Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

того, чтобы всплыть на поверхность и спастись, стали бы погружаться все ниже, приближая неминуемую смерть, пока на определенной глубине не поняли бы, что способны дышать водой. Похоже на путешествие по числовой прямой: сначала числа становятся все меньше и меньше, но потом, после пересечения нулевой отметки, вновь начинают увеличиваться по абсолютной величине.

Если обитатели земных недр способны получать энергию, обращая дыхание вспять, когда накапливаются продукты их жизнедеятельности, не могут ли и люди делать то же самое? Если бы мы умели выполнять этот ловкий трюк, сдвигая величину Q так сильно, чтобы сменился знак ΔG, мы бы действительно получали достаточно энергии на пение арии, вдыхая диоксид углерода и сплевывая кусок сахара. Вот было бы круто! К сожалению, мы на это не способны. Если бы я взяла воздушный шар размером с Землю и наполнила его до предела углекислым газом, а затем добавила бы туда шесть жалких молекул кислорода и одну крохотную молекулу глюкозы, чтобы сдвинуть Q и повернуть эту реакцию, идущую с выделением большого количества энергии, в противоположном направлении, я бы все равно не смогла получить энергию от обратной реакции. Ведь даже в этом невыполнимом воображаемом эксперименте реакция все равно протекала бы в прямом направлении и сопровождалась выделением какого-то количества энергии и увеличением уже и так непомерно большого объема углекислого газа. Отрицательная величина ΔG0 для аэробного дыхания настолько велика, что при физиологически допустимых температурах и давлении никакие изменения количества реагентов и продуктов не позволят получить энергию от обратной реакции. И поэтому нам придется оставить мечту о том, чтобы поддерживать в себе силы во время марафона, откашливаясь энергетическими батончиками, синтезированными внутри нашего организма. Однако обитатели земных глубин могут это делать – по крайней мере, в своей версии марафона и энергетических батончиков.

Мы знаем, что метаногены способны на такие термодинамические перевороты, но остается вопрос: могут ли они извлекать из этого пользу и одинаково ли хорошо растут в обоих случаях? Трудно доказать, что микробы получают энергию от реакций, идущих в обоих направлениях, поскольку они ленивые и плохо растут в искусственных условиях лабораторий. В 1990-е годы удалось вывести одну культуру, которая могла дышать за счет обратной реакции, но впоследствии она была утеряна3. Относительно недавно было замечено, что метаногены удаляют метан, который только что произвели4. А когда я добываю ил на дне океана для собственных экспериментов, я нахожу одних и тех же метаногенов и там, где метан выделяется, и там, где он удаляется5. Судя по всему, живые организмы действительно научились извлекать пользу из обратимых энергетических процессов. А почему бы и нет? Ведь мы знаем наверняка: если за счет ускорения медленной реакции возможно добыть энергию, значит, где-то какие-то микробы изобрели способ это делать.

Кажется, что подобные инверсии сродни вечному двигателю, а законы термодинамики такого не допускают. Однако, поскольку эта обратимость обусловлена переменами во внешней среде, изменяющими величину ΔG, микробы не могут производить энергию бесконечно. Когда в их окружении сильно меняется концентрация химических веществ, это срабатывает как внешний толчок для маховика, который заставляет весь циклический процесс идти то вперед, то назад тысячелетиями.

Я верю, что микробы способны получать энергию за счет обратных реакций, но не все исследователи с этим соглашаются. Если вы заведете разговор на тему обратимости дыхания, многие ученые станут утверждать, что эта гипотеза ошибочна. Живые организмы просто не могут поворачивать процессы в обратную сторону и использовать для дыхания отходы своей жизнедеятельности… потому что… это кажется неразумным. К тому же это трудно проверить экспериментальным путем, поскольку изменения дыхания могут быть едва заметными, так что для проверки требуются дополнительные исследования. Однако согласно законам термодинамики такой экстремальный вариант не является невозможным. Когда речь заходит об обитателях земных недр, следует распрощаться с нашим “здравым смыслом” и заменить его законами термодинамики. Более того, поворот реакции в ту или иную сторону – не единственное решение в условиях скудного энергетического запаса. В рукаве у обитателей земных недр имеются и другие козыри.

Активизация жизни в условиях скудного энергетического запаса

При низких значениях ΔG жизнь не обязательно тягостна. В таких условиях тоже есть способы избавиться от стресса. До сих пор я говорила лишь об одном источнике энергии для жизни – о дыхании. Однако брожение тоже позволяет затащить вагончики американских горок на холм, как и дыхание. Только холм этот гораздо ниже. Подобно дыханию, брожение представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, но вместо окисления одной молекулы для восстановления другой в данном случае происходит распад одной молекулы на несколько – одни более восстановленные, другие более окисленные. При дыхании пища полностью окисляется до диоксида углерода, отдавая всю запасенную энергию, а после брожения все еще остаются богатые энергией химические соединения, такие как ацетат или этанол. Брожение отъедает один кусок пирога, а остальное убирает обратно в холодильник, чтобы другие могли потом доесть. Очень даже вежливо. Поскольку при брожении остается еда, это один из самых низкоэнергетических процессов для поддержания жизни.

Многие обитатели земных недр умеют осуществлять реакции брожения, но нам лучше всего известны процессы, происходящие в бескислородных условиях в нашем, верхнем мире, например в желудке у коров или в пивных ферментерах. При брожении сложные органические вещества распадаются на более мелкие, так что даже такие нежные существа, как мы, способны их переваривать, и именно так производят пиво, вино, йогурт, инжеру, кимчи, хлеб, натто, сыр, квашеную капусту и шоколад. Уже тысячи лет люди используют способность микробов к брожению для приготовления вкусных, питательных и алкогольных продуктов, которые хорошо хранятся.

Как и в нашем примере из предыдущей главы про химические реакции и водителей такси, эти взаимоотношения тоже можно рассматривать с точки зрения микробов. Возможно, они эволюционировали для того, чтобы мы, люди, имели больше продуктов питания и поддерживали процесс брожения, помещая микробов в специальные емкости с их любимой пищей, где им хорошо. Многие, кто начинал печь хлеб ради удовольствия, замечали, что стали выпекать все больше и больше, просто чтобы использовать закваску, даже если нет необходимости в еще одной буханке. Чья это инициатива? Микробов или пекарей?

Величина ΔG в реакциях ферментации чрезвычайно низкая6, так почему же иногда не слишком выгодные в энергетическом плане процессы оказываются такими успешными? Секрет в том, что даже с низким значением ΔG все равно можно забираться на высокие горки. Нужно только учесть фактор времени. Трюк в том, что реакции с низким энергетическим выходом нужно осуществлять очень быстро, что в нашем,