Популярно о микробиологии Бухар Михаил

Глава 25

Микробиология и космос

Человечество не останется на Земле, но в погоне за светом и пространством… завоюет все околосолнечное пространство.

К. Э. Циолковский

Исследование и освоение космического пространства связано с развитием новых научных направлений, к числу которых относится и космическая микробиология.

Изучение жизнедеятельности микроорганизмов после пребывания в космосе, возможность заноса земных бактерий на другие планеты, проникновение инопланетных микробов на Землю, методы обнаружения инопланетной жизни и, наконец, создание замкнутых экологических систем с помощью микроорганизмов — вот далеко не полный перечень задач, стоящих перед космической микробиологией.

Сейчас, когда уже никого не удивишь длительным пребыванием в космосе, стоит напомнить, что микроорганизмы стали самыми первыми биологическими объектами, на которых было проверено физиологическое действие экстремальных факторов, таких как невесомость и космическое излучение.

На первых искусственных спутниках находилась культура микроорганизмов, очень чувствительных к действию радиации. Ее использовали в качестве биологического дозиметра для измерения генетической эффективности космической радиации. Сравнивая клетки, побывавшие в космосе, с контрольными, которые оставались во время опыта на Земле, удалось установить границы поясов повышенной радиации и выбрать такие орбиты для космических кораблей с человеком на борту, на которых уровень радиации минимальный.

Выживаемость микроорганизмов в экстремальных условиях космоса поразительна. Для иллюстрации можно привести следующий факт. Когда экипажем «Аполлона-12» с Луны была доставлена кинокамера, заброшенная туда за три года до этого автоматической станцией Surveyor-3, то внутри нее обнаружили бактерии Streptococcus mitus. Помещенные в питательную среду, они ожили на четвертый день, а еще через день начали делиться. Им не повредили далекое космическое путешествие и трехгодичное пребывание на Луне. Предполагают, что микроорганизмы были внесены внутрь кинокамеры до полета, во время ремонта, а затем лиофизированы, т. е. высушены холодным вакуумом во время предполетной обработки. Исследование влияния вакуума на жизнедеятельность некоторых микроорганизмов показало, что глубокий вакуум не оказывает губительного действия на целый ряд микроорганизмов. Более того, при его комплексном воздействии, а также низких температурах некоторые виды микробов лучше сохраняются в нем, чем при нормальном атмосферном давлении. Это говорит о том, что в глубоком вакууме при низких температурах существуют вполне благоприятные условия для анабиоза, что свидетельствует о возможности доставки на другие планеты жизнеспособных представителей земной жизни. Экспериментально это предположение было подтверждено американским ученым Р. Сильверманом, доказавшим жизнеспособность земных микроорганизмов, слетавших на Луну и обратно.

Выходя за пределы Земли в экологической нише космического корабля, человек может распространить по Вселенной и входящие в ее состав микроорганизмы. Однако возникает серьезная проблема их неконтролируемого распространения, поэтому вопрос о существовании жизни на этих планетах до появления на них человека уже невозможно будет решить. Поэтому, чтобы сохранить инопланетную жизнь в ее первозданном состоянии, необходимо тщательно стерилизовать космические корабли.

О том, насколько большое значение придается этой проблеме, свидетельствует резолюция Международного комитета по космическим исследованиям (КОСПАР)^[8] о необходимости стерилизации космических аппаратов с допустимым пределом зараженности 110^-3. Эта величина означает наличие одной микробной клетки на 1000 космических аппаратов!

Однако космическая карантинная служба необходима не только для решения вопроса «Есть ли жизнь на Марсе?». Проникновение инопланетных микробов (если, конечно, они там есть!) в экологическую нишу Земли, обычно защищенную от вторжения микроорганизмов экраном атмосферы и магнитных полей, может привести к тяжелым последствиям для всего человечества. Отсутствие иммунитета к инопланетным микроорганизмам может послужить причиной массовых тяжелых заболеваний. (Трагический пример такой ситуации — смертельные случаи, наблюдавшиеся при заболевании корью у населения островов Тихого океана, которое никогда до прихода европейцев не сталкивалось с этой болезнью.) Кроме того, «чужие» микроорганизмы, даже не будучи болезнетворными, могут стать конкурентами человека и других организмов за какие-либо жизненно важные элементы, например за кислород, сыграв при этом роль злодея из повести А. Беляева «Продавец воздуха»^[9] настолько хорошо, что человечество должно будет приложить немало усилий, чтобы справиться с этим нашествием.

Вот почему космические корабли проходят строжайший микробиологический контроль перед выходом в космос и еще более строгую проверку — при возвращении на Землю.

Есть еще один важный аспект, связанный с необходимостью стерилизации космических кораблей. Известно следствие шуточного закона Чизхолма: «Все, что не может испортиться, — портится тоже». Казалось, что ракетное топливо, которое используется для вывода на орбиту космических кораблей и корректировки их движения в межпланетном пространстве, не должно попасть в сферу действия этого закона. Но такое предположение не оправдалось. Ракетное топливо тоже портится, и причиной этого могут быть микроорганизмы. Если подвергнуть его микробной атаке, то у него изменяются свойства, что может привести к непредвиденным ошибкам в траектории полета. Законсервировать ракетное топливо, спасти его от разрушительного действия микроорганизмов — одна из серьезнейших задач, стоящих перед ракетостроителями и микробиологами. От ее выполнения зависят и ювелирная точность посадки космических аппаратов на другие планеты, и возможность корректировки орбит околоземных орбитальных станций, и решение много других вопросов, казалось бы, никак не связанных с микробиологией.

