Глава первая. Труженики микромира

Глава первая. Труженики микромира

Обычно, когда мы слышим слово "микроб", в нашем сознании ассоциируется враг, мы думаем прежде всего о болезнях. Вероятно, людям трудно забыть тот гнетущий страх за здоровье и жизнь, который терзал их много веков подряд. Но давно уже канули в вечность времена, когда зловещие эпидемии чумы и холеры уносили миллионы человеческих жизней. Люди научились бороться и побеждать болезнетворные организмы. Пропал страх перед невидимыми и неведомыми врагами. Человек изучил мир микробов и нашел в нем не только врагов, но и друзей.

За миллионы лет эволюции природа создала множество микроорганизмов. Микробы существуют всюду, практически нет такого места, где бы их не находили. Отлично приспосабливаясь к различным условиям существования, они обитают на земле и в воздухе, во льдах Арктики и в горячих озерах, на горных хребтах и в морских глубинах. Больше всего микробов в земле.

Микроорганизмы - исключительно творческие многопрофильные "химкомбинаты". Так, например, один и тот же плесневый гриб может синтезировать то антибиотики, то ферменты, образовывать лимонную, глюконовую^ или иные кислоты. Микробы могут производить широкий ассортимент сложнейших полимеров с самыми разнообразными свойствами: различной окраски, эластичности, прочности, теплоустойчивости. Во время синтеза тех или иных веществ на "микрохимзаводе" царит идеальный порядок, биохимический аппарат клетки работает с удивительным постоянством, "технологический процесс" протекает с минимальным расходом энергии, в оптимальном для данных условий режиме. Меняя эти условия, можно "задавать" качество, вид и количество нужного нам продукта. Воздействуя на микробную клетку пучком сверхжестких рентгеновских лучей, можно изменять в ней некоторые биохимические процессы, а меченые атомы позволяют проследить путь этих превращений.

У микробов нет специальных органов для приема и переваривания пищи. Поэтому они обязательно должны находиться в среде, которая содержит питательные для них вещества в готовом виде. Такие вещества проникают в микроорганизмы сквозь их оболочку. Продукты питания микроорганизмов черезвычайно разнообразны: одним требуются сложные растительные или животные белки, другим - древесные отходы, третьим - атмосферный азот и углекислый газ. Учитывая это, в лабораториях и производственных условиях создают специальные искусственные среды, в которых растворены жизненно важные для микроорганизмов вещества, содержащие азот, углерод, фосфор, серу и другие элементы. Здесь микроорганизмы быстро размножаются и в процессе жизнедеятельности синтезируют нужные человеку лекарственные, пищевые, технические вещества. Микробы как бы специализируются на выработке определенных веществ, становятся микрогенераторами, лабораториями, "живыми фабриками" фантастической производительности. Ведь они очень многочисленны: в одном кубическом сантиметре жидкости может поселиться микробов во много раз больше, чем сейчас живет людей на Земле. А каждый микроорганизм способен переработать питательной среды в 30-40 раз больше, чем весит сам.

Исключительная скорость размножения, способность синтезировать самые различные органические вещества независимо от погодных и географических условий дают большое преимущество микробам по сравнению с сельскохозяйственными растениями и животными. Далеко не всегда способна состязаться с тружениками микромира и современная химическая промышленность. Возьмем, к примеру, одну из сравнительно последних установок для получения уксусной кислоты и других ценных продуктов прямым окислением сжиженного бутана по методу, предложенному академиком Н. М. Эмануэлем. Процесс протекает под давлением 50-60 атмосфер при температуре 150-170°С в колоннах из специальной кислотоупорной стали. А в природе аналогичный процесс окисления углеводов до кислот с помощью микроорганизмов, питающихся парафином, идет при комнатной температуре и нормальном давлении.

Природа потратила многие тысячелетия, чтобы в процессе эволюции отработать различные реакции, происходящие в живой клетке. По сути дела микробы - это богатейший склад химических реактивов. Только в теле микробов они находятся в наиболее благоприятной среде и имеют наилучшие условия для сохранности и возобновления. Задача людей - познать "технологические процессы" невидимок и научиться их использовать для решения самых разнообразных проблем.

