Влияние физических факторов

Введение

Весь живой органический мир представляет собой единство живых организмов и соответствующих условий внешней среды. Под внешней средой понимается совокупность различных факторов, воздействующих на организм. К числу таких факторов относятся, например, условия питания и дыхания, влияние других организмов и т. д.

Условия внешней среды являются ведущими в развитии всего органического мира, ибо всякое живое тело возникло и продолжает строить себя из определенных условий внешней среды.

Активной стороной развития является живой органический мир. Он активно избирает из внешней среды то, что нужно ему для развития, и также активно противодействует влиянию чуждых ему условий.

Какие же условия внешней среды следует считать наиболее благоприятными для живого организма? Такими условиями являются те, из которых и при которых впервые возник организм. Иными словами, каждый организм для своего инди­видуального развития нуждается в тех же условиях, при которых протекало развитие предшествовавших поколений дан­ного вида.

Изменение условий внешней среды в большей или меньшей степени отражается на живом организме и вызывает с его сто­роны активное противодействие изменяющему влиянию. В этом проявляется консерватизм живой природы, ее стремление сохранить свои наследственные свойства. Консерватизм наследственности является результатом слаженности физиологических процессов в организме, он обеспечивает устойчивость видов организмов и препятствует их изменению под влиянием условий внешней среды.

Тем не менее, несоответствие внешних условий данному организму может привести либо к его отмиранию, либо к изменению его прежних свойств и приобретению новых. В последнем случае возникшие под воздействием внешних факторов изменения в организме позволяют ему приспособиться к создавшимся условиям и таким образом выжить. Эти изменения могут быть незначительными и утрачиваться при устранении вызвавшей их причины.

Если изменения глубоки и значительны, а условия внешней среды продолжают поддерживать их, то новые свойства могут устойчиво закрепиться в организме и передаваться по наследству поколениям. Эти новые свойства становятся, таким образом, наследственными, т. е. присущими организму по природе.

Приобретенными под воздействием условий среды свойствами объясняется способность одних микроорганизмов успешно развиваться в местах жаркого климата, других - в полярных широтах, третьих - в соленых озерах и т. д.

Приспособление организмов к изменившимся условиям жизни и передача вновь приобретенных признаков потомству представляют собой закон живой природы. В соответствии с ним происходит развитие всего органического мира. Опираясь на этот закон, человек путем искусственного отбора и направленного воспитания получает животные организмы, растения и микроорганизмы с различными полезными свойствами. Особенно податливы в этом отношении микроорганизмы, так как им свойственны сравнительно легкая приспособляемость к среде обитания и быстрота размножения, позволяющая за короткое время вырастить большое количество поколений.

Изучение закономерностей изменчивости микроорганизмов имеет большое практическое значение, так как с каждым годом расширяется их промышленное использование. Наряду с поисками новых микроорганизмов, находящихся в природе, и улучшением качества уже применяющихся производственных рас микроорганизмов важное значение приобретает выведение новых рас с заранее заданными свойствами.

Мичуринское учение о возможности преобразования природы в нужном для человека направлении открывает широкие перспективы в области выведения ценных рас микроорганизмов. В результате воздействия на микроорганизмы различными факторами внешней среды можно расшатать их наследственные свойства и умелым подбором соответствующих условий получить виды с нужными признаками.

Таким путем получено немало ценных для производственных целей микроорганизмов. Выведены дрожжи, более активно сбраживающие различные сахара; спиртоустойчивые дрожжи, дающие больший выход спирта; дрожжи, ведущие брожение при высоких концентрациях сахара; уксуснокислые бактерии, выдерживающие повышенную концентрацию уксусной кислоты при ее получении с помощью этих бактерий, и т. д.

Методом направленного воспитания получены культуры ряда болезнетворных бактерий, утративших способность вызывать заболевания. Из таких культур ослабленных бактерий приготавливают лечебные препараты (вакцины) против соответствующих заразных болезней (сибирской язвы, бруцеллеза, туляремии и др.).

Воздействием различных факторов внешней среды на микроорганизмы можно подавить их жизнедеятельность или вы­звать их гибель, что очень важно для сохранения качества продовольственных товаров.

Таким образом, изучение влияния различных факторов внешней среды на микроорганизмы имеет большое значение как с точки зрения промышленного использования микроорганизмов, так и борьбы с вредными представителями микромира.

Условия или факторы внешней среды, оказывающие влияние на жизнедеятельность микробов, подразделяются на физические, химические и биологические.

