| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 1 Гостей: 1 Користувачів: 0
|
|
Водневий квітка
Дуже важко знайти точні слова, щоб висловити те, що хтось вдало назвав «буденною неймовірним». Мимоволі тягне пофілософствувати, поміркувати про те, які скачки робить сучасна наука і як наївні і по-дитячому нехитрі були казкарі, які не осмілювалися мислити далі семиголовых драконів, вічно молодих красунь, сфінксів і кентаврів, а в епоху НТР - двійників з пластику.
Та що там казкарі! Досі виведення нової, поліпшеної породи тварин або селекція цінного сорту злаку здається дивом людського вміння. На це йдуть роки і роки самовідданої праці. Цілі життя ентузіастів і подвижників. А тепер, ну, може, не в цю хвилину, може, через п'ять, п'ятнадцять чи п'ятдесят років будь старанний студент біологічного факультету зуміє створити яку завгодно форму життя, капнувши з піпетки в пробірку потрібний ген.
Ймовірно, саме стрибки у людському пізнанні та вмінні і є те, що ми розуміємо під терміном «науково-технічна революція», коли б раптом змінюються сприйняття, безмежно розсуваються дані природою можливості, і перед людиною відкриваються нові, несподівані горизонти.
Що і говорити, біологічні науки розвиваються настільки стрімко, що багато звичні уявлення відкидаються як застарілі, і вже на протязі життя одного покоління їх змінюють воістину приголомшливі новинки. Люди сторіччями вдосконалювали техніку і технологію, використовуючи те, що придумували самі. Вони створили для своїх зручностей «другу природу» - штучний світ стали і пластмас, машин і електроніки. Але все одно, навіть на самому високому рівні науково-технічного прогресу, вони потребують, як і їх первісні, не знали вогню предки, в їжі, створеною природою.І немає поки ні одного синтетичного продукту, який міг би витримати конкуренцію з натуральним зерном, молоком, м'ясом, фруктами. Зусилля сучасної людини були спрямовані на те, щоб якось змусити природу підкорятися ритму, за яким працює, скажімо, завод або фабрика. Наприклад, в промислово розвинених країнах худоба знаходиться круглий рік в стійлі, не знаючи, що таке природне пасовище, трава на лузі. Навіщо це треба?Так щоб не залежати від врожаю трав, від кількості вітамінів у них, щоб можна було прискорити зростання і збільшення у вазі тварин, даючи їм постійно строго відведені кількість їжі. На птахофабриках замість квочок висиджує курчат електричні «мами». Селекція створює високоврожайні, не бояться посух і холодів сорти злаків...
І все ж, незважаючи на всі технічні хитрощі, ми продовжуємо залежати від примх погоди і клімату, від природничих термінів дозрівання, від десятків і сотень інших, нав'язаних природою умов. Та і як розумно і науково ні вести господарство, неминуче колись настане момент «межі». Урожай досягне максимуму, відміряного природою, і ні добрива, ні мікроорганізми, ні штучне зрошення не дадуть вже більше помітного ефекту. Так що ж, на цьому зупинитись? Пригальмувати прогрес?
А якщо спробувати почати все по-новому? На основах, підказаних сучасною біологією? Хіба потрібна якась особлива фантазія, щоб уявити собі, як не на полі, а на заводі з декількох клітин пшениці з спрямованими спадковими властивостями вирощують кілограм зерна, вже очищеного від оболонки, зручного для обробки?Це тим легше уявити, якщо взяти до уваги, що успішні досліди по вирощуванню з окремих клітин тканини коренеплодів - моркви, картоплі - вже проводяться в багатьох наукових установах, наприклад в Інституті фізіології рослин АН у Москві під керівництвом члена-кореспондента АН Раїси Григорівни Бутенко.
Хіба не можна, нарешті, помріяти про те, як в один прекрасний день будуть створені біологічні машини не з пластику та металу, а із живих організмів? Якщо люди оволодіють секретом, з допомогою якого природа, далеко перевершує людини у своїх творах, створює всі ці живі організми, чому б не перейняти її майстерність і не тільки навчитися їй наслідувати, але піти далі, свідомо удосконалити те, що необхідно?
Чому б не створити нову промисловість - різновид біотехнічної фабрики з біологічною технологією? Не так до цього далеко, як може здатися на перший погляд. І одним із свідчень цього можуть служити «побічні професії» головного жизнетворящего процесу на Землі - фотосинтезу. Процесу, перетворюючого, образно кажучи, сонячне світло в живу тканину і життєву енергію. І не просто перетворюючого, але і запасаючих її про запас.Ми вже згадували у зв'язку з браком викопного палива, вугілля, нафти, що фактично це енергія Сонця, накопичена в коморах природи з допомогою колись жили і померлих рослин і рослинних організмів.
