Возможно, такие бактерии выживут на Марсе
Учёные установили электроды из углеволокна (серые) в качестве приманки для микробов, поглощающих электричество (оранжевые). Эти микробы растут невероятно медленно, так что электроды оставили под землёй на пять месяцев. Фото: Yamini Jangir and Moh El-Naggar
В течение долгих столетий биологи считали, что вся жизнь на Земле делится на два типа: фототрофы и хемотрофы. Первые получают электричество из солнечного света, а вторые — из энергоёмких веществ в окружающей среде, как люди.
Но недавно выяснилось, что на Земле (возможно, и на других планетах) есть третий вид жизни, который способен питаться чистым электричеством.
Учёные с ошеломлением осознали, насколько распространённой может быть такая жизнь, которая долгое время скрывалась от людских глаз. Ведь эти микроорганизмы способны жить в огромных количествах в богатых минералами жилах глубоко под земной поверхностью, в океанических осадках под морским дном и т.д.
В прошлом году японские биологи изучали глубоководных железобактерий Acidithiobacillus ferrooxidans, которые окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного и живут за счёт полученной энергии. Учёные предположили, что этим бактериям необязательно нужно железо — и сумели накормить их чистым электричеством. Но японцам так и не удалось доказать, что феномен питания живых существ чистым электричеством существует в природе, хотя они смогли обнаружить геоэлектрический ток возле гидротермальных источников.
Американские биофизики тоже несколько лет изучают феномен электротрофов в живой природе. Например, профессор Мох Эль-Наггар (Moh El-Naggar) вместе с аспирантом Ямини Джангиром (Yamini Jangir) в поисках такой экзотической жизни забрались на глубину полутора километров заброшенной шахты в горном массиве Блэк-Хилс, который располагается в юго-западной части Южной Дакоты. Они нашли старые ржавые трубы, оставшиеся от шахтёров — и откачали оттуда немного воды для эксперимента. Учёные предположили, что в этой воде могут существовать бактерии, которые питаются электричеством, окисляя железо таким же образом, как это было в японском эксперименте.
Аспирант Ямини Джангир набирает воду из трубы в заброшенной шахте на глубине полутора километров. Фото: Connie A. Walter and Matt Kapust
Биофизики поместили в добытый образец воды электроды и пропустили через них ток, оставив образец на пять месяцев, чтобы дать микробам вырасти.
Результаты своей научной работы учёные опубликуют в ближайшее время. Они присоединятся к многочисленным группам биологов, которые пытаются найти доказательства природного феномена, известного как прямой перенос электронов.
В последние годы сделано несколько открытий, которые подтверждают теорию о том, что поедающие электричество бактерии распространены на Земле — они гораздо более многочисленные, чем кто-либо представлял. Недавно взятые образцы с морского дна у острова Каталина неподалёку от Калифорнии выявило большое разнообразие бактерий, которые добывают электричество из металлов и минералов.
Сейчас учёные пытаются понять, каким образом происходит метаболизм у бактерий, которые добывают электричество напрямую из окружающей среды. Японские коллеги показали, что в переносе электронов из внешней среды участвуют гем-содержащие белки в мембране. То есть ток проходит непосредственно по мембране — процесс, который раньше считался невозможным.
В самом питании электричеством нет ничего удивительного. Люди и все остальные живые организмы питаются электричеством на клеточном уровне. Как романтично сказал однажды об этом фундаментальном принципе жизни нобелевский лауреат Альберт Сент-Дьёрди, «жизнь — всего лишь электрон, ищущий покоя». Вопрос в том, каким способом мы добываем его из окружающей среды.
Профессор Эль-Наггар и другие группы учёных изучают новый вид организмов под названием литоавтотрофы — организмы, использующие для получения энергии неорганические вещества и способные синтезировать все компоненты своей клетки из углекислоты и других неорганических соединений. Другими словами, эти бактерии добывают энергию из железа, серы, марганца и других неорганических соединений. В определённых условиях они могут жить на чистом электричестве.
Способность таких бактерий поглощать электроны в чистом виде — так называемый прямой перенос электронов — очень любопытное явление, потому что оно как будто нарушает базовые законы биофизики. По закону, толстая клеточная мембрана работает как изолятор, через неё электроны не должны проходить. «Никто не хотел верить, что бактерия может взять электрон изнутри клетки и переместить его наружу», — говорил геобиолог Кеннет Нилсон (Kenneth Nealson) в прошлогодней лекции перед членами Общества прикладной микробиологии в Лондоне.
Но обнаруженные микробы способны на такое.
Лекция Кеннета Нилсона
В 2006 году биологам впервые удалось понять, как работает этот механизм при помощи трёх специализированных белков. Они находятся в мембране и формируют токопроводящий мост, по которому электроны передаются из клетки наружу. Впрочем, учёные продолжают до сих пор обсуждать конкретные детали, но сам факт существования такого механизма был доказан.
После этого биологи начали искать доказательства, что существует обратный перенос электронов из внешней среды внутрь клетки. В 2009 году было доказано, что бактерия Methanococcus maripaludis способна размножаться на электроде, но только в прошлом году был открыт механизм, каким образом она получает электричество — оказалось, что для этого бактерия использует специальный фермент, который спаривает электрон из проводника с протоном из воды, чтобы создать атом водорода, распространённую пищу среди бактерий.
Хотя это своеобразное «читерство», то есть не прямой перенос электронов, но некоторые учёные считают, что другие бактерии всё-таки умеют напрямую извлекать электроны из окружающей среды, то есть прямой перенос электронов всё-таки существует.
Биологи считают, что изучение новых видов бактерий пока находится в зачаточной стадии и сулит много открытий. Профессор Эль-Наггар сравнивает современные эксперименты с первыми экспериментами в неврологии, когда учёные тыкали электродами в лягушек, чтобы заставить их мышцы сокращаться.
Научные открытия в этой области могут пролить свет на то, как зарождалась жизнь на Земле. Более того, эти открытия значительно расширяют потенциальный ареал обитания микроорганизмов на других планетах, где жизнь может прятаться под поверхностью планет.
Поверхность Марса
Такие микробы способны выжить, например, в экстремальных условиях Марса, ведь на Марсе много железа и есть подземные резервуары с водой. Если у нас есть система добычи электронов из железа и доступ к воде, то это самое необходимое для метаболизма таких бактерий.
Так что если во время следующих миссий на Марс будут обнаружены живые микроорганизмы, биологов это совершенно не удивит.
