2. Земное тяготение

Все организмы, живущие на Земле, находятся под действием силы земного тяготения. Влияет ли этот фактор на развитие бактерий, остается неясным. В космическо-биологических исследования последних лет для выяснения этого вопроса были предприняты специальные эксперименты. В частности, наблюдали за развитием бактерий, находящихся в условиях микрогравитации. Теоретически невесомость на микроорганизмы может влиять через перераспределение внутриклеточных частиц или в результате изменения взаимодействия между клетками популяции в жидкой среде. Изменения величины массовых сил может оказать заметное влияние на внутриклеточные процессы только для клеток, размеры которых превышают 10 мкм. На клетки бактерий, диаметр которых у подавляющего большинства форм меньше 10 мкм, невесомость может влиять, изменяя лишь скорость их осаждения в жидкой среде. Бактерии, плотность которых несколько больше плотности воды, в водной среде находится в состоянии, близком к невесомости. Взвешенные в водной среде бактерии все же постепенно оседают. Некоторые аэробные бактерии, выращиваемые без перемешивания, в невесомости росли лучше, видимо, благодаря меньшему оседанию на дно сосуда. Кроме того, в условиях космического полета наблюдалось некоторое увеличение частоты передачи поздних маркеров при конъюгации у кишечной палочки, т.е. образовавшиеся пары были более стабильны. Доказательств возможности прямого влияния силы гравитации на бактериальные клетки пока не получено.

У бактерий не обнаружен геотаксис, т.е. способность различать верх и низ, которой обладают некоторые одноклеточные эукариоты. Вместе с тем имеются свидетельства о способности бактерий ко определенной ориентации в пространстве – об этом говорит, в частности, геометрически правильная форма плодовых тел миксобактерий, к тому же определенным образом ориентированных относительно подлежащего субстрата.

Специфика взаимодействия бактерий с окружающей средой связана с их незначительными размерами. Бактериальная клетка только примерно в 10.000 раз крупнее окружающих ее молекул. Она подвергается постоянной бомбардировке молекулами в результате их беспорядочного теплового движения, и эти удары ощутимы. Неравномерность пространственного распределения ударов приводит к беспорядочным перемещениям клетки каждую секунду на расстояние, примерно соответствующее ее диаметру, и к повороту примерно на 60º. Приобретаемое клеткой при этом ускорение в сотню раз превышает ее ускорение за счет силы земного притяжения. Таким образом, молекулярные взаимодействия, связанные с тепловым движением молекул, действуют на бактерию значительно эффективнее, чем сила земного притяжения.

3. Магнитное поле

Все живые организмы находятся в области магнитного поля Земли. Характер влияния магнитных полей на развитие бактерий еще мало исследован. Воздействие дополнительными более мощными полями иногда приводит к стимуляции их роста. Так воздействие магнитным полем напряженностью в 12000 А/м приводило к некоторому ускорению роста Ps.aeruginosa, S.epidermidis, Halobact. salinarium. Действие переменных магнитных полей обычно более эффективно, чем постоянных. В естественной среде обитания бактерий магнитные поля такой напряженности не встречаются.

По всей видимости, магнитное поле Земли не оказывает заметного влияния на развитие бактерий. Однако существуют бактерии, иногда их называют магнитобактерии, способные регулировать направление своего движения в соответствии с направлением силовых линий магнитного поля. Это так называемый магнитотаксис. Магнитотаксис обнаружен у некоторых кокков, палочек, спирилл. Культуры магнитобактерий получить трудно, а их кокковидные формы в культурах пока вообще неизвестны. Сравнительно подробно исследована в культуре магнитобактерия Aquaspirillum magnetotacticum. Это микроаэрофильный хемогетеротроф.

Магтитобактерии обитают в морских маршах, заболоченных пресноводных водоемах и окислительных прудах для очистки сточных вод, т.е. в водоемах с малоподвижной водой. Их численность здесь иногда может быть весьма значительной. В области действия постоянного магнита, поднесенного к пробам воды и ила из окислительного пруда, иногда можно собрать до 10⁶-10⁷ клеток таких бактерий в мл воды. Недавно обнаружено, что эти бактерии весьма многочисленны в морях. Н-р, в поверхностных слоях ила бассейна Санта Барбара в Тихом океане на глубине 598 м обнаружены кокки, палочки и вибрионы, содержащие магнитосомы.

Клетки магнитобактерий содержат магнитосомы – кубические или октаэдрические кристаллы магнетита. У спирилл по длинной оси клетки расположено около 22 кристаллов с гранями порядка 50 нм длиной. В процессе деления дочерние клетки получают равное количество кристаллов. Содержание железа в клетках магнитобактерий довольно велико, до 3.8%, тогда как у обычных бактерий железа содержится не более 0.025%.

В слабых магнитных полях (40-8 А/м) магнитобактерии перемещаются со скоростью до 70 мкм/с вдоль линий поля. В нашем северном полушарии бактерии плывут в сторону южного полюса магнита или северного полюса Земли. В южном полушарии, наоборот, магнитобактерии плывут в сторону южного полюса Земли. Направление силовых линий магнитного поля Земли таково, что в результате движения вдоль этих линий бактерии в прудах и болотах оказываются у поверхности ила, где много пищи и мало молекулярного кислорода.

Воздействие сильным магнитным полем приводит к изменению направления движения магнитобактерий. Потомки этих магнитобактерий, развивающиеся в обычных условиях, т.е. под воздействием магнитного поля Земли, сохраняют направление движения, свойственное бактериям данного полушария. Если бактерии экранированы, т.е. этот признак генетически не предопределен. В культуре легко могут быть получены мутанты, лишенные магнитосом и магнитотаксиса. Эти мутанты накапливаются в культуре. Не трудно представить себе, что клетки, не отягощенные столь большим количеством железа, как клетки дикого типа, получают преимущество и размножаются быстрее. Поэтому очевидно, что в природных условиях наличие магнитотаксиса для бактерий жизненно необходимо и способствует их выживанию. Магнитосомы в большом количестве накапливаются в осадках в свободном состоянии. Показано, что биогенные магнетиты обнаруживают высокий естественный остаточный магнетизм и являются его первоисточником в морских осадках.