Однако вернемся к вопросу о наличии микроорганизмов на Луне и других планетах Солнечной системы. Возможность существования на них жизни издавна интересовала человечество, и именно микроорганизмы с их изумительной приспособленностью к экстремальным условиям и способностью использовать в качестве источника энергии широкий спектр субстратов являются лакмусовой бумажкой для определения наличия жизни. Последние успехи космонавтики впервые позволили провести прямые исследования этого вопроса. Американские ученые Г. Тейлор, Е. Фергюссон и К. Траби провели анализ лунного вещества, доставленного на Землю в условиях полной асептики. Пр этом авторы исследовали не только грунт с поверхности, но и образцы из нижележащих слоев. Эксперименты проводили в специально оборудованном боксе, высевая тонкоизмельченные образцы грунта на различные среды. После инкубации в течение 21 дня ни на одной из испытанных сред не был обнаружен рост микроорганизмов. Однако полученные результаты отнюдь не дают однозначного ответа на поставленный вопрос. Связано ли отсутствие развития микроорганизмов с отсутствием микрофлоры в образцах лунного грунта, или полученные результаты свидетельствуют о подавлении роста микроорганизмов химическими веществами, содержащимися в испытуемых образцах, или, наконец, только подтверждают неспособность «лунных» бактерий расти на испытанных питательных средах? Ответы на эти вопросы могут быть получены после проведения дополнительных исследований.

Предварительные результаты изучения Марса с помощью автоматических станций тоже не позволяют сделать однозначный вывод о наличии или отсутствии микрофлоры на этой планете.

Человечество уже сделало первые шаги за пределы Земли. Главная особенность предстоящих космических путешествий — это их длительность. Представьте себе, что вы собираетесь в долгое космическое путешествие, пусть даже в пределах Солнечной системы. Тогда вам необходимо подумать об обеспечении экипажа не только оборудованием и скафандрами, но и воздухом, водой и пищей на весь период путешествия. Кстати сказать, полет, например, на Марс и обратно продлится около двух лет. Самый скромный запас необходимых для этого продуктов, даже если экипаж состоит всего из нескольких человек, никакой корабль не вместит, не говоря о трудностях вывода такого груза на околоземную орбиту. Выход из этого один: нужно многократно использовать продукты питания, превращая отходы вновь в продукты питания и регенерируя воздух в кабине корабля, т. е. в миниатюре воспроизводя кругооборот веществ, который существует на Земле. На нашей планете он осуществляется в течение длительного периода. Экологическая емкость Земли достаточно велика, и если в одном из звеньев не происходит полного возвращения веществ обратно в цикл, то это компенсируется их интенсивным возвратом в другом звене. В условиях космического полета, когда цикл замыкается не на всю Землю, а только на систему регенерации космического корабля, емкость которой невелика, проблема многократно усложняется. Решение этой задачи может быть обеспечено лишь за счет высокой интенсивности работы систем регенерации. Известные системы химического типа или основанные на «работе» растений по интенсивности не могут сравниться с регенерирующими системами на основе микроорганизмов.

И действительно, только с помощью микроорганизмов, поскольку они обладают высокой интенсивностью обмена, можно создать замкнутую экологическую нишу, которую и представляет собой космический корабль, способный к длительным путешествиям в космосе.

Глава 26

Микробы вытесняют бензин

…Я считаю, что подлинный переворот в энергетике произойдет только тогда, когда мы сможем осуществлять массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу, или даже более высокого качества.

Ф. Жолио-Кюри

Человеку нужна энергия для всего, чем он занимается, вплоть до самого факта его существования. Повышение жизненного уровня, дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства требуют все больше и больше энергии. Только за последние 100 лет мощности установок по ее получению возросли в 1000 раз. Остается надеяться, что в дальнейшем энергетические потребности человечества будут возрастать не так стремительно. Предварительный прогноз на ближайшие 20 лет предполагает двукратное увеличение потребности в энергии. Между тем расчеты показывают, что уже в ближайшие годы традиционных энергоресурсов, таких как уголь, нефть и газ, окажется недостаточно для удовлетворения растущих потребностей человечества. Так возникла еще одна проблема нашего времени — энергетическая.

Возьмем для примера автомобильный транспорт. Используемая им энергия составляет около половины всего ее количества, потребляемого в настоящее время человечеством.

Подумайте только: во всем мире сейчас существует 800 млн автомобилей, и по расчетам, к 2035 г. их число увеличится до 3 млрд! И вся эта прорва двигателей внутреннего сгорания поглощает массу энергии. Причем поглощает нерационально. Но дело не только в этом. Автомобильный транспорт использует продукты крекинга нефти — бензин, керосин, дизельное топливо — уникальные вещества, которые, конечно, выгоднее использовать не в качестве горючего. Еще Д. И. Менделеев говорил, что жечь каменный уголь или нефть — то же самое, что топить ассигнациями. Помимо этого, сжигание бензина и других видов топлива в двигателях внутреннего сгорания приводит к серьезному загрязнению воздуха выхлопными газами. Но несмотря на это запретить использование автотранспорта не под силу никакому правительству, и нехватка топлива, по выражению одного из комментаторов, — это нехватка навсегда. Нужны новые виды горючего, новые источники энергии.

Суть охватившего нашу планету кризиса заключается в том, что до сих пор человечество использует в основном невозобновляемые источники энергии, такие как каменный уголь, нефть и газ, запасы которых не бесконечны.

