Муравьиный водород

Водородные автозаправки – пока экзотика. В том числе и потому, что нет дешевых и надежных источников водородного топлива.
Фото Reuters

Жизнь родилась в бескислородной среде, хотя нам сейчас в это трудно поверить. При этом поначалу не было даже жиросодержащих мембран, в которых можно было бы «закрепить»-интегрировать протеиновые молекулы ферментов, поэтому им приходилось перерабатывать те простейшие углеводороды, которые синтезировались абиогенно, то есть без участия не существовавших еще клеток, например самой простой муравьиной кислоты НСООН (второй за нею по сложности идет метил-муравьиная, или всем знакомая уксусная кислота СНзСООН).

Энергоносителем зачинавшихся биологических процессов был выделявшийся из НСООН водород, который при прохождении сквозь молекулу другого фермента способствовал синтезу аденозин-трифосфорной кислоты (АТФ), с которой начинается биоэнергетика. Именно благодаря АТФ запасается энергия, выделяющаяся в самых разных процессах, начиная от химического окисления и заканчивая фотосинтезом, что в конечном итоге привело к формированию на нашей поверхности биосферы.

Сегодня ученые пытаются повторить то, что происходило более трех миллиардов лет назад, надеясь перевести энергетику с углеводородных источников на просто водородный. Дарья Кожевникова, Александр Лебединский и Татьяна Соколова из Института микробиологии РАН в сотрудничестве с южнокорейскими и японскими коллегами работают с микроорганизмами, растущими на среде, содержащей в качестве источника углерода лишь муравьиную кислоту.

При этом во внешнюю среду выделяются пузырьки водорода, который активно потребляется метанотермобактериями, а также живущими на деревьях Меthanobrevibacter arboriphilus, использующими газ для синтеза метана. Выведение водорода метанобактериями из среды позволяет водородным микроорганизмам свободно жить и размножаться, чего бы они не могли делать при излишнем повышении концентрации выделяемого газа.

Для поиска более активных «производителей» водорода ученые устремились в глубины океана, в которых у перегретых подводных источников в условиях начала жизни на Земле живут термофильные исходные археи, или археобактерии, в частности представители рода термококков (Тhermococcus), название которых говорит само за себя. Представители этого древнейшего рода активно окисляют муравьиную кислоту и ее соли-форматы, в качестве побочного продукта выделяющие водород. При этом в благоприятных физиологических условиях потребляют в пересчете на два грамма водорода (его молекулярный вес) от 8 до 20 килоджоулей энергии.

Ученые не остановились только на констатации данного многообещающего факта и пошли дальше, попытавшись выяснить, сопровождается ли образование водорода синтезом упоминавшейся АТФ. Учитывая ничтожные размеры микробных клеток, сделать это было не так-то и легко, тем не менее АТФ была выявлена и зафиксирована в условиях культивирования термококков в среде, в которой единственным источником энергии вообще и химической в частности была муравьиная кислота и ее соли.

Почему же водород выделяется? Он выделяется, кстати, и из наших клеток в процессе клеточного дыхания, что легко доказывается наличием водяных паров в нашем дыхании. У нас водород и кислород наряду с углекислым газом являются продуктами полного «разложения» глюкозы, энергия связей которой идет на синтез АТФ, без которой невозможна жизнедеятельность клеток. Процесс этот древнейший, просто в наших клетках существуют целые каскады ферментов, а у микрококка пока найдено всего лишь два протеина.

Расщепление молекулы муравьиной кислоты для получения энергии на синтез АТФ приводит к образованию протонов, то есть «голых» ядер водорода. Если протонов много, как, например, при распаде уксусной или лимонной кислот, то среда закисляется, что мы ощущаем как кислый вкус. Однако неконтролируемое закисление среды ведет к нарушению работы ферментов, почему микрококк и выделяет водород из себя.

Все это, конечно же, очень интересно, с точки зрения ученых, занимающихся вопросами происхождения жизни и начала биоэнергетики. Однако авторитетнейший научный журнал Nature привлек несколько иной аспект этого исследования, а именно – возможность использования этого «налаженного» микробного процесса для получения столь необходимого для промышленной энергетики водорода (и желательно подешевле). Если все пойдет хорошо, то археомикроб может стать реальным возобновляемым и самоумножающимся источником столь нужного всем газа, «сгорающего» с образованием чистой воды.

Но откуда тогда брать необходимую для микрококка муравьиную кислоту? Думается, что на первых этапах становления водородной энергетики миллиардов тонн древесной и иной клетчатки вполне хватит. А потом на дно океанов можно будет опускать сборники-коллекторы муравьиной кислоты из горячих донных «ключей».