Молекулярный водород это что
Молекулярный водород и его польза для организма человека
Молекулярный водород и его польза для организма человека
Из школьного курса химии нам известно, что водород занимает первое место в периодической системе Менделеева и является самым маленьким и простым элементом. При этом его важность в протекании различных химических процессов, в том числе и для здоровья человека, весьма велика. Существует водород в основном в различных соединениях, например, в молекуле воды два атома водорода соединены с одним атомом кислорода.
Что такое молекулярный водород?
Молекулярный водород (Н2) — это газ без цвета, запаха и вкуса, в котором два атома водорода соединены друг с другом. Именно в такой форме водород является уникальным природным антиоксидантом, способным оказывать терапевтическое воздействие на каждый орган в организме человека.
Способы употребления водорода.
Наиболее простые и доступные способы доставки водорода (Н2) в организм человека — это употребление водородной воды, ингаляции с молекулярным водородом или принятие водородных ванн.
Главные функции водорода
Водород имеет четыре основные функции:
Отличительная особенность водорода
Водород отличается своей высокой степенью проникаемости в клетки человеческого организма.
Будучи самой маленькой и самой легкой молекулой во Вселенной, водород может в течение короткого времени диффундировать по всему телу. Он проникает в клеточную мембрану и в митохондрии, не зависимо от движения крови по кровеносной системе.
Благодаря этому, молекулярный водород (Н2) эффективно снижает количество вредных свободных радикалов внутри клеток не только тела, но и мозга, защищая их от разрушения, что является важнейшим преимуществом, когда речь идет, например, о нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона).
Исследования положительного эффекта молекулярного водорода
Водород – это лучший антиоксидант, поскольку он направлен только на удаление поврежденных клеток и не вредит здоровым клеткам. Уникальные антиоксидантные свойства водорода Н2 были официально открыты японскими учеными в 2007 году, после чего было проведено более 500 исследований, результаты которых подтверждают то, что водород имеет терапевтическое воздействие на организм человека: водород ликвидирует свободные радикалы и снижает оксидативный стресс (процесс повреждения клетки в результате окисления) при заболеваниях различных систем организма, включая пищеварительную, сердечно-сосудистую и дыхательную системы, а также замедляет процесс старения человека, повышает уровень энергии, укрепляет иммунную систему.
Уже сегодня существуют целые госпитали в Японии и Корее, принцип лечения в которых основан на использовании водородной воды и водородных ингаляций.
Преимущества молекулярного водорода:
После многочисленного ряда исследований учеными было доказано, что молекулярный водород является сильным антиоксидантом. Кроме того, он поддерживает высокий уровень наших собственных антиоксидантов в организме, вызывает активацию и регулирование дополнительных антиоксидантных энзимов, таких, как глутатион, супероксиддисмутаз, каталаз, а также белков тела, защищающих клетки.
Активизируя внутреннюю эндогенную антиоксидантную систему в нашем организме, водород снижает количество токсических веществ в организме. Накопление токсичных веществ в организме является одной из причин разбалансировки регуляции гомеостаза, приводящей к серьезным метаболическим нарушениям, изменениям иммунного статуса, гормональным сдвигам и глубоким нарушениям в системе детоксикации.
H2 – самая маленькая и легкая молекула на Земле, что позволяет ей через водородные ингаляции, и через употребление воды насыщенной водородным газом попадать в кровь и внутрь всех клеток и митохондрий человека. Водород имеет уникальную способность легко преодолевать физиологический барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой, что не доступно другим антиоксидантам. Только молекулярный водород способен проникать через клеточные мембраны и ликвидировать токсичные радикалы внутри клеток, тем самым оздоравливая наш организм на клеточном уровне. Защитные функции других антиоксидантов сильно ограничены из-за большого размера, так как им трудно и чаще всего невозможно проникать в клетки организма.
Водород является “умной” молекулой, которая избирательно ликвидирует только вредные свободные радикалы, не затрагивая те, которые выполняют жизненно важные функции в организме человека.
Исследования японского профессора Хатана Гязуки из Университета Шитама (Япония) показали, что употребление 1,5 литров водородной воды в день имеет тот же антиоксидантный эффект, что и употребление 516 шт. яблок, 756 шт. бананов, 38 шт. морковок, 45 листьев шпината или 3,7 шт. тыкв.
В результате взаимодействия со свободными радикалами, водород образует безопасную воду, которая лишь улучшает гидратацию клеток и нашего организма в целом и легко выводится через выделительные системы организма. В результате реакции других антиоксидантов со свободными радикалами, побочным продуктом могут быть различные вредные отходы. Вы не можете получить избыток водорода в организме, так как его излишек выйдет на выдохе в процессе дыхания.
