Очень трудно найти точные слова, чтобы выразить то, что кто-то удачно назвал «обыденным невероятным». Невольно тянет пофилософствовать, порассуждать о том, какие скачки делает современная наука и как наивны и по-детски безыскусны были сказочники, которые не дерзали мыслить далее семиголовых драконов, вечно молодых красавиц, сфинксов и кентавров, а в эпоху НТР - двойников из пластика.
Да что там сказочники! До сих пор выведение новой, улучшенной породы животных или селекция ценного сорта злака кажется чудом человеческого умения. На это уходят годы и годы самоотверженного труда. Целые жизни энтузиастов и подвижников. А теперь, ну, может, не сию минуту, может, через пять, пятнадцать или пятьдесят лет любой прилежный студент биологического факультета сумеет создать какую угодно форму жизни, капнув из пипетки в пробирку нужный ген.
Вероятно, именно скачки в человеческом познании и умении и есть то, что мы понимаем под термином «научно-техническая революция», когда как бы вдруг меняются восприятия, безгранично раздвигаются данные природой возможности, и перед человеком открываются новые, неожиданные горизонты.
Что и говорить, биологические науки развиваются столь стремительно, что многие привычные представления отбрасываются как устаревшие, и уже на протяжении жизни одного поколения их сменяют поистине ошеломляющие новинки. Люди столетиями совершенствовали технику и технологию, используя то, что придумывали сами. Они создали для своих удобств «вторую природу» - искусственный мир стали и пластмасс, машин и электроники. Но все равно, даже на самом высоком уровне научно-технического прогресса, они нуждаются, как и их первобытные, не знавшие огня предки, в пище, созданной природой. И нет пока ни одного синтетического продукта, который мог бы выдержать конкуренцию с натуральным зерном, молоком, мясом, фруктами. Усилия современного человека были направлены на то, чтобы как-то заставить природу подчиниться ритму, по которому работает, скажем, завод или фабрика. Например, в промышленно развитых странах скот находится круглый год в стойле, не зная, что такое естественное пастбище, трава на лугу. Зачем это надо? Да чтобы не зависеть от урожая трав, от количества витаминов в них, чтобы можно было ускорить рост и прибавку в весе животных, давая им постоянно строго отмеренное количество пищи. На птицефабриках вместо наседок высиживают цыплят электрические «мамы». Селекция создает высокоурожайные, не боящиеся засух и холодов сорта злаков...
И все же, несмотря на все технические ухищрения, мы продолжаем зависеть от капризов погоды и климата, от естественных сроков созревания, от десятков и сотен других, навязанных природой условий. Да и как разумно и научно ни вести хозяйство, неизбежно когда-нибудь настанет момент «предела». Урожай достигнет максимума, отмеренного природой, и ни удобрения, ни микроорганизмы, ни искусственное орошение не дадут уже больше заметного эффекта. Так что же, остановиться на этом? Притормозить прогресс?
А если попробовать начать все по-новому? На основах, подсказанных современной биологией? Разве нужна какая-то особая фантазия, чтобы представить себе, как не на поле, а на заводе из нескольких клеток пшеницы с направленными наследственными свойствами выращивают килограмм зерна, уже очищенного от оболочки, удобного для обработки? Это тем легче представить, если принять во внимание, что успешные опыты по выращиванию из отдельных клеток ткани корнеплодов - моркови, картофеля - уже ведутся во многих научных учреждениях, например в Институте физиологии растений АН в Москве под руководством члена-корреспондента АН Раисы Григорьевны Бутенко.
Разве нельзя, наконец, помечтать о том, как в один прекрасный день будут созданы биологические машины не из пластика и металла, а из живых организмов? Если люди овладеют секретом, с помощью которого природа, далеко превосходящая человека в своих творениях, создает все эти живые организмы, почему бы не перенять ее мастерство и не только научиться ей подражать, но пойти дальше, сознательно усовершенствовать то, что необходимо?
Почему бы не создать новую промышленность - разновидность биотехнической фабрики с биологической технологией? Не так до этого далеко, как может показаться на первый взгляд. И одним из свидетельств этому могут служить «побочные профессии» главного жизнетворящего процесса на Земле - фотосинтеза. Процесса, превращающего, образно говоря, солнечный свет в живую ткань и жизненную энергию. И не просто превращающего, но и запасающего ее впрок. Мы уже вспоминали в связи с нехваткой ископаемого топлива, угля, нефти, что фактически это энергия Солнца, накопленная в кладовых природы с помощью когда-то живших и умерших растений и растительных организмов.
