Задолго до 4 сентября 1882 года, когда компания Edison Illuminating включила свою электростанцию на Перл-стрит, тысячи миль проводов уже были проложены в земле в районе Нью-Йорка – на лугах, в солончаках, в грязных речных руслах. Они были образованы микробами, которые использовали их для передачи электричества. Об этом на виртуальных интернет-страницах передает издание New York Times.
Электроактивные бактерии были неизвестны науке еще пару десятилетий назад. Но теперь, когда ученые знают, что искать, они находят это природное электричество в большей части мира, даже на дне океана. Оно, безусловно, изменяет целые экосистемы, а знание закономерностей его образования и поведения может помочь контролировать биогеохимию Земли.
«Не показаться бы слишком сумасшедшим, но у нас есть электрическая планета»
Сказал Джон Штольц, микробиолог из Университета Дюкесна в Питтсбурге.
В середине 1980-х годов доктор Штольц помогал изучать удивительный микроорганизм, выловленный из реки Потомак его коллегой Дереком Ловли. Микроб, Geobacter metallireducens, имел странный метаболизм (функционирование организма). «Мне потребовалось шесть месяцев, чтобы понять, как вырастить его в лаборатории», – сказал доктор Ловли, ныне микробиолог из Университета Массачусетса в Амхерсте.
Как и мы, Geobacter питаются соединениями углерода. Когда наши клетки расщепляют эти соединения, генерируя энергию, они отрывают свободные электроны и переносят их к атомам кислорода, образуя молекулы воды. Однако Geobacter не мог использовать кислород, потому что он жил на дне Потомака, где этот химический элемент был в дефиците.
Вместо этого, как установили доктор Ловли и его коллеги, Geobacter переносит свои электроны на атомы железа. Внутренние химические процессы помогают превратить железо в другое его соединение, зываемое магнетитом.
Находка также оставила ученым загадку. Мы, люди, вдыхаем кислород в наши клетки, чтобы использовать его, но Geobacter не импортирует в организм железо. Потому, микроб должен каким-то образом извлечь электроны из своего клеточного тела и прикрепить их к атомам железа. Как?
Исследователи годами пытались найти ответ. В начале 2000-х годов команда доктора Лавли обнаружила, что Geobacter может ощущать железо и его оксиды в районе нахождения. Микроб отвечал на это прорастанием волосоподобных наростов на тельце – ворсинок-пилей.
Может быть, каждый из этих наростов, известный также как пилус, на самом деле был проволокой, соединявшей внешний оксид железа и тело бактерии, подумал доктор Ловли. Электроны могут течь от бактерии вниз по проводу к восприимчивому железу. «В то время это казалось дикой идеей», – сказал доктор Ловли.
Но он и его команда нашли несколько подсказок, свидетельствующих о том, что пилус действительно живой провод. В одном эксперименте, когда Geobacter ограничивали пилус, бактерии не могли превратить оксиды железа в магнетит. В другом случае доктор Лавли и его коллеги вырвали пилусы из бактерий и дотронулись к ним с помощью электрифицированного зонда. Электрический ток стремительно сократил длину волосков.
Последующее исследование показало, что Geobacter может использовать свои ворсинки-провода различными способами, чтобы существовать. Мало того, что он может подключиться непосредственно к источникам оксида железа, он также может присоединиться к другим видам микробов.
Микроорганизмы-партнеры Geobacter приветствуют поступающий поток электронов. Они используют ток для питания своих химических реакций, которые превращают углекислый газ в метан.
В начале 2000-х годов датский микробиолог по имени Ларс Питер Нильсен открыл совершенно другой способ создания микробного провода. Он выкопал немного грязи из Орхусского залива и принес его в свою лабораторию. Положив зонды в грязь, он наблюдал за химическими реакциями, проводимыми содержащимися там микробами.
«Всё развивалось в очень странном направлении»
Вспоминает доктор Нильсен.
У основания грязи доктор Нильсен наблюдал накопление дурно пахнущего газа, называемого сероводородом. Это само по себе не удивительно – микробы на бескислородных глубинах могут производить огромное количество сероводорода. Обычно газ поднимается на поверхность, где дышащие кислородом бактерии могут разрушить большую его часть.
Но сероводород в Орхусской грязи так и не вышел на поверхность. Примерно на дюйм ниже вершины грязи он исчез; что-то разрушало его по пути.
После нескольких недель недоумения доктор Нильсен проснулся однажды ночью с идеей. Если бы бактерии на дне грязи разрушали сероводород без кислорода, они накапливали бы дополнительные электроны. Эта реакция могла бы иметь место только в том случае, если бы они могли избавиться от электронов. Может быть, они доставляли их к бактериям на поверхности.