Молекулярный водород продлевает молодость и борется с болезнями
Молекулярный водород необходим организму
Польза для здоровья Н2
Есть много доказанных преимуществ H2 для здоровья, кроме перечисленных выше. Водородная вода снижает оксидативный стресс и радиационное повреждение, не снижая свойств радиации убивать злокачественные новообразования. Водородная вода может применяться для борьбы с когнитивными расстройствами и патологий вследствие стресса.
Н2 заключает 3 главных свойства: антиоксидантное, клеточная активизация и модуляция. Преимущества H2 для здоровья:
Польза водородной воды (то есть насыщенной H2)
Эффект активации
Через избирательную активацию Н2 поддерживает антиоксидантную функцию организма. То есть способствует регуляции большого перечня антиоксидантов, генов возрождения клеток и детоксикации.
Антиоксидантный эффект
Такая возможность глубокого проникновения помогает предотвращать когнитивные сбои, снижать оксидативный стресс.
Новая клеточная модуляция
Выше уже был упомянут клеточно-модулирующий эффект Н2. Он может стать новым медицинским газом для клеток с широким спектром применения. Многие антиоксиданты имеют высокий показатель токсичности, в отличие от H2.
Научное обоснование таблеток молекулярного водорода
Молекулярный водород (H2) — это газ с уникальными и селективными антиоксидантными свойствами. Он работает в основном за счет улучшения окислительно-восстановительного статуса клетки в случае необходимости.
Алекс Тарнава, о котором вы, возможно, раньше не слышали, является изобретателем таблеток моей любимой добавки молекулярного водорода в открытом контейнере, благодаря которой он широко распространен в удобной форме. Молекулярный водород (Н2), два атома водорода, соединенные вместе — это газ с уникальными и селективными антиоксидантными свойствами, которые специально направлены на наиболее вредные свободные радикалы. Он работает в основном за счет улучшения и оптимизации окислительно-восстановительного статуса клетки при необходимости.
Джозеф Меркола: Что такое молекулярный водород?
В результате вы видите, например, улучшение уровня супероксиддисмутазы, каталазы и глутатиона. Мало того, что водород избирательно сокращает количество наиболее токсичных радикалов, он также может помочь предотвратить избыток свободных радикалов в первую очередь (который становится токсичным). Это очень мощный профилактический механизм.
H2 также при необходимости активирует путь Nrf2, который является транскрипционным фактором, при активации проникающим в ядро клетки и связывающимся с антиоксидантным элементом ответа в ДНК.
Затем он индуцирует транскрипцию других цитопротективных ферментов, таких как глутатион, супероксиддисмутаза каталаза, глутатионпероксидаза, ферменты фазы II, гем-оксигеназа 1 и многих других.
Путь Тарнавы к открытию
Как это часто бывает, интерес Тарнавы к молекулярному водороду и его последующее изобретение возникли из личной проблемы со здоровьем, которая требовала от него более глубоких поисков решения. Он объясняет:
«У меня был еще один бизнес, который давал мне много свободы для занятий спортом и физическими упражнениями. Я тренировался по шесть-восемь часов в день. Я занимался различными боевыми искусствами и кроссфитом. Потом я серьезно заболел. Это проявилось в виде внезапно наступившей нарколепсии. У меня отключилась центральная нервная система.
Ваш С-реактивный белок в идеале должен быть ниже 1 миллиграмма на децилитр (мг/дл), поэтому, очевидно, у Тарнавы было сильное воспаление. У него также был дефицит железа и анемия, несмотря на то что он ел много красного мяса и листовой зелени.
Изобретая молекулярные водородные таблетки
Проблема заключалась в том, что машина для производства водородной воды производила очень небольшое количество газообразного водорода. После проверки воды на содержание водорода, Тарнава обнаружил, что она имеет концентрацию 0,03 частей на миллион (промилле), то есть практически полное отсутствие. В конце концов, именно это подтолкнуло Тарнаву к разработке таблеток молекулярного водорода, которые могут доставлять постоянную концентрированную дозу при растворении в воде.
Позже я обнаружил, что его было незаконно экспортировать из обоих мест. Он строго контролируется в США. Простая доставка в Канаду заняла восемь месяцев, пока государственный департамент проводил проверку биографических данных и помещений, а также личные собеседования, чтобы удостовериться, что у меня были законные планы на этот материал».
Пульсация и дозировка
Как отмечает Тарнава, ваше тело естественным образом производит около 10 литров газообразного водорода каждый день с помощью бактерий, которые расщепляют углеводы в вашей пищеварительной системе.
