Месторождения цинка возникли благодаря бактериям
|
Американские ученые доказали участие анаэробных бактерий в формировании цинковых рудных месторождений. Бактерии содержат белки, в которые входит цистеин. При распаде клеток богатые цистеином пептиды связываются с ионами цинка, и в результате получаются сферические агрегаты сернистого цинка микронного размера. Частицы такого размера уже слишком большие, чтобы свободно выноситься водой за пределы бактериальной пленки.
Американские ученые из Калифорнийского университета в Беркли и из различных отделений Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли изучили поведение наночастиц сульфида цинка в присутствии специфических анаэробных бактерий. Казалось бы, сугубо узкая тема с сугубо специальными предметами изучения: цинк и малознакомые даже ученым сульфатредуцирующие бактерии, тем не менее статья вышла в широкопрофильном журнале Science.
На самом деле тема эта имеет широчайшее приложение в быстро развивающихся новейших областях знания, таких как геобиология, геология нанокристаллов и биоочистка. Например, сейчас доказано, что многие месторождения руд — золотых, железистых, марганцевых и т. д. — имеют биологическое происхождение. Рудные месторождения были некогда сконцентрированы микробами, постепенно осаждавшими на своих клеточных стенках ионы различных металлов. Это хорошо видно, если рассмотреть строение рудного вещества под микроскопом: становятся видны тельца, точь-в-точь такие, какими некогда были клетки микроорганизмов. Также в ходе своей жизнедеятельности микроорганизмы активно преобразуют соединения железа, серы, фосфора, образуя пириты, гетиты, фосфориты. Как это происходит, пока не очень понятно. Мало того, микроорганизмы участвовали и участвуют практически во всех геологических процессах, которые сформировали осадочный чехол нашей планеты.
Оценить масштабы этой четырехмиллиардолетней деятельности пока никто не берется. Неизвестно даже, какие из областей приложения этих вселенских сил были самыми важными (кроме, конечно, создания фотосинтезирующими бактериями кислородной атмосферы). Между тем, зная механизм преобразования минералов микробами, можно было бы по внешнему виду минерала (в микромасштабе) и его составу отличить, создан ли минерал микроорганизмами или силами косной материи. Этот вопрос наиболее остро стоит, например, для марсианских минералов. Если бы удалось найти хоть какие-нибудь надежные признаки биологической активности в осадочных породах, то вопрос о жизни на Марсе был бы решен. Естественно, это касается и древней жизни на Земле.
Но область эта еще совершенно не изучена. И начинать приходится с частностей. Вот, например, при извержении вулканов земная поверхность, будь то суша или морское дно, покрывается вулканическим пеплом. Этот пепел содержит очень много цинка, меди и свинца. Далее эти элементы концентрируются в местах извержения, а не разносятся повсюду с водными потоками и выветриванием. С течением времени вулканические лавы и пеплы при участии микроорганизмов могут превратиться в другие минералы, например в глины.
|
Исследование специалистов из Беркли посвящено первой стадии взаимодействия цинка и анаэробных бактерий (то есть тех, которые приспособлены обходиться без кислорода). Эксперты изучили материал из закрытой и заполненной водой шахты свинцово-цинкового месторождения Пикетт (Piquette) в юго-западном Висконсине. С 1999 года в тоннелях этой шахты вместе с микробиологами начали работу водолазы. Они увидели и засняли удивительную картину активной жизни на заброшенной шахте: стенки тоннеля были покрыты толстым слоем красно-оранжевой слизи и белыми сгустками. Это всё были различные анаэробные бактерии, получающие энергию с помощью окисления железа и преобразования серы. Оранжевый слой — цвет ржавчины — обозначал места деятельности бактерий, окисляющих железо, а белые — сульфатредукторов (в данном случае — представителей семейства Desulfobacteriaceae), использующих в своих реакциях ионы цинка. Наночастицы сернистого цинка — сфалерита — и окрасили эти пятна в белый цвет. Примерно такие бактерии работали на Земле в архейскую эру и продолжают работать сейчас в глубинах океанов, в глубоком почвенном слое, в рудных месторождениях.
Ученые обнаружили, что в бактериальной биопленке образуются не только наночастицы сфалерита, но и относительно крупные шарики этого минерала. Размер шариков — около микрона. Такой шарик состоит из множества наночастиц. Сформировавшись, шарик, в силу своих солидных для молекулярного мира размеров, становится меньше уязвим для растворения и выноса и в результате остается в бактериальной пленке. Наночастицы имеют размеры в тысячи раз меньшие, сравнимые с размерами кластеров молекул воды. По одиночке они были бы рассеяны в окружающем пространстве.
Выяснилось, что такие шарики цинка получаются при взаимодействии ионов цинка с белками и пептидами, богатыми аминокислотой цистеином. Ученые предполагают, опираясь на картину расположения клеток, органического вещества и цинковых сфероидов, что эти шарики организуются не за счет инкрустации стенок живых или мертвых клеток, а на скоплениях органической материи от распавшихся клеток. Цинковые наночастицы связываются с цистеином, таким образом образуется первичный агрегат, на который затем осаждаются и цистеинсодержащие пептиды, и дополнительны цинковые наночастицы. В отсутствие цистеина цинк образует с пептидами агрегаты на порядок меньших размеров.
Всё это ученые наблюдали под микроскопом, изучая и естественные руды, и материал, полученный в лабораторных опытах. Связывание цинка цистеином не было таким уж неожиданным для исследователей: ведь ферменты с высоким содержанием цистеина выполняют в клетке функцию поставщика необходимых ионов металлов — железа, марганца и др. Видно, в этот реестр входит и цинк.
Теперь, обнаружив микрошарики сернистого цинка в осадочных породах, можно будет с полным основанием подозревать, что без участия бактерий тут не обошлось. Вот так в ходе, казалось бы, сухих и сугубо специальных исследований и познается прошлое и будущее жизни не только на Земле, но и на других планетах.
Источник: John W. Moreau, Peter K. Weber, Michael C. Martin, Benjamin Gilbert, Ian D. Hutcheon, Jillian F. Banfield. Extracellular Proteins Limit the Dispersal of Biogenic Nanoparticles // Science. 2007. V. 316. P. 1600–1603.
См. также: C. Chan, G. Druschel, S. Welch, M. Labrenz, J. Moreau, A. Skatvold, T. Thomsen-Ebert, J. Banfield (the Banfield research group). Biogeochemical Cycling and Biomineralization in the Piquette Mine, Tennyson, WI (Pdf, 600 Кб).
Елена Наймарк