Унікальна знахідка Природи, що створила зелена рослина, служить початком довгого ланцюга подій на Землі: рослина не тільки сама живе запасеної енергією, її споживає за допомогою рослин все живе - від бактерій до людини, а відходами реакції фотосинтезу - киснем - ми дихаємо. Загалом, зелені рослини зробили нашу планету тим, що вона є. Закутали її атмосферної шубою, захистивши від згубних космічних бурь, напоїли живлющим киснем, заповнили підземні комори горючими копалинами, дали їжу і одяг її мешканцям.
Вчені підрахували, що «зелені фабрики» Землі, перетворює сонячне світло в процесі фотосинтезу щорічно засвоюють 150 мільярдів тонн вуглекислого газу, одночасно виділяючи в навколишнє середовище 120 мільярдів тон кисню, і «виробляють» близько 450 мільярдів тонн органічних речовин.
Не так, проте, просто створити життя з сонячного світла. Але можливо. Ось як висловив цю думку вчений. «Лист, у якому визнали вже єдину лабораторію, де заготовляється органічна речовина на обидва царства природи,- писав К. А. Тімірязєв,- той же лист і в тому ж самому процесі засвоєння вуглецю запасає енергію сонячного променя, стає таким чином джерелом сили, провідником тепла і світла для всього органічного світу».
Могутній процес животворения - фотосинтез - здавна привертав увагу вчених. Напевно, немає таких розділів біології, які не мали б в тій чи іншій мірі ставлення до цієї проблеми. З усіх точок зору заманливо відтворити це таїнство природи і в лабораторії, і в промисловості, навчитися прискорювати або уповільнювати його за своїм бажанням; в ту мить, коли в пробірці зі світла, води та вуглекислого газу вдасться створити «шматочки цукру», людям ніколи не доведеться більше побоюватися голоду, холоду, енергетичної кризи...
Але процес в зеленому листі загадковий і дивний. Він одночасно і буденний, і неймовірно складний. Здавалося б, що простіше росту трави? Є навіть приказка: «Росте як трава», тобто без всякого догляду та уваги. А між тим «сфінкс» фотосинтезу продовжує залишатися дивним і незбагненним, і для науки немає більш привабливою завдання, ніж розгадати його.
Фотосинтез - означає «з'єднання за допомогою світла». Формула процесу по частинам майже вся відтворена в пробірках. Встановлено або, принаймні, передбачається майже все, що відбувається при цьому з точки зору хімії і фізики, молекулярної біології і біохімії, біофізики і навіть квантової механіки. Формула, здавалося б, проста, як кулінарний рецепт, і всі стадії відпрацьовуються в науці десятки років, але... «готовий пиріг» по ній поки виходить тільки у природи. Чому? Та тому, що простота ця уявна. А природа влаштувала все дуже хитро і складно.Наприклад, таке питання, як будова хлоропластів. Це так звані органели живої клітини, загадкові освіти, в яких, власне, і йде з блискавичною швидкістю процес фотосинтезу. Хлоропласти в клітці схожі на модні зараз мозаїчні картини: величезний очей складений з точно таких же маленьких очок. Так і в хлоропластах є все, що є у клітини, навіть ДНК. Навіщо вона їм? Навіщо кожної детальці повторювати складність цілого? Важливо це з точки зору фотосинтезу або це просто якийсь «пережиток» еволюції?Поки не ясно, незважаючи навіть на нинішню витончену техніку приготування тканинних зрізів, незважаючи на електронні мікроскопи, які розглядають об'єкти діаметром в мільйонну частку міліметра, на рентгеноструктурний аналіз.
Або візьмемо заповнює хлоропласти хлорофіл - рідкісне речовина яскраво-зеленого кольору, з якого все і починається. Коли на хлорофіл падає фотон - порція світла,- він перетворюється, заряджаючись енергією. Як це відбувається? Поки не зовсім ясно. За сучасними даними, хлорофіл включається в роботу не окремою молекулою, а цілим агрегатом із сотень молекул - фотосинтетичної одиницею. Світлова енергія, поглинена будь з молекул, передається в особливе з'єднання, що складається з хлорофілу та інших барвних речовин, білків, жироподібних утворень - ліпідів - і особливим чином зв'язаної води.Це з'єднання отримало назву «реакційний центр». В порівнянні з усією масою хлорофілу, що міститься в зеленому рослині, «реакційний центр» входить дуже небагато. Виходить, що основний хлорофіл лише збирає енергію сонячного світла, а за її перетворення в енергію хімічних зв'язків відповідають лише деякі молекули-«фахівці». Якщо організм чому-небудь втрачає здатність створювати «реакційні центри», він не в змозі і вести фотосинтез.