Может показаться странным, что прием относительно небольшого количества добавки может иметь значение, но, когда вы смотрите на клеточный ответ приема внутрь и вдыхания, заметно, что употребление водородной воды может удвоить клеточную концентрацию газообразного водорода. В течение примерно пяти минут уровень в крови достигает пика, и в это время происходят полезные изменения в передаче сигналов между клетками и экспрессии генов.
Тарнава обсуждает дозировку газообразного водорода с использованием как частей на миллион, так и мг. Они идентичны и относятся к концентрации водорода в воде. В мг исчисляется фактическая дозировка. Как отмечает Тарнава, правильная доза важна для оптимальной пользы.
Когда вы растворяете две таблетки молекулярного водорода в 1 литре воды, вы получаете концентрацию газообразного водорода от 8 до 10 частей на миллион, что соответствует дозе от 8 до 10 мг, если ее употреблять, пока вода «белая».
В идеале, нужно выпить весь литр за один раз. Если этого слишком много, вы можете разделить его на две дозы: одну таблетку на пол-литра воды с утра, и еще одну половину (с одной таблеткой) днем.
Хотя может быть заманчиво просто положить две таблетки в пол-литра воды, это не даст вам идеальной дозы. По сути, вы получаете более высокую концентрацию водорода, но в более низкой дозе. Проблема в том, что эффекты не являются линейными, и просто повышая концентрацию, но уменьшая дозу вы не получите полного эффекта.
Как пить водород для достижения наилучших результатов
Поэтому, для достижения наилучших результатов, поместите две-три таблетки в 1 литр (около 32 унций) воды и выпейте все это утром. Это обеспечит вам сильный импульс, который даст лучшие результаты, чем более слабый толчок два раза в день.
Имейте в виду, что как только таблетки полностью растворятся и вода станет белой, что может занять от 30 секунд до нескольких минут, в зависимости от ее температуры, нужно будет выпить ее как можно быстрее. Вода комнатной температуры лучше всего, она позволяет таблеткам раствориться примерно за 90 секунд.
Между 45 и 90 секундами вода будет иметь стабильную концентрацию водорода на уровне 10 ч/млн или выше. В промежутке от одной до шести минут она снизится с 10 до 1,6 ч/млн. Таким образом, чем быстрее вы пьете, тем лучше. Однако, даже если вы оставите ее отстаиваться на несколько минут, вы все равно получите 1,6 промилле, что намного выше, чем в ионизаторах воды, которые стоят тысячи долларов.
От болезни к здоровью с молекулярным водородом
Пока Тарнава продолжал использовать водородную воду, его не работающие плечевые и артритные суставы продолжали улучшаться до такой степени, что теперь он может играть в футбол и заниматься спортом. Он также реализовал улучшение гигиены сна, что, вероятно, сыграло свою роль, так как до этого он спал всего около четырех часов, что является половиной рекомендуемого количества, необходимого для оптимального здоровья.
Это поднимает важный вопрос: хотя молекулярный водород является фантастической добавкой (я принимаю его каждый день), сам по себе он не волшебное средство от всех болезней. Его нужно интегрировать с другими элементами здорового образа жизни. Тарнава не делал этого вначале. Теперь, когда он спит больше и ест в ограниченном по времени окне, а также более продолжительно голодает, его здоровье начинает значительно улучшаться.
Но что было интересно, так это то, что он значительно снизил уровень инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1), в то время как физические упражнения его повышают. [Крысы] показали лучшие результаты, но у них был снижен IGF-1».опубликовано econet.ru.
Автор Джозеф Меркола
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой
Всё именно так и выглядит под микроскопом! Верьте мне, я эксперт!
рисунок автора статьи
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: На дне водоемов и в их толще, в глубине земли, на скалах, в горячих гейзерах и холодных болотах можно найти удивительных микроорганизмов. Мы не можем рассмотреть их глазом, но поверьте, они там есть. И многие из них сильно отличаются от нас. Если мы едим мясо, овощи, крупы, фрукты, то они едят аммоний, сероводород, сульфит, пирит, молекулярный водород. Если мы дышим кислородом, то некоторые из них могут дышать нитритом и нитратом, сульфатом и даже железом. Кто они? Хемолитотрофные бактерии.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Вирусы и микроорганизмы» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Все рассказанное в этой статье не новая информация для науки. Некоторые факты открыты уже более столетия назад, некоторые совсем недавно. Зато здесь есть красивые фотографии самих бактерий и их местообитаний!
В глубинах ночных океана,
Куда не дотянемся мы,
Из черного дна неустанно
Крутые восходят дымы.
Среди закипающей черни,
Рождающей множество руд,
Огромные плоские черви
В горячих рассолах живут.
Едят они серу на ужин,
Вкушая от этих щедрот.