Уникальная находка Природы, создавшей зеленое растение, служит началом длинной цепи событий на Земле: растение не только само живет запасенной энергией, ее потребляет с помощью растений все живое - от бактерий до человека, а отходами реакции фотосинтеза - кислородом - мы дышим. В общем, зеленые растения сделали нашу планету тем, что она есть. Укутали ее атмосферной шубой, защитив от губительных космических бурь, напоили живительным кислородом, заполнили подземные кладовые горючими ископаемыми, дали еду и одежду ее обитателям.
Ученые подсчитали, что «зеленые фабрики» Земли, преобразуя солнечный свет в процессе фотосинтеза, ежегодно усваивают 150 миллиардов тонн углекислого газа, одновременно выделяя в окружающую среду 120 миллиардов тонн кислорода, и «вырабатывают» около 450 миллиардов тонн органических веществ.
Не так, однако, просто сотворить жизнь из солнечного света. Но возможно. Вот как выразил эту мысль ученый. «Лист, в котором мы признали уже единственную лабораторию, где заготовляется органическое вещество на оба царства природы,- писал К. А. Тимирязев,- тот же лист и в том же самом процессе усвоения углерода запасает энергию солнечного луча, становится таким образом источником силы, проводником тепла и света для всего органического мира».
Могучий процесс животворения - фотосинтез - издавна привлекал внимание ученых. Наверное, нет таких разделов биологии, которые не имели бы в той или иной степени отношения к этой проблеме. Со всех точек зрения заманчиво воспроизвести это таинство природы и в лаборатории, и в промышленности, научиться ускорять или замедлять его по своему желанию; в тот миг, когда в пробирке из света, воды и углекислого газа удастся создать «кусочки сахара», людям никогда не придется больше опасаться голода, холода, энергетического кризиса...
Но процесс в зеленом листе загадочный и странный. Он одновременно и обыденный, и невероятно сложный. Казалось бы, что проще роста травы? Есть даже поговорка: «Растет как трава», то есть без всякого ухода и внимания. А между тем «сфинкс» фотосинтеза продолжает оставаться удивительным и непостижимым, и для науки нет более заманчивой задачи, чем разгадать его.
Фотосинтез - значит «соединение с помощью света». Формула процесса по частям почти вся воспроизведена в пробирках. Установлено или, по крайней мере, предполагается почти все, что происходит при этом с точки зрения химии и физики, молекулярной биологии и биохимии, биофизики и даже квантовой механики. Формула, казалось бы, проста, как кулинарный рецепт, и все стадии отрабатываются в науке десятки лет, но... «готовый пирог» по ней пока получается только у природы. Почему? Да потому, что простота эта кажущаяся. А природа устроила все весьма хитро и сложно. Например, такой вопрос, как строение хлоропластов. Это так называемые органеллы живой клетки, загадочные образования, в которых, собственно, и идет с молниеносной быстротой процесс фотосинтеза. Хлоропласты в клетке похожи на модные сейчас мозаичные картины: огромный глаз составлен из точно таких же маленьких глазков. Так и в хлоропластах есть все, что есть у клетки, даже ДНК. Зачем она им? Зачем каждой детальке повторять сложность целого? Важно ли это с точки зрения фотосинтеза или это просто какой-то «пережиток» эволюции? Пока не ясно, несмотря даже на нынешнюю изощренную технику приготовления тканевых срезов, несмотря на электронные микроскопы, разглядывающие объекты диаметром в миллионную долю миллиметра, на рентгеноструктурный анализ.
