Жизнь на чистой энергии: бактерии, которые «дышат» электричеством и едят металл
В школе учат, что основа жизни — это потребление органики и дыхание кислородом. Но глубоко под землёй, на дне океанов и в заброшенных шахтах кипит совсем иная жизнь. Там обитают организмы, которым не нужны ни растения, ни солнце, ни даже кислород. Рассказываем, как устроены электрические бактерии и как эти микробы помогут в освоении космоса.
Как «дышать» камнем
С точки зрения физиологии, дыхание — это окислительно-восстановительный процесс, когда электроны переносятся от пищи к окислителю. У людей в роли такого окислителя выступает кислород, который легко растворяется внутри клеток. Но бактериям-электрогенам приходится использовать твёрдые минералы, например оксиды железа или марганца. Затащить кусок минерала внутрь микроскопической клетки физически невозможно.
Поэтому бактерии родов Shewanella и Geobacter научились «дышать наружу». Они выстроили систему внеклеточного переноса электронов. Микробы отращивают тончайшие белковые жгутики — нанопровода, которые проводят ток. Бактерия буквально касается таким проводом куска ржавчины и сбрасывает туда лишние электроны.
Shewanella oneidensis
Этот процесс переводит нерастворимое трёхвалентное железо в растворимую двухвалентную форму. Бактерия работает как крошечная замкнутая электрическая цепь. Учёные выяснили, что по мембранным трубкам бактерии Shewanella электроны переносятся со скоростью до миллиарда частиц в секунду.
Металлическая диета
Некоторые бактерии пошли дальше простого дыхания на оксидах. Они научились разрушать металлоконструкции или перерабатывать токсичные тяжёлые металлы. Яркий пример — бактерия Halomonas titanicae, которую нашли на обломках лайнера «Титаник» на глубине около 3800 метров.
На такой глубине под слоем микробной плёнки нет кислорода. Бактерия использует оксиды на поверхности корабельной стали, чтобы окислять доступную органику. Она сбрасывает электроны прямо на корпус судна, превращая прочную сталь в хрупкие ржавые сосульки — рустики. По расчётам исследователей, эти микробы полностью уничтожат останки «Титаника» уже к 2030-м годам.
Титаник
Другой поразительный пример — бактерия Cupriavidus metallidurans. Она живёт в почвах, перенасыщенных ядовитыми растворимыми соединениями золота. Чтобы не погибнуть от отравления, микроб втягивает комплексы золота в себя, а затем с помощью специальной двухконтурной ферментативной системы восстанавливает их до безопасного металлического состояния.
В периплазме бактерии образуются крошечные наночастицы чистого, химически инертного золота размером до 100 нанометров. Когда клетка отмирает, эти наночастицы попадают в почву и постепенно слипаются, образуя настоящие золотые самородки.
Математик без мозга: растение, которое может считать до пяти
Микробиологическая батарейка
Умение бактерий сбрасывать электроны на твёрдые поверхности учёные превратили в прикладную технологию. Так появились микробные топливные элементы (MFC) — устройства, в которых живые клетки вырабатывают электричество из органического мусора.
Работает это устройство просто. В анаэробную камеру помещают графитовый электрод (анод) и заселяют туда бактерий. Микробы расщепляют органику из сточных вод, а лишние электроны сбрасывают на графит. Дальше ток идёт по внешней цепи к катоду, питая полезную нагрузку.
Эту технологию уже испытывают для масштабируемой очистки сточных вод. Крупная пилотная установка объёмом 1400 литров показала эффективность на реальных хозяйственно-бытовых стоках. Бактерии очистили воду от органических загрязнителей на 91%, одновременно генерируя электрический ток. Это решает две задачи сразу: глубокую утилизацию отходов и обеспечение станций собственной энергией.
Космические металлурги
Электрические бактерии помогут человечеству и в космосе. Для строительства баз на Луне или Марсе везти тяжёлое промышленное оборудование с Земли невыгодно. Ресурсы проще добывать на месте из космического грунта — реголита.
Этот процесс называется биовыщелачиванием. Учёные успешно проверили его на борту Международной космической станции. В рамках эксперимента BioRock бактерии извлекали редкоземельные элементы из базальта, который по составу аналогичен лунному и марсианскому грунту. Оказалось, что космические условия и микрогравитация совершенно не мешают микробам выполнять свою работу.
В другом эксперименте, BioAsteroid, тестировалась добыча платины и палладия из кусочков каменных метеоритов. Выяснилось, что в условиях невесомости классическая химическая добыча работает плохо из-за отсутствия конвекции и осаждения. Зато живые клетки легко компенсируют эти ограничения среды, стабильно переводя драгоценные металлы в раствор.
Электрическая жизнь на ледяных лунах
Открытие электрогенных организмов изменило астробиологические критерии поиска внеземной жизни. Раньше считалось, что наличие солнечного света — обязательное условие для существования биосферы. Теперь известно, что сложные экосистемы способны стабильно функционировать в полной изоляции от света и кислорода.
Главные объекты для поиска такой жизни — ледяные спутники Европа у Юпитера и Энцелад у Сатурна. Под их толстым ледяным панцирем скрываются огромные океаны солёной воды. На дне этих океанов активно работают гидротермальные источники.
В местах, где горячая минеральная вода встречается с холодной океанической средой, возникают резкие электрические и химические градиенты. В этих зонах гипотетические бактерии могут выживать, напрямую поглощая электроны со стенок подводных минеральных труб. Для проверки этой гипотезы NASA готовит межпланетную миссию Europa Clipper, приборы которой изучат состав подлёдного океана Европы.
В итоге
Изучение микроскопических электрических цепей даёт не только биотехнологии для очистки Земли и освоения космоса. Оно помогает подобрать ключ к пониманию того, как жизнь зарождается и выживает в самых экстремальных условиях.
Подписывайтесь на Рамблер в Max! Так мы останемся на связи даже в нестабильные времена.