Здоровью их даром не нужен
Полезный для нас кислород.
И в час, когда вспыхнет пожаром
Земная недолгая плоть,
И ядерным смертным ударом
Людей покарает Господь,
И солнце погаснет, и реки
Покроются пепельным льдом,
Они лишь освоят навеки
В наследство доставшийся дом.
И ступят на цепкую лапу,
Что станет позднее ногой, —
Начало другого этапа,
И будущей жизни другой.
Александр Городницкий
Без чего невозможно существование жизни? Без воды? Разумеется. Без тепла? Верно. Без кислорода? Частично верно. Без других живых существ? Правильно. Без еды? Абсолютно точно. И именно о таком важном аспекте, как «покушать», мы и узнаем сегодня. Но зайдем с совершенно другой, можно сказать, экзотической стороны.
В повседневной жизни мы наблюдаем типичное явление: живые существа едят друг друга. Травоядное ест растения, хищник ест травоядное, хищника может съесть следующий хищник. Все поглощают органические вещества для получения энергии и строительного материала для своего тела. И все дышат кислородом: человек, хищники, травоядные, насекомые, моллюски, черви, инфузории, коловратки, тихоходки и т.д. Из этой стройной и простой картины уже начинают выбиваться растения: они сами синтезируют себе органические вещества из углекислого газа для строительства тела за счет энергии света (так называемого фотосинтеза [2]); и то хорошо — типично, как все нормальные существа, растения дышат кислородом. А давайте представим, что есть необычные микроорганизмы — бактерии и археи — которые используют для получения энергии соединения азота и серы, железо и, страшно сказать, водород. Причем некоторые из них умудряются «дышать» той же серой или азотом. И при этом они еще и сами себе синтезируют органику. Невероятно, но такие организмы действительно существуют, и называют их хемолитоавтотрофами.
Типы питания
Используя эту информацию, мы можем сказать, что хемолитоавтотрофы — это организмы, которые используют энергию химических связей и неорганические вещества для получения внутренней (собственной) энергии, которую, в том числе, они расходуют на создание органики из неорганических соединений углерода. Чисто для справки: человек является типичным хемоорганогетеротрофом.
Секреты метаболизма
Для понимания, почему некоторые микроорганизмы могут «есть» серу и «дышать» азотом, необходимо обсудить, как происходит метаболизм на молекулярном, самом изначальном, уровне. Готовьтесь, будет нелегко.
Пожалуй, это и правда главное: все известные нам формы жизни строятся на наличии мембраны, непроницаемой для воды и растворимых веществ из-за своего липидного состава: «Липидный фундамент жизни» [9]. — Ред.
Остался вопрос: а как так получилось, что концентрации протонов по обе стороны мембраны разные? И вот для этого нам необходимы источник энергии и донор электронов. Из названия «донор электронов» понятно, что он дает нам электрон, движение которого и обеспечивает разницу концентраций. Только вот электроны ленивы и куда-либо двигать со своих насиженных мест просто так не будут. Им нужен «пинок», которым выступает источник энергии; электрон, которому «придали ускорение», начинает двигаться, но не просто свободно лететь, а передаваться, как горячая картошка, по цепочке веществ (в основном белков). Это приводит к перебросу протона из одной области в другую через мембрану, а так как протоны не появляются из воздуха и не исчезают неожиданно, то на одной стороне их становится больше, а на другой меньше — разница концентраций обеспечена, можно делать «батарейку-АТФ»!
Но «активный» электрон остался в цепи, и с ним надо что-то делать, иначе он может выйти из-под контроля и начать барагозить в клетке (например, производить активные формы кислорода [10], что способно привести к разрушению белков и других молекул). Один вариант — передать этот электрон на специальные вещества (например, НАДН и НАДФН), которые используют его в метаболических путях как для получения энергии, так и, например, при создании углеводов из неорганического углерода в растениях (фотосинтез). Второй путь — сбросить его на молекулу, называемую акцептором электронов, которая «успокоит» электрон. Проще всего привести пример: у человека это кислород. Да, можно сказать, что то, чем мы дышим, является некой сточной канавой для «использованных» электронов. И кислород в этом плане самый лучший! Теперь мы понимаем, как можно «дышать» соединениями азота или серы: на них сбрасываются электроны после использования. У бактерий множество разнообразных акцепторов электронов, не только неорганических. А есть даже уникальные случаи, когда микроорганизм сам себе производит акцептор электронов, а не берет из среды — например, некоторые метаногенные археи из отдела Euryarchaeota.
Для наглядного примера используем электрон-транспортную цепь митохондрии (она работает в человеке) (рис. 1). Оранжевым показан путь электрона; конкретно в митохондрии он приходит из цикла Кребса, но изначально его отдает донор электронов.