Или возьмем заполняющий хлоропласты хлорофилл - редкостное вещество ярко-зеленого цвета, с которого все и начинается. Когда на хлорофилл падает фотон - порция света,- он преображается, заряжаясь энергией. Как это происходит? Пока не совсем ясно. По современным данным, хлорофилл включается в работу не отдельной молекулой, а целым агрегатом из сотен молекул - фотосинтетической единицей. Световая энергия, поглощенная любой из молекул, передается в особое соединение, состоящее из хлорофилла и других красящих веществ, белков, жироподобных образований - липидов - и особым образом связанной воды. Это соединение получило название «реакционный центр». В сравнении со всей массой хлорофилла, содержащегося в зеленом растении, в «реакционный центр» входит очень немного. Получается, что основной хлорофилл лишь собирает энергию солнечного света, а за ее превращение в энергию химических связей отвечают лишь немногие молекулы-«специалисты». Если организм почему-либо теряет способность создавать «реакционные центры», он не в состоянии и вести фотосинтез.
В самое последнее время выяснились любопытнейшие вещи. Оказывается, хлорофилл и другие пигменты клетки способны передавать друг другу полученную от света энергию, как бы «подзаряжая» один другого. В этом процессе участвует «странствующий» электрон. При поглощении порции света - фотона - молекула хлорофилла выделяет его, а другие молекулы то присоединяют, приходя в возбужденное, заряженное состояние, то отдают. Лишенные «своего» электрона или с добавочным «чужим» электроном, молекулы становятся бурно активными и вступают в различные реакции даже с инертными веществами, прежде всего с водой. Возбудив всю цепочку веществ и заставив ее вступить во взаимодействие друг с другом, электрон, отнятый у хлорофилла, в конце концов вновь к нему возвращается. Правда, эта успешно восстанавливаемая в опытах цепь получена на заменителях хлорофилла. Сам он работать и выполнять все свои жизненные функции в пробирке пока отказывается. Но все же это очень важные сведения. Нет еще у ученых единого мнения и о самом механизме переноса электрона от хлорофилла к последующим «потребителям», то есть о так называемой электронно-транспортной цепи. И нет еще пока прямых научных доказательств того, как при фотосинтезе выделяется кислород. Многие ученые полагают, что это «отход», получаемый при разложении воды агрессивным хлорофиллом. Но есть и другие гипотезы, например предположение, что кислород возникает при реакции хлорофилла с углекислотой.
В общем, сложностей и неясностей еще много, но мы все же не зря потратили время на беглое знакомство с некоторыми из них. Дело в том, что в этой сложнейшей проблеме процесс познания сопровождается процессом освоения. Они идут одновременно и помогают друг другу. Помните, как у Гёте: «Узнавать, чтобы применять»? И в познании секретов работы мозга, и в тайне фотосинтеза вовсе не обязательно дожидаться, пока абсолютно все станет ясно. Можно использовать то, что есть. Этим, собственно, и руководствовались ученые из Института фотосинтеза Академии наук, что в Пущино-на-Оке, когда вместе с химиками Московского государственного университета имени Ломоносова создали один из самых увлекательных проектов наших дней - «Фотоводород». И не только создали, но приступили к его реализации.
Цель проекта в том, чтобы подобрать биологические системы, которые будут преобразовывать солнечную энергию, используя ее для извлечения из воды не только кислорода, но и водорода. Все, что к сегодняшнему дню удалось узнать о механизме фотосинтеза, о тайнах химического и биологического катализа, используют для воплощения этой фантастической идеи в реальную модель. Правда, для этого придется не просто повторить в самых тонких проявлениях, но и существенно улучшить природный процесс жизнетворения, заставить его работать по принципу промышленного предприятия - производить в нужном количестве те продукты, которые заказал человек: не листья и стебли или плоды и клубни, а газ водород.
Почему нужен именно водород? Ведь на первый взгляд кажется, куда проще поначалу использовать аппарат фотосинтеза, увеличив его коэффициент полезного действия хоть на несколько процентов для выращивания высокоурожайных растений. Потом можно даже перерабатывать эту массу углеродных соединений в жидкое или газообразное топливо. Такие проекты разрабатываются, в частности, в США. Однако сама переработка технически очень сложна, связана с большими потерями энергии, обходится дорого и, если вести речь о больших масштабах, экономически невыгодна.
Куда привлекательнее получать сразу чистый водород - горючий газ, у которого множество преимуществ. Это самое лучшее, можно сказать, идеальное топливо, не уступающее высококачественному бензину, но отличающееся от любых других его видов особой чистотой.
