Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Большинство клеток предпочитают pH-нейтральную среду (7,0), где концентрация ионов водорода такая же, как и концентрация гидроксильных ионов (ион водорода и гидроксильная группа образуют молекулу воды). Кроме того, клетки чувствительны даже к незначительным изменениям водородного показателя, поэтому pH крови человека тщательно регулируется средствами организма. Нормальный для крови показатель pH – около 7,4. Повышение до 7,7 или спад до 7,0 несовместимы с жизнью.
Однако многие бактерии и археи, напротив, предпочитают сильно кислую или сильно щелочную среду. Ацидофилам – любителям кислоты – нравится pH менее пяти. Они обитают в горячих геотермальных источниках, где растворенные в воде сернистые газы образуют серную кислоту, или в кислотных водах, сочащихся из отвалов шлака вокруг старых шахт. Другие живут в уксусе и лимонном соке (вот почему эти продукты со временем портятся). К числу самых удивительных представителей этой группы относится Thiobacillus ferrooxidans. Она добывает энергию из углекислого газа, кислорода, серы и закиси железа, производя в процессе серную кислоту и соли железа, которые окрашивают ручьи, вытекающие из заброшенных шахт, в яркий желто-коричневый цвет и сильно окисляют воду (до pH равного двум). Для большинства водных форм жизни и кислота, и растворенные металлы токсичны. Однако T. ferrooxidans обладает еще более поразительной способностью, как подсказывает ее второе название – T. concretivorans (пожирательница бетона). Она питает особую страсть к низкомарочному бетону, богатому серой, особенно если он армирован металлическими прутьями. К ужасу строителей, бактерия вырабатывает столько серной кислоты, что бетон начинает «гнить». В результате рушатся мосты и эстакады, крошатся плиты многоэтажек. Прошло немало времени, прежде чем удалось установить виновницу бетонной гнили, поскольку плотность ее крайне низка – одной бактерии для одноразового деления требуется потребить железа в 50 раз больше собственного веса.
Ацидофилы не просто терпят низкий pH, он им действительно нравится. Например, Sulpholobus лучше всего растет при pH 2. И это очень кстати, поскольку в качестве отходов метаболизма она производит серную кислоту. Есть бактерии, для которых оптимальный pH еще ниже. Текущий рекорд принадлежит микробам вида Pircophilus – лучше всего они чувствуют себя при pH 0,5. При pH выше 3 они перестают расти, а при pH, равном 5, – разлагаются. Кислотную среду неплохо переносят также некоторые грибы и водоросли, способные расти в слабом растворе серной кислоты.
Helicobacter pylori, бактерия, вызывающая язву желудкаЕще в 1980-х считалось, что язву желудка – отличительную черту ответственного руководителя – вызывает повышенная кислотность, возникающая от постоянного стресса. Однако два австралийских патолога, Робин Уоррен и Барри Маршалл, усомнились в этом. В пробах слизистой желудка больных язвой и гастритом (хроническое желудочное воспаление) они обнаружили некую спиралевидную бактерию. Прежде всего предстояло выяснить, обитает эта бактерия в желудке или привнесена туда извне. Когда была окончательно установлена коренная принадлежность бактерии, наступил следующий этап – подтвердить, что H. pylori не просто безвредная обитательница желудка, а действительно вызывает гастрит и язву. Двое бесстрашных добровольцев (одним из которых стал сам Маршалл) выпили раствор с культурой бактерии. Как и следовало ожидать, у них развился гастрит.
Уоррен и Маршалл своим экспериментом практически в одночасье совершили переворот в медицине. Они доказали, что язва – это результат бактериальной инфекции, а не просто повышенной кислотности. Поселившаяся на стенках желудка H. pylori вызывает воспаление, которое затем приводит к разрушению тканей и изъязвлению. Соответственно подверглась пересмотру и медицинская практика. Стало ясно, что препараты, подавляющие выработку желудочной кислоты, приносят лишь временное облегчение, поскольку никак не затрагивают бактерию. А вот курс антибиотиков позволяет избавиться от Helicobacter pylori навсегда. В этом и состоит разница между лечением и терапией – устранением болезни и снятием симптомов.
