Наука в руках школьника: сибирские «охотники за микробами»

Интерес к познанию окружающего мира появляется у человека уже в раннем возрасте, и главное – ​его вовремя поддержать и направить. Так, один из наших современников, известный российский химик Артем Оганов, благодаря своему интересу к химии и поддержке родителей, уже в восьмилетнем возрасте стал посещать курс лекций в университете.

К сожалению, такие ситуации очень редки: сегодня большинство школьников имеют смутное представление о том, что такое наука и научная деятельность, поэтому даже не знают, будут ли им интересны подобные занятия.

В наши дни среди самых востребованных специалистов – ​химики и биологи. И России, как и всем развитым странам, нужно каким-то образом заинтересовать талантливых молодых людей в получении этих специальностей. Один из путей решения проблемы – ​развитие так называемой гражданской науки, которая позволяет привлечь к реальным научным исследованиям молодежь без специальной подготовки.

ИЗ МЕТОДИЧКИ ДЛЯ «ОХОТНИКОВ ЗА МИКРОБАМИ»:

«К микробам (микроорганизмам) относятся археи, грибы, протисты и, конечно же, бактерии. Большинство микробов состоят из одной клетки, а их размер составляет менее 0,1 мм. Микробы незаметны, но присутствуют во всех возможных средах: они ползают по дну океанических впадин, копошатся в снегах Антарктиды, заселяют почвы, парят высоко над нами вместе с облаками и, наконец, буквально кишат в нашем организме (количество клеток бактерий в человеческом теле в десятки раз превышает количество собственных клеток организма). Все микробы отличаются друг от друга по величине, форме, размерам, строению, подвижности, отношению к внешней среде (температуре, влажности и т. д.), характеру питания и дыхания. Для одних микробов (аэробов) необходим кислород, а для других (анаэробов) он не нужен»

Проекты, которые подразумевают обучение через исследовательскую деятельность (их называют «открытие-ориентированными»), уже в течение многих лет активно работают в западных странах. Привлечение школьников к участию в массовых экспериментах по сбору данных об объектах окружающей среды не только позволяет им ощутить вкус к занятиям наукой, но и пробуждает интерес к глобальным проблемам, стоящим перед человечеством: от изменения климата до нехватки природных ресурсов. И это помогает молодежи осознанно выбрать будущую специальность.

Результаты биотехнологических проектов, которые были подготовлены учеными СО РАН и выполнялись под их руководством в 2018–2019 гг. в рамках образовательного центра «Сириус» (г. Сочи), показали, что даже учащиеся 8–9-х классов могут успешно получать и интерпретировать научные результаты (Астанин, Седых, 2018; Воронина, Карташов, 2018; Смирнова, Лысковский, 2018).

На основе этого опыта была сформирована программа биологических исследований «Охотники за микробами». Первый масштабный эксперимент программы был проведен в 2019 г.: его задачей стал сбор коллекции азотфиксирующих бактерий, представляющих интерес как для фундаментальной науки, так и для сельскохозяйственных биотехнологий.

Удобрения из воздуха

Азот, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот всех известных организмов, является жизненно важным химическим элементом. Как известно, его единственным природным источником на Земле является атмосфера, где молекулярный азот (N₂) находится в газообразном состоянии буквально в неограниченном количестве (при обычной температуре и давлении он составляет 78 % атмосферного воздуха). Но поскольку в нормальных условиях прочная молекула азота практически не вступает в реакции окисления-восстановления, усваивать этот элемент напрямую растения и животные не могут.

ИЗ МЕТОДИЧКИ ДЛЯ «ОХОТНИКОВ ЗА МИКРОБАМИ»: «Бактерии являются прокариотами – ​одноклеточными организмами, которые не обладают оформленным клеточным ядром. Они могут вести жизнедеятельность в широком диапазоне температур (как положительных, так и отрицательных), в кислой и щелочной среде, при давлении до 1000 атмосфер. Бактерии обитают в почве, на дне озер и океанов и даже в соленых морях и на холодных вершинах гор. В Мертвом море были обнаружены бактериальные организмы, которые способны функционировать в условиях экстремально соленой среды»

Неудивительно, что азот является одним из основных дефицитных элементов питания сельскохозяйственных растений. Чтобы восполнить его недостаток, в почву вносят минеральные азотные удобрения, производимые на химических заводах. Процесс этот проходит в несколько этапов. Первичным сырьем служат газы: молекулярный азот, который получают, пропуская воздух через генератор с горящим коксом, и молекулярный водород, источником которого служат богатые метаном природные газы или отходящие газы коксовых печей. При высоких температурах и давлении в присутствии катализатора из азота и водорода получают аммиак (NН₃), который идет на производство удобрений, причем одним из промежуточных продуктов является азотная кислота.