 

1. Влияние физических факторов

К числу физических факторов, оказывающих воздействие на микроорганизмы, относятся температура, влажность среды, концентрация растворенных веществ в среде, свет, электромагнитные волны и ультразвук.

1. Температура и микроорганизмы

Это один из важнейших факторов внешней среды. Все микроорганизмы могут развиваться только в определенных пределах температуры.

Наиболее благоприятная для микроорганизмов температура называется оптимальной. Она находится между крайними температурными уровнями – температурным минимумом (низшей температурой) и температурным максимумом (высшей температурой), при которых еще возможно развитие микроорганизмов.

Так, для большинства сапрофитов температурный оптимум составляет около 30°С, температурный минимум 10°С, максимум 55°С. Следовательно, при охлаждении среды до температуры ниже 10°С или при нагревании ее свыше 55°С развитие сапрофитных микроорганизмов прекращается. Этим объясняется, что сапрофиты вызывают быструю порчу пищевых продуктов в теплое время года или в теплом помещении.

Для других микроорганизмов температурный оптимум может быть значительно ниже или выше. В зависимости от того, в каких пределах находится оптимальная для микробов температура, все они подразделяются на три группы: психрофилы, термофилы и мезофиллы.

Психрофилы (хладолюбивые микроорганизмы) хорошо развиваются при сравнительно низких температурах. Для них оптимум составляет около 10°С, минимум от - 10 до 0°С и максимум около 30°С. К психрофилам относятся некоторые гнилостные бактерии и плесени, вызывающие порчу продуктов, хранящихся в холодильниках и ледниках.

Психрофильные микроорганизмы живут в почве полярных районов и водах холодных морей.

Термофилы (теплолюбивые микроорганизмы) имеют температурный оптимум примерно в 50°С, минимум около 30°С и максимум в пределах 70-80°С.

Такие микроорганизмы обитают в горячих водных источниках, самосогревающихся массах сена, зерна, навоза и т. д.

Мезофиллы лучше всего развиваются при температуре около 30°С (оптимум). Температурный минимум для этих микроорганизмов составляет 0-10°С, а максимум доходит до 50°.

Мезофиллы представляют наиболее распространенную группу микроорганизмов. К этой группе относится большинство бактерий, плесневых грибов и дрожжей. Возбудители многих заболеваний также являются мезофиллами.

Микроорганизмы по-разному реагируют на колебания температуры. Некоторые из них очень чувствительны к отклонению температуры от оптимальной (многие бактерии, в том числе болезнетворные), другие же, наоборот, могут хорошо развиваться в широких температурных пределах (многие плесневые грибы и некоторые гнилостные бактерии). Следует заметить, что грибы вообще менее требовательны к условиям среды, чем бактерии.

Понижение температуры от точки оптимума на микроорганизмах сказывается значительно слабее, чем повышение ее к максимуму.

Падение температуры ниже минимума обычно не приводит микробную клетку к гибели, а замедляет или приостанавливает ее развитие. Клетка переходит в состояние анабиоза, т. е. скрытой жизнедеятельности, наподобие зимней спячки многих животных организмов. После повышения температуры до уровня, близкого к оптимальному, микроорганизмы вновь возвращаются к нормальной жизнедеятельности.

Некоторые плесневые грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после продолжительного воздействия температуры - 190°С. Споры некоторых бактерий выдерживают охлаждение до - 252°С.

Однако далеко не всегда микроорганизмы сохраняют жизнеспособность после воздействия низких температур. Клетка может погибнуть вследствие нарушения нормальной структуры протоплазмы и обмена веществ. Особенно неблагоприятно для микробной клетки многократное замораживание и оттаивание.

Низкие температуры широко применяются в практике хранения продовольственных товаров. Продукты хранят в охлажденном (от 10 до  2°С) и замороженном (от 15 до 30°С) состоянии.

Сроки хранения охлажденных продуктов не могут быть продолжительными, так как развитие на них микроорганизмов не прекращается, а только замедляется.

Замороженные продукты сохраняются более продолжительное время, поскольку развитие на них микроорганизмов исключено. Однако после оттаивания такие продукты могут быстро испортиться вследствие интенсивного размножения сохранивших жизнеспособность микроорганизмов.