Чуть больше всяких интересностей и подробностей про митохондрии и метаболизм в клетках человека можно прочитать в спецпроекте «Биомолекулы» «Биоэнергетика».
Рисунок 1. Митохондриальная электрон-транспортная цепь. ATP = АТФ.
Вот теперь мы рассмотрели необходимую информацию для понимания, как хемолитоавтотрофы могут жить, расти и размножаться. Хочу уточнить, что это описание энергетического метаболизма клетки очень упрощено и утрировано с использованием, возможно, не совсем корректных сравнений. Но для нашей текущей задачи этого достаточно. Собираем всё вместе (идем по картинке!): донор электронов дает электрон (или электроны), который «заряжается» источником энергии; электрон бежит по цепи и дает энергию клетке, а после сливается на акцептора электронов.
Поедающие азот
Основная еда — аммиак (NH3) или нитрит (NO2 − ). Стоит сказать, что подобное встречается только у бактерий, и их называют нитрифицирующими. В зависимости от того, чем они выбрали питаться (аммиаком или нитритом), их делят на нитрозобактерий (класс Betaproteobacteria) и нитробактерий (род Nitrobacter, род Nitrococcus, род Nitrospina) соответственно. Дышат они кислородом.
Нитрозобактерии «перерабатывают» аммиак в нитрит и выбрасывают его в окружающую среду. Нитробактерии подбирают за нитрозобактериями то, что они не доели, «перерабатывают» это в нитрат (NO3 − ) и также выбрасывают как отход метаболизма. По этой причине две группы этих бактерий часто образуют сообщества, где азот проходит следующий путь:
И если нитробактерии нуждаются в соседстве с нитрозобактериями, то последние могут жить отдельно, так как аммиак поступает из множества источников (рис. 2). Неравноценные отношения, не так ли? Жить они могут как в воде, так и в почве, был бы источник энергии.
Рисунок 2. Поедающие азот. а — Смешанная культура Nitrosospira штамм AHB1 (нитрозобактерия) и Nitrobacter штамм NHB1 (нитробактерия). Черные стрелки — нитробактерии, синие стрелки — нитрозобактерии. Просвечивающая электронная микроскопия. б — То, как я вижу эту микрофотографию.
Рисунок 3. Клетка Nitrospira inopinata со жгутиком. Просвечивающая электронная микроскопия, масштабная линейка 0,2 мкм. На вид обычная, а такая уникальная.
После открытия нитрифицирующих ассоциаций бактерий ученые задумались: а есть ли такой уникальный микроорганизм, который бы осуществлял полный цикл от аммиака до нитрата в одно лицо? И, в конце концов, его нашли. Обнаружили его в воде из нефтяной скважины на глубине 1000 м и назвали Nitrospira inopinata (рис. 3) [11]. Такую полную нитрификацию назвали комамоксом.
Не то чтобы и давно (первые сообщения появились в 1995 году) открыли питание аммиаком без использования кислорода. Подобный процесс назвали аннамоксом [12]. Чем дышат такие микроорганизмы? Нитритом. Да, одни его едят, другие им дышат — нормальное явление у бактерий. Отходами жизнедеятельности у них является чистый азот (N2). Еще один интересный факт: промежуточный продукт метаболизма — гидразин (H2N—NH2), применяемый как ракетное топливо, — токсичен, поэтому накапливается в отдельной органелле — анаммоксосоме — и там же перерабатывается (рис 4). Это как если бы у человека в процессе метаболизма накапливался метанол в отдельном органе в больших количествах и потом перерабатывался в воду и углекислый газ. Эти бактерии вообще странные (даже по меркам описанных в этой статье примеров): и состав белков в клетке странный, и липиды в мембране странные. У них даже есть очень чувствительный «орган», который «вынюхивает» аммоний в среде [12]. Но аннамокс-бактерии живут со всем этим спокойно. Все они принадлежат отделу Planctomycetes, например, род Brocadia и род Kuenenia.
Рисунок 4. Некоторые подробности строения клетки аннамокс-бактерии. Масштабная линейка 0,2 мкм.
Нитрифицирующие, комамокс- и аннамокс-бактерии — обязательные участники глобального круговорота азота (рис. 5) [13]. Поступающий в почву аммоний от азотфиксаторов и редуцентов они переводят в нитрат, необходимый для растений, или молекулярный азот, возвращающийся в атмосферу.
