Николай Вершинский - Загадки океана
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.
Серные бактерии — аэробы. Для своей жизнедеятельности они нуждаются в кислороде. Окисление сероводорода ими идет по уравнению:
2H2S + 02 = 2S + 2H20 + ΔG, где ΔG — энергия, выделяющаяся при этом процессе. Это — экзотермическая реакция.
Может показаться странным, что в результате окислительной реакции образуется элементарная сера. Но вспомним школьное правило: окислитель — грабитель! Именно это и происходит — у отрицательно заряженного иона серы, входящего в молекулу сероводорода, отнимаются электроны. В результате получаются нейтральные атомы элементной серы; поэтому речь действительно идет об окислении. Уравнение химической реакции объясняет причину появления частичек серы в клетках серобактерий, но не описывает механизма создания органического вещества. Образование серы — лишь один из этапов в сложной цепи биохимических реакций, происходящих в этих бактериях. Они очень сложны. В упрощенной форме их можно схематически описать уравнением
4H2S + 02 + C02 = CH20 + 4S + 3H20,
где CH20 — простейшее органическое соединение углерода. Это — формальдегид. Его водный раствор известен под названием формалина. Формальдегид — важное сырье для изготовления пластических масс. Его изготавливают в больших количествах на химических заводах из угля и углекислоты.
Сероводорода и других сульфидных соединений в океанской воде в районах действия гидротерм сколько угодно. Поэтому с пищей для бактерий нет никаких проблем.
Сера — обязательный элемент живых организмов. По данным академика А. П. Виноградова, среднее содержание ее в организмах составляет только 0,05 %. Однако она играет большую роль в жизненных процессах.
В полях гидротерм на дне обнаружена целая группа хемосинтезирующих бактерий из нескольких видов. Они получили общее название — тионовых бактерий. Тионовые бактерии серу и ее соединения сделали своей пищей. Но обычно всем животным нужно не только питание, но и дыхание. Дышат они кислородом, как и мы с вами. Однако в экологических оазисах много и таких бактерий, которым кислород не нужен, — это анаэробы.
Открытие экологических оазисов на основе хемосинтеза в Тихом океане относится к числу самых удивительных открытий в Мировом океане за последнее десятилетие. Ученые не предполагали, что хемосинтез имеет такое большое значение и способен поддерживать жизнь больших экологических систем.
Тионовые бактерии могут питаться не только сероводородом, но и другими химическими соединениями. Кроме бактерий тионовой группы в экологических оазисах имеется много других микроорганизмов, которые питаются водородом, соединениями аммония, двуокисью азота и, возможно, даже ионами железа и марганца (см. табл. на с. 59).
Американский морской микробиолог Холгер Джаннаш относит сероокисляющих хемолитотрофных бактерий к числу наиболее распространенных в Мировом океане. В четырех первых строках таблицы представлены окисляемые ими сера и ее соединения. Среди сероокисляющих микроорганизмов в экологических оазисах найдены и те, с которыми работал С. Н. Виноградский. Больших бактерий Beggiato там местами так много, что они образуют у дна толстые белые слои. Подобные слои наблюдались, например, в районе Гуаймас. Там обнаружены гигантские бактерии этого вида размером до 100 мк. Но имеется и множество других.
В ходе осуществляемых этими и многочисленными другими морскими бактериями химических реакций выделяется много энергии, заменяющей в глубинах энергию лучей Солнца. В результате химического синтеза образуется органическое вещество.
Таблица интересна широким ассортиментом неорганических веществ, используемых бактериями для своего питания. Потребляя различные неорганические вещества, в изобилии имеющиеся в гидротермах, микроорганизмы производят многочисленные органические соединения, из которых строятся их тела. Ими питаются все животные экологических оазисов, сами не обладающие чудесным даром хи — мического синтеза. Некоторые из наиболее «находчивых» донных животных, как, например, черви вестиментиферы, культивируют хемосинтезирующих микробов в своих трубчатых жилищах. А чтобы бактериям жилось там лучше, периодическими сокращениями своих тел прокачивают порции свежей воды. Оригинальный микробиологический животноводческий комплекс в глубинах! Вместо коров — черви, а вместо травы — бактерии.
На дне вокруг гидротерм обнаружены в больших количествах отложения окислов марганца и железа. Предполагается, что они являются результатом жизнедеятельности особых бактерий. В этих отложениях были найдены большие бактерии, похожие на известную на суше цианобактерию. Реакции окисления железа и марганца приведены в восьмой и девятой строках таблицы. Возможно, что железо- и марганцово- окисляющие бактерии вносят свой вклад в хемосинтез. Однако, «кушают» ли они в действительности железо и марганец, экспериментально проверить пока не удалось из‑за больших трудностей культивирования их в лаборатории.
В микробиологии гидротерм очень много разных загадок.
Интерес представляют высокие цифры свободной энергии, выделяющейся при различных химических реакциях, используемых микроорганизмами. По количеству энергии, приходящейся на один моль окисляемого вещества, на первом месте стоит реакция окисления отрицательного иона тиосульфата S2O32-. При этой реакции выделяется 936 кДж/моль. На первый взгляд эта большая цифра представляется заманчивой для использования в технике. Однако если пересчитать выделяемую в этом случае свободную энергию на единицу массы тиосульфата, то удельная теплота сгорания окажется всего 3500 ккал/кг.
Таблица
Основные виды микроорганизмов, обнаруженные в экологических оазисах Тихого океана (данные на 1984 г.)
Микроорганизмы Их пища Чем они дышат, т. е. окислитель Химические реакции Выделение свободной энергии, кДж/моль 1. Сероокисляющие бактерии S0 О2 S°+ 1,502 + Н20 = H2S04 496 2. H2S H2S + 0,502= S0 + H2O 210 3. S2O32- S2O32- + 202 + H20 = 2SO42- + 2H+ 936 4. HS- HS- + 202 = S042- +H+ 716 5. Водородоокисляющие бактерии Н2 H2 + 0,502 = H20 237 6. Нитрифицирующие бактерии NH4+ NH4+ + 1,502 = NO2- + H20 + 2H+ 272 7. N02- NO2- + 0,5O2 = NO3- 73 8. Железоокисляющие бактерии Fe2+ 2Fe2+ + 2H+ + 0,502 = 2Fe3+ + H20 47 9. Марганцовоокисляющие бактерии Mn2+ Mn2+ + H20 + 0,502 = Mn02 + 2H+ 67 10. Метанообразующие бактерии H2 CO2 4H2 + C02 = CH4 + 2H20 35Это значительно ниже количества выделения энергии на единицу массы при других реакциях, используемых бактериями.
Некоторые исследователи связывают размножение различных микробов на поверхности Земли с солнечной активностью. Они соотносят эпидемии и пандемии с количеством пятен на Солнце. Физический механизм этой связи пока не установлен, но сама она сомнений не вызывает и рассматривается как одно из положений космической биологии. Микробное население экологических оазисов океана представляет интересную возможность для дальнейшего исследования этого важного вопроса. В темную глубину океана, где находятся экологические оазисы, электромагнитные излучения Солнца не доходят. Оазисы надежно заэкранированы от них слоем соленой воды в 2500 м толщиной. Спрашивается: будет ли изменяться численность различных микробов там при колебаниях солнечной активности?
