В 1503 году Христофор Колумб написал отчаянное письмо испанским монархам:
С тремя помпами и всеми горшками, при работе всех рук мы не могли справиться с водой… мой корабль тонул подо мной.
Тонул не от шторма и не от пушечного ядра. Корабль...сожрали моллюски размером с палец, которые за несколько месяцев превратили дубовый корпус в подобие медовых сот. Колумб посадил остатки флотилии на мель у Ямайки, где его команда прожила год.
Пять веков спустя корабли стали стальными, но проблема никуда не делась.
Наоборот, для владельцев судов она стала еще дороже. Микроскопические бактерии, ракообразные, моллюски и водоросли ежегодно обходят мировой флот в сотни миллиардов долларов.
И речь не про какой-то косметический дефект — эти организмы буквально растворяют сталь. Для начала давайте посмотрим на самый вопиющий и катастрофический случай разрушения, а потом разберем, как это работает.
Катастрофа в заливе Сан-Франциско
В 1919–1921 годах в заливе Сан-Франциско случилась аномальная засуха. Солёность воды подскочила, и корабельный червь Teredo navalis ворвался в зоны, где его раньше не было. За считанные месяцы моллюски уничтожили причалы, паромы и доки. Причалы рушились прямо во время погрузочных работ. Суда тонули у стенок из-за внезапных пробоин.
В переводе на современные деньги, фауна нанесла ущерб на 20 млрд долларов.
Как рождается «борода»: от слизи до бетона за шесть недель
Представьте: в море сходит новенькое судно. Свежая краска, идеально гладкое днище. Через сколько оно обрастёт этой самой «бородой»? Ответ: процесс начинается в первые минуты.
Морская вода — это густой бульон из растворённой органики. Белки, липиды, полисахариды мгновенно садятся на любую поверхность, создавая невидимую «кондиционирующую плёнку». Она меняет электрический заряд металла и делает его липким для всего живого.
Через два-три часа на эту плёнку высаживаются бактерии и одноклеточные водоросли — диатомеи. Они выделяют особый «биоклей»: смесь сахаров, белков и нуклеиновых кислот, которую учёные называют EPS (внеклеточные полимерные вещества).
Этот клей удерживает колонию на месте даже при сильном течении и защищает от токсичных компонентов антикоррозийной краски. За сутки на идеально гладкой поверхности появляется тонкая скользкая плёнка — серая или зеленоватая. Это фундамент будущей катастрофы.
Кто именно грызёт корабль
Бактерии выполняют роль риелторов. Их сигнальные молекулы работают как химическое приглашение для личинок крупных организмов: мшанок, червей, моллюсков. Через одну-три недели на корпусе появляется мягкий ковёр из водорослей, гидроидов и мшанок. А ещё через пару недель прибывают главные герои — балянусы (морские жёлуди) и мидии.
Балянусы — это усатые ракообразные, заключённые в известковый домик. Их личинки-циприсы умеют закрепляться даже на ядовитых поверхностях. При посадке балянус выделяет белковый цемент из плотно переплетённых нановолокон диаметром 2–25 нанометров. По прочности и химической стойкости этот клей даст фору многим промышленным. Отодрать балянус от стали, не повредив краску, практически невозможно.
Через шесть недель днище судна покрывается плотным животно-растительным ковром толщиной в несколько сантиметров. Это уже не налёт — это полноценная экосистема с десятками видов, собственной пищевой цепочкой и агрессивным химическим производством.
Как бактерии едят сталь
Главная опасность «бороды» — не вес и не шероховатость. А то, что происходит под ней. Плотный слой организмов создаёт на поверхности металла зоны, куда не проникает кислород. И в этих анаэробных карманах просыпаются настоящие монстры — сульфатредуцирующие бактерии.
Desulfovibrio и Desulfotomaculum — запомните эти имена, если хотите блеснуть на вечеринке инженеров-корабелов. Эти микробы живут без кислорода и дышат сульфатами, которых в морской воде с избытком. В процессе они выделяют сероводород. Сероводород реагирует с ионами железа и образует сульфид железа: чёрный рыхлый налёт на поверхности стали.