Останнім часом з'ясувалися цікаві речі. Виявляється, хлорофіл та інші пігменти клітини здатні передавати один одному отриману від світла енергію, як би «заряджаючи» один іншого. В цьому процесі бере участь «мандрівний» електрон". При поглинанні порції світла - фотона - молекула хлорофілу виділяє його, а інші молекули то приєднують, приходячи в збуджений, заряджене стан, то віддають. Позбавлені «свого» електрона або з додатковим «чужим» електроном, молекули стають бурхливо активними і вступають у різні реакції навіть з інертними речовинами, насамперед з водою.Порушивши весь ланцюжок речовин і змусивши її вступити у взаємодію один з одним, електрон, віднятий у хлорофілу, зрештою знову до нього повертається. Правда, ця успішно відновлювана в дослідах ланцюг отримана на замінниках хлорофілу. Сам він працювати і виконувати всі свої життєві функції в пробірці поки відмовляється. Але все ж це дуже важливі відомості. Немає ще єдиної думки у вчених і про сам механізм перенесення електрона від хлорофілу до наступним «споживачам», тобто про так звану електронно-транспортного ланцюга.І немає ще поки прямих наукових доказів того, як при фотосинтезі виділяється кисень. Багато вчених вважають, що це «відхід», одержуваний при розкладанні води агресивним хлорофілом. Але є й інші гіпотези, наприклад припущення, що кисень виникає при реакції хлорофілу з вуглекислотою.
Загалом, труднощів і неясностей ще багато, але ми все ж не даремно витратили час на побіжне знайомство з деякими з них. Справа в тому, що в цій складній проблемі процес пізнання супроводжується процесом освоєння. Вони йдуть одночасно і допомагають один одному. Пам'ятаєте, як у Гете: «Дізнаватися, щоб застосовувати? І в пізнанні секретів роботи мозку, і в таємниці фотосинтезу зовсім не обов'язково чекати, поки абсолютно все стане ясно. Можна використовувати те, що є.Цим, власне, і керувались вчені з Інституту фотосинтезу Академії наук, що в Пущино-на-Оке, коли разом з хіміками Московського державного університету імені Ломоносова створили один з найбільш захоплюючих проектів наших днів - «Фотоводород». І не тільки створили, але приступили до його реалізації.
Мета проекту в тому, щоб підібрати біологічні системи, які будуть перетворювати сонячну енергію, використовуючи її для вилучення з води не тільки кисню, але і водню. Все, що до сьогоднішнього дня вдалося дізнатися про механізм фотосинтезу, про таємниці хімічного і біологічного каталізу, використовують для втілення цієї фантастичної ідеї в реальну модель.Правда, для цього доведеться не просто повторити в найтонших проявах, але й істотно поліпшити природний процес жизнетворения, змусити його працювати за принципом промислового підприємства - виробляти в необхідній кількості ті продукти, які замовив людина: не листя і стебла або плоди і бульби, а газ водень.
Чому потрібен саме водень? Адже на перший погляд здається, куди простіше спочатку використовувати апарат фотосинтезу, збільшивши його коефіцієнт корисної дії хоч на кілька відсотків для вирощування високоврожайних рослин. Потім можна навіть переробляти цю масу вуглецевих сполук в рідке або газоподібне паливо. Такі проекти розробляються, зокрема, в США. Однак сама переробка технічно дуже складна, пов'язана з великими втратами енергії, обходиться дорого і, якщо вести мову про великих масштабах, економічно невигідна.
Куди привабливіше отримувати відразу чистий водень - горючий газ, у якого безліч переваг. Це найкраще, що можна сказати, ідеальне паливо, що не уступає високоякісного бензину, але відрізняється від будь-яких інших його видів особливою чистотою.
Давайте задумаємося, яким ми хотіли б бачити ідеальний джерело енергії. Напевно, передусім бажано, щоб він був невичерпний. Друга вимога - відносна дешевизна. Простими й економічними повинні бути способи видобутку, транспортування та використання. І, нарешті, головне - ідеальне пальне повинне бути абсолютно нешкідливим для нас і навколишнього середовища.
