Для Ларса Петера Нильсена все началось с загадочного исчезновения сероводорода. Микробиолог собрал черную вонючую грязь со дна Орхусской гавани в Дании, бросил ее в большие стеклянные стаканы и вставил специальные микродатчики, которые обнаруживали изменения в химическом составе грязи. В начале эксперимента навоз был насыщен сероводородом - источником неприятного запаха и цвета осадка. Но 30 дней спустя одна полоса грязи побледнела, что говорит о пропаже сероводорода. В конце концов, микросенсоры показали, что все соединение исчезло. Учитывая то, что ученые знали о биогеохимии грязи, вспоминает Нильсен, который работает в Орхусском университете, «в этом нет никакого смысла».
По его словам, первое объяснение заключалось в том, что датчики были неправильными. Но причина оказалась гораздо более странной: бактерии, соединяющие клетки встык, создают электрические кабели, способные проводить ток до 5 сантиметров через грязь. Адаптация, никогда ранее не наблюдавшаяся у микробов, позволяет этим так называемым кабельным бактериям преодолеть серьезную проблему, с которой сталкиваются многие организмы, живущие в грязи: нехватка кислорода. Его отсутствие обычно удерживает бактерии от метаболизма соединений, таких как сероводород, в качестве пищи. Но кабели, связывая микробы с отложениями, более богатыми кислородом, позволяют им осуществлять реакцию на большие расстояния.
Когда Нильсен впервые описал открытие в 2009 году, его коллеги были настроены скептически. Филип Мейсман, инженер-химик из Университета Антверпена, вспоминает, как подумал: «Это полная чепуха». Да, исследователи знали, что бактерии могут проводить электричество, но не на тех расстояниях, которые предполагал Нильсен. «Это было так, как если бы наши собственные метаболические процессы могли сказаться на расстоянии 18 километров», - говорит микробиолог Андреас Теске из Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл.
Но чем больше исследователи искали «наэлектризованную» грязь, тем больше они находили ее как в соленой, так и в пресной воде. Они также определили второй вид электрических микробов, любящих грязь: бактерии с нанопроволокой, отдельные клетки, которые выращивают белковые структуры, способные перемещать электроны на более короткие расстояния. Эти микробы на основе нанопроволоки обитают повсюду, в том числе во рту человека.
Нити электронопроводящих кабельных бактерий могут растягиваться на 5 сантиметров от более глубокого ила, где мало кислорода и обычен сероводород, до поверхностных слоев, более богатых кислородом.
Открытия вынуждают исследователей переписывать учебники; переосмыслить роль грязевых бактерий в переработке таких ключевых элементов, как углерод, азот и фосфор; и пересмотреть, как они влияют на водные экосистемы и изменение климата. Ученые также ищут практические применения, исследуя потенциал бактерий, содержащих кабели и нанопровода, для борьбы с загрязнением и питания электронных. «Мы наблюдаем гораздо больше взаимодействий внутри микробов и между микробами с помощью электричества», - говорит Мейсман. «Я называю это электрической биосферой».
Большинство клеток процветают, отбирая электроны у одной молекулы, этот процесс называется окислением, и передавая их другой молекуле, обычно кислороду, - так называемое восстановление. Энергия, полученная в результате этих реакций, управляет другими жизненными процессами. В эукариотических клетках, в том числе и в нашей, такие «окислительно-восстановительные» реакции происходят на внутренней мембране митохондрий, и расстояния между ними крошечные - всего микрометры. Вот почему так много исследователей скептически отнеслись к утверждению Нильсена о том, что кабельные бактерии перемещают электроны через слой грязи, равный ширине мяча для гольфа.
Исчезающий сероводород был ключом к доказательству этого. Бактерии производят соединение в грязи, расщепляя растительные остатки и другие органические материалы; в более глубоких отложениях сероводород накапливается из-за недостатка кислорода, который помогает другим бактериям расщеплять его. Однако в лабораторных стаканах Нильсена сероводород все равно исчезал. Более того, на поверхности грязи появился ржавый оттенок, что свидетельствовало об образовании оксида железа.
Однажды ночью, проснувшись ото сна, Нильсен придумал странное объяснение: что, если бы бактерии, похороненные в грязи, завершали окислительно-восстановительную реакцию, каким-то образом обходя бедные кислородом слои? Что, если бы вместо этого они использовали обильные запасы сероводорода в качестве донора электронов, а затем направили электроны вверх к богатой кислородом поверхности? Там в процессе окисления образуется ржавчина, если присутствует железо.
Исследователи также проанализировали анатомию кабельных бактерий. Используя химические ванны, они изолировали цилиндрическую оболочку, обнаружив, что она содержит от 17 до 60 параллельных волокон, склеенных внутри. Оболочка является источником проводимости, сообщили Мейсман и его коллеги. Его точный состав до сих пор неизвестен, но может быть на белковой основе.