Повышение температуры от точки оптимума оказывает рез­кое влияние на микроорганизмы. Нагревание свыше температурного максимума приводит к быстрой гибели микробов. Большинство микроорганизмов погибает при температуре 60-70°С через 15-30 минут, а при нагревании до 80-100°С - в течение от нескольких секунд до 3 минут.

Споры бактерий выдерживают нагревание до 100° в течение нескольких часов. Для уничтожения спор прибегают к нагреванию до 120° в течение 20-30 минут.

Причиной гибели микроорганизмов при нагревании является, главным образом, свертывание белковых веществ клетки и разрушение ферментов.

2. Влажность среды

Она играет важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. В клетках микроорганизмов содержится до 85% воды. Все процессы обмена веществ протекают в водной среде, поэтому развитие и размножение микроорганизмов возможно только в среде, содержащей достаточное количество влаги.

Уменьшение влажности среды приводит сначала к замедлению размножения микробов, а затем к его полному прекращению.

Развитие бактерий останавливается при влажности среды, равной примерно 25%, а плесеней – около 15%.

В высушенном состоянии микроорганизмы могут сохранять жизнеспособность в течение длительного времени. Особенно устойчивы к высушиванию споры, которые сохраняются в высушенном состоянии многие годы.

На высушенных средах микроорганизмы не проявляют своей жизнедеятельности. На этом основано консервирование пищевых продуктов методом высушивания. Сушке подвергают плоды, овощи, грибы, молоко, хлеб, мучные кондитерские изделия и т. д.

При увлажнении высушенных продуктов они подвергаются быстрой порче вследствие бурного развития на них сохранивших жизнеспособность микроорганизмов. Сушеные продукты обладают способностью воспринимать влагу из окружающего воздуха, поэтому при их хранении надо следить, чтобы относительная влажность воздуха не превышала определенной величины.

Под относительной влажностью воздуха понимается выраженное в процентах отношение фактического количества влаги в воздухе к тому количеству, которое полностью насыщает воз­дух при данной температуре. Развитие плесневых грибов на сушеных продуктах становится возможным, если относительная влажность воздуха превышает 75-80%.

3. Концентрация растворенных веществ в среде

Жизнедеятельность микроорганизмов протекает в средах, представляющих собой более или менее концентрированные растворы веществ. Одни из микроорганизмов обитают в пресной воде, где концентрация растворенных веществ незначительна и, следовательно, невелико осмотическое давление (обычно десятые доли атмосферы). Другие же микробы, наоборот, живут в условиях высоких концентраций веществ и значительного осмотического давления, достигающего иногда десятков и сотен атмосфер.

Большинство микроорганизмов может существовать в средах со сравнительно небольшой концентрацией растворенных веществ и обладает значительной чувствительностью к ее колебаниям.

Повышение концентрации веществ в среде и связанного с ней осмотического давления приводит к плазмолизу клетки, нарушению обмена веществ между нею и средой и затем к гибели клетки. Однако некоторые микроорганизмы способны сохранять жизнеспособность в условиях повышенной концентрации продолжительное время.

Плесневые грибы переносят повышенные концентрации веществ (как и другие неблагоприятные факторы) легче, чем бактерии.

На губительном действии высоких концентраций веществ на микроорганизмы основано консервирование пищевых продуктов поваренной солью и сахаром.

Содержание в среде поваренной соли до 3% замедляет размножение многих микроорганизмов. Особенно чувствительны к действию поваренной соли гнилостные и молочнокислые бактерии. При содержании в продукте около 10% соли жизнедеятельность этих бактерий подавляется полностью.

Малоустойчивы к действию поваренной соли многие возбудители пищевых отравлений, например, паратифозные бактерии и ботулизма; их развитие приостанавливается при концентрации соли около 9%.

Поваренную соль используют для консервирования рыбы, мяса, овощей и других продуктов.

Микроорганизмы погибают также в растворах, содержащих 60-70% сахара. С помощью сахара консервируют ягоды, фрукты, молоко и др.

Некоторые микроорганизмы, живущие обычно в условиях невысокого осмотического давления, сравнительно хорошо развиваются и на засоленных или засахаренных продуктах. Встречаются и такие микробы, которые способны развиваться нормально только в условиях высокой концентрации поваренной соли (например, в тузлуке). Такие микробы называются галлофилами. Нередко галлофилы вызывают порчу соленых продовольственных товаров. Консервирующее действие сахара значительно слабее, чем поваренной соли, поэтому в практике консервирования сахаром продукты подвергают еще нагреванию в герметически закупоренной таре.