Конечно, они еще долго будут служить людям. Но уже сегодня во многих странах пытаются найти возобновляемые источники энергии, и таким поиском заняты ученые многих специальностей. По их расчетам, уже к 2100 г. в США альтернативные источники энергии будут удовлетворять 90 % всех потребностей страны. Среди проектов, призванных разрешить энергетическую проблему, есть использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, волн, приливов и даже добыча на Луне энергоресурсов в виде изотопа гелия-3, используемого в качестве топлива для термоядерных электростанций. Здесь следует заметить, что внедрение тех или иных научных достижений зависит не только от их значимости и завершенности, но и от уровня технико-экономических возможностей той или иной страны. Сейчас трудно сказать, какой из проектов окажется более перспективным. Остановимся на микробиологических подходах к решению энергетической проблемы.

В главе 9 были рассмотрены микробиологические способы получения спирта, который затем используется дрожжами для биосинтеза белка. Однако этот же спирт можно использовать в качестве топлива для автомобильного транспорта. Хотя этиловый спирт по теплотворной способности уступает бензину, зато он превосходный антидетонатор, что позволяет получать в двигателях внутреннего сгорания бльшую степень сжатия рабочей смеси и таким образом добиваться более высокого коэффициента полезного действия. Кроме того, бензин — это смесь различных углеводородов с температурой кипения от 38 до 185 °C, а спирт, как и любое индивидуальное химическое вещество, имеет строго определенную температуру кипения, что способствует стабильности работы двигателей.

Хотя спирт и кажется более дорогим продуктом, чем нефть, тем не менее цены на нефть растут, а на спирт падают благодаря разработке новых технологий с использованием дешевого сырья. Причем в некоторых случаях уже сейчас выгоднее на месте производить «дорогой» спирт, чем возить за тридевять земель «дешевую» нефть. Так и поступила Бразилия, закупив лицензию на получение спирта из растительного сырья. В 1977 г. в этой стране было произведено микробиологическим путем 1,5 млрд литров этилового спирта. К 1985 г. его производство возросло до 4–6 млрд литров. Сейчас в Бразилии около 300 фабрик по созданию биотоплива, которого в 2006 г. выработали 8 млрд литров и намерены увеличить его производство до 26 млрд литров.

Вслед за Бразилией, по праву считающейся лидером по производству биоэтанола, другие страны всерьез занялись этим направлением в энергетике. В США в 2009 г. вступила в строй одна из нескольких фабрик по производству этанола производительностью в 25 млн галлонов. Создаются новые научные центры, идут активные поиски новых источников растительного сырья. Тк, British Petroleum 1 февраля 2007 г. объявила о создании Института биоэнергетики (Energy Bioscience Institute) стоимостью $500 млн. В США в штате Флорида строится экспериментальный завод по производству этанола из… кожуры апельсинов — отходов промышленного производства апельсинового сока. В Испании разработали методику получения биоэтанола из… оливковых косточек, которые составляют четверть массы оливок и при производстве в несколько миллионов тонн в год могут быть использованы как дешевый дополнительный источник сырья для производства биотоплива.

Здесь следует заметить, что использование растительных отходов более перспективно, чем применение для тех же целей зерна, так как не оказывает влияния на рост цен на продовольствие. Эксперты предполагают, что из 300 строящихся в США фабрик по производству биотоплива 225 будут работать на растительных отходах и только 75 — на кукурузном зерне. В России в городе Тулун Иркутской области построят завод по производству биобутанола. Сырьем будут служить отходы древесины.

Перспективы использования биотоплива уже оценили инвесторы. Один из самых богатых людей на Земле Билл Гейтс вкладывает значительные средства в развитие биотопливной энергетики. Даже нефтяные компании стали инвестировать деньги в эту новую отрасль. Упомянутая нами British Petroleum и компания DuPont заключили соглашение о производстве бутанола (это такой же спирт, как этанол, но с четырьмя атомами углерода вместо двух), который выделяет при сжигании больше энергии, и его получение из той же биомассы предпочтительнее. Нефтегазовый гигант ExxonMobil совместно с фирмой Synthetic Genomics, Inc., возглавляемой уже известным нам Крейгом Вентером, предполагает вложить около $1 млрд в проект по получению углеводородов из генно-модифицированных водорослей.

Однако микроорганизмы не только могут сбраживать сахар в спирт, как они это делают в виноделии, но и способны синтезировать его из неорганических соединений, в частности из  CO — окиси углерода. Она образуется в больших количествах при производстве стали, и ее превращают в этанол с помощью микроорганизмов. По расчетам фирмы Lanza Tech (Новая Зеландия), таким способом можно ежегодно получать около 50 млрд галлонов этанола.

Интересен и другой способ получения спирта из… использованных автомобильных покрышек. Их нагревают при высокой температуре (1900 °F) без доступа воздуха и получают водород и окись углерода. Образующиеся газы поступают в биореактор, где с помощью микроорганизмов превращаются в этанол. Завод, строящийся на основе этой технологии, будет производить 100 млн галлонов спирта в год.

Судя по темпам роста производства этанола, уже через несколько лет он может заменить от 20 до 30 % автомобильного топлива. К 2025 г. США планируют заменить этанолом около 75 % импортируемой нефти.

Рассуждая о биотопливе, нельзя не вспомнить, что еще Г. Форд в 20-х гг. прошлого столетия называл спирт «горючим будущего». Кажется, это светлое будущее уже наступило. Однако у него есть свои темные стороны. Хотя углеводов для микробиологического синтеза спирта пока хватает, начинает давать о себе знать недостаток кислорода — необходимого компонента для получения энергии как из нефти и бензина, так и из спирта.

И действительно, в больших городах эта проблема в прямом смысле хватает людей за горло. В часы пик там просто нечем дышать. А наиболее предприимчивые дельцы того и гляди начнут, а кое-где уже начали торговать «на вынос и распивочно» пинтами и галлонами чистого воздуха.

