Основы минералогии гипергенеза

Яхонтова Л. К., Зверева В. П. К теории биокосных (биоминеральных) взаимодействий в экосистемах с минеральным субстратом

Вопрос о вкладе вещества земной коры в биогенез и жизнеобеспечение организмов в наше время обретает черты достаточно четких представлений о существовании функциональной связи живой клетки, в первую очередь одноклеточных микроорганизмов, с минеральным субстратом.

Как отмечалось, первым, кто вполне определенно высказался по данному вопросу, был В. И. Вернадский, когда, завершая круг своих философских и методологических исследований по биогеохимии в 1920- 1930-е годы, не раз отмечал, что живые организмы неразрывно связаны с косной материей земной коры, с минералами и горными породами и что эта связь носит жизнеобеспечивающий характер.

Однако в первой половине века, когда биология не располагала данными, необходимыми для исследования механизма биокосных взаимодействий, когда не была завершена теория функционирования клетки, решить рассматриваемую проблему было невозможно. Нужен был "прорыв в клетку", в ее конструктивный и энергетический метаболизм, что стало реальным после 1945 г., когда К. Портер с коллегами получил первое изображение бактериальной клетки под электронным микроскопом. В последующие два десятилетия трудами огромной армии ученых, работающих на стыке биологии с физикой и химией, удалось не только раскрыть структуру белковых молекул, осуществить синтез ферментов и проникнуть в процессы регуляции биосинтеза, но и разработать энергетическую модель функционирующей клетки, основанную на достижении новых наук - биофизики и биохимии, мембранологии и термодинамики открытых систем, теории информации и системного анализа (работы Э. Шредингера, М. Волькенштейна, И. Пригожина, Д. Парсонса, А. Верининова, В. Скулачева, А. Рубина и мн. др.).

Отмеченные успехи в биологии своевременно пополнились идеями об электрохимическом (донорно-акцепторном) механизме взаимодействия клетки микроорганизма с внешней средой, заложившими основы теории переноса (транспорта) массы, энергии и трансформации биокосных взаимодействий (в первую очередь, работы П. Митчелла), согласно которым клетка выступает в роли акцептора энергии и, следовательно, окислителя контактирующей с ней косной материи.

В соответствии с новыми представлениями жизнедеятельность микроорганизмов обеспечивается постоянно совершающимся их взаимодействием с внешней средой в условиях ферментного окисления веществ внешней среды - газов, структуриентов растворов и твердых фаз. При этом осуществляется сложная и не всегда однозначная направленность потоков вещества, энергии и информации в этом процессе - от косных структур среды в клеточные структуры организма и наоборот.

В результате провидческие идеи В. И. Вернадского о функциональной связи живого и косного вещества в биосфере получили полное подтверждение. Но следует заметить, что должного развития они не получили, так как общая направленность теории жизнеобеспечения практически замкнулась на решении чисто биологических, в первую очередь физиологических вопросов. Специфика биокосных систем, действующих в условиях биосферы как земной оболочки, представленной в качестве косного субстрата минеральным веществом, оказалась вне поля зрения биологов, биофизиков и мембранологов. В подавляющем большинстве случаев в качестве природных косных субстратов рассматриваются лишь газы (O2, CO2, H2), скопления органических веществ (почвенный гумус) и растворы в виде питательных сред, а в числе первоочередных проблем важнейшей считается фотосинтез.

Требовался новый "прорыв" в проблему, и он был обеспечен в 1970-е годы начавшейся практикой переработки сульфидных руд с помощью микроорганизмов, когда минеральный субстрат (сульфидная руда) начал привлекать к себе внимание. С первых шагов новой технологии (биотехнологии) в качестве биологического реагента оказалась универсальная культура тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidans, способная участвовать в выщелачивании металлов практически из всех типов сульфидных руд. Однако далеко не сразу сложилось представление о жизнеобеспечивающем взаимодействии тионовых бактерий с минеральным субстратом.

Переломное значение имели исследования, посвященные анатомии и физиологии клетки Th. ferrooxidans, фиксирование в ее структуре главного энергетического блока - мембраны и получение с помощью электронного микроскопа картины прямого контактирования бактерий с сульфидными частицами с захватом их в слизистую капсулу клетки (Авакян, Каравайко, 1970; Пивоварова, Головачева, 1985; Remsen, Lindgren, 1960). Тем самым появилась возможность рассматривать процесс выщелачивания сульфидов в виде прямой бактериальной деструкции, т.е. при взаимодействии микроорганизма с минералом.

Вопросы новой биотехнологической практики, особенно необходимость обеспечения ее производственной эффективности, способствовали становлению и развитию теории биокосных взаимодействий с участием минерального субстрата, раскрывающей основные законы функционирования биосферы. В настоящее время общее состояние этой теории таково, что возникла насущная необходимость разработки ряда важнейших проблем и в первую очередь таких как

1) механизмы биокосных взаимодействий и жизнеобеспечение;

2) энергетические параметры жизнеобеспечения в биокосных системах биосферы;

Ниже рассмотрено состояние этих проблем в теории биокосных взаимодействий.

1. В соответствии с отмеченными достижениями фу