Изучение и практическое использование уникальных физиологических способностей микробов в настоящее время идет в основном по трем направлениям. Первое и самое главное - организация крупнотоннажного промышленного производства различных продуктов и веществ непосредственно силами микроорганизмов. За последние 15-20 лет ученые перенесли из лабораторных колб и пробирок в заводские аппараты и установки множество различных микробов, которые выполняют около 1000 химических реакций. С их помощью ныне синтезируют многие антибиотики, витамины (B12, А и D2), которые небиологическим путем получить пока не удается. Во многих случаях применение микроорганизмов удешевило и упростило процесс производства. Например, использование микробов для получения гормона кортизона настолько упростило технологию его производства, что стоимость этого медикамента снизилась в 100 раз! С помощью микробов ученые научились получать никотиновую кислоту - витамин РР, производство которого химическим путем стоило очень дорого. А в 1970 году к микробиологам, работающим в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, обратились химики. Они создали новый полимер - упругий, жаростойкий материал, необходимый нашей промышленности. Но разработать технологию получения промежуточных веществ, из которых, собственно, и строится полимер, химикам долгое время не удавалось. Задачу решили микробиологи. Они отыскали в своих "запасниках" микробы, которые умеют выполнять необходимые химикам превращения.

Второе направление, по которому идут ученые в использовании микроорганизмов, - построение комбинированных химико-биологических технологических систем. Они создаются в тех случаях, когда при получении какого-либо продукта химический метод по ряду технико-экономических соображений целесообразно объединить с биологическими. Так, аминопеницилановая кислота синтезируется чисто химическим путем, а затем с помощью микроорганизмов из нее получают различные пенициллины. Другой пример - получение стероидных гормонов. При этом микробы наиболее точно и просто осуществляют отдельные химические превращения, например связанные с окислением.

Третье направление - бионическое. Убедившись в том, что ряд химических процессов, осуществляемых микробами, по сравнению с известными методами химической технологии значительно совершеннее и экономичнее, ученые стремятся перенести в производство принципы, используемые живыми организмами. Изучение и практическое использование секретов "химической технологии" живой природы является одним из важнейших и успешно развивающихся в настоящее время направлений бионики. Часть этих секретов ученые уже раскрыли. Выяснена полная пространственная структура более двух десятков белков, в основном ферментов. Изучение этих веществ ведется с использованием новейших методов и средств научных исследований (спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, электронно-вычислительные машины, меченые атомы и многое другое). Успешное развитие этих исследований послужит основой для создания аналогов ферментов, обладающих их замечательными свойствами. Все четче и четче начинает вырисовываться сложная и вместе с тем удивительно простая по идее система регулирования клеточных процессов, основанная на использовании принципов обратной связи. Дальнейшая программа работ по изучению и моделированию микробиологических процессов позволяет надеяться на то, что многие химико-технологические процессы будут в недалеком будущем коренным образом перестроены. На наших глазах рождается новая, многообещающая ветвь бионики - химическая бионика.

Взаимная связь между бионикой, микробиологией и химией с каждым годом становится все более тесной. Этому способствует, прежде всего общность цели: как можно глубже изучить химические процессы, протекающие в микроорганизмах, и на основе полученных знаний ускорить развитие химического синтеза, создать новые высокопроизводительные, полностью управляемые системы для массового и непрерывного производства разнообразных продуктов. Объединяя и взаимно обогащая изолированные ранее друг от друга биологические и технические науки, бионика стремится на основе современных математических, физических, физико-химических методов исследований микробиологических систем найти оптимальные решения технологических задач, стоящих перед синтетической химией.

Над чем же работают сейчас ученые триумвирата наук - микробиологии, бионики и химии? Как практически они используют добываемые знания о "химической технологии" живой природы? Что обещают и чего может ожидать человечество от исследователей микромира?