Почему возник дефицит кислорода? Его естественный баланс, существующий и поддерживаемый в природе, в нашу промышленную эпоху дополнился новой и мощной статьей расхода свободного кислорода, идущего на многочисленные окислительные процессы, связанные с производственной деятельностью человека. Особенно много кислорода расходуется на сжигание угля, нефти и газа, и столь интенсивный расход, к сожалению, не компенсируется никакими другими процессами его получения.

Таким образом, хотя использование спирта в качестве горючего и основано на применении легко возобновляемых источников энергии, оно связано с серьезной экологической проблемой нехватки кислорода. Возможным ее решением является строительство атомных электростанций, которые не нуждаются ни в использовании традиционных энергоресурсов, ни в большом количестве кислорода. Однако получение атомной энергии связано с использованием урана, тория и других радиоактивных элементов, запасы которых, к сожалению, имеют предел, и, следовательно, такой способ может лишь отдалить наступление энергетического кризиса.

Неслучайно Ф. Жолио-Кюри, крупнейший французский ученый, посвятивший свою жизнь проблемам ядерной энергии, сам уповал на совершенно другой путь решения энергетической проблемы.

Следует заметить, что несмотря на освоение человеком различных источников энергии все они имеют общее «солнечное» происхождение. Так, каменный уголь представляет собой окаменевшие растительные остатки, т. е. ассимилированную когда-то солнечную энергию. На ней, по сути, работают мощные гидроэлектростанции. Энергия, которую мы ежедневно получаем с пищей, аналогичного происхождения. Словом, Солнце — праматерь всех известных видов энергии и, что самое интересное, само по себе является постоянно возобновляемым ее источником.

Солнечная энергия, приходящаяся на единицу освещаемой поверхности, в среднем по земному шару составляет 5,4 кВт  ч/м² ежедневно. Это означает, что с поверхности площадью всего в 80 квадратных километров можно было бы получить столько же энергии, сколько человечество получает, используя все свои установки для ее производства. Возникает недоуменный вопрос: откуда же дефицит энергии при таком обилии? Буквально купаясь в океане энергии и постоянно испытывая все возрастающую нужду в ней, человечество напоминает мифического Тантала, стоящего по грудь в воде и несмотря на это обреченного на неутолимую жажду.

Действительно, океан солнечной энергии, омывающий Землю, огромен. Но это рассеянная энергия, и при попытках сконцентрировать ее она как бы уходит сквозь пальцы, если под ними подразумевать улавливающие и преобразующие устройства. Переход солнечной энергии в тепловую с последующим ее преобразованием в механическую и, наконец, механической в электрическую связан с большими потерями на каждой стадии, что обуславливает низкий КПД энергоустановок. Кстати, это чревато и серьезными экологическими проблемами. Ведь энергия, выделяющаяся в виде тепла в процессе перехода из одного ее вида в другой, способствует тепловому заражению атмосферы, что в конце концов может привести к перегреву всей системы Земли и вызвать множество предсказуемых и непредсказуемых негативных последствий.

Каким же образом миновать все эти многочисленные переходы и получить электрическую энергию непосредственно из солнечной? Примером такого устройства является фотоэлемент.

Что он собой представляет? Это тонкая пластинка, к которой припаяны электрические контакты, и когда она освещена, на них появляется разность потенциалов. Если соединить достаточное количество таких пластинок, то можно привести в действие любой электрический прибор. Батарея фотоэлементов с достаточно большой мощностью могла бы обеспечить, как мы уже писали выше, все энергетические потребности человечества. Вот вам и решение проблемы.

Однако до этого еще далеко. Прежде всего, стоимость фотоэлементов пока еще очень велика, поэтому по сравнению с традиционными способами один киловатт электроэнергии, полученный с их помощью, обходится значительно дороже.

Вот почему пока еще мы вынуждены улавливать рассеянную солнечную энергию зелеными листьями растений, выращивая их на огромных площадях. Этот процесс усвоения энергии, протекающий с участием специфического вещества хлорофилла, называется фотосинтезом. Его суть упрощенно заключается в образовании углеводов и может быть выражена следующим уравнением:

CO₂ + H₂O = CH₂O + O₂

С помощью изотопного анализа было показано, что в процессе фотосинтеза происходит расщепление молекулы воды на водород и гдроксил. Однако известно, что этот процесс требует значительных затрат энергии. Откуда же она берется? Поглощая кванты солнечного света, молекула хлорофилла переходит в возбужденное состояние и затем «отдает» электрон. В результате образуется активированный водород, который, соединяясь с молекулой углекислого газа, образует молекулу углевода.

Таким образом, упрощенно можно представить процесс фотосинтеза как перенос водорода от молекулы воды к молекуле углекислого газа с образованием углеводов. В определенных условиях и при участии специального фермента — гидрогеназы — из активированного водорода может быть получен молекулярный водород, а не углеводы. Накопленный таким образом водород можно использовать как топливо (по энергоемкости этот химический элемент в пересчете на единицу веса превосходит нефть в 3,3 раза). Если бы такой процесс удалось осуществить с помощью солнечной энергии, то мы бы приобрели практически неограниченные запасы универсального топлива.

По существу, «водородный» путь использования солнечной энергии может быть представлен двумя реакциями:

1) 2H₂O ^{солнечная энергия, хлорофилл} 2H₂ + О₂;

2) 2H₂ + O₂  2H₂O + энергия.

