Станислав Славин - Есть ли тайны у растений?

И вот недавно пришел первый успех: созданы искусственные аналоги природных мембран. Основой послужила окись цинка. То есть самые обыкновенные, всем известные белила...

Добытчики золота. Объясняя происхождение электрических потенциалов в растениях, нельзя остановиться лишь на констатации факта: "Растительное электричество" есть результат неравномерного (пусть даже и весьма неравномерного!) распределения ионов между различными частями клетки и средой. Тут же появляется вопрос: "А почему такая неравномерность возникает?"

Известно, например, что для возникновения разности потенциалов 0,15 вольт между клеткой водоросли и водой, в которой она живет, необходимо, чтобы концентрация калия в вакуоли была примерно в 1000 раз выше, чем в "забортной" воде. Но известен науке так же и процесс диффузии, то есть самопроизвольного стремления любого вещества равномерно распределиться по всему доступному объему. Почему же в растениях этого не происходит?

В поисках ответа на такой вопрос нам придется затронуть одну из центральных проблем в современной биофизике - проблему активного переноса ионов через биологические мембраны.

Начнем опять-таки с перечисления некоторых известных фактов. Почти всегда содержание тех или иных солей в самом растении выше, чем в почве или (в случае водоросли) в окружающей среде. Например, водоросль нителла способна накапливать калий в концентрациях в тысячи раз выше, чем в природе.

Причем многие растения накапливают не только калий. Оказалось, к примеру, что у водоросли кадофора фракта содержание цинка было в 6000, кадмия - в 16 000, цезия - в 35 000 и иттрия - почти в 120 000 раз выше, чем в природе.

Этот факт, кстати сказать, навел некоторых исследователей на мысль о новом способе добычи золота. Вот как, к примеру, иллюстрирует его Гр. Адамов в своей книге "Тайна двух океанов" - некогда популярном авантюрно-фантастическом романе, написанном в 1939 году.

Новейшая подводная лодка "Пионер" совершает переход через два океана, время от времени останавливаясь с чисто научными целями. Во время одной остановки, группа исследователей прогуливается по морскому дну. И вот...

"Внезапно зоолог остановился, выпустил руку Павлика и, отбежав в сторону, поднял что-то со дна. Павлик увидел, что ученый рассматривает большую черную замысловато завитую раковину, засунув металлический палец скафандра между ее створок.

- Какая тяжелая... - бормотал зоолог. - Словно кусочек железа... Как странно...

- Что это, Арсен Давидович?

- Павлик! - воскликнул вдруг зоолог, с усилием раскрывая створки и пристально разглядывая заключенное между ними студенистое тело. - Павлик, это новый вид класса пластинчатожаберных. Совершенно неизвестный науке...

Интерес к таинственному моллюску еще более разгорелся, когда зоолог объявил, что при исследовании строения тела и химического состава нашел в его крови огромное количество растворенного золота, благодаря чему и вес моллюска оказался необычным".

В данном случае писатель-фантаст ничего особо не выдумал. Действительно, идея использования различных живых организмов для извлечения золота из морской воды в какой-то момент владела многими умами. Поползли легенды о кораллах и раковинах, накапливающих золото едва ли не тоннами.

Основывались эти легенды, впрочем, на действительных фактах. Еще в 1895 году Леверсидж, проанализировав содержание золота в золе морских водорослей, нашел, что оно довольно высоко - 1 г на 1 т золы. В канун первой мировой войны было предложено несколько проектов учреждения подводных плантаций, на которых бы выращивались "золотоносные" водоросли. Ни один из них, впрочем, не был осуществлен.

Поняв, что проводить какие-либо работы в Мировом океане довольно накладно, золотоискатели-ботаники перекинулись на сушу. В 30-е годы группой профессора Б.Немеца в Чехословакии были проведены исследования золы различных сортов кукурузы. Так вот, результаты анализа показали, что индейцы вовсе не зря считают это растение золотым - в его золе благородного металла оказалось довольно много: опять-таки 1 г на 1 т золы.

Впрочем, еще большим оказалось его содержание в золе сосновых шишек до 11 г на 1 т золы.

