Загадки океана - Николай Вершинский

У обычных бактерий при сколько‑нибудь значительном повышении температуры происходит свертывание белков и наступает смерть. Видимо, решает вопрос не столько химический состав, сколько особенности строения. У термофильных бактерий более прочная конструкция молекул, устойчивая к высокой температуре.

Свертывание белков, или коагуляцию их, вы можете видеть, когда готовите яичницу. Повышение температуры в пределах 60 °C приводит к разложению белков, распаду цепочки ДНК, слиянию ферментов, деформации клеточных мембран. Для любого живого существа эти процессы означают смерть. Почему же они не происходят у термофильных бактерий?

Исследования под электронным микроскопом показали более прочную конструкцию молекул тела этих бактерий. Цепочка липидов у них имеет особое ветвистое строение, что увеличивает крепость их связи с мембранами. Витки спирали ДНК у них имеют больше точек крепления к мембране, как у микробов, устойчивых к радиации. Конструкция белковой молекулы более жесткая. Возможно, по этой причине деформации, возникающие при высокой температуре, не превосходят опасных пределов.

Со времени Пастера известно, что прокипяченная бактерия — это погибшая бактерия. А чтобы уничтожить этих, новых, их надо, наоборот, охлаждать!

Еще много загадок в строении белковых молекул живых существ. Расшифровка строения белковых тел — весьма сложная проблема. Изучение строения различных белков — передний край биологической науки. Термофильные бактерии — интереснейший объект для исследований. А если бы удалось скрестить их с другими живыми существами, сохранив у гибридов высокую термическую устойчивость, то могли бы открыться перспективы поистине фантастические. То, что делается сегодня в генной инженерии, уже мало чем отличается от фантастики. Ведь скрестили же ученые клетку комара с клеткой человека и клетку человеческой опухоли с клеткой моркови!

В гидротермах найдено два типа теплолюбивых бактерий. Оба они относятся к археобактериям. Окаменелые останки этих бактерий были раньше обнаружены в геологических отложениях, возраст которых около 3,8 млрд. лет. Никто и не предполагал, что в наши дни могут быть найдены их живые родственники. Возникла гипотеза, что археобактерии — предки всех живых существ на Земле. Впрочем, некоторые ученые думают, что они и не бактерии вовсе.

Так или иначе, но микробиологи давно отметили, что микроорганизмы обычно более жизнеспособны, чем растения и животные. Они могут существовать при экстремальных условиях, когда ни животные, ни растения не выживут.

Население удивительного мира, открытого в поле горячих гидротерм, не ограничивается бактериями и червями. Оказалось, что там живут и другие, значительно более высокоорганизованные существа. Сообщается об открытии 35 новых видов. Целый новый мир невиданных ранее животных. Некоторые сообщения звучат столь фантастично, что не все ученые им доверяют.

Ограничимся ссылкой лишь на одну работу. В 1980 г. американские ученые сообщили об открытии в поле гидротерм нового многощетинчатого червя Alvinella pompejana (Альвинелла помпейяна). Червь имеет длину до 10 см. Толщина его примерно с мизинец взрослого человека. Он обнаружен в поле гидротерм на дне Тихого океана в точке с координатами 21° с. ш., 11°13′ з. д. Живет этот червь в нижней части труб «черных» и «белых курильщиков» с наружной стороны, вблизи основания. Трубы в этом районе достигают высоты 17 м. Температура в месте обитания червя — около 260 °C!

Свое название многощетинчатый червь получил в честь Алвина Вайна — главного конструктора подводного обитаемого аппарата «Алвин», с помощью которого он был найден. Точнее — вытащен манипулятором вместе с куском породы из основания высокого «курильщика».

Живет этот червь в стрессовом окружении: перегретая вода, насыщенная ядами, высокое давление — около 300 атм, отсутствие света и фотосинтеза. А он живет. Как это может быть? Если все сказанное подтвердится в будущем другими исследователями, то таким животным, может быть, и на Венере окажется в самый раз?

На рисунке на с. 51 приведен общий вид многощетинчатого червя Alvinella pompejana. Несмотря на свои относительно малые размеры, червь этот — одна из самых больших загадок океана. Откуда все эти многочисленные животные на дне в поле гидротерм берут пищу? Как они питаются? Биомасса бентоса там иногда превосходит среднюю цифру почти в тысячу раз. Чем же они живут?