Природный круговорот азота поддерживается двумя процессами: деструкцией (разрушением) готовых органических веществ и фиксацией атмосферного азота. Свой вклад в азотфиксацию вносят и небиологические процессы, такие как грозы, пожары и извержения вулканов, однако основная «нагрузка» ложится на живые организмы.
В наземных экосистемах азотфиксаторы в основном представлены почвенными бактериями, которые превращают молекулярный азот (N₂) в доступную для растений неорганическую форму (NH₃). Процесс этот обычно протекает при отсутствии кислорода и требует больших затрат энергии: так, для фиксации 1 мг азота анаэробным микроорганизмам потребуется около 0,5 г сахарозы. Другие бактерии, денитрифицирующие, напротив, восстанавливают нитраты до атмосферного азота

Как видно из этого описания, процесс синтеза азотных удобрений экологически не слишком чист и к тому же весьма энергозатратен. Да и конечный продукт в виде солей аммония и нитратов при неправильном использовании может нанести ощутимый вред окружающей среде. Но альтернатива дешевым минеральным удобрениям, получаемым промышленным способом, есть – ​это азотфиксирующие бактерии, которые усваивают атмосферный азот с помощью своих ферментов. Эти микроорганизмы обитают буквально везде: в почве, пресных водоемах и даже океане.

Среди азотфиксирующих бактерий обычно выделяют несколько групп. Некоторые предпочитают находиться в тесной взаимовыгодной (ассоциативной или симбиотической) связи с высшими организмами – ​растениями, которые они снабжают азотом «в обмен» на необходимые им минеральные и органические вещества. Правда, многие из этих видов вполне способны существовать и сами по себе (в этом случае они, как правило, не занимаются фиксацией азота).

Самой известной группой азотфиксаторов являются симбиотические клубеньковые бактерии, живущие исключительно на корнях бобовых культур: гороха, фасоли и др. Но азотфиксаторы также обитают в прикорневой зоне злаков и клубеньках, образующихся на корнях либо поверхности листьев небобовых древесных растений. Рекордсменами по фиксации азота среди деревьев являются ольха, лох серебристый и всем известная облепиха. Отдельно стоят цианобактерии (сине-зеленые водоросли), способные заключать симбиотический союз со мхами и папоротниками, а также c одноклеточными диатомовыми водорослями. Азотфиксирующие бактерии живут даже в кишечнике многих животных: от термитов до жвачных!

Но значительная часть азотфиксирующих бактерий все же предпочитает оставаться свободной. Науке известно более 100 видов таких микроорганизмов, включая не только представителей известных родов Clostridium, и особенно Azotobacter (первая обнаруженная бактерия-азотфиксатор), но и цианобактерии, серобактерии и др.

Многие представители азотфиксирующих бактерий входят в состав современных микробиологических удобрений, и не только как поставщики азота. Не являясь полноценной заменой обычных минеральных подкормок, они служат источником некоторых биологически активных веществ, которые помогают растениям сопротивляться болезням и сохранять продуктивность даже при неблагоприятных условиях.

И здесь чемпионами являются свободноживущие бактерии Azoto-bacter, которые известны также как активные продуценты фитогормонов – ​стимуляторов роста растений. Биотехнологи заинтересованы в поиске новых диких штаммов этих бактерий, способных синтезировать широкий спектр соединений, нужных для растениеводства.

От теории – ​к практике

В проекте «Охотники за микробами» школьникам была поставлена задача выбрать место, где могут обитать бактерии рода Azotobacter, выкопать и описать почвенный разрез, отобрать образцы почвы, выделить бактерии в культуру и прислать образцы для дальнейшего исследования.

Еще в начале эксперимента исследователи попросили ребят высказать свои предположения о том, где можно найти самый интересный материал. Прозвучали разные гипотезы: например, «на грядке будет больше бактерий, чем на компостной куче». Из всех заявок было отобрано 50 самых перспективных – ​именно эти команды получили возможность проверить свои теории на практике.

ИЗ МЕТОДИЧКИ ДЛЯ «ОХОТНИКОВ ЗА МИКРОБАМИ»: «Дефицит питательных элементов, засоление почв, наличие тяжелых металлов, биоциды, ограниченная влажность и сочетание всех вышеперечисленных неблагоприятных условий могут приводить к исчезновению популяции азотфиксаторов и изменению микробиоценоза почвы. Задача поиска штаммов азотфиксаторов, устойчивых к дефицитным (стрессовым) условиям, является очень актуальной. Современные исследователи регулярно находят и описывают новые азотфиксирующие бактерии, однако их внедрение в сельское хозяйство затрудняется низкой азотфиксирующей активностью в стрессовых условиях.
Идеальная среда обитания для представителей Azotobacter – ​влажная почва с pH, близким к нейтральному значению, хорошим доступом воздуха и наличием солей кальция, фосфора и калия. Оптимальная температура роста бактерий Azotobacter 25–30 °C. Уникальный штамм бактерий можно найти в совершенно неожиданном месте: во дворе своего дома или школы, близлежащем лесу и даже парке»

Школьники работали под руководством взрослых наставников, прошедших мастер-класс по подготовке микропрепаратов. Кроме того, каждая команда получила подробную методичку, составленную учеными. Сибирский Фонд «Поддержка проектов в области образования» обеспечил ребят «тулкитами» – ​наборами реактивов и расходных материалов, нужных для выделения бактерий. В этом ему помогли спонсоры проекта: биотехнологические компании «Вектор-Бест» и «Вектор-БиАльгам», а также компания-партнер ООО «Живые системы».