Роботы клетки. Однако "золотая лихорадка" вскоре затихла, поскольку никому не удалось ни заставить растения накапливать золото в большей концентрации, ни разработать достаточно дешевый способ извлечения его хотя бы из золы. Но растения продолжают использовать как своеобразные указатели в геологоразведке. И поныне геологи иногда ориентируются на те или иные виды растений. Известно, например, что некоторые виды лебеды растут только на почвах, богатых солью. И геологи пользуются этим обстоятельством для разведки как месторождений соли, так и запасов нефти, часто залегающих под солевыми пластами. Подобный же фитогеохимический метод используется для поиска месторождений кобальта, сульфидов, урановых руд, никеля, кобальта, хрома и... все того же золота.

И вот тут, видимо, самое время вспомнить о тех мембранных насосах, которые известный наш ученый С.М.Мартиросов назвал однажды биороботами клетки. Именно благодаря им сквозь мембрану и прокачиваются избирательно те или иные вещества.

Тех, кто всерьез заинтересуется принципами работы мембранных насосов, я отсылаю непосредственно к книжке Мартиросова "Бионасосы - роботы клетки?", где на 140 страницах довольно подробно, с формулами и схемами изложены многие тонкости. Мы же здесь постараемся обойтись минимумом.

"Биологическим насосом называется молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества, используя энергию, высвобождаемую при расщеплении аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), или утилизируя любой другой вид энергии", - пишет Мартиросов. И далее: "К настоящему времени создалось мнение, что в природе имеются только ионные насосы. И так как они хорошо изучены, мы можем внимательно проанализировать их участие в жизнедеятельности клеток".

Разными хитростями и окольными путями - ведь не забывайте, ученым приходится иметь дело с микроскопическим объектом толщиной в 10" см ученым удалось установить, что мембранные насосы не только обладают свойством обменивать ионы натрия клетки на ионы калия наружной среды, но и служат источником электрического тока.

Дело в том, что натриевый насос обычно обменивает два иона натрия на два иона калия. Таким образом, один ион как бы оказывается лишним, из клетки все время выносится избыточный положительный заряд, что и приводит к генерированию электрического тока.

Ну а откуда сам мембранный насос черпает энергию для своей работы? В попытках ответить на этот вопрос в 1966 году английский биохимик Петер Митчел выдвинул гипотезу, одно из положений которой гласило: поглощение света живой клеткой неминуемо приводит к тому, что в ней возникает электрический ток.

Гипотезу англичанина развили член-корреспондент РАН В.П.Скулачев, профессора Е.Н.Кондратьева, Н.С.Егоров и другие ученые. Мембраны стали сравнивать с накопительными конденсаторами. Было уточнено, что в мембране есть особые белки, которые разбирают молекулы солей на составные части положительно и отрицательно заряженные ионы, и они в конце концов оказываются по разные стороны. Так накапливается электрический потенциал, который даже удалось измерить - он составляет почти четверть вольта.

Причем интересен принцип самого измерения потенциала. Ученые, работавшие под руководством В.П.Скулачева, создали оптическую измерительную аппаратуру. Дело в том, что им удалось найти такие красители, которые, будучи помещенными в электрическое поле, меняют свой спектр поглощения. Более того, некоторые из таких красителей, например хлорофилл, имеются в растительных клетках постоянно. Так вот, замерив изменение его спектра, исследователям и удалось определить величину электрического поля.

Говорят, что за этими внешне малозначительными фактами могут в скором будущем последовать грандиозные практические последствия. Разобравшись как следует в свойствах мембраны, механизме работы ее насосов, ученые и инженеры когда-нибудь создадут ее искусственные аналоги. А те, в свою очередь, станут основой электростанции нового типа - биологических.

В каком-нибудь месте, где всегда много солнца - например, в степи или пустыне, - люди раскинут на сотнях подпорок ажурную тонкую пленку, которая может покрыть площадь даже в десятки квадратных километров. А рядом поставят привычные трансформаторы и опоры ЛЭП. И произойдет очередное техническое чудо, основанное на патентах природы. "Сеть для ловли солнечного света" станет исправно давать электроэнергию, не требуя для своей работы ни гигантских плотин, как ГЭС, ни расхода угля, газа и иного топлива, как ТЭС. Достаточно будет одного солнца, которое, как известно, светит нам пока что бесплатно...