Общий вид неизвестного ранее многощетинчатого червя Alvinella pompejana, открытого в экологическом оазисе.

Ответ оказался неожиданным. Все многочисленное население экологических оазисов в темных глубинах живет за счет бактерий. Они образуют органическое вещество с помощью химического синтеза (хемосинтеза). Этим органическим веществом питаются все многочисленные животные в полях гидротерм. Установление факта, что хемосинтез бактерий может поддерживать мощные экологические системы в глубине океана в темноте — одно из самых больших биологических открытий в океане. Бактерии выполняют роль первого звена пищевой цепочки в экологических оазисах. Ими питаются животные, образующие следующие звенья. Бактерии питаются сероводородом и другими неорганическими веществами, имеющимися в больших количествах в гидротермах. Они живут за счет хемосинтеза. Этот синтез происходит без лучей света. Он был открыт 100 лет назад в лаборатории русским ученым Сергеем Николаевичем Виноградским.

Что такое хемосинтез? 1887 г. Страсбург. Лаборатория немецкого ученого Генриха Антона де Бари.

Молодой русский ученый С. Н. Виноградский после окончания естественного отделения Петербургского университета приехал в Страсбург на стажировку в лабораторию де Бари, известного немецкого ботаника, специалиста по водорослям и грибам.

В качестве научной темы ему предложили заниматься не водорослями и не грибами, а серными бактериями. Бактерии тогда были в центре внимания научной общественности в связи с дискуссией вокруг учения о полиморфизме. Учение это имело многочисленных сторонников. Суть его заключалась в том, что микробы якобы не подчиняются закону постоянства формы. Полиморфисты думали, будто бы самые различные по форме и физиологическому действию микробы могут взаимно переходить друг в друга…

Тщательные опыты Виноградского на водных серобактериях показали ложность этого учения. Но одновременно с опровержением полиморфизма он сделал важное открытие, имеющее прямое отношение к океану.

Однажды С. Н. Виноградский увидел в клетках бактерий кристаллики серы. Под микроскопом про — сматривались нити больших серных бактерий с вкрапленными в них частичками серы. Бактерии хорошо росли при полном отсутствии органических веществ, но нуждались в сероводороде. Частички серы в телах бактерий быстро исчезали, когда в сосуде кончался сероводород. Поэтому Виноградский периодически подкармливал их сероводородной водой из источника в местном парке.

«Для чего им столько серы?!» — удивленно воскликнул де Бари, познакомившись с неожиданным наблюдением. Вопрос этот долго волновал сотрудников лаборатории. Виноградский предположил, что сера играет роль запасного вещества, т. е. пищи. Как крахмал у других, обычных бактерий. Дальнейшие опыты показали, что он прав. Много часов просиживал он за микроскопом, наблюдая процессы обмена в этих удивительных микробах. Результаты своих наблюдений С. Н. Виноградский сформулировал как хемоавтотрофный рост микробов, основанный на окислении ими сероводорода до элементарной серы с последующим образованием органического вещества за счет углерода из углекислоты. Углекислота поглощается из воды. Термин «хемоавтотрофный» означает, что бактериям не требуется никаких других источников органического углерода. Это было открытие.

Серные бактерии обладают способностью использовать энергию, освобождающуюся при окислении сероводорода, для создания органического вещества из углекислоты и водорода. Давно было известно, что при сгорании сероводорода в кислороде выделяется довольно много энергии. Вопрос об использовании сероводорода в качестве топлива периодически обсуждается на страницах печати и в наше время. Но в серных бактериях процесс окисления сероводорода происходит, разумеется, без пламени, а выделяющаяся энергия расходуется на разложение углекислоты и образование органического вещества. В этом заключается уникальная способность серобактерий, открытая молодым русским ученым.

В 1887 г. Виноградский опубликовал научную работу, где написал: «Органическое вещество на земном шаре образуется при жизнедеятельности живых существ не только в процессе фотосинтеза, но и в процессе хемосинтеза…»

Это удивительное открытие принесло заслуженную славу его автору, который был избран членом-корреспондентом Петербургской Академии наук, а с 1923 г. он почетный член АН СССР. С. Н. Виноградский также состоял членом Французской академии наук, Шведской сельскохозяйственной и Туринской академий, Лондонского Королевского общества. Работы С. Н. Виноградского получили широкую известность, он считается основателем современной микробиологии.