За порогом вражды

В почве обитает огромное число разнообразных микробов. Каждый из них осуществляет какие-то важные превращения почвенных веществ путем брожения, окисления, синтеза. Есть среди них группа, способная улавливать атмосферный азот и связывать его в молекулах сложных соединений (в науке этот процесс называют азотфиксацией). Одни из азотфиксаторов, такие, как азотобактер или клостриднум, умеют это делать сами, живя в почве самостоятельно, другие — только в содружестве с высшими растениями. Будущие симбионты активно проникают в корешки бобовых, образуя на них галлы — маленькие клубеньки. Корни, зараженные такими микробами, похожи на клубок ниток с множеством узелков. Поэтому микробы и называют клубеньковыми бактериями. Научное же название их — ризобии.

Знакомясь с разными формами симбиоза, мы всякий раз убеждались, что объединение рождает силу, а сила — залог успеха в жизненной борьбе. Но силе нередко сопутствуют и новые свойства. Так, например, клубеньковые бактерии, объединившись с корнями своих зеленых хозяев, приобрели способность усваивать азот.

Большую часть своей жизни ризобии проводят в почве, ведя совершенно самостоятельный образ жизни. Подобно другим почвенным микроорганизмам, они питаются тогда готовыми органическими веществами и никакого азота не фиксируют. Так могут просуществовать они десятки лет в ожидании встречи с подходящим растением. Но как только подобный счастливый случай представляется, они охотно расстаются со «свободой» и, проникнув в корни, строят на них свои домики-клубеньки. Тут-то они и обретают свое чудесное свойство — начинают фиксировать азот.

Вот уже три четверти века ученые бьются над тем, чтобы разгадать, как они это делают. Овладение великой тайной ризобий нужно не для того, чтобы научиться получать азотистые соединения из воздуха. Эю люди и так умеют. В технике для фиксации азота пользуются методом Габера — Боша. Но обходится такой синтетический азот очень дорого, так как для его получения требуется высокая температура (300 градусов) и давление (300 атмосфер). Задача заключается в том, чтобы сделать его производство возможно более экономичным — в идеале по «технологии» клубеньковых бактерии. Ведь в клетках микроорганизмов этот процесс идет без всякого напряжения, при нормальном давлении и обычной температуре! Надо понять, почему им так легко дается то, ради чего человеку приходится строить громоздкие заводы и расходовать массу энергии.

Слева: клубеньки на корнях сои. Справа: так выглядят под микроскопом клетки клубеньковых бактерий

На пути к этой цели многое уже сделано. Познаны некоторые важные звенья химической «технологии» бактерий, выделен и чудодейственный катализатор азотфиксации — фермент нитрогеназа, расшифровано его строение. Сейчас в ряде стран предпринимаются смелые попытки включения методами генной инженерии кодирующего этот катализатор гена прямо в хромосомный набор клеток хлебных злаков, чтобы сделать их самих способными поглощать атмосферный азот или по крайней мере «научить» симбиозу с клубеньковыми бактериями. Но эти попытки пока скорее относятся к области научной фантастики. Рано еще отказываться от бобовых и сдавать их в исторический музей земледелия. А посему обратимся лучше к тому реальному и самому полезному для человека симбиозу, в котором они участвуют.

Все начинается с проникновения бактерий в корневой волосок растения. Дотоле очень энергично передвигавшиеся с помощью жгутиков, они, войдя в контакт с волоском, вдруг перестают двигаться, одевают себя слизью и, готовясь к штурму корешка, образуют так называемую инфекционную нить. Через некоторое время покровы корешка в месте прикрепления этой нити разрушаются, и бактерии беспрепятственно вторгаются во внутренние ткани, вызывая их разрастание в виде клубеньков. Утратив жгутики и размножившись делением, все они через две-три недели после об-разовапия клубенька превращаются в более крупные клетки — бактероиды. В пору цветения растения-хозяина бактероиды заполняют собой весь клубенек.

Если разрезать зрелый клубенек, то внутри он окажется розовым благодаря содержащемуся в бактериях пигменту. По составу ' он очень близок гемоглобину животных и назван здесь леггемоглобином. Он и фиксирует газообразный азот. Все попытки обнаружить леггемоглобин в незаражеиных корешках и изолированной культуре ризобий дали отрицательные результаты. Он оказался продуктом их симбиотического союза. Что же касается основного активного начала азотфиксации — фермента нитрогеназы, то его несут с собой бактериальные клетки.

В однолетних бобовых клубеньки функционируют один сезон, в многолетних — несколько лет подряд. Но в конце концов и они стареют и отмирают. Старые клубеньки становятся темно-бурыми и дряблыми. При надрезе из них вытекает водянистая слизь и они превращаются в сплошную кашу. Никаких бактероидных клеток в них уже не обнаружить, все они разрушены.