Традиционно считается, что для начала взаимодействия вещества должны находиться в непосредственном контакте друг с другом. Однако, как оказалось, необходимая для взаимодействия энергия может передаваться и посредством электрических цепей на значительные расстояния.
Бактерии способны образовывать электрические цепи, охватывающие расстояния в 20 тыс. раз больше длины каждой из бактерий. Посредством этих цепей бактериальные клетки обмениваются энергией на больших расстояниях, проводя «удаленные» химические реакции.
Датские ученые провели исследование бактерий из донных отложений залива Орхус и обнаружили, что бактерии, содержащиеся в отложениях, взаимодействуют через «электрические провода». Их работу публикует Nature.
Биологи выяснили, что бактерии, обитающие в морской воде, способны быть «проводниками» начала реакций на значительных расстояниях. В частности, при увеличении (или уменьшении) концентрации кислорода на поверхности воды им удалось «включать / выключать» кислородозатратные реакции в толще воды. При этом точно установлено, что поступивший в поверхностные слои воды кислород сам по себе не может достигнуть слоев воды, где проходит реакция с участием бактерий.
Наблюдаемое явление казалось совершенно необъяснимым.
Парадокс помогла разрешить на первый взгляд дикая идея: морское дно сплетено с толщей воды миллионами естественно образующихся «электрических проводов». Последующие эксперименты подтвердили эту гипотезу: старт реакциям окисления на морском дне дает быстрый перенос электронов в толще воды, который научились проводить бактерии.
«Мы, люди, извлекаем энергию из еды, сжигая ее (окисляя) кислородом, который мы вдыхаем. Главная нить этого процесса — переход электронов от «еды» к кислороду. Бактерии получают энергию сходным способом», — объясняют авторы работы.
Однако бактериям, живущим в толще воды, несколько сложнее. Обитатели дна испытывают недостаток кислорода, который по понятным причинам находится у поверхности, а приповерхностные жители «недоедают»: органические остатки опускаются в более глубокие слои. Мигрировать от поверхности к дну и наоборот микроскопическим организмам сложно. Совмещать и дыхание, и питание в одном организме, находясь на постоянной позиции, также очень сложно.
Чтобы выжить, бактерии организуют «коллаборации» по транспорту электронов. Получается, что процесс питания и дыхания разделен между разными особями и территориально.
Бактерии в нижних слоях воды перерабатывают органические вещества и сероводород (сильный восстановитель) и извлекают из них электроны. Затем по «проводам» в толще воды, которые сами бактерии и образуют, электроны передаются в приповерхностный слой воды. Там их принимают «дышащие» коллеги-бактерии, которые и проводят реакцию с кислородом.
Получается, что одни бактерии «дышат за двоих», а другие — «едят за двоих».
«Подышавшие» передают полученную энергию «поевшим». Таким образом, симбиоз обмена электронов позволяет большой колонии бактерий успешно использовать как преимущества жизни «на дне», так и плюс «приповерхностного плавания».
Способность бактерий генерировать электрический ток не новость. Однако до сих пор природа эволюционного возникновения этого явления особенно не изучалась: все усилия ученых сводились к попыткам «заставить» бактерии генерировать электричество для использования его в коммерческих целях.
Теперь стало ясно, зачем бактерии генерируют электрический ток и насколько это важно для их выживания. Проведение химической окислительно-восстановительной реакции в условиях значительного удаления реагентов друг от друга — новая важная ступень в понимании закономерностей жизни биологических цепей океана. Исследователи отмечают, что обнаруженный ими механизм следует принимать во внимание в будущем при изучении закономерностей и природы экологических циклов.