Може здатися, що ці вимоги непомірними і наше ідеальне пальне не більше ніж мрія чи, як ми вже говорили,- саме Сонце. А між тим воно клекоче в надрах зірок, і йому ми зобов'язані щастям жити. Це пальне - саме водень, який стоїть під номером один у списку елементів Всесвіту.
Кожну секунду Сонце випромінює в космічний простір енергію, яку можна порівняти з спадом приблизно 4 мільйонів тонн маси. Таку міць важко собі уявити. Навіть при самому нищівний термоядерному вибуху в енергію перетворюється всього близько кілограма речовини. Сонце наполовину складається з водню. Його в 5 разів більше, ніж гелію, та в 10 000 разів - ніж всіх металів, разом узятих. Він витрачається не тільки як паливо, але і як «сировину» для виробництва нових хімічних елементів. Всі елементи Всесвіту несуть в собі водневі ядра - протони.Таким чином, це не просто горючий газ, а дивовижний міст між мікро - і макросвітом, що з'єднує світ елементарних частинок зі світом елементів. В земній корі з кожних 100 атомів - 17 водневих, хоча у вільному стані цей найлегший з газів практично не зустрічається. Але він всюдисущий, оскільки входить до складу води, мінералів, вугілля, нафти, живих істот. Можна сказати, що ми живемо в водневої Всесвіту. Без цього всюдисущого газу згасло б Сонце, щезли океани, зникла всіляка життя. Водень не просто входить до складу білків.Особливі водневі зв'язки відповідальні за найтонші процеси життя: передачу спадкових ознак генетичним апаратом, скорочення наших м'язів, засвоєння їжі. Без водню світобудову занурилося б у вічну темряву і холод: адже в незліченних сонця Всесвіту палає все той же всюдисущий водневий багаття. Напевно, недарма природа обрала на роль універсального пального і будівельного матеріалу саме це найпростіше з речовин.
Подивимося, наскільки водень відповідає нашим уявленням про ідеальний пальному. Запаси його, як ми знаємо, практично безмежні. Це найпоширеніший елемент у Всесвіті. На Землі його можна отримувати з звичайної води. З усіх відомих видів палива водень - найбільш енергоємна. По енергоємності на одиницю ваги він в 2,5 рази перевершує природний газ, у 3,3 - вуглеводні нафти, в 6,6 - метанол, у 8,3 - природний продукт фотосинтезу целюлозу.
Нарешті, водень - паливо, абсолютно не забруднююча навколишнє середовище. Практично єдиним продуктом його згорання є вода. Виходить замкнутий, майже ідеальний паливний цикл.
На думку академіка Ст. Ст. Струминского, водень може бути широко використаний в якості пального на всіх видах транспорту, а також для опалення міст, виробництва електрики, чорної металургії, хімічної промисловості. Зрозуміло, існують і деякі труднощі. Наприклад, застосування рідкого водню на транспорті вимагатиме збільшення паливних баків майже в три рази. Більше того, щоб зберегти цей швидко випаровується газ при підвищенні температури, потрібно сверхэффективная теплоізоляція. Але ці чисто технологічні завдання цілком вирішувані.Так, екранно-вакуумна ізоляція вже виробляється серійно в ряді країн і відмінно забезпечує тривале збереження рідкого водню в паливних баках для вантажних машин і автобусів.
Ще в 1968 році в Інституті теоретичної і прикладної механіки Сибірського відділення Академії наук під керівництвом В. о. Струминского провели порівняльні випробування автомобільного двигуна на бензині та на водні. Аналогічні випробування в 1969 році організував доктор Роджер Дж. Шоппел з Оклахомського університету в США. Обидві групи дослідників прийшли до висновку, що звичайні двигуни чудово працюють на водні, причому їх ККД зростає, а нагрівання помітно зменшується.
У 1972 році в США проходив міжуніверситетський конкурс на кращу конструкцію міського автомобіля. 63 машини на різноманітному пальному були випробувані на чистоту відпрацьованих газів. Перше місце зайняв «фольксваген» на водневому паливі. Відпрацьовані гази виявилися чистіше міського повітря, що засмоктується в карбюратор!
Дослідження щодо застосування водню в якості палива в авіації показали, що завдяки його підвищеної калорійності стане можливо створювати пасажирські і транспортні літаки з надзвуковою швидкістю в 10 - 12 тисяч кілометрів на годину. Крім того, можна буде зменшити злітна вага літаків або збільшити комерційну завантаження...
