.

18. Иерусалимский Н.Д. Принципы регулирования скорости роста микроорганизмов // Управляемый биосинтез. М.: Наука, 1966. С. 5-19.

19. Иерусалимский Н.Д. Метод проточных культур и его значение для анализа функции клетки // Вестн. АН СССР. 1962. Т. 32. № 1. С. 40-45.

20. Иерусалимский Н.Д., Зайцева Г.Н., Хмель И.А. Изучение физиологии Azotohacter vinelandii в условиях проточной культуры // Микробиология. 1962. Т. 31. С.417-423.

21. Хмель И.А., Иерусалимский Н.Д. Влияние аэрации на рост Azotohacter vinelandii в проточной культуре //Микробиология. 1967. Т. 36. С. 632-638.

22. Иерусалимский Н.Д., Рукина Е.А. Изучение условий спорообразования у бактерий методом проточных микрокультур // Микробиология. 1959. Т. 28. С. 801-806.

23. Неронова Н.М., Иерусалимский Н.Д. Получение витамина B12 при помощи пропионовокислых бактерий по непрерывному методу // Непрерывное брожение и выращивание микроорганизмов / Под ред. Иерусалимского Н.Д. М.: Пищепромиздат, 1962. С. 119-124.

24. Иерусалимский Н.Д. Метод проточного культивирования микроорганизмов и возможности его применения // Там же. С. 9-19.

25. Иерусалимский Н.Д. Проблемы микробиологии углеводородов // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1965.

С.53-57.

26. Иерусалимский Н.Д., Тихомиров В.В., Чирков ИМ., Сидоров Е.А., Макурин П.С. Комплекс аппаратуры непрерывного культивирования микроорганизмов АНКУМ-1 // Культивирование микроорганизмов. Рига: Зинатне, 1969. С.7-19.

27. Иерусалимский Н.Д., Неронова Н.М. Количественная зависимость между концентрацией продуктов обмена и скоростью роста микроорганизмов // Докл. АН СССР. 1965. Т.161. С. 1437-1440.

28. Иерусалимский Н.Д., Андреева Е.А., Гришанкова ЕЛ., Головлев ЕЛ., Дорохов В.В., Жукова Л.Н. Исследование микрофлоры сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий // Прикл. биохимия и микробиология. 1965. Т. 1.С. 163-166.

29. Иерусалимский Н.Д., Рукина Е.А. Изучение условий спорообразования у бактерий методом проточных микрокультур // Микробиология. 1959. Т. 27. С. 801-806.

30. Иерусалимский Н.Д. Онтогенетическое развитие культур маслянокислых бактерий // Микробиология. 1951. Т. 20. С. 205-216.

31. Иерусалимский Н.Д. Проблема онтогенеза бактерий и пути к ее разрешению // Тр. ИНМИ АН СССР, 1951.С. 5-43.

32. Иерусалимский Н.Д. Основы физиологии микробов. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 242 с.

33. Иерусалимский Н.Д. Биохимические основы регуляции скорости роста микроорганизмов // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1967. С. 339-348.

34. Степанова Н.В., Чернавский Д.С., Иерусалимский Н.Д. Кинетика культивирования микроорганизмов и биологическая инерция // Колебательные процессы в биологических и химических системах. М.: Наука, 1970. С. 317-329.

35. Чернавский Д.С., Иерусалимский Н.Д. К вопросу об определяющем звене в системе ферментативных реакций // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1965. С.666-672.

36. Чернавский Д.С., Иерусалимский Н.Д. О принципе минимума в кинетике ферментативных реакций // Управляемый биосинтез. М.: Наука, 1966. С. 19-24.

37. Kaiser D.. Losick R. How and why bacteria talk to each other// Cell. 1993. V. 79. P. 873-885.

38. Kapreluants A.S., Kell DA. Do bacteria need to communicate with each other for growth? // Trends Microbiol. 1996. V. 4. P. 237-241.

39. Taddei F., Halliday J.A., Matic I., Radman М. Genetic analysis of mutagenesis in aging Escherichia coli colonies // Mol. Gen. Genet. 1997. V. 256. P. 277-281.

40. Bridges B.A. DNA turnover and mutation in resting cells//BioEssays. 1998. V. 19. P. 347-351

142290 Московская область, г.Пущино, пр-т Науки, д.5, Тел./факс: (495)956-33-70, boronin@ibpm.pushchino.ru; rta@ibpm.pushchino.ru; www.ibpm.ru


Разработка сайта - Alces