«Я предполагал, что это могут быть электрические провода, и я мог бы объяснить все это»
Сказал доктор Нильсен
Поэтому доктор Нильсен и его коллеги искали провода, и они их нашли. Но провода в Орхусской грязи отличались от всего, что было обнаружено ранее.
Каждый провод проходит вертикально вверх по грязи, длиной до двух дюймов. И каждая из них состоял из тысяч ячеек, уложенных друг на друга, как башня монет. Клетки строят вокруг себя белковый рукав, который проводит электричество.
По мере того как бактерии на дне разрушают сероводород, они выделяют электроны, которые текут вверх вдоль «кабельных бактерий» к поверхности. Там другие бактерии – того же типа, что и на дне, но с другой метаболической реакцией – используют электроны для соединения кислорода и водорода и получения воды.
Оказывается, бактерии-проводники не являются уникальными для Орхуса. Доктор Нильсен и другие исследователи обнаружили их – по крайней мере, шесть видов – во многих местах по всему миру, в том числе приливные бассейны, грязевые равнины, фьорды, солончаки, мангровые заросли и морские травы.
И бактерии-проводники растут до удивительной плотности. Один квадратный дюйм осадка может содержать до восьми миль проводников. Доктор Нильсен со временем научился обнаруживать бактерий-проводников невооруженным глазом. Их провода похожи на шелк паука, отражающий солнце.
На самом деле электроактивных микробов так много, что исследователи подозревают, что они оказывают огромное влияние на планету. Биоэлектрические потоки могут преобразовывать минералы из одной формы в другую, например, способствуя росту разнообразия других видов. Некоторые исследователи предполагают, что электроактивные микробы могут помочь регулировать химию как океанов, так и атмосферы.
Сегодня многое об этих микробах остается неизвестным и подлежит обсуждению. В апреле физик Йельского университета Никхил С. Малванкар и его коллеги оспорили вывод доктора Лавли о том, что Geobacter использует пилусы в качестве проводов.
Их исследования показывают, что бактерии используют другую структуру для импорта электронов. Это провод, построенный из строительных блоков, называемых цитохромами. Отдельные цитохромы важны для перемещения электронов внутри клеток. Но до сих пор никто не знал, что их можно сложить в проводящий провод вне организма бактерий.
«Никогда такого материала не было замечено»
Говорит доктор Малванкар.
Сара Глэйвен, ученый из Военно-морской исследовательской лаборатории США, которая не участвовала в новом исследовании, сказала, что результаты описанных исследований очень убедительные. «Полностью верю в это», – сказала она. «Вопрос в том, является ли это только частью головоломки?»
Возможно, что Geobacter использует обе структуры для перемещения электронов, сказала доктор Глэйвен. Или, может быть, кто-то выполняет другую функцию и просто проводит электричество в руках ученого.
Ответы на такие вопросы очень важны для ученых, которые разрабатывают электроактивные бактерии для разработки новых видов биотехнологий.
Буз Барстоу и его коллеги из Корнелльского университета изучают возможность подключения бактерий к солнечным батареям. Панели будут захватывать солнечный свет и генерировать поток электронов. Электроны будут течь по микробным проводам к виду бактерий под названием Shewanella, которые будут использовать энергию для превращения сахара в топливо.
Но это в перспективе. В настоящее время доктор Барстоу пытается понять базовую биологию, с помощью которой Shewanella перемещает электроны из проводов в молекулы, которые она использует для своего метаболизма.
Другие исследователи изучают возможность использования этих нитей в качестве датчиков. Например, браслет со встроенными проводами может следить за здоровьем людей, подавая электрический ток, когда он обнаруживает химические изменения пота. Доктор Ловли и его коллеги генетически пытаются доработать Geobacter, чтобы они захватывали определенные молекулы.
Среди преимуществ, которые могут иметь живые провода, это то, что они будут естественнее для окружающей среды, чем искусственные. «Для изготовления искусственных электронных материалов требуется много энергии и неприятных химикатов, а затем ни один из них не поддается биологическому разложению», – сказал доктор Ловли.
Бактерии, напротив, могут строить провода из органических соединений. И когда приходит время выбрасывать провода, они становятся пищей для других микробов.
Доктор Нильсен, который в настоящее время руководит Центром электромикробиологии в Университете Орхуса в Дании, сказал, что пока он избегает технологического ажиотажа. Слишком много еще необходимо узнать о самих микробах. «Как только мы узнаем, из чего сделаны эти провода и как они работают, может появиться множество потенциальных технических разработок», – сказал он.