Отже, ідеальне паливо існує. І питання полягає лише в тому, як його простіше добути, як організувати найбільш ефективне і економічне виробництво. Зараз водень отримують головним чином хімічним шляхом з вуглеводневих палив. Розроблений же промисловий спосіб отримання водню з води - електроліз, тобто розкладання її електричним струмом на водень і кисень, хоч і простий, але надзвичайно доріг, малоефективний, використовується в незначних масштабах. Проте зауважимо, що варто електролізний водень всього в два рази дорожче бензину.
Проект «Фотоводород» тому і є самим привабливим і перспективним з способів виробництва водню, що для нього необхідні всього-навсього рослини і Сонце. Отже, як ми можемо зрозуміти, генеральна ідея в тому, щоб використовувати для отримання водню природний, налагоджений мільйонами років еволюції життя процес фотосинтезу.
Цей настільки схожий на чисту фантастику проект спочиває на міцній науковій основі. Більше того, він вже почав здійснюватися, і досить стрімкими темпами. Ось основні віхи його короткої історії. Перша нарада, де тільки ще ставилося питання про можливості використання біологічних, і зокрема фотосинтетичних процесів для отримання палива, відбулося в жовтні 1972 року в США в університеті штату Теннессі, і брало участь у ньому всього 50 чоловік. Обговорювали вони різні можливості, але основну увагу було приділено «водневого варіанту».Менше ніж через рік послідувало друге нарада (вересень 1973 року, штат Меріленд), на якому вчені-фотосинтетики підтвердили, що роботи з отримання водню з допомогою рослин можуть виявитися перспективними. Був намічений коло першочергових завдань, пов'язаних з вивченням тонкощів механізму і хімізму природного фотосинтезу.
У серпні 1975 року зібрався новий Міжнародний симпозіум, на цей раз у нашій країні, в Пущино-на-Оке. Характерно, що проблему створення нових джерел енергії та паливних елементів з допомогою природних процесів обговорювали на цьому симпозіумі не тільки біологи, біохіміки, але хіміки і електрохіміки, енергетики, економісти, інженери-технологи і навіть фізики-теоретики. І тепер, спираючись на думку найбільших авторитетів, можна вже впевнено сказати: ідея здійсненна, хоча труднощів попереду чимало.Реальні шляхи технологічного втілення нових проектів і нових розробок намітив Міжнародний симпозіум «Біоконверсія сонячної енергії», що відбувся у червні 1983 року теж в Пущино-на-Оке.
Не вдаючись більш в складності фото-хемио-ферментативно-електронних реакцій, сильно спрощений фотосинтетичний процес отримання водню можна представити так.
Щоб змусити листя, траву, хлореллу виконувати нову для них роботу - витягати з води, крім кисню, ще й молекулярний водень, що треба рішуче втрутитися у «технологічний процес» складного природного светохимокомбината. Але раніше всього треба отримати з цих листя «робочу масу», тобто виділити і накопичити хлоропласти. Це вчені вже вміють. І навіть більше того. Вони, як ми згадували, обганяють природу в «довгожительстві». Продовжують природні можливості хлоропластів залишатися свіжими.Поки, правда, не дуже надовго, але, у всякому разі, на багато разів більше, ніж відпустила їм природа. Адже при промисловому виробництві важливо, щоб вихідна сировина збереглося довше, не вимагало заміни.
Керований людиною промисловий фотосинтез, на відміну від того, що відбувається в природі, буде зупинятися на потрібній стадії. Саме на тій, коли в хлоропластах утворюються дуже сильні органічні відновники і окислювачі, здатні розкладати воду, віднімаючи у її молекули «мандрівний» електрон". При цьому з'являються сполуки, на які можна впливати біологічними каталізаторами - ферментами, у рослинному організмі - ензимами. Ми з ними вже зустрічалися при знайомстві з біохімією та генною інженерією.Під дією ферментів можна буде виділяти і відбирати водень, а також, як «побічний продукт», кисень. Якщо навіть кисень просто залишити в спокої, щоб він міг вільно виділятися в атмосферу, в цьому теж не буде нічого поганого. До речі, таке виробництво не чуже і природи: давно виявлено, що деякі види мікроорганізмів - бактерії, зелені та пурпурові мікроводорості - під дією світла активно виробляють водень.
