NewScientist: Электрические формы жизни, питающиеся чистой энергией

В отличие от всех остальных живых организмов Земли электрические бактерии используют энергию в её чистейшем виде – чистое электричество в форме электронов, получаемых из горных пород и металлов. Науке уже было известно о двух типах – Shewanella и Geobacter. Теперь же биологи доказывают, что в горных породах и морском иле можно обнаружить гораздо больше типов таких бактерий, приманивая их с помощью слабых разрядов электроэнергии. Эксперименты по выращиванию бактерий на электродах аккумуляторных батарей показывают, что эти, ранее неизвестные, удивительные формы жизни фактически едят и выделяют электричество.

Это, конечно, нельзя назвать полным сюрпризом, считает Кеннет Нильсон (Kenneth Nealson) из Университета Южной Калифорнии (Лос-Анджелес): «Мы знаем, что жизнь, в двух словах, представляет собой движение электронов. Вы питаетесь сахаром, в котором имеются избыточные электроны, и вдыхаете кислород, который охотно эти электроны принимает». Наши клетки расщепляют сахар, и электроны проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций, пока не присоединяются к падкому на электроны кислороду.

В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. Перемещение электронов играет ключевую роль при образовании АТФ. «Жизнь очень разумна, – утверждает Нильсон. – Она рассчитывает, каким образом извлекать электроны из всего, чем мы питаемся, и как держать их под контролем». У большинства живых существ организм упаковывает электроны в молекулы, которые могут безопасно переносить их через клетки до тех пор, пока эти электроны не присоединятся к кислороду.

«Именно таким способом создаётся вся наша энергия, и этот процесс одинаков для каждого организма, живущего на планете, – говорит Нильсон. – Для получения энергии должно происходить движение электронов. Вот почему при удушье человек умирает за считаные минуты. Прекращается поступление кислорода, поэтому электроны больше не могут передвигаться».

Открытие электрических бактерий свидетельствует о том, что некоторым исходным формам жизни не нужен сахар в роли посредника, так как они используют энергию в её чистейшем виде – то есть в виде электронов, получаемых из поверхностных слоёв минералов. «Это нечто совершенно необычное, – признаёт Нильсон. – Как будто пришельцы из другого мира».

Группа Нильсона – одна из нескольких исследовательских групп, которые в настоящее время занимаются выращиванием таких бактерий непосредственно на электродах. Жизнь бактерий поддерживается только и исключительно за счёт электричества – они не получают ни сахаров, ни других питательных веществ. По словам учёного, это можно сравнить с тем, что человек пополнял бы свои запасы энергии, втыкая два пальца в электрическую розетку (чего, разумеется, ни в коем случае нельзя делать).

Для выращивания таких бактерий исследователи собирают отложения на морском дне, доставляют их в лабораторию и погружают в эти отложения электроды.

Сначала измеряется естественное электрическое напряжение в отложениях, затем оно слегка изменяется. Небольшое повышение напряжения обеспечивает избыток электронов; небольшое понижение, наоборот, означает, что электрод охотно примет электроны из какого-либо источника, желающего их передать. Микроорганизмы, живущие в отложениях, могут либо поглощать электроны из среды с высоким напряжением, либо выделять электроны, передавая их электроду с низким напряжением и генерируя электрический ток. Исследователи фиксируют этот ток как сигнал об обнаружении изучаемой формы жизни.

«По существу, идея заключается в том, чтобы взять отложения, поместить внутрь электроды, а затем спросить: «А ну-ка, кому тут это нравится?», – говорит Нильсон.

Живые микроэлектростанции

На геохимической конференции Гольдшмидта, состоявшейся в прошлом месяце в Сакраменто (Калифорния), один из сотрудников лаборатории Нильсона Шуэ-лин Ли (Shiue-lin Li) представил результаты экспериментов по выращиванию микроорганизмов, выделяющих электричество, в отложениях, которые собраны в калифорнийской бухте Санта-Каталина. Ямини Джангир (Yamini Jangir), также из Университета Южной Калифорнии, продемонстрировала результаты других экспериментов, в ходе которых выращивались «электрические» бактерии, собранные в скважине в Долине Смерти (пустыня Мохаве в Калифорнии).

В свою очередь сотрудник Университета Миннесоты в Сент-Поле Дэниел Бонд (Daniel Bond) вместе со своими коллегами опубликовал экспериментальные данные, показывающие, что они сумели вырастить разновидность бактерий, получающих электроны из железного электрода (mBio, doi.org/tqg). По мнению Моха Эль-Наггара (Moh El-Naggar), научного руководителя Ямини Джангир, это исследование, наверное, самый убедительный на данный момент пример выращивания микроорганизмов, питающихся электричеством, то есть живущих исключительно за счёт электронов без приёма какой-либо иной пищи.

Однако, как говорит Нильсон, эти открытия ещё далеко не предел. Его докторантка Аннетт Роу (Annette Rowe) выявила до восьми разновидностей бактерий, потребляющих электричество. Полученные научные результаты представлены для публикации.