Рисунок 5. Схема цикла азота
[13], рисунок с изменениями
Поедающие серу
Всех серных бактерий очень условно и с оговорками можно разделить на две группы: бесцветные серные бактерии и тионовые бактерии. Бесцветные делают запасы элементной серы в виде серных глобул (а то вдруг голод), которая образуется после использования сероводорода как источника энергии (рис. 6 и рис. 7). Впоследствии они могут подъедать ее с образованием сульфита. А тионовые сразу извлекают максимум из еды, что они смогли найти, осуществляя полный цикл с выделением серной кислоты.
Рисунок 6. Поедающие серу. Трихомы штаммов Beggiatoa leptomitoformis D-401 (а) и D-402 (б) (бесцветная серная бактерия). Фазовый контраст. Стрелочки указывают на серные глобулы. Именно на бактериях рода Beggiatoa С.Н. Виноградский открыл явление литотрофии.
Рисунок 7. Мат белых трихомных серных бактерий между корнями мангрового дерева на глубине примерно 1 м — необычное можно встретить намного ближе, чем вы думаете. Красной стрелкой указан мат.
В основном для дыхания эти бактерии используют кислород, но есть исключения. Некоторые представители родов Thioploca (рис. 8) и Thiomargarita имеют вакуоль, где запасают нитрат. Этот нитрат может быть заменой кислороду, когда последнего не оказывается в среде, — нитратное дыхание! Есть специфические ситуации, когда используется ион трехвалентного железа, но об этом далее.
Рисунок 8. Жизнь серных бактерий.
Одним из промежуточных продуктов подобных метаболических путей является сульфит (SO3 2− ). Он токсичен и имеет антимикробные свойства, но некоторые серные бактерии используют его как единственный источник энергии — настоящие экстремалы среди бактерий (рис. 9). Понятное дело, его нужно убрать из клетки, преобразовав в сульфат. Можно просто использовать кислород для этого, но тогда мы не получим энергию и электроны, а можно делать это с помощью ферментов. И вот в одном из вариантов с ферментами одним из возможных акцепторов электронов служит Fe 3+ — железное дыхание (рис. 10).
Рисунок 9. Серные бактерии действительно могут выбирать экстремальные местообитания. Например — Канареечный родник (Canary Spring) в Йеллоустонском национальном парке. Температура воды там «всего лишь» 80 °C — это вполне приемлемо для развития оранжевых колоний серных бактерий.
Рисунок 10. Примеры уравнений ассимиляции соединений серы
Помимо вышеназванных соединений серы, некоторые представители серных бактерий могут использовать для питания сульфидные минералы: пирит (FeS2), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), халькопирит (CuFeS2) и другие. Подробно описывать усвоение этих минералов незачем, важно, что при этом отделяется катион металла. Это привело к созданию бактериального выщелачивания — процесса получения из бедных руд и заброшенных выработок меди, железа, свинца, цинка и других металлов (рис. 14). Это достаточно дешевый, экологичный и быстрый способ, так как в некоторых случаях достаточно полить гору отработанной руды водой и добавить бактерий, подождать, снова полить, собрать «металлическую» воду и, наконец, выделить из нее необходимые ценные ископаемые (любым понравившимся способом) — вуаля, вы прекрасны!
Обитают серные бактерии там, где есть постоянный приток соединений серы, особенно сероводорода, и кислорода. Это могут быть донные отложения: снизу в результате процессов разложения поступает сероводород, сверху потоками воды приносит кислород; зоны морского вулканизма, гидротермальные источники («черные курильщики») (рис. 11). В гидротермальных источниках они занимают место, где не очень жарко, есть приток кислорода и соединений серы. При этом вместе с ними там развивается обилие жизни в виде беспозвоночных, рыб и других бактерий. В черных курильщиках также был обнаружен уникальный симбиоз: серная бактерия Candidatus «Endoriftia persephone» живет внутри червей из класса Vestimentifera (рис. 11). У червей нет рта и ануса, а пищеварительная система сильно редуцирована, вместо этого у червя есть орган «трофосома», который набит серными бактериями. Фактически, червь питается за счет того, что нашли бактерии, а бактерии получают более-менее комфортную и безопасную нишу для жизни.
Рисунок 11. «Черные курильщики» — глубоководные гидротермальные источники. Из них извергается высокоминерализованная горячая (до 400 °C) вода под давлением в сотни атмосфер. Здесь жизнь существует только за счет хемолитоавтотрофных бактерий: не было бы их, не было бы такого уникального сообщества.
Возможность питания серой распространена по многим отделам и практикуется очень разными и далекими в плане родства бактериями. Судя по всему, это очень древний биохимический процесс, который мог быть унаследован от общего предка.