У звичайній хімічної колбі - золотисто-жовтий, немов увібрав фарби сонячних променів, порошок. Цей порошок - живий. Це в чистому вигляді активний білок - фермент гідрогеназа. До того як потрапити в колбу, він пройшов довгий шлях.У лабораторії Інституту фотосинтезу АН в Пущино-на-Оке Іван Миколайович Гоготов, керівник однієї з груп в проекті «Фотоводород», може показати резервуари, де вирощують бактеріальну масу, величезні ферментери, центрифуги, де її подрібнюють, розчиняють, осаджують і в атмосфері аргону при температурі 4 градуси Цельсія руйнують з допомогою ультразвуку, щоб не окислилися активні центри ферментів. Потім ці подрібнені бактерії прогрівають до 75 - 80 градусів Цельсія, щоб осадити нестійкі до високих температур білки.Наступні етапи хімічні та фізичні: хромотография, електрофорез і, нарешті, ось вона - чиста золота промислова гідрогеназа.
І. Н. Гоготов займається цією проблемою з 1965 року, почав ще на біологічному факультеті МДУ під керівництвом професора Е. Н. Кондратьєвої, теж учасниці проекту, президента Всесоюзного мікробіологічного суспільства. Вони працюють у співдружності з хімічним факультетом МДУ, з групою С. Д. Варфоломеєва і самим великим ентузіастом, одним із творців і керівників проекту, директором Інституту біохімії імені Баха академіком АН В. В. Березіним, лауреатом Ленінської премії 1982 року.
Під керівництвом Березина хіміки вивчають живі білки - ферменти з метою використати їх в різних галузях промислового виробництва. Так, саме промислового, оскільки союз техніки з природою відкриває дуже цікаві і перспективні можливості перебудови виробництва, та і не тільки виробництва. Але перш ніж познайомитися з новими функціями ферментів та їх побратимів - ензимів, повернемося ненадовго до проблеми «водень - паливо».
Згадавши, що природа виробляє водень за допомогою бактерій під дією світла, не можна забувати, що подібні процеси теж відбуваються при важливих для нас перетвореннях і утвореннях водородосодержащих газу - метану, також найціннішого пального. Адже як рослинні клітини, так і мікроорганізми є настільки універсальними природними фабриками, що здатні при відповідній обробці задовольнити практично всі потреби людини, починаючи від ліків і рекомбінацій генів і кінчаючи харчовим білком і енергією.
Вчені справедливо стверджують, що весь кругообіг життя на нашій рідній планеті багато в чому залежить від невтомної діяльності самих крихітних мешканців - мікроорганізмів. Розкладаючи мертві тіла тварин і рослин, мікроорганізми попутно повертають в атмосферу 90 відсотків всієї двоокису вуглецю! Підраховано, що якщо б цей процес припинився, то через сто років кількість вуглецю в повітрі впала б до нуля. Це значить - став би неможливий ріст рослин. А без рослин відразу ж припиниться і надходження кисню. Така нерасторжимая взаємозв'язок подій в природі...
Припускають, що саме мікроорганізми були першими живими господарями Землі. З незліченної безлічі видів і форм цих крихітних істот найбільш древніми вчені вважають так звані «метанобразующие бактерії». На відміну від багатьох своїх побратимів, вони не потребують кисню, харчуються воднем і вуглекислотою. Між тим фахівці сходяться на думці, що Земля в її ранній юності - в перший мільярд років існування - була оточена атмосферою, що складалася головним чином з вуглекислого газу і водню, а вільний кисень практично відсутній.
Право метанобразующих на звання попередників живого підтверджує і спосіб життя їх нинішніх побратимів. Вони мешкають в мулистих відкладах на дні морів і океанів, у мороці боліт, в гарячих мінеральних джерелах, у рубці жуйних тварин та в інших настільки ж недоступних для дихають киснем істот місцях. Ця група бактерій - одна з найбільш загадкових і мало вивчених - надзвичайно різноманітна за зовнішнім виглядом і настільки сильно розрізняється будовою спадкового апарату, що, за свідченням відомого мікробіолога Р. А. Заварзіна, важко деколи навіть об'єднати їх.Тим не менш фізіологічні процеси у всіх видів групи схожі.
Але метанобразующие бактерії приваблюють нині пильну увагу вчених не тільки своїм фізіологічним і біохімічним своєрідністю. Вони виявилися надзвичайно цікавими з практичної точки зору. Перш за все, їх головна особливість - виробляти в процесі обміну речовин метан. А цей добре відомий горючий газ і самостійно, і в суміші з іншими вуглеводнями служить найважливішим паливом, місцезнаходження, об'єм і возобновимость запасів якого представляють насущний інтерес для народного господарства.