«Охота» за азотобактером велась в разных местах, что позволило получить любопытные результаты. В частности, выяснилось, что эти бактерии в большом количестве живут в почве под березами, а вот под кленами их нет совсем. Зато их удалось выделить из почвы на ферме, где выращивают техническую коноплю, и даже из золоотвала ТЭЦ! При заселении стерильной почвы смесью штаммов разного происхождения именно «золоотвальный» бактериальный штамм азотобактера оказался самым агрессивным, вытеснив выходцев из «хорошей» почвы.

Все полученные и предварительно описанные образцы были отправлены на исследование специалистам ИХБФМ СО РАН для получения чистых бактериальных культур, выделения и частичного секвенирования геномной ДНК. Эти этапы необходимы, чтобы определить вид Azotobacter и понять, новый он или уже известный. Геномы уникальных образцов по мере их накопления «расшифровываются», а штаммы помещаются в коллекцию микроорганизмов новосибирского Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Но прежде чем говорить о практическом применении найденных бактерий, нужно провести дальнейшие исследования.

ИЗ МЕТОДИЧКИ ДЛЯ «ОХОТНИКОВ ЗА МИКРОБАМИ»: «Azotobacter – ​это род свободноживущих грамотрицательных бактерий, обитающих в почве. Azotobacter нередко образуют симбиотическую связь с растениями и живут в ризосфере – ​узком слое почвы, прилегающем к корням растения толщиной около 2–5 мм. Представители данного рода получают энергию в ходе окислительно-восстановительных реакций, используя углеводы, спирты и соли органических кислот»

И даже когда эксперимент закончился, школьники просили прислать им еще чашек Петри – ​для проверки новых гипотез. Это говорит о том, что ребята всерьез заинтересовались и готовы в дальнейшем принимать активное участие в научной работе.

В 2020 г. проект «Межрегиональная школа наставников – ​руководителей научно-исследовательской деятельности школьников» получил солидную поддержку от Фонда президентских грантов. В рамках этого глобального проекта, представленного Фондом «Поддержка проектов в области образования», планируется реализовать пять сетевых образовательных проектов. Созданные по образцу «Охотников за микробами», они будут «работать» в разных научных областях: физике, химии, биологии, нейротехнологии и цифровом краеведении.

Что касается самих «Охотников за бактериями», то в 2020—2021 гг. успешно состоялся его второй сезон, уже на федеральном уровне. На этот раз в нем приняли участие 180 школьников из 15 российских регионов, от Мурманска до Горно-Алтайска. Юные исследователи продолжили поиски не только бактерий-азотфиксаторов, но и лактобактерий, в чем их поддержала фармкомпания «Вектор-БиАльгам», заинтересованная в новых бактериальных штаммах для производства диетических молочных продуктов. Геномы всех собранных бактерий будут дополнительно проанализированы на наличие генов, которые могут быть использованы в генно-инженерных технологиях.

В дальнейшем планируются новые проекты по сбору коллекций не только бактерий, но и вирусов: бактериофагов – ​вирусов бактерий, защищающих растения и животных от бактериальных патогенов, а также аденовирусов, которые можно использовать для разработки вакцин типа «Спутник».

Все проекты, получившие поддержку Министерства науки и высшего образования РФ, планируется реализовать в масштабе всей России. Для их научного сопровождения ИХБФМ СО РАН, компании-резиденты Технопарка новосибирского Академгородка и Новосибирского государственного университета планируют учредить специальный фонд для поддержки гражданских исследований.

Литература

Астанин А. И., Седых С. Е. Краснодарский чай – время перемен? // Наука из первых рук. 2018. Т. 79. № 4. С. 16–23.

Власов В. В., Воронина Е. Н., Галямова М. Р., Седых С. Е. Привлечение школьников и студентов к исследованиям окружающей среды, актуальным для фундаментальной и прикладной науки: иностранный и российский опыт // Исследователь/Researcher. 2020. № 2. С. 12–20.

Воронина Е. Н., Карташов М. Ю. ПЦР-диагностика для персика и сливы // Наука из первых рук. 2018. Т. 79. № 4. С. 33–39.

Седых С. Е., Власов В. В. Им светят звезды // Наука из первых рук. 2018. Т. 79. № 4. С. 6–15.

Смирнова Н. В., Лысковский А. В. Сити-фермер – профессия будущего // Наука из первых рук. 2018. Т. 79. № 4. С. 24–32.