В первой реакции солнечная энергия используется для получения водорода, а во второй энергия, выделяющаяся при его сгорании, может быть реализована в виде топлива с последующим превращением в другие виды энергии. Из приведенных уравнений видно, что такой путь ее получения не нуждается в дополнительном кислороде, так как этот химический элемент, необходимый для сжигания водорода, образуется как побочный продукт получения водорода. Кроме того, водородная энергетика обладает огромным преимуществом с точки зрения экологии, поскольку единственным продуктом сгорания водорода является… вода! Именно полученную в результате такого процесса воду пили американские космонавты во время полета на Луну.

«Но при чем здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Дело в том, что в клеточных мембранах бактерий обнаружен пурпурный пигмент, способный так же, как и хлорофилл, улавливать солнечную энергию.

Этот пигмент — бактериохлорофилл — удивительное вещество сродни хлорофиллу. Об этом говорит и его название. Поскольку он является частью микробной биомассы, бактериохлорофилл легко накопить в довольно больших количествах. Процесс его выделения не представляет больших трудностей. Однако даже выделенный в «мягких», как принято говорить, условиях, нативный бактериохлорофилл может осуществлять интересующий нас процесс непродолжительное время. Оторванный от своей «матери-бактерии», он, подобно мифическому Антею в железных объятиях Геракла, довольно быстро теряет силы под действием различных повреждающих факторов. Следовательно, необходимо не только получить и выделить этот важный продукт бактериального биосинтеза, но и как-то стабилизировать, задержать его разложение. Надо сказать, что опыт такого рода работ в микробиологии уже имеется. Есть даже такое понятие, как иммобилизация. И приложимо оно ко многим сторонам микробиологической технологии. Так, есть иммобилизованные ферменты, иммобилизованные субклеточные частицы и даже иммобилизованные микробные клетки.

Попытаемся очень схематично объяснить суть процесса иммобилизации и возникающей при этом стабильности. Выделенная для иммобилизации структура обычно имеет одно или несколько слабых мест, с которых начинается процесс распада, деструкции.

Если эти места каким-то образом защитить, то стабильность, естественно, повысится. В этом суть одного из направлений иммобилизации: прикрыв активные участки структуры каким-нибудь инертным веществом, мы в целом сохраняем ее от губительного воздействия нежелательных деструктивных факторов, будь то какие-то активные химические вещества или в простейшем случае кислород. Естественно, что при этом защита, или экранизация не должна затрагивать функциональные группы стабилизируемой структуры, фермента или даже целой клетки.

Не вдаваясь в детали процесса иммобилизации и особенностей иммобилизованных структур, скажем только, что их стабильность возрастает в десятки раз, а время полужизни, т. е. время, в течение которого биохимическая активность таких структур уменьшается на 50 %, достигает значительных величин, измеряемых месяцами или даже годами.

Такая модифицированная система обладает большой стабильностью и вместе с фотосинтетическим аппаратом может служить источником получения фотоводорода.

Дальнейшее использование водорода практически не отличается от применения традиционных видов топлива и связано с переходом химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую и механической — в электрическую. Такой многостадийный путь приводит к довольно низкому КПД высокоэффективного топлива.

Нельзя ли каким-либо образом миновать промежуточные стадии и осуществить прямое превращение химической энергии водорода в электрическую? Собственно говоря, одностадийный переход химической энергии в другие ее виды постоянно осуществляется на наших глазах (и с достаточно высоким КПД!) биохимической «машиной» клетки в результате проведения последовательных скоординированных реакций, протекающих с участием большого числа ферментов.

Попытки осуществить этот процесс в технических устройствах привели к созданию топливных элементов — устройств, в которых осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, и поэтому его КПД может достигать 65–70 %.

Топливные элементы отличаются безотходностью, автономностью и компактностью. Кроме того, их преимуществом являются бесшумность и возможность использования различных видов топлива, таких как водород, метан, легкие углеводороды, метанол, этанол и др. С помощью топливных элементов можно создавать установки различной мощности, изменяя число рабочих модулей. Однако они имеют ряд технических несовершенств, что сдерживает их применение несмотря на огромные преимущества перед другими способами получения электрической энергии.

Одной и, может быть, самой существенной трудностью, стоящей на пути внедрения топливных элементов, является создание микропористого материала, способного обеспечить межфазовый контакт между газом, жидкостью и твердым телом, в зоне которого, собственно, и происходит обмен электронов, или так называемое холодное горение.

Создание таких структур — довольно трудное дело, но и, уже созданные, они зачастую теряют свои свойства в процессе эксплуатации. Кстати, именно этим объясняется короткое время их функционирования.

Между тем подобные структуры имеются в микробной, как, впрочем, и в любой другой живой клетке. Возникает простая мысль использовать их при конструировании топливных элементов. Эти биологические структуры — биологические мембраны обладают одновременно и гидрофильными, и гидрофобными свойствами. В них не происходит замокания гидрофобных участков в процессе эксплуатации, что обеспечивает надежность и длительность их функционирования.

Пока что трудно предугадать, что предпочтут конструкторы топливных элементов: создавать новые эффективные способы получения гидрофобно-гидрофильных структур или стабилизировать «старые», созданные природой.

Но по какому бы пути ни пошло развитие топливных элементов — техническому или биотехнологическому, для их работы нужно сырье, и здесь первое слово принадлежит микробиологии, так как с ее помощью можно легко производить горючее для топливных элементов, например метан, метанол, этанол и, конечно, водород.