Давайте задумаемся, каким мы хотели бы видеть идеальный источник энергии. Наверное, прежде всего желательно, чтобы он был неисчерпаем. Второе требование - относительная дешевизна. Простыми и экономичными должны быть способы добычи, транспортировки и использования. И, наконец, главное - идеальное горючее должно быть абсолютно безвредным для нас и окружающей среды.
Может показаться, что требования эти непомерны и наше идеальное горючее не более чем мечта или, как мы уже говорили,- само Солнце. А между тем оно клокочет в недрах звезд, и ему мы обязаны счастьем жить. Это горючее - именно водород, стоящий под номером один в списке элементов Вселенной.
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, сопоставимую с убылью примерно 4 миллионов тонн массы. Такую мощь трудно себе представить. Даже при самом сокрушительном термоядерном взрыве в энергию превращается всего около килограмма вещества. Солнце наполовину состоит из водорода. Его в 5 раз больше, чем гелия, и в 10 000 раз - чем всех металлов, вместе взятых. Он расходуется не только как горючее, но и как «сырье» для производства новых химических элементов. Все элементы Вселенной несут в себе водородные ядра - протоны. Таким образом, это не просто горючий газ, а удивительный мост между микро- и макромиром, соединяющий мир элементарных частиц с миром элементов. В земной коре из каждых 100 атомов - 17 водородных, хотя в свободном состоянии этот легчайший из газов практически не встречается. Но он вездесущ, поскольку входит в состав воды, минералов, угля, нефти, живых существ. Можно сказать, что мы живем в водородной Вселенной. Без этого вездесущего газа погасло бы Солнце, испарились океаны, исчезла всяческая жизнь. Водород не просто входит в состав белков. Особые водородные связи ответственны за самые тонкие процессы жизни: передачу наследственных признаков генетическим аппаратом, сокращение наших мышц, усвоение пищи. Без водорода мироздание погрузилось бы в вечную тьму и холод: ведь в бесчисленных солнцах Вселенной пылает все тот же вездесущий водородный костер. Наверное, недаром природа избрала на роль универсального горючего и строительного материала именно это простейшее из веществ.
Посмотрим, насколько водород соответствует нашим понятиям об идеальном горючем. Запасы его, как мы знаем, практически безграничны. Это самый распространенный элемент Вселенной. На Земле его можно получать из обычной воды. Из всех известных видов топлива водород - самое энергоемкое. По энергоемкости на единицу веса он в 2,5 раза превосходит природный газ, в 3,3 - углеводороды нефти, в 6,6 - метанол, в 8,3 - природный продукт фотосинтеза целлюлозу.
Наконец, водород - топливо, абсолютно не загрязняющее окружающую среду. Практически единственным продуктом его сгорания является вода. Получается замкнутый, почти идеальный топливный цикл.
По мнению академика В. В. Струминского, водород может быть широко использован в качестве горючего на всех видах транспорта, а также для отопления городов, производства электричества, в черной металлургии, химической промышленности. Разумеется, существуют и некоторые трудности. Например, применение жидкого водорода на транспорте потребует увеличения топливных баков почти в три раза. Более того, чтобы сохранить этот быстро испаряющийся газ при повышении температуры, потребуется сверхэффективная теплоизоляция. Но эти чисто технологические задачи вполне разрешимы. Так, экранно-вакуумная изоляция уже производится серийно в ряде стран и отлично обеспечивает долгую сохранность жидкого водорода в топливных баках для грузовых машин и автобусов.
Еще в 1968 году в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Академии наук под руководством В. В. Струминского провели сравнительные испытания автомобильного двигателя на бензине и на водороде. Аналогичные испытания в 1969 году организовал доктор Роджер Дж. Шоппел из Оклахомского университета в США. Обе группы исследователей пришли к заключению, что обычные двигатели прекрасно работают на водороде, причем их КПД возрастает, а нагрев заметно уменьшается.
В 1972 году в США проходил межуниверситетский конкурс на лучшую конструкцию городского автомобиля. 63 машины на разнообразном горючем были испытаны на чистоту отработанных газов. Первое место занял «фольксваген» на водородном топливе. Отработанные газы оказались чище городского воздуха, который засасывается в карбюратор!
Исследования по применению водорода в качестве топлива в авиации показали, что благодаря его повышенной калорийности станет возможно создавать пассажирские и транспортные самолеты со сверхзвуковой скоростью в 10 - 12 тысяч километров в час. Кроме того, можно будет уменьшить взлетный вес самолетов или увеличить коммерческую загрузку...