Так шляхи мікробіології перехрестилися з пошуками геологів, енергетиків, екологів...
Почнемо з земних глибин. Що робили, роблять і можуть зробити метанобразующие в надрах нашої планети? У пошуках відповідей на ці кардинальні питання співробітники Інституту біохімії й фізіології мікроорганізмів Наукового центру біологічних досліджень АН в Пущино-на-Оке, як і мікробіологи інших інститутів, зробили не одну експедицію, брали проби донних відкладень з болотних глибин і з вогняного жерла камчатських вулканів, з товщі нафтових свердловин і пластових вод покинутих копалень.
- Підходи до геохімічної та екологічної діяльності анаеробних, тобто безкисневих, мікроорганізмів дуже не прості,- розповідає заступник директора інституту, керівник лабораторії біогеохімії. М. В. Іванов.- Навіть елементарне визначення чисельності тих чи інших мікроорганізмів, що беруть участь в утворенні найважливіших корисних копалин, неможливо в лабораторії. Тому ми вивчаємо ефективність їх діяльності в природному середовищі.
На основі фундаментальної теорії біологічної освіти метану, створеної академіком Ст. Л. Омелянским і членом-кореспондентом АН С. В. Кузнєцовим, радянським і закордонним мікробіологам вдалося виявити важливі факти. Насамперед вони встановили провідні природні реакції утворення метану з водню і вуглекислоти. Не вдаючись у подробиці, скажемо лише, що їх дві: реакція розкладання оцтової кислоти та синтезу водню.Відзначимо також, що якщо використовувати обидві ці реакції для утворення метану хімічним шляхом на промислових підприємствах, необхідно підігрівати сировину до 500 - 600 градусів Цельсія. Мікроби, що працюють при звичайній кімнатній температурі і навіть нижче - до нуля градусів.
Виявивши реакції, вдалося підрахувати і «лроизводительность праці» бактерій. Іншими словами, стало можливо кількісно визначити, за який час в природних екологічних системах відбувається утворення покладів метану, в тому числі і промислових.
Така оцінка процесів, що відбуваються в надрах Землі від стародавності до наших днів, дозволяє пролити світло на таємниці створення природних родовищ взагалі. Виявляється, у водоймах, у молодих геологічних породах, в донних відкладах утворилися з допомогою мікробів і можуть і зараз, на наших очах, утворюватися нові промислові поклади метану. С. В. Кузнєцов довів також, що біологічні процеси утворення метану постійно відбуваються і в нафтових покладах.
Геохіміки 3. М. Галімов, В. С. Лебедєв та інші, аналізуючи відомі газові родовища, встановили, що багато з них створені мікробами.
Не менш важливо й інше відкриття наших вчених. Завжди вважалося, що пошуки промислових покладів метану в донних відкладах озер, морів і океанів безперспективні. Метан - летючий газ. І ніяких його скупчень, тим більше промислових, на невеликих глибинах чекати не можна. Але ось при експлуатації магістральних газопроводів помітили, що пропускна здатність самих високоякісних труб швидко падає. Довелося зупинити потік і розкрити труби. Здивуванню не було меж, коли всередині виявили... сніг. При плюсовій-то температурі!
Ретельні наукові дослідження встановили несподіваний факт: виявляється, метан при тиску вище 35 атмосфер і температурі трохи нижче плюс 4 градуси Цельсія може випадати у вигляді кристалів, входячи в з'єднання з водою. До реєстру Комітету у справах винаходів і відкриттів було внесено нове, невідоме раніше явище природи, а геохімікам і геологам довелося змінювати свої уявлення про летючість метану. Саме газ може стати твердою речовиною, причому зовсім не в якихось особливих, екзотичних умовах, значить, доцільні пошукові роботи в місцях, де природа сама забезпечила.Зараз йде спеціальний пошук в морських водоймах. Наприклад, повним ходом розгорнуті роботи на Каспійському морі - там на дні багато органічних залишків, температура і тиск відповідні, де було попрацювати метанобразующим організмам.
А тепер можна, спираючись на тверду наукову грунт, помріяти і про перспективи. Що, якщо спробувати підвищити продуктивність праці» бактерій? Якщо цілеспрямовано допомагати їм у створенні нових промислових родовищ? Проблема не настільки фантастична, як може здатися на перший погляд. Пригадаємо - колись була відкрита цвіль - пенициллиум нотатум,- вона давала всього 20 одиниць пеніциліну на міліметр. Завдяки «одомашнення» цих мікроорганізмів вдалося підвищити продуктивність в тисячу разів.