Кстати сказать, последний можно получать с помощью некоторых микроорганизмов, используя в качестве сырья глюкозу. Пока это экономически невыгодно. Но возможны и новые подходы к получению сахаров, что позволит сделать производство водорода таким способом рентабельным. Так, американский патент 4 480 035 предлагает использовать отходы древесины для получения обогащенных глюкозой сред, на которых можно вырастить водородообразующие микроорганизмы Citrobacter freundii или Enterobacter aerogenes, производящие до 60 % водорода.Не следует считать, что работы над топливными элементами находятся на уровне патентных заявок. Французские исследователи создали водородный топливный элемент, который станет частью гибридной системы питания сотовых телефонов. По размерам он не больше зажигалки. Компания Sony продемонстрировала гибридный топливный элемент, обеспечивающий энергией мобильное видео в течение 14 часов. Компания Sharp представила новый топливный элемент, работающий на метаноле, мощность которого в семь (!) раз выше ранее разработанных аналогов, а габариты сопоставимы с литиевыми батареями.

Топливные элементы могут быть использованы не только для таких маломощных устройств, как перечисленные выше. Уже проходят технические испытания автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах. В 2008 г. в США состоялся автопробег автомобилей, использующих в качестве топлива водород. Более того, «первые ласточки» уже появились и в небе. В октябре 2008 г. немецкое Агентство по аэронавтике объявило о проведении испытаний самолета с топливными элементами. Разумеется, речь идет не о замене турбовинтовых двигателей, но как минимум электроснабжение систем управления авиалайнера будет обеспечиваться топливными элементами.

Описанные нами возможности и успехи микробиологии в решении энергетических проблем находятся в различных фазах научной разработки и реализации. Помимо дальнейшего совершенствования этих устройств понадобятся еще значительные усилия, чтобы соединить их в единую технологическую схему для получения и использования энергии.

И кто знает, не здесь ли, на стыке стабилизированных биоструктур и водородной энергетики, будет найдено решение энергетических проблем, стоящих перед человечеством?

Глава 27

Микробиология — основа новейших технологий

Всякая наука черпает свои права на существование в возможности так или иначе оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной.

В. Оствальд

Прошло уже достаточно времени с тех пор, как человек начал последовательно и настойчиво исследовать природу. Каждое новое крупное открытие знаменует собой новую эпоху и вооружает человека новыми возможностями для еще более полного подчинения природы его нуждам.

Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров на какое-то время затмили свет знаний, исходящий от исследований живых объектов. Изучение принципов их устройства и функционирования, которые до недавнего времени были уделом рассеянных чудаков, со временем стало приносить свои плоды.

Вообще следует заметить, что в науке и технике по мере более глубокого проникновения в суть вещей и явлений наблюдается все большее приближение к природным «техническим устройствам». И если пока технический уровень изделий, изготовленных человеком, или эффективность технологических процессов все же отстают от природных аналогов, то поневоле напрашивается мысль использовать их в готовом виде. В этом, возможно, и заключается основной смысл биотехнологических подходов.

Человечество давно использует для своих нужд оба биологических царства — растительное и животное. Сейчас наступило время, когда мы вплотную подошли к тому, чтобы извлекать пользу из всех возможностей третьего биологического царства — царства микроорганизмов.

На первых этапах его освоения человечество следовало проторенной дорогой, копируя опыт использования возможностей мира растений и животных и получая главным образом продукты питания. Со времен Левенгука до нашего времени микробиология прошла большой путь: от не имеющих никакого практического применения наблюдений за таинственным миром «анималькулей» до получения с помощью микроорганизмов различных веществ, производство которых достигает сотен и тысяч тонн. Но это только первый этап освоения возможностей царства микроорганизмов, которые обладают значительно бльшими возможностями: с их помощью можно попытаться разработать не имеющие аналогов технологии. Ниже мы рассмотрим некоторые возможности микроорганизмов, которые открыли новую эру — эру биотехнологии. Следует отметить, что имеются в виду не только микробиологические способы получения в больших количествах различных веществ. Биотехнология — это базовая основа новейших технологий, остро необходимых человечеству уже сейчас.

Какие же требования к ним предъявляются? Прежде всего, они должны быть экологически чистыми или безотходными, энергосберегающими и, наконец, экономически выгодными.

Давайте же вместе посмотрим, удовлетворяют ли этим требованиям некоторые прикладные направления микробиологии и биотехнологии.

Начнем с энергетики. В течение длительного времени человек получал энергию за счет сжигания древесины. Однако этот путь уже не мог удовлетворить его растущие энергетические потребности. Проблема была решена за счет ископаемого топлива, ставшего в настоящее время одним из основных источников энергии.

В главе, посвященной геологии, мы останавливались на биотехнических приемах использования микроорганизмов при разработке месторождений нефти и угля. Но ископаемого топлива становится все меньше. За каких-то 200 лет эффективного использования его запасы еще не исчерпаны, но оставшееся количество заставляет всерьез задуматься о других источниках энергии. И здесь на помощь приходят микробиологические способы получения спиртов из возобновляемых источников сырья (подробно этот вопрос освещен в главе 26 «Микробы вытесняют бензин»). Здесь хотелось бы добавить, что этот путь доведен до уровня промышленной эксплуатации, что позволило, например, Бразилии начиная с 1991 г. ежегодно экономить $3,5 млрд за счет снижения импорта нефти и нефтепродуктов. Это яркий пример, иллюстрирующий экономические возможности биотехнологии.

Использование метанола и этанола в качестве моторного топлива или добавок к нему иллюстрирует существенный вклад микробиологии в решение энергетической проблемы. Однако более перспективными, по всей вероятности, являются биотехнологические способы производства энергии, основанные на получении водорода из возобновляемых источников и его утилизации в биотопливных элементах, обладающих высоким КПД. Еще одним основанием для такой точки зрения является экологическая чистота водородной энергетики.