Итак, идеальное топливо существует. И вопрос заключается лишь в том, как его проще добыть, как организовать наиболее эффективное и экономичное производство. Сейчас водород извлекают главным образом химическим путем из углеводородных топлив. Разработанный же промышленный способ получения водорода из воды - электролиз, то есть разложение ее электрическим током на водород и кислород, хоть и прост, но чрезвычайно дорог, малоэффективен, используется в ничтожных масштабах. Тем не менее заметим, что стоит электролизный водород всего в два раза дороже бензина.
Проект «Фотоводород» потому и представляется самым заманчивым и многообещающим из способов производства водорода, что для него необходимы всего-навсего растения и Солнце. Итак, как мы можем понять, генеральная идея в том, чтобы использовать для получения водорода естественный, отлаженный миллионами лет эволюции жизни процесс фотосинтеза.
Этот столь похожий на чистую фантастику проект покоится на прочной научной основе. Более того, он уже начал осуществляться, и весьма стремительными темпами. Вот основные вехи его короткой истории. Первое совещание, где только еще ставился вопрос о возможности использования биологических, и в частности фотосинтетических, процессов для получения топлива, состоялось в октябре 1972 года в США в университете штата Теннесси, и участвовало в нем всего 50 человек. Обсуждали они разные возможности, но основное внимание было уделено «водородному варианту». Меньше чем через год последовало второе совещание (сентябрь 1973 года, штат Мэриленд), на котором ученые-фотосинтетики вновь подтвердили, что работы по получению водорода с помощью растений могут оказаться перспективными. Был намечен круг первоочередных задач, связанных с изучением тонкостей механизма и химизма природного фотосинтеза.
В августе 1975 года собрался новый Международный симпозиум, на этот раз в нашей стране, в Пущино-на-Оке. Характерно, что проблему создания новых источников энергии и топливных элементов с помощью естественных природных процессов обсуждали на этом симпозиуме не только биологи, биохимики, но химики и электрохимики, энергетики, экономисты, инженеры-технологи и даже физики-теоретики. И теперь, опираясь на мнение самых крупных авторитетов, можно уже уверенно сказать: идея осуществима, хотя трудностей впереди немало. Реальные пути технологического воплощения заманчивых проектов и новых разработок наметил Международный симпозиум «Биоконверсия солнечной энергии», состоявшийся в июне 1983 года тоже в Пущино-на-Оке.
Не вдаваясь более в сложности фото-хемио-ферментативно-электронных реакций, сильно упрощенный фотосинтетический процесс получения водорода можно представить так.
Чтобы заставить листья, траву, хлореллу выполнять новую для них работу - извлекать из воды, кроме кислорода, еще и молекулярный водород, надо решительно вмешаться в «технологический процесс» сложнейшего природного светохимокомбината. Но раньше всего надо получить из этих листьев «рабочую массу», то есть выделить и накопить хлоропласты. Это ученые уже умеют. И даже более того. Они, как мы упоминали, обгоняют природу в «долгожительстве». Продляют естественные возможности хлоропластов оставаться свежими. Пока, правда, не очень надолго, но, во всяком случае, на много раз больше, чем отпустила им природа. Ведь при промышленном производстве важно, чтобы исходное сырье подольше сохранилось, не требовало замены.
Управляемый человеком промышленный фотосинтез, в отличие от происходящего в природе, будет приостанавливаться на нужной стадии. Именно на той, когда в хлоропластах образуются очень сильные органические восстановители и окислители, способные разлагать воду, отнимая у ее молекулы «странствующий» электрон. При этом появляются соединения, на которые можно воздействовать биологическими катализаторами - ферментами, в растительном организме - энзимами. Мы с ними уже сталкивались при знакомстве с биохимией и генной инженерией. Под действием ферментов можно будет выделять и отбирать водород, а также, как «побочный продукт», кислород. Если даже кислород просто оставить в покое, чтобы он мог свободно выделяться в атмосферу, в этом тоже не будет ничего плохого. Кстати, такое производство не чуждо и природе: давно обнаружено, что некоторые виды микроорганизмов - бактерии, зеленые и пурпурные микроводоросли - под действием света активно вырабатывают водород.