Особенно изумляет Нильсона тот факт, что ни один из обнаруженных Роу многочисленных типов электрических бактерий не похож на другой и все они отличаются от уже известных типов Shewanella и Geobacter. «Это огромное достижение. Это означает, что существует целый мир микроорганизмов, о котором мы до сих пор ничего не знали».

Именно для открытия этой неизведанной части биосферы Джангир и Эль-Наггар намерены культивировать электрические бактерии. «Мы используем электроды, чтобы имитировать взаимодействие между ними, – поясняет Эль-Наггар. – Окультуривать неокультуренное, если можно так выразиться». Исследователи планируют установить аккумуляторную батарею в шахте золотого рудника в Южной Дакоте, чтобы определить, какие там живут микроорганизмы.

НАСА также заинтересовано в изучении микроорганизмов, живущих глубоко под землёй, поскольку такие микроорганизмы нередко способны выживать при очень небольшом количестве энергии, и их исследование, возможно, позволит ответить на вопрос о том, какие виды жизни возможны в других частях солнечной системы.

Электрическим бактериям можно найти практическое применение и на нашей планете. В частности, речь идёт о создании эффективных биомашин, способных, например, очищать сточные или загрязнённые грунтовые воды, получая энергию для своей деятельности из окружающей среды. Нильсон называет такие биомашины «полезными устройствами с автономным источником энергии».

Помимо сугубо практических аспектов существует и другая волнующая перспектива – электрические бактерии можно использовать для ответа на фундаментальные вопросы, касающиеся жизни, например на вопрос о том, какой допустимый минимум энергии требуется, чтобы поддерживать жизнь в организме.

Для этого нам нужно перейти к следующему этапу экспериментов, говорит Юрий Горби (Yuri Gorby), микробиолог из Политехнического института Ренсселера (г. Трой, штат Нью-Йорк): бактерии следует выращивать не на одном электроде, а между двумя электродами. Такие бактерии будут эффективно поглощать электроны, поступающие из одного электрода, использовать их в качестве источника энергии и передавать другому электроду.

Горби полагает, что вскоре будут открыты бактериальные клетки, которые одновременно и поглощают, и выделяют электроны. «Жизнь в электрической бактерии, выращенной между двумя электродами, может поддерживаться вечно, – утверждает учёный. – Если никакой другой микроорганизм не съест такую клетку и ничто её не разрушит, теоретически она может жить бесконечно долго». Можно также варьировать напряжение в электродах, уменьшая количество энергии в клетках до уровня, при котором они производят лишь абсолютный минимум, необходимый для выживания. В таком состоянии клетки окажутся неспособны к воспроизведению или росту, но вместе с тем смогут запускать процесс восстановления клеточного механизма. «Для них работа, выполняемая с помощью энергии, будет заключаться в поддержании жизнеспособности», – считает Горби.

Сколько же электрической энергии понадобится, чтобы поддерживать жизнь в электрической бактерии? Отыскав ответ на этот вопрос, вы сможете ответить на один из самых фундаментальных вопросов бытия.

Пожиратели электричества

Электрические провода в морском иле

Формы и размеры обнаруженных электрических бактерий очень разнообразны. Несколько лет назад биологи открыли, что некоторые бактерии образуют похожие на волоски волокна, которые действуют как электропровода, перенося электроны между клетками и объектами окружающей среды. Такие волокна окрестили микробными нанопроводами.

Ларс Петер Нильсен (Lars Peter Nielsen) и его коллеги из Орхусского университета (Дания) обнаружили, что десятки тысяч электрических бактерий способны, соединяясь, образовывать гирляндные цепи, передающие электроны на дистанцию до нескольких сантиметров – огромное расстояние, если учесть, что длина самой бактерии составляет лишь 3–4 микрометра. Это означает, что бактерии, живущие, скажем, в морских донных отложениях, куда не проникает кислород, могут получать доступ к кислороду, растворённому в морской воде, просто «взявшись за руки» с соседними бактериями.

Такие бактерии можно обнаружить повсюду, куда ни глянешь, считает Нильсен. Один из способов проверить, нет ли поблизости этих поедателей электронов, заключается в том, чтобы поместить комок грязи в неглубокую тарелку с водой и осторожно повращать её.

Комок должен распасться.

Если этого не произошло, вероятнее всего, грязь удерживает свою форму из-за проводов, образованных бактериями. Нильсен может распознать мерцание этих проводов, разгребая грунт и рассматривая его в солнечном свете.

Гибкие биопровода

И это не просто забавный факт из жизни природы. Уже самые первые результаты, полученные учёными, показывают, что такие биологические провода способны передавать электричество не хуже, чем шнур, соединяющий тостер с электросетью. Это открывает интересные направления исследований, связанных с использованием гибких биопроводов, выращиваемых в лабораторных условиях.

Оригинал материала: http://www.newscientist.com/article/dn25894-meet-the-electric-life-forms-that-live-on-pure-energy.html?full=true#.U85BJlLlqUm