До речі, вплив на процеси біологічного метанообразования вже розглядаються практиками. Цілі дуже привабливі: збільшити віддачу нафтових родовищ. Інтенсивне утворення метану в пластової рідини дозволить знизити її в'язкість, дасть можливість викачати на поверхню набагато більшу кількість нафти.
Усього цього було б цілком достатньо, щоб берегти і вивчати крихітних трудівників. Але, виявилося, за їхніми здібностями та можливостями людської фантазії важко наздогнати. За мільярди років існування життя змусила їх навчитися куди краще пристосовуватися до мінливих умов, ніж всіх інших мешканців планети. І тепер, коли перед людством не менш гостро, ніж енергетична і сировинна, постала проблема захисту навколишнього середовища, доведеться також звернутися за допомогою до мікроорганізмів.Вони нині використовуються у всіх головних способи очищення стічних вод - в обробці активним мулом, фільтруванні і бродінні. Щоправда, всі ці процеси йдуть в присутності кисню і мають суттєві недоліки. Здається куди привабливішим спосіб метанового бродіння, схожий з повільною очищенням, відбувається природним шляхом у річках. Із-за дорожнечі він застосовується лише для розкладання надлишкового мікробного білка.
- У закритих метантанках бактерії переробляють будь-які органічні відходи і жирні кислоти, а метанобразующие перетворюють їх в метан і вуглекислий газ,- розповідає член-кореспондент АН Р. А. Заварзін, керівник лабораторії в Інституті мікробіології АН.- Недолік цього способу в його тривалості. Однак колосальну перевагу в тому, що понад 80 відсотків енергії, що міститься в органічних речовинах стічних вод або відходів, вдається витягти у вигляді метану, а його легше використовувати і для побутових цілей, і як моторне паливо...Американські вчені підрахували, що якби всі стічні води США піддавалися метанової ферментації, це дозволило б задовольнити три відсотки енергетичних потреб країни. До речі, метан не забруднює природу, а опади метантанков зберігають азот і фосфор і можуть служити прекрасним добривом.
В Інституті мікробіології і інших наукових установах аналогічного профілю вивчають також роль мікроорганізмів у формуванні складу атмосфери. Зокрема, в лабораторії члена-кореспондента АН С. В. Кузнєцова було доведено, що окиснення бактеріями металів, наприклад марганцю, являє собою спосіб захисту від кисню.
Крім кисню і водню, в атмосферу Землі входить азот та його оксиди, інертні і вуглекислий гази. Так от з'ясувалося, що з усіх живих істот на Землі тільки мікроорганізми здатні залучати в свій обмін метан, водень, молекулярний азот, закис азоту, чадний газ і утворювати сполуки, які вже в змозі засвоювати рослини і тварини.
Це наштовхнуло вчених на думку, що в долі багатьох мікрокомпонентів атмосфери можуть брати діяльну участь особливі групи бактерій. По всій видимості, вже з'явилися і розмножилися мікроорганізми, здатні переробляти гази, викинуті в атмосферу промисловими підприємствами і автотранспортом. Зокрема, до них можуть ставитися метанокисляющие і живуть з ними в співдружності водневі бактерії. Підтвердилося, що навіть такий суто технічний продукт, як окис вуглецю, може бути видалений групою карбоксидобактерий, вивчених в лабораторії Заварзіна.Це вже виходить далеко за рамки суто мікробіологічних проблем... Академік Е. Н. Мішустін вважає, що вже не здається нерозв'язною проблема видалення з води і ґрунту азоту, що потрапляє туди з надлишками добрив, так і засвоєння азоту безпосередньо з атмосфери, як ми вже знаємо, може здійснюватися з допомогою бактерій...
«Дуже рухливі крихітні тваринки», як назвав їх винахідник мікроскопа Антоні Ван Левенгук, щорічно пожирають і переробляють таку кількість органічної речовини, що відповідає сумарній продуктивності всіх тварин і рослин нашої планети. І, хочемо ми цього чи ні, вони все ще побивають за розмахом і винахідливості своєї діяльності навіть самої людини. Тому мікробіологія - наука, яка вказує шлях до «приручення» самого древнього і таємничого і самого численного населення нашої планети,- стає зараз найважливішим нашим помічником.
|
| Категорія: Наука і техніка | Додав: 28.09.2016
|
| Переглядів: 625
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