В обычной химической колбе - золотисто-желтый, словно вобравший краски солнечных лучей, порошок. Этот порошок - живой. Это в чистом виде активнейший белок - фермент гидрогеназа. До того как попасть в колбу, он прошел долгий путь. В лаборатории Института фотосинтеза АН в Пущино-на-Оке Иван Николаевич Гоготов, руководитель одной из групп в проекте «Фотоводород», может показать резервуары, где выращивают бактериальную массу, огромные ферментеры, центрифуги, где ее дробят, растворяют, осаждают и в атмосфере аргона при температуре 4 градуса Цельсия разрушают с помощью ультразвука, чтобы не окислились активные центры ферментов. Потом эти дробленые бактерии прогревают до 75 - 80 градусов Цельсия, чтобы осадить неустойчивые к высоким температурам белки. Следующие этапы химические и физические: хромотография, электрофорез и, наконец, вот она - чистая золотая промышленная гидрогеназа.
И. Н. Гоготов занимается этой проблемой с 1965 года, начал еще на биологическом факультете МГУ под руководством профессора Е. Н. Кондратьевой, тоже участницы проекта, президента Всесоюзного микробиологического общества. Они работают в содружестве с химическим факультетом МГУ, с группой С. Д. Варфоломеева и самым большим энтузиастом, одним из создателей и руководителей проекта, директором Института биохимии имени Баха АН академиком И. В. Березиным, лауреатом Ленинской премии 1982 года.
Под руководством Березина химики изучают живые белки - ферменты с целью использовать их в разных областях промышленного производства. Да, именно промышленного, поскольку союз техники с природой открывает весьма увлекательные и перспективные возможности перестройки производства, да и не только производства. Но прежде чем познакомиться с новыми функциями ферментов и их собратьев - энзимов, вернемся ненадолго к проблеме «водород - горючее».
Упомянув, что природа производит водород с помощью бактерий под действием света, нельзя забывать, что подобные процессы тоже происходят при важных для нас превращениях и образованиях водородосодержащего газа - метана, также ценнейшего горючего. Ведь как растительные клетки, так и микроорганизмы являются столь универсальными естественными фабриками, что способны при соответствующей обработке удовлетворить практически все потребности человека, начиная от лекарств и рекомбинаций генов и кончая пищевым белком и энергией.
Ученые справедливо утверждают, что весь круговорот жизни на нашей родной планете во многом зависит от неутомимой деятельности ее самых крохотных обитателей - микроорганизмов. Разлагая мертвые тела животных и растений, микроорганизмы попутно возвращают в атмосферу 90 процентов всей двуокиси углерода! Подсчитано, что если бы этот процесс прекратился, то через сто лет количество углерода в воздухе упало бы до нуля. Это значит - стал бы невозможен рост растений. А без растений тут же прекратится и поступление кислорода. Такова нерасторжимая взаимосвязь событий в природе...
Предполагают, что именно микроорганизмы были первыми живыми хозяевами Земли. Из бесчисленного множества видов и форм этих крохотных существ наиболее древними ученые считают так называемые «метанобразующие бактерии». В отличие от многих своих собратьев, они не нуждаются в кислороде, питаются водородом и углекислотой. Между тем специалисты сходятся во мнении, что Земля в ее ранней юности - в первый миллиард лет существования - была окружена атмосферой, состоявшей главным образом из углекислого газа и водорода, а свободный кислород практически отсутствовал.
Право метанобразующих на звание предшественников живого подтверждает и образ жизни их нынешних собратьев. Они обитают в илистых отложениях на дне морей и океанов, во мраке болот, в горячих минеральных источниках, в рубце жвачных животных и в других столь же недоступных для дышащих кислородом существ местах. Эта группа бактерий - одна из наиболее загадочных и мало изученных - чрезвычайно разнообразна по внешнему виду и настолько сильно различается строением наследственного аппарата, что, по свидетельству известного микробиолога Г. А. Заварзина, трудно порой даже объединить их. Тем не менее физиологические процессы у всех видов группы сходны.