Биотехнология позволяет одновременно решать как энергетические, так и экологические проблемы. Так, микробиологическая переработка органических отходов, решая задачу охраны окружающей среды, позволяет получать биогаз, не уступающий по калорийности природному. Получение этого газа, образующегося при метановом брожении органических отходов, не требует ни разведки, ни бурения скважин, ни прокладки многокилометровых газопроводов. В результате стоимость биогаза оказывается ниже стоимости природного. Кроме того, его производство, по крайней мере в обозримом будущем, обеспечено сырьевой базой, каковой являются органические отходы городов. Их общая масса, пригодная для производства этанола, только в США составляет около 1 млрд тонн. Утилизация органических отходов микробиологическим способом и сама по себе экологически чиста, так как практически безотходна: получаемые отходы в виде шлама могут быть использованы как удобрения и, таким образом, включены в биологический цикл. Однако не следует забывать, что сама микробиологическая промышленность является в свою очередь источником экологических загрязнений. Действительно, производство кормовых дрожжей только в нашей стране составляет 1,5 млн тонн. Естественно, что при таких масштабах довольно велики и отходы. Культуральная жидкость после отделения дрожжей содержит значительное количество минеральных веществ, витаминов и продуктов метаболизма. Как их использовать? Каковы вообще пути создания экологически чистых или безотходных производств?

Здесь опять образцом для подражания служит живая природа. Рассматривая схему метаболических путей (последовательность превращений веществ в клетке), мы видим, что одно вещество является субстратом для определенной ферментативной реакции, а вновь полученный продукт, в свою очеред, служит субстратом для последующей.

Аналогичная последовательность должна быть создана и в системе безотходного производства. Отходы одного производства должны служить сырьем (основой) для следующего, и так до тех пор, пока в результате не получатся вещества, не обладающие негативным воздействием на экологическую ситуацию.

Однако создать такую же ферментативную «мельницу» для разрушения экологически опасных субстратов до углекислого газа и воды довольно затруднительно. Можно, правда, попытаться использовать в этих целях различные группы микроорганизмов, биохимическая активность которых последовательно соединяется в процессы, проходящие в биохимической «мельнице» клетки.

Так, отходы, получаемые при культивировании дрожжей и остающиеся после их сепарации, можно использовать для культивирования других микроорганизмов, а отходы, остающиеся после этого (второго) культивирования, послужат субстратом для метанового брожения. И, наконец, отходы метанового брожения тоже могут быть с успехом утилизированы, правда, уже не для выращивания микроорганизмов.

При добавлении в бетон метановой бражки в количестве 0,3 % от массы замеса его прочность увеличивается на 40 %, на 12 % уменьшается расход воды, возрастает морозоустойчивость и увеличивается расплыв конуса — важнейшая характеристика бетона.

Таким образом, есть способ избавиться от отходов различных брожений, используя их в качестве пластификаторов бетона. Для этих целей можно применять мелассу, последрожжевую барду и уже описанную выше метановую бражку. Эти отходы микробиологического производства, будучи замешенными в бетон, теряют экологически негативное влияние и, кроме того, придают ему дополнительные положительные качества.

Не менее существенна роль микробиологии в борьбе с антропогенными загрязнениями (см. главу 15 «Всеядные»).

В Англии удалось выделить микроорганизмы, превращающие полихлорвиниловые пленки в углекислый газ. Для этой цели не только выделяются или конструируются методами генетической инженерии соответствующие микроорганизмы, но и предлагаются новые биотехнологические решения. Так, шведские ученые решили еще при производстве пластмасс вводить в них находящиеся в состоянии анабиоза микроорганизмы, которые затем через определенное время или в зависимости от изменившихся окружающих условий (температуры, влажности, кислотности) активизируются и, интенсивно развиваясь, разрушают пластмассу, которая служила им временным убежищем. Уже сейчас в Европе используют пластиковые пакеты, на каждом из которых есть подпись: Се sac est 100 % oxo-biodgradable. SA dure de vie est limite dans le temps. Aprs dgradation, il devient bio-assimilable. (Этот пакет полностью биодеградабельный. Длительность его жизни ограничена во времени. После разрушения он ассимилируется.)

Замена существующих технологий на биотехнологические предполагает максимально приблизить эти процессы по уровню безотходности к биологическим, где «отходом» являются углекислый газ и вода.

Биотехнология — это не только новые способы производства, но и качественно новые возможности обеспечения предприятий необходимыми средствами контроля. Например, аналитические возможности ферментативных датчиков таковы, что не требуется практически никакой подготовки анализируемого образца. Высочайшая избирательность позволяет проводить количественный анализ почти мгновенно, что дает возможность осуществлять действительно оперативный контроль и управление технологическими процессами. Устройство для анализа — так называемый «биосенсор», или ферментативный электрод, представляет собой интегральную схему с нанесенной пленкой, содержащей определенный фермент, при взаимодействии которого с исследуемой жидкостью изменяются электрические характеристики схемы, которые могут быть выведены на индикаторный прибор или непосредственно использованы в качестве управляющего сигнала.

Естественно, что оперативное получение информации о характере течения технологического процесса способствует повышению эффективности и является одной из отличительных черт биотехнологии.

Однако было бы неправильно думать, что новые технологии базируются в основном на использовании биохимической активности микроорганизмов. Не менее важным в создании новых технологий может оказаться использование биологических мембран, роль которых в жизнедеятельности живых организмов и микроорганизмов трудно переоценить. Если бы удалось создать и использовать в технологии методы разделения веществ с использованием биологических мембран или их аналогов, то это позволило бы в значительной степени обновить и существенно интенсифицировать способы разделения веществ, снизив при этом энергетические затраты на проведение этих процессов.