А дальше — подлый трюк. Сульфид железа проводит электрический ток и становится катодом по отношению к корпусу судна. Возникает гальваническая пара: «сульфид железа против стали». Сталь в этой паре — анод, то есть жертва.
Металл начинает...растворяться. Это называется питтинговая коррозия, и она в десятки раз опаснее обычной ржавчины. И намного быстрее.
Цифры впечатляют: при активной работе бактерий сталь теряет 1–3 миллиметра толщины в год. Для сравнения — обычная коррозия в морской воде «съедает» в десять раз меньше. Корпусная обшивка толщиной 12 мм при таких темпах продержится считаные годы.
Кислотная атака изнутри
Другие обитатели «бороды» — бактерии и микроскопические грибы — выделяют уксусную и молочную кислоты. Эти метаболиты разъедают эпоксидные и полиуретановые краски, которыми защищён корпус.
В отдельных точках уровень кислотности падает до pH 1–2. Для сравнения: это кислотность желудочного сока.
— pH 1–2 под краской —
это когда у корабля гастрит.
Краска растворяется, обнажая голую сталь, и туда немедленно проникают вода, хлорид-ионы и новые порции микробов. Покрытие начинает отслаиваться целыми пластами.
Мировые расходы на коррозию оцениваются примерно в 2,5 триллиона долларов в год.
Корабельный червь: «термит моря»
Еще один неприятный персонаж - Teredo navalis. Это моллюск с червеобразным телом и парой раковин-свёрл на переднем конце. Он специализируется на древесине и остаётся угрозой для деревянного флота и портовых сооружений. Этот организм — пример инженерного совершенства в живой природе.
В жабрах корабельного червя живут симбиотические бактерии Teredinibacter turnerae. Они выделяют ферменты для переваривания древесины и для фиксации азота из воды.
По сути, червь автономен в плане питания — ему достаточно дерева и морской воды. Он прогрызает туннели, покрытые тонким слоем извести, превращая массивный брус в хрупкие соты. Входное отверстие — около миллиметра. Снаружи дерево выглядит целым. А потом конструкция рушится без предупреждения.
Трубчатые черви: живой каркас
Многощетинковые черви строят на корпусе прочные известковые трубки. Их личинки превращаются в сидячую форму менее чем за 12 часов — бактерии биофильма буквально «прокалывают» личинку наноструктурами, запуская метаморфоз.
Плотные колонии червей создают огромную шероховатость и становятся каркасом, на который наслаиваются все остальные организмы.
Как с этим борются: от ядов до кожи акулы
Полвека главным оружием против «бороды» был трибутилолово (TBT) — яд, который убивал на корпусе всё живое. Заодно он убивал всё живое и вокруг корпуса: устрицы мутировали, популяции моллюсков вымирали целыми заливами.
В 2008 году TBT запретили международной конвенцией, и кораблестроители остались без главного козыря.
Решение подсказала природа — причём дважды. Кожа акулы покрыта микроскопическими чешуйками-дентикулами, которые создают рельеф с минимальной площадью контакта. Личинке балянуса на такой поверхности просто не за что зацепиться, а турбулентные микровихри сдувают её, как пылинку.
По этому образцу создали технологию SLIPS — нанопористую поверхность, пропитанную инертной смазкой. Организмы физически не могут к ней прилипнуть.
Ультразвуковые излучатели на внутренней стороне корпуса разрушают биоплёнку ещё на стадии зарождения — не дают первым бактериям закрепить свой «фундамент». Ультрафиолетовые светодиоды UV-C в нишах корпуса и трубопроводах охлаждения стерилизуют воду, выжигая бактерий и личинок.
«Борода» на корабле — не курьёз из мира биологии. Это история о том, как микроскопические организмы диктуют условия гигантской индустрии. Бактерия размером в микрон растворяет стальную обшивку. Моллюск длиной в сантиметр обрушивает причал. Ракообразное в известковом домике увеличивает расход топлива на миллионы долларов.
Пока человечество учится у акул и хищных растений, морская природа продолжает осаду. Борьба с «бородой» — это та самая гонка вооружений, где ставка — безопасность и экономика всего мирового флота. И пока побеждают бактерии.