Один микроб – хорошо, а два – это революция в микроэлектронике

Ко-культура двух микробов. Слева изображен процесс передачи электронов. Иллюстрация Physorg

Аристотель полагал, что дельфины – рыбы. Это заблуждение было опровергнуто великим шведским систематиком Карлом Линнеем лишь в конце ХVIII века. Тогда же швед и его французский последователь Жан Батист Ламарк разделили растения и животных на два царства, подразделив их на типы, классы и семейства с родами и видами. Лишь полвека спустя после француза, рассматривавшего эволюцию как «развитие», в Англии был предложен механизм естественного разделения, хотя никто еще не знал про микромир. Описание последнего разрешил соотечественник Ламарка, химик по образованию Луи Пастер, ставший микробиологом. Пастер, в свою очередь, ничего не знал о вирусах, тем не менее предложил вакцину против бешенства.

В Аризонском университете рассмотрели численное распределение 1,5 млн известных на сегодня видов животных. Из них все многообразие хордовых, к которым относятся и позвоночные в том числе и человек, в полтора раза уступает губкам, кораллам, медузам и морским звездам с моллюсками. Но даже вся их совокупность несравнима с многообразием членистоногих с их более чем миллионом описанных видов. Все это опровергает гипотезу «простых решений», считающую главной причиной развития органического мира борьбу всех против всех.

В основе жизни – энергетически неэффективный хемосинтез, в ходе которого углеродные цепочки строятся за счет энергии окисления же серы, выбрасываемой из недр планеты. Сера, являясь акцептором («благоприобретателем»), подобно кислороду, довольно легко отнимает электроны у водорода (донора), образуя сероводород – H2S. За сотни миллионов лет даже такой неэффективный процесс дал гигантские отложения железа и серы.

На смену химическому синтезу пришел фотосинтез, при наличии света осуществляемый в самых разных условиях. Донором электрона в этом процессе является марганец, использующий для переноса электронов энергию уловленных фотонов. Акцептор же в фотосинтезе – молекула воды, разбиваемая на водород и кислород. За счет этого синтезируется энергоемкая молекула АТФ, с помощью которой идет синтез углеродной цепочки из СО2.

Сегодня электроника успешно преодолела микроуровень, перейдя на наномасштабы. Но сотрудники Университета штата Вашингтон в Портленде полагают, что в старые меха с успехом можно вливать иные вина. На примере микробных ко-культур ученые продемонстрировали, что в эволюции гораздо важнее кооперация.

Известно, что по отношению к питанию организмы делятся на авто- и гетеротрофов. Первые сами создают для себя органику (растения и некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы), вторые потребляют уже готовые органические вещества, например уксусную кислоту, или ацетат.

В эстуарии (место впадения рек в моря и океаны) уникально горячего соленого озера, что на севере штата Вашингтон (США), несколько лет назад был открыт зеленый – «хлорный» – микроб (Prosthecochloris aestuarii), который способен осуществлять фотосинтез за счет окисления серы (сульфидов).

В отложениях калифорнийских соленых озер живет микроб розового цвета Geobacter suulfurreducens, являющийся гетеротрофом. Используя в качестве энергоисточника ацетат, он восстанавливает серу, отложениями которой знаменит Йеллоустоун (собственно, отсюда и название – «Желтый камень», Йеллоустон).

В Университете Вашингтона ученые соединили «лед и пламень», наладив рост совместной культуры двух микробов. При этом геобактер передает избыточные электроны через особые округлые выросты хлорному фотосинтетику, который использует их для создания органики. Интересно, что микроб эстуариев может поглощать электроны и с поверхности серебряных электродов, что позволяет ему обойтись без розового синтрофа (synthroph; синтрофами называются совместные «поедатели» одной пищи). Геобактер, в свою очередь, может отдавать электроны электроду.

Новая ко-культура двух микробов может проложить путь к созданию принципиально новых ячеек солнечных батарей, которые в дополнение к солнечным фотонам могут использовать в качестве подпитки органику, сбрасываемую сегодня в водоемы. Новая микроэлектроника может использоваться для очистки водоемов, страдающих от нехватки кислорода (как, например, глубины Черного моря).

Открываются и перспективы более эффективной очистки сточных вод, примеси из которых попадают в источники питьевой воды, угрожая здоровью человечества. И при этом генерируется экологически чистая электроэнергия.