Поедающие железо
Процесс питания железом имеет намного больше проблем, чем все ранее описанное. Во-первых, железо «низкокалорийное», поэтому в основном выступает в роли «дополнительного питания». Часто в метаболизме соседствует с питанием серой, причем серная хемолитотрофия является основной. Есть представители классов Betaproteobacteria и Gammaproteobacteria, которые используют исключительно соединения Fe 2+ (двухвалентное железо) как источник энергии. Но для этого они должны жить в среде с высокой концентрацией пищи и постоянно перерабатывать ее для получения энергии, достаточной для роста и размножения. Их колонии имеют охристый цвет за счет накопления оксидов и гидроксидов трехвалентного железа (Fe 3+ ) (рис. 12).
Рисунок 12. Это не последствия экологической катастрофы, это бурное развитие железных бактерий. На первой фотографии — ручей Гессенбах, Германия (Maria Fabisch, 2009); на второй — отложения трехвалентного железа на почве вокруг ручья (Felix Beulig, 2011).
Рисунок 13. Acidithiobacillus ferrooxidan; сканирующая электронная микроскопия
Рисунок 14. «Кислотные» шахты. а — Заброшенная железорудная шахта, участок, затопленный грунтовыми водами. Рыжий цвет воды указывает на высокую вероятность проживания там железных бактерий. б–г — Затопленный Дегтярский рудник, кислые воды. Тут тоже вполне комфортно для проживания железных бактерий; приятный бонус — человек редко тревожит, так как из-за высокой кислотности вода разъедает обувь и одежду.
У железных бактерий дыхание может быть кислородным, тогда все достаточно типично:
4Fe 2+ + O2 + 4H + → 4Fe 3+ + 2H2O
Наряду с этим есть бескислородные железные бактерии. И если в современности «железное питание» имеет малый вес, то в далеком еще бескислородным прошлом Земли использование железа без участия кислорода (откуда ему было тогда взяться?) имело намного большее значение. Акцептором электронов в этой реакции является нитрат, который преобразуется в молекулярный азот (N2):
Железные бактерии питаются разными соединениями железа, не только водорастворимыми, но и железными минералами, в частности, уже упомянутым пиритом FeS2, причем некоторые могут использовать в этом соединении и серу, и железо. Эта способность наряду с возможностью жить в кислых водах идеально подходит для бактериального выщелачивания металлов. Бактерии переводят нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты, позволяя добывать цинк, медь, ванадий, уран и т.д. (рис. 15).
Рисунок 15. Медьсодержащая порода на отвалах Дегтярского рудника. Ценные ископаемые просто лежат никому не нужные. А с помощью бактериального выщелачивания из этой породы вполне возможно добыть медь.
Поедающие водород
Пора переходить к последнему в этой статье и, по моему мнению, одному из самых интересных типов питания. Водородная хемолитотрофия является самой распространенной среди бактерий. Как и железо, водород редко является единственным источником энергии — скорее, одним из возможных вариантов питания, и то дополнительных. Хотя у таких бактерий, как Aquifex pyrophilus (рис. 16), Hydrogenobacter thermophilus и Calderobacterium hydrogenophilum он если не единственный, то главный.
Рисунок 16. Клетки Aquifex pyrophilus ; фазовый контраст
Классические представители водородных бактерий — отдел Aquificae. В эволюционном плане этот отдел один из самых древних, и метаболизм с использованием водорода как субстрата — также достаточно старый способ. И если в эволюции появляется что-то хорошее (а молекулярный водород достаточно распространенный субстрат, хотя и концентрация его в отдельных точках мала), то это подхватывается, поэтому водородных микроорганизмов можно найти в отделах Proteobacteria, Firmicutes и среди архей.
Акцептором электронов может быть как кислород, что дает нам «классический вариант», так и, например, сульфат. Что мне показалось интересным в свое время: классический вариант является экологически чистым, так как для него берут распространенные на планете материалы — кислород и водород, — а в результате получается вода. Идеальное безотходное производство! 🙂
Водородные бактерии и археи стоят в самом начале цепей питания в экстремальных нишах с повышенной геохимической активностью (наземных и водных): среди них есть те, кто может выдерживать высокую температуру (70 °C и выше, максимум 95 °C) (рис. 17), изменение pH и токсичные неорганические вещества. Играют большую роль в разрушении органики без участия кислорода. Входят в сообщества с другими бактериями и различные симбиозы.
Рисунок 17. Водородных бактерий можно найти, например, в геотермальных источниках Камчатки. а — Долина гейзеров. б — Кальдера вулкана Узон.
На самом деле есть микроорганизмы, выделяющие чистый водород, а не поглощающие его. Выделяется он как побочный продукт очень важной для биосферы реакции — азотфиксации (рис. 5). Благодаря ей, цианобактерии и клубеньковые бактерии возвращают атмосферный азот обратно в круговорот, делая его доступным для растений и рядом живущих организмов. Как можно заметить — ничто в природе не бесполезно, даже побочные продукты. Для человечества выделяющие водород бактерии также могут принести пользу: молекулярный водород — это экологически чистое топливо в практически неограниченных количествах [14]. Проблема только в разработки технологий его получения и использования.
