Ті, що харчуються електрикою

2015 року біофізик Мо Ель-Нагар (Moh El-Naggar) та його студент-випускник Яміні Джангір (Yamini Jangir) прибули до знаменитих золотих шахт Південної Дакоти у Блек Гілз — ця місцина більше відома як природній детектор темної матерії. Втім, цих науковців цікавили не субатомні частки, а пошуки незвичної життєвої форми на нашій планеті.

На глибині близько милі двоє науковців досліджували вкриті іржею труби, викачуючи з них зразки води до ємностей із вставленими до них електродами. Мета їхніх пошуків та збору зразків — виокремити бактерії, які живляться електрикою та комунікаціями, що цю електроенергію передають.

Ці незвичайні мікроби, що стали об’єктом полювання вчених, належать до маловідомого класу організмів — їхнє вивчення серед науковців почалося відносно недавно. Вони зазвичай живуть у місцях, куди рідко зазирають дослідники: на глибині океанів, у мінеральних родовищах під поверхнею Землі та під дном найглибших океанських западин. Досить довгий час цей сегмент планетарного життя ніхто не помічав — можливо, і через те, що зразки цих життєформ важко виростити і культивувати у звичайних лабораторних умовах.

«Чи мошок люблять кішки? Чи кішок мошки люблять?»

Подібно до відомого каламбуру із твору Льюїса Керола, питання того, чи споживають мікроби електрони, — не таке просте, як здається на перший погляд. Навіть первинні дослідження показали, що проби мікрофлори із морського дня поблизу Каталіни, на узбережжі Південної Каліфорнії показали чималу кількість мікробів, що живляться електронами з металів та мінералів. Команда Ель-Нагара все ще аналізує дані, отримані у золотій копальні, але вони вже заявили, що первинні їхні знахідки перегукуються із результатами, що були отримані поблизу Каталіни. Отже, якщо знати, де шукати, дослідники знаходять все нових і нових пожирачів електронів: вони мешкають там, де багато мінералів, але небагато кисню.

Оскільки число таких мікробів зростає, науковці починають з’ясовувати, як саме працює ланцюг «харчування» для таких форм життя. Мікроби споживають електрони напряму зі шматка металу чи потрібне певне середовище, де вони спочатку накопичують елементи, а потім починають харчуватися електронами? Одні автори досліджень твердять, що мікробам такого типу потрібні рухомі електрони (тобто вони виникають там, де є працюючий електричний струм), інші — що вони викоремлюють статичні частки із металів.

Харчування мкробів електричним струмом — досить дивна і навіть трохи божевільна теорія, але вона має право на існування, якщо зауважити, що усі живі організми на нашій планеті використовують рух часток в якості зберігання та створення енергії. Біохімік, володар Нобелівської премії, науковець Альберт Сент-Дьйорді колись сказав: «Життя — не що інше як електрон, котрий шукає собі місце для спокою».

Люди, як і низка інших живих організмів на планеті, отримують електрони з їжі та видихають їх. Мікроби, які шукають науковці, належать до групи літоаутотрофів («пожирачів скель») — вони живляться залізом, сіркою, різними металами. За певних визначених умов ці мікроби можуть живитися виключно електричним струмом.

Сам факт існування подібних життєвих форм заперечує основи біофізики, до яких ми звикли. Жирова мембрана клітин створює нейтральну зону, через яку електрони не проходять. Тривалий час науковці відмовлялися вірити у те, що електрон може перетинати оболонку клітин.

У 80-х роках ХХ століття геобіолог Кеннет Нільсон (Kenneth Nealson) з Університету Південної Каліфорнії та низка інших дослідників відкрили групу бактерій, що можуть виділяти електрони під впливом певних мінералів. Дослідження цих нових мікроорганізмів тривали до 2006 року, коли було відкрито «міст» із трьох спеціалізованих білків, котрі забезпечують міграцію електронів через клітинну мембрану.