Но метанобразующие бактерии привлекают ныне пристальное внимание ученых не только своим физиологическим и биохимическим своеобразием. Они оказались чрезвычайно интересными с практической точки зрения. Прежде всего, их главная особенность - производить в процессе обмена веществ метан. А этот хорошо известный горючий газ и самостоятельно, и в смеси с другими углеводородами служит важнейшим топливом, местонахождение, объем и возобновимость запасов которого представляют насущный интерес для народного хозяйства.
Так пути микробиологии перекрестились с поисками геологов, энергетиков, экологов...
Начнем с земных глубин. Что делали, делают и могут сделать метанобразующие в недрах нашей планеты? В поисках ответов на эти кардинальные вопросы сотрудники Института биохимии и физиологии микроорганизмов Научного центра биологических исследований АН в Пущино-на-Оке, как и микробиологи других институтов, предприняли не одну экспедицию, брали пробы донных отложений из болотных глубин и из огненного жерла камчатских вулканов, из толщи нефтяных скважин и пластовых вод брошенных рудников.
- Подходы к геохимической и экологической деятельности анаэробных, то есть бескислородных, микроорганизмов очень не просты,- рассказывает заместитель директора института, руководитель лаборатории биогеохимии. М. В. Иванов.- Даже элементарное определение численности тех или иных микроорганизмов, участвующих в образовании важнейших полезных ископаемых, невозможно в лаборатории. Поэтому мы изучаем эффективность их деятельности в природной среде.
На основе фундаментальной теории биологического образования метана, созданной академиком В. Л. Омелянским и членом-корреспондентом АН С. И. Кузнецовым, советским и зарубежным микробиологам удалось выявить важные факты. Прежде всего они установили ведущие природные реакции образования метана из водорода и углекислоты. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что их две: реакция разложения уксусной кислоты и синтеза водорода. Отметим также, что если использовать обе эти реакции для образования метана химическим путем на промышленных предприятиях, необходимо подогревать сырье до 500 - 600 градусов Цельсия. Микробы же работают при обычной комнатной температуре и даже ниже - до нуля градусов.
Выявив реакции, удалось подсчитать и «лроизводительность труда» бактерий. Другими словами, стало возможно количественно определить, за какое же время в природных экологических системах происходит образование залежей метана, в том числе и промышленных.
Такая оценка процессов, происходящих в недрах Земли от древности до наших дней, позволяет пролить некоторый свет на тайны создания природных месторождений вообще. Оказывается, в водоемах, в молодых геологических породах, в донных отложениях образовались с помощью микробов и могут и сейчас, на наших глазах, образовываться новые промышленные отложения метана. С. И. Кузнецов доказал также, что биологические процессы образования метана постоянно происходят и в нефтяных залежах.
Геохимики 3. М. Галимов, В. С. Лебедев и другие, анализируя известные газовые месторождения, установили, что многие из них созданы микробами.
Не менее важно и другое открытие наших ученых. Всегда считалось, что поиски промышленных залежей метана в донных отложениях озер, морей и океанов бесперспективны. Метан - летучий газ. И никаких его скоплений, тем более промышленных, на небольших глубинах ждать нельзя. Но вот при эксплуатации магистральных газопроводов заметили, что пропускная способность самых высококачественных труб быстро падает. Пришлось остановить поток и вскрыть трубы. Удивлению не было границ, когда внутри обнаружили... снег. При плюсовой-то температуре!
Тщательные научные исследования установили неожиданный факт: оказывается, метан при давлении выше 35 атмосфер и температуре чуть ниже плюс 4 градуса Цельсия может выпадать в виде кристаллов, входя в соединение с водой. В реестр Комитета по делам изобретений и открытий было внесено новое, неизвестное ранее явление природы, а геохимикам и геологам пришлось менять свои представления о летучести метана. Раз газ может стать твердым веществом, причем вовсе не в каких-то особенных, экзотических условиях, значит, целесообразны поисковые работы в местах, где природа все сама обеспечила. Сейчас идет специальный поиск в морских водоемах. К примеру, полным ходом развернуты работы на Каспийском море - там на дне много органических остатков, температура и давление подходящие, было где поработать метанобразующим организмам.
А теперь можно, опираясь на твердую научную почву, помечтать и о перспективах. Что, если попробовать повысить «производительность труда» бактерий? Если целенаправленно помогать им в создании новых промышленных месторождений? Проблема не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд. Вспомним - когда была открыта плесень - пенициллиум нотатум,- она давала всего 20 единиц пенициллина на миллиметр. Благодаря «одомашниванию» этих микроорганизмов удалось повысить продуктивность в тысячу раз.