Значение для планеты
Вы могли заметить, что я ничего не сказала про автотрофию этих бактерий. В этой статье я не ставила задачу подробное описание различных циклов ассимиляции неорганического углерода, а простое перечисление названий циклов не скажет ничего. Я обсуждала хемолитоавтотрофных бактерий (а практически все приведенные в этой статье бактерии — хемолитоавтотрофы) с той точки зрения, что конкретно они являются первым (а значит одним из главных) звеном в пищевых цепочках своих местообитаний. В места их жизни может не проникать свет, либо условия очень экстремальные для развития растений или других фотосинтетиков — высокая температура, очень кислый или очень щелочной водоем, высокая концентрация сероводорода, сульфита, токсичных металлов и т.д.
Именно они производят органику в этих нишах из неорганического углерода, которую используют другие существа: бактерии, микроорганизмы, беспозвоночные и позвоночные животные, и так может дойти даже до человека (хотя и не во всех случаях). Подобные сообщества могут называть «второй» или «третьей» биосферой, противопоставляя «первой» биосфере с растениями-создателями органики. Уже упомянутые «черные курильщики» могут быть примером: за счет наличия хемолитоавтотрофов там развивается бурная жизнь с беспозвоночными животными и рыбами, хоть и разнообразие там меньше по сравнению с менее экстремальными нишами.
Земле около 4,5 млрд лет, а первая жизнь, по разным подсчетам, появилась около 4,1–3,7 млрд лет назад. Существовало две гипотезы, что было первичным: элементарный метаболизм [15] или «мир РНК» [16] (я склоняюсь ко второй). В то время планета была не самым райским местом для жизни: постоянные извержения, везде кислоты, токсические вещества, дым, высокая температура, грозовые бури и т.д. Цианобактерии появились только 2,5 млрд лет назад, а значит, даже кислорода в нормальной концентрации не было! Поэтому, скорее всего, подобные хемолитоавтотрофные сообщества были основой жизни в детстве нашей планеты, около 3–3,2 млрд лет назад. И они сохранились до нашего времени, мы можем посмотреть на них, изучить их. Они могут остаться на Земле и после исчезновения растений или многоклеточных животных, так как «вторая» и «третья» биосферы практически независимы от «первой». Можно, с некой долей пафоса, сказать: они пришли первыми и уйдут последними.
Такие бактерии участвуют в больших биогеохимических циклах азота, серы, железа, углерода, фосфора и т.д. Они связаны с азотфиксацией, переводом нерастворимых веществ в растворимые (доступные), возвращением элементов из глубин Земли (некоторая часть веществ уходит из круговорота и надолго запасается в толще — например, нефть, залежи железной руды, сероводорода). Причем хемолитотрофы — необходимый участник, без которого многие циклы просто остановились бы.
Человечество тоже научилось использовать их уникальность. Ранее уже упоминалось бактериальное выщелачивание металлов, которое позволяет по максимуму выработать породу. Рассуждают об использовании хемолитотрофов для добычи полезных ископаемых на других планетах. Некоторые из них используются в промышленности для производства лекарств и иных вещей.
Рисунок 18. Дай хоть небольшое послабление, и жизнь тут же расплодится. На фотографии знаменитое озеро Утренней Славы (Morning Glory Pool) в Йеллоустонском национальном парке, и его изменение с течением времени. До активного туризма озеро самоочищалось и поддерживало слишком высокую температуру для роста бактерий. Но многочисленные посетители стали кидать туда монетки на удачу, чем забили желоб настолько, что самоочищение стало невозможным. Температура упала до 70 °C, и начался бурный рост микроорганизмов (цветная каемка).
Заключение
В этой статье при рассказе о бактериях специально упущены некоторые подробности и мелкие детали, а описание процессов порой не совсем корректно упрощено для лучшего восприятия информации. Я прошу прощения за это, особенно у разбирающихся людей, кто будет читать эту статью. Все приведенные варианты метаболизма здесь и примеры микроорганизмов — лишь малая доля разнообразия бактерий и архей, поэтому моей главной целью скорее было заинтересовать тебя, читатель, и рассказать что-то новое о многообразии жизни на Земле, чем написать подробную лекцию. Я надеюсь, у меня это получилось. В основном, я базировалась на учебнике А.В. Пиневича «Микробиология. Биология прокариот» [1], и, если у вас появилось желание немного углубиться в тему, я вам его советую.