Дослідження пішли далі, і їхньої метою стало вивчення можливості споживання електронів як джерела енергії. Спочатку науковці зосередилися на метаногенах — бактеріях, які продукують метан. Більшість із метаногенів не «поїдають» метал. Але 2009 року Брюс Логан (Bruce Logan), інженер-дослідник із Pennsylvania State University, разом із колегами продемонстрували, що метаноген може вижити, споживаючи виключно енергію із електроду. Припущенням дослідників стало те, що мікроби напряму «висмоктують» електрони — і цій меті, можливо, слугує молекулярний «місток», аналогічний тому, що мають мікроби-продуценти електронів. Але бракувало прямих доказів.

2015-го Альфред Шпорман (Alfred Spormann), мікробіолог зі Стенфорду, разом із колегами з’ясували, як ці мікроорганізми живуть на електродах, при цьому не «вживаючи» чистих електронів. Шпорман вивчав мікроб під назвою Methanococcus maripaludis, котрий вкриває поверхню електрода спеціальним ензимом. Цей ензим поєднує електрон від електроду та протон води — так утворюється атом, який засвоюється клітиною і слугує «харучванням» для метаногенів. Так відпадає потреба у «місткові» для передачі.

Мкроби не їдять електрони у чистому вигляді. Більшість ензимів працюють всередині клітини і швидко руйнуються, якщо потрапляють у відкрите середовище. Ці ж ензими виявляють вражаючу стабільність на поверхні електроду — вони зберігають активність упродовж не кількох годин (як вважали раніше), а шести тижнів. Втім, науковці на чолі зі Шпорманом схильні вважати, що мікроби все ж можуть «висмоктувати» електрику. Результати своїх досліджень, втім, вони поки що не публікують.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:

Реальність лабораторних досліджень

Лише невелика частина — приблизно 2% — всіх мікроорганізмів планети можуть бути вирощені у лабораторії. Науковці сподіваються, що цей новий підхід — вирощування мікробів на електродах, а не в ізольованих культиваційних системах — забезпечить нові можливості до вивчення тих мікроорганізмів, яких неможливо вирощувати та культивувати у звичних лабораторних умовах.

«—Використання електродів в якості джерела мінеральних часток та електронів допомагає нам розширити можливості для досліджень» — говорить Анетт Роу (Annette Rowe), дослідниця із USC, котра співпрацює із професором Ель-Наггаром. Так можна вирощувати бактерії та відслідковувати їхні фізіологічні показники. Роу вже досягла певних успіхів у своїх дослідженнях. 2013 року вона поїхала із дослідницькою метою до місць покладів залізних руд довкола каліфорнійської Каталіни. Там їй вдалося знайти щонайменше 30 підвидів «електричних» мікробів, які були включені до наукового дослідження, оприлюдненого 2015 року. Такі мікроби є підвидами від тих, що зазвичай мешкають у океанських глибинних западинах.

Як рибалка використовує різні види приманки, аби привабити різну рибу, так і Роу використовує різні електроди із різною напругою для того, аби активізувати різні види мікробів. «Пожирачі металів» генерують від’ємний заряд, а мікроби «висмоктують» електрони із негативно зарядженого електроду. Різні види бактерій, зібраних Роу за різних умов використання електричного струму, свідчать про те, що вони по-різному «поїдають» електрони. У кожної бактерії, каже Роу, свій рівень енергії, на якому споживаються електрони.

Навіть на основі вже отриманих перших результатів стає зрозуміло, що науковці лише трохи привідкрили для широкої аудиторії розмаїття мікроорганізмів, котрі живуть під поверхнею нашої планети. Детальніше вивчення мікроорганізмів, котрі живляться металом, може дати нам уявлення про те, як функціонує життя на інших планетах, де під видимою поверхнею може бути заховано аналогічні колонії мікробів. Дослідження таких мікроформ життя дасть нам більше розуміння про те, що відбувається на Марсі чи на інших планетах, куди людство планує дістатися із науковими експедиціями у найближчі 10-20 років.

Джерело: The Atlantic