Случайная удача
Изначально Ларс Питер Нильсен (Lars Peter Nielsen) и коллеги не собирались изучать взаимодействие бактерий друг с другом. Исследователей интересовали населяющие нижнюю часть отложений микроорганизмы, которые используют сероводород в качестве источника энергии. Специалисты добыли из залива образцы отложений и после завершения опытов оставили колбы с ними на столе. Через несколько месяцев кто-то из команды случайно обратил внимание на необычное свойство образцов: при изменении концентрации кислорода в покрывавшей отложения воде приблизительно через час нижние бескислородные слои начинали опускаться (при увеличении содержания O2) или подниматься (при удалении из воды кислорода).
Ученые предположили, что перемещения нижних слоев, в которых обитают «питающиеся» сероводородом бактерии, связаны с интенсивностью переработки H2S. Когда микроорганизмы усваивали мало сероводорода, нижние слои поднимались выше, когда же поглощение газа увеличивалось, слои сдвигались вниз. Измерив значение pH на границе между бескислородными и содержащими кислород слоями, исследователи выяснили, что среда в верхней части отложений становится более щелочной.
Электрический симбиоз
Все эти наблюдения указывали, что изменение концентрации кислорода в омывающей верхнюю часть отложений воде стимулирует протекание неких химических реакций как в верхних, так и в нижних слоях. Реакции начинались очень быстро, поэтому вариант, что их причиной была диффузия какого-либо компонента из верхних слоев к нижним, отпадал. Ученые предположили, что процессы в различных частях отложений связаны друг с другом не химически, а электрически (хотя точнее будет сказать — электрохимически).
Чтобы разобраться, что именно предположили авторы, необходимо более детально описать реакции, протекающие в поднятом со дна датского залива грунте. Бактерии, населяющие верхние слои отложений, способны восстанавливать молекулы кислорода, превращая их в воду. Для этого микроорганизмам необходимо добавить к одной молекуле кислорода четыре протона и четыре электрона. Это превращение сопрягается еще с несколькими реакциями, и его конечным итогом является накопление энергии.
Для бактерий, живущих в нижних слоях отложений, кислород является ядом. Они получают энергию, окисляя сероводород и превращая его в серу или сульфат-ионы. Другими продуктами этой реакции являются протоны и электроны.
Теперь вернемся к электричеству. Согласно определению, ток — это направленное движение заряженных частиц. В данном случае движущимися заряженными частицами являются электроны (точно так же, как в обычных проводах). Бактериям из верхних слоев отложений для восстановления кислорода необходимы лишние электроны, которые очень удачно образуются в реакции превращения (а точнее — окисления) сероводорода. И именно эти электроны путешествуют из нижних слоев в верхние. С другой стороны, кислород помогает бактериям из нижних слоев эффективнее окислять сероводород. Но прямо использовать его они не могут, поэтому организуют электрохимическое сопряжение с обитателями верхних этажей.
Фактически это сопряжение позволяет двум различным и к тому же разделенным в пространстве организмам вместе осуществлять один процесс — окислять сероводород при помощи кислорода. Этот процесс выгоден обоим его участникам, но проводить его поодиночке они не могут.
Окисление какого-либо субстрата при помощи кислорода называется дыханием (иногда, чтобы избежать путаницы, говорят «клеточное дыхание»). Обычно кислород и субстрат, дающий электроны для его восстановления, находятся в одной клетке. Можно сказать, что субстрат — это «пища», а кислород — прибор для ее употребления. В данном случае получается, что бактерии, живущие в верхних слоях отложений, дышат за себя и за своих нижних соседей, а те в свою очередь поглощают двойную порцию «пищи» — за себя и обитателей верхних этажей.
Исследователи полагают, что обнаруженный ими «канал» передачи электронов может работать не только для совместного окисления сероводорода. Ученые оценили, что передаваемых по цепям электронов с лихвой хватает на переработку всего H2S и еще немало остается. Избыток электронов вполне может использоваться для стимулирования каких-либо еще реакций.