Открытие Уоррена и Маршалла имело немалое значение для медицины, поскольку, как выяснилось, около одной трети населения Земли являются хроническими носителями бактерии H. pylori, хотя заболевание развивается далеко не у всех. Отразилось оно и на фармацевтической промышленности. Препарат «Зантак», подавляющий производство желудочной кислоты и озолотивший когда-то компанию Glaxo, до сих пор входит в число самых популярных лекарств мира. Логично предположить, что новые методы лечения язвенной болезни должны были бы сократить рынок препаратов, снижающих кислотность желудка. К счастью для фармацевтических компаний, этого не произошло. В сочетании с такими препаратами антибиотики действуют еще эффективнее (при этом совсем не обязательно покупать дорогие антациды, обычный висмут справляется не хуже).
Несмотря на обитание в кислотной среде желудка, pH которой равен двум, H. pylori вовсе не является ацидофилом. Она предпочитает, скорее, нейтральную среду, и хотя в течение какого-то времени способна переносить кислотность, длительное пребывание в кислоте ее убивает. Выжить в желудке ей помогает поведенческая, а не физиологическая адаптация. Она скрывается в слизистой желудка, оберегающей его стенки от ожогов, а для дополнительной защиты укутывает себя облаком с более высоким pH, выделяя фермент уреазу.
Кислота разрушает ДНК и белок. Как же тогда удается кислотолюбивым археям и бактериям выживать при pH 0,5? Точного ответа на эту загадку пока нет, но, предположительно, они просто не допускают кислоту внутрь, выкачивая ионы водорода сразу, как только они попадают в клетки или превращая кислоту в воду добавлением гидроксильной группы. Однако белки клеточных мембран, откачивающие кислоту, все равно должны как-то выносить pH 0,5, поскольку их внешняя поверхность соприкасается непосредственно с кислой средой. Поэтому загадка остается, только теперь нужно смотреть глубже: почему кислота не растворяет мембранный белок. Этого пока не знает никто, хотя бьются над этим вопросом многие.
Любители щелочи
Вдоль всей Восточно-Африканской рифтовой долины вьется цепочка щелочных озер. Прекрасные, но негостеприимные водоемы насыщены каустической содой. Окружающие вулканические скалы выделяют углекислый натрий, который, утаскивая ионы водорода, образует едкий натр (каустическую соду), превращая источники, питающие озера, в щелочь. Под палящим тропическим солнцем озера интенсивно испаряются, и щелочной раствор делается еще более насыщенным. В некоторых озерах Великой рифтовой долины вода вообще непригодна для питья. В других, из-за перенасыщения содой, по берегу образуется сверкающая белая корка, а воздух ест глаза и жжет горло. Но бывают условия и похуже. Содовые озера (например, в Южной Африке и на Альтиплано) могут пересохнуть полностью, оставляя искрящиеся на солнце белые отложения. В геологических толщах Иордании подземные воды настолько едкие (pH 13), что прожигают дыры в резиновых сапогах. И тем не менее даже в таких агрессивных средах существует жизнь.
В содовых озерах Великой рифтовой долины отлично себя чувствуют многие виды архей, бактерий и водорослей, а также многочисленные популяции солоноводной креветки артемии. На берега озер прилетают миллионы фламинго, питающиеся этими креветками, а также цианобактериями, багрянками и беспозвоночными, обитающими в поверхностном слое воды или в донном иле. Эти красавцы сбиваются плотными стаями по берегам, и у синих озер появляется розовая кайма. Такой нежный цвет придают оперению фламинго каротиноидные пигменты, содержащиеся в багрянках и артемиях. Фламинго принадлежит к числу тех немногих птиц, на которых не действует едкая вода содовых озер, однако без трудностей не обходится и у них.
Обширные содовые залежи кенийского озера Натрон настолько агрессивны, что мало кто из животных решается к ним приблизиться. Поэтому фламинго, не опасаясь хищников, активно гнездятся там во время прохладного сезона, когда на содовых залежах еще остаются широкие, но мелкие щелочные водоемы. Однако эти озера не вечны. С приближением сухого сезона жара усиливается, водоемы высыхают, и щелочь становится более насыщенной. Наступает момент, когда вода окончательно перенасыщается едким натром и он выделяется из раствора, облепляя ноги фламинго и застывая тяжелой коркой, тянущей их вниз. Поэтому птицам необходимо покинуть озера до того, как это произойдет. Стоит замешкаться, и они останутся пленниками озер, обреченными на мучительную смерть от обезвоживания. Со взрослыми птицами такое случается редко, поскольку им легче освободиться и улететь. А вот молодняку и птенцам, еще не отрастившим крепких маховых перьев, приходится переходить высыхающее озеро пешком, и для них промедление смерти подобно.