Более того, если бы удалось решить вопросы управления проницаемостью таких мембран (что и происходит в живой клетке), то на базе полупроницаемых мембран можно было бы создавать системы, аналогичные гибким технологическим системам в промышленности. Пока методов работы с биомембранами не разработано, ведь сначала должны быть предложены способы их выделения из нативных клеток, а также стабилизации. Исследования пленочного роста микроорганизмов позволили обнаружить не только удивительные механические свойства этих пленок (об этом упоминалось в главе 5), но и особенности контактов микроорганизмов друг с другом. Это позволило ученым из Массачусетского технологического университета увеличить мощность топливных элементов в несколько раз. При этом пленка функционировала как единая токопроводящая система, объединяющая индивидуальные потоки электронов, производимые отдельными клетками.

Однако уже работают мембраны — аналоги живых мембран. Можно ли отнести эти технологии к биотехнологии? И да и нет. Но в конце концов неважно, как мы назовем эти новейшие технологии разделения, — главное, что они используют принципы, близкие к биологическим, и на основании этого (хотя и условно) могут быть отнесены к биотехнологическим процессам.

Помимо возможного использования биомембран реальный интерес представляет применение внутриклеточных органелл микробной клетки, в частности, магнитосом. По сути они представляют собой маленькие магнитики, образующиеся внутри бактериальной клетки. В последнее время возникла потребность в магнитоуправляемых частицах для использования в диагностике и при лечении некоторых заболеваний.

Так, присоединение к антителам магнитных частиц вместо молекул флуоресцентных красителей примерно в 100 (!) раз повышает чувствительность методов выявления специфических белков, используемых для диагностики.

Кроме того, магнитные частицы применяются для гипертермии. Суть этого метода в том, что микромагниты можно с помощью магнитов или под действием магнитных полей направлять в нужный орган и удерживать там, а облучая их высокочастотным электромагнитным полем, вызывать локальный точечный нагрев, приводящий к гибели окружающих магнит клеток раковой опухоли.

Производство магнитных частиц одинаковой формы и размера — достаточно сложная задача, особенно если они измеряются нанометрами. И это только часть задачи: нужно еще покрыть каждую частицу белковой или углеводной оболочкой, к которой можно будет «привязать» химическими связями антитело.

Между тем есть другой, микробиологический путь получения таких магнитных частиц. Известно, что некоторые бактерии (такие как, например, Magnetospirillum magneticum) способны извлекать железо из окружающей среды и синтезировать магнитные частицы, причем со значительно меньшим разбросом по величине и форме, чем при физико-химическом синтезе, и, кроме того, уже покрытые биологической мембраной. Вдобавок ко всему возможности генетической инженерии позволяют осуществлять синтез магнитных частиц с уже прикрепленными к ним антителами.

Таким образом, биотехнология позволяет получать магнитные частицы с различными антителами и использовать их для точной «адресной» доставки лекарств, радионуклидов или «тепловых бомб» к пораженным органам и даже клеткам и осуществить наконец мечту Пауля Эрлиха о «магической пуле».

Биотехнология может умело извлекать пользу не только из различных свойств микроорганизмов, н из самого факта их широкого распространения.

Рассмотрим один из таких примеров. Известно, что растения в принципе способны выдерживать снижение температуры до -6 °C. Однако в действительности серьезные поражения растительных тканей листьев, например, апельсиновых деревьев наступают при минусовых температурах, близких к нулю. Дело в том, что на поверхности листьев образуются кристаллы льда, разрушающие их ткань. Микробиологи из Калифорнийского и Колорадского университетов, изучая вопросы морозоустойчивости цитрусовых, установили, что центрами кристаллообразования льда служат бактерии Erwinia herbicola и Pseudomonas viringa. Если бы удалось убрать с поверхности листьев эти бактерии, то удалось бы сократить довольно значительные потери от заморозков. Ученые выделили вирусы, которые, интенсивно размножаясь, лизируют указанные бактерии, и растения переживают период похолодания со значительно меньшими поражениями, конечно, если температура не опускается ниже -6 °C. По расчетам ученых, можно избежать ежегодных миллиардных убытков при использовании этих вирусов. Обработка ими растений уже широко применяется.

Интересно использование в качестве инсектицида мицелия грибов Mefarhizium anisopliae. Он продуцирует вещества, привлекающие насекомых. Поедая мицелий, они заражаются спорами гриба, который, прорастая в теле насекомых, убивает их. Это метод имеет огромные преимущества перед традиционными инсектицидами как в экономическом, так и в экологическом аспектах.

Заканчивая эту главу, следует еще раз подчеркнуть, что биотехнология, и это очевидно, в ближайшее время окажет серьезное воздействие на решение многих технических проблем и на проведение технологических процессов.

Изумительное совершенство и тончайшая согласованность работы уникальных и, увы, пока неповторимых механизмов получения энергии, кодирования и декодирования информации, проведения сложнейших химических синтезов с участием созданных для этой цели катализаторов-ферментов позволяет микробной клетке опережать даже новейшие достижения энергетики, вычислительной техники и химической технологии.

В приведенных нами примерах использования биотехнологических приемов так или иначе переплетаются проблемы экономики и энергетики, энергетики и экологии, экологии и экономики. Поневоле напрашивается вывод, что именно биотехнология является тем мечом, с помощью которого можно разрубить гордиев узел, в который эти проблемы переплелись в современном мире.

Пройдет еще несколько лет, и во многих областях техники появятся новинки, в основе которых будут лежать биологические системы. Мы стоим на пороге эпохи биотехники и биотехнологии и одной ногой уже через него перешагнули.