Кстати, воздействие на процессы биологического метанообразования уже рассматриваются практиками. Цели очень заманчивы: увеличить отдачу нефтяных месторождений. Интенсивное образование метана в пластовой жидкости позволит снизить ее вязкость, даст возможность выкачать на поверхность гораздо большее количество нефти.
Всего этого было бы вполне достаточно, чтобы беречь и изучать крошечных тружеников. Но, оказалось, за их способностями и возможностями человеческой фантазии трудно угнаться. За миллиарды лет существования жизнь заставила их научиться куда лучше приспосабливаться к меняющимся условиям, чем всех иных обитателей планеты. И теперь, когда перед человечеством не менее остро, чем энергетическая и сырьевая, встала проблема защиты окружающей среды, придется тоже обратиться за помощью к микроорганизмам. Они ныне используются во всех главных способах очистки сточных вод - в обработке активным илом, фильтровании и брожении. Правда, все эти процессы идут в присутствии кислорода и имеют существенные недостатки. Кажется куда более привлекательным способ метанового брожения, сходный с медленной очисткой, происходящей естественным путем в реках. Пока из-за дороговизны он применяется лишь для разложения избыточного микробного белка.
- В закрытых метантанках бактерии перерабатывают любые органические отходы и жирные кислоты, а метанобразующие превращают их в метан и углекислый газ,- рассказывает член-корреспондент АН Г. А. Заварзин, руководитель лаборатории в Институте микробиологии АН.- Недостаток этого способа в его длительности. Однако колоссальное преимущество в том, что свыше 80 процентов энергии, заключенной в органических веществах сточных вод или отходов, удается извлечь в виде метана, а его легче использовать и для бытовых целей, и как моторное топливо... Американские ученые подсчитали, что если бы все сточные воды США подвергались метановой ферментации, это позволило бы удовлетворить три процента энергетических потребностей страны. Кстати, метан не загрязняет природу, а осадки метантанков сохраняют азот и фосфор и могут служить прекрасным удобрением.
В Институте микробиологии и других научных учреждениях аналогичного профиля изучают также роль микроорганизмов в формировании состава атмосферы. В частности, в лаборатории члена-корреспондента АН С. И. Кузнецова было доказано, что окисление бактериями металлов, например марганца, представляет собой способ защиты от кислорода.
Кроме кислорода и водорода, в атмосферу Земли входит азот и его окислы, инертные и углекислый газы. Так вот выяснилось, что из всех живых существ на Земле только микроорганизмы способны вовлекать в свой обмен метан, водород, молекулярный азот, закись азота, угарный газ и образовывать соединения, которые уже в состоянии усваивать растения и животные.
Это натолкнуло ученых на мысль, что в судьбе многих микрокомпонентов атмосферы могут принимать деятельное участие особые группы бактерий. По всей видимости, уже появились и размножились микроорганизмы, способные перерабатывать газы, выброшенные в атмосферу промышленными предприятиями и автотранспортом. В частности, к ним могут относиться метанокисляющие и живущие с ними в содружестве водородные бактерии. Подтвердилось, что даже такой сугубо технический продукт, как окись углерода, может быть удален группой карбоксидобактерий, изученных в лаборатории Заварзина. Это уже выходит далеко за рамки чисто микробиологических проблем... Академик Е. Н. Мишустин считает, что уже не кажется неразрешимой проблема удаления из воды и почвы азота, попадающего туда с избытками удобрений, да и усвоение азота непосредственно из атмосферы тоже, как мы уже знаем, может осуществляться с помощью бактерий...
«Весьма подвижные крошечные зверьки», как назвал их изобретатель микроскопа Антони Ван Левенгук, ежегодно пожирают и перерабатывают такое количество органического вещества, которое соответствует суммарной продуктивности всех животных и растений нашей планеты. И, хотим мы этого или нет, они все еще побивают по размаху и изобретательности своей деятельности даже самого человека. Поэтому микробиология - наука, указывающая путь к «приручению» самого древнего и таинственного и самого многочисленного населения нашей планеты,- становится сейчас важнейшим нашим помощником.