Первая проблема - обеспечение людей пищей. Основной компонент пищи человека и корма животных - белок. Он служит организму основным поставщиком азота. В среднем взрослый человек должен получать в сутки около 100 граммов белка или 15 граммов азота. При этом главную часть поступившего белка организм расходует на постройку белков тела, а малую часть в дополнение к углеводам и жирам - на получение необходимой ему энергии. Откуда же человечество должно получить в необходимом количестве белок? Для этого есть ряд путей. Можно повысить продуктивность растениеводства и животноводства, расширить посевные площади, более энергично заняться освоением не используемых ныне морских богатств - все это, по подсчетам специалистов, позволит обеспечить существование 90 миллиардов человек. Но не будем фантазировать, что произойдет через сотни лет, когда численность человечества перевалит за упомянутый предел. Рассмотрим, возможно более короткие пути интенсификации производства пищевых средств - пути, которые пока еще мало учитываются в социологических исследованиях. Речь пойдет об организации в больших масштабах производства белков, углеводов, жиров и других питательных веществ не в природных условиях, а на заводах, на комбинатах биологического синтеза.

Из числа живых существ, способных к наиболее интенсивному синтезу белка, пальма первенства принадлежит микроорганизмам. Скорость их размножения и роста поразительна. При благоприятных условиях число клеток (биомасса) некоторых, например дрожжевых, организмов может удваиваться менее чем за час. Таким образом, микроорганизмы могут стать мощным источником белка.

Использование микроорганизмов в качестве кормовых и пищевых продуктов не должно казаться чем-то совсем неожиданным. В естественном круговороте веществ на нашей планете микробы всегда выполняли роль посредников в питании животных и растений. Используя солнечную энергию, зеленые растения синтезируют органическое вещество из углекислого газа и минеральных солей. Органические вещества растений служат пищей для животного мира в прямой или же опосредствованной форме (последнее относится к хищным животным). Тела погибших животных и растений, равно как их прижизненные отбросы, разлагаются микроорганизмами снова до углекислого газа и минеральных солей, усваиваемых растениями. Таким образом, круговорот веществ замыкается. Кроме того, микроорганизмы принимают и более прямое участие в питании человека и животных. Кишечный тракт населен определенной микрофлорой, снабжающей организм некоторыми важными витаминами. Особенно большое значение имеет микрофлора рубца жвачных животных: разлагая клетчатку и другие неудобоваримые вещества, она способствует их усвоению организмом и тем самым повышает питательность грубых кормов. В настоящее время в корма жвачных животных добавляют мочевину (карбамид), которая перерабатывается микробами рубца в белковые вещества. Хотя микрофлора кишечного тракта и поставляет белки и витамины для организма животного, но покрыть полностью его потребности не может. Основная масса белков поступает в организм в виде кормов. Вот ученые и решили привлечь микроорганизмы для выработки белков в достаточном количестве.

Несмотря на некоторый опыт, накопленный биологами, до самого последнего времени проблема получения такого белка оставалась нерешенной. Дело в том, что вначале микробов разводили на ценных пищевых и кормовых продуктах (пивное сусло, меласса, сахар и т. д.) либо на сырье, получение которого было сопряжено со многими технологическими трудностями. Затем ученые занялись поиском дешевого сырья, источники которого были бы неограниченными, методы получения простыми. В процессе поисков возникла мысль использовать для выращивания микроорганизмов углеводороды нефти. Идея представлялась крайне привлекательной: если бы удалось подобрать микроорганизмы, способные расти на нефти или каких-то ее фракциях так же интенсивно, как они растут на углеводах, то можно было бы организовать многотоннажное производство "искусственного" белка для кормовых целей в заводских условиях, то есть в условиях, не зависящих от природных, климатических и метеорологических факторов.

Заманчивая идея увлекла многих ученых. Исследования начали развертываться как у нас в стране, так и за рубежом. Объем работ был очень велик: необходимо было найти соответствующие микроорганизмы, подобрать легко используемые этими организмами дешевые и доступные фракции нефти, при помощи селекции вывести культуры микроорганизмов, обеспечивающие достаточно высокий выход белка из сырья, изучить биохимические и физиологические особенности обмена веществ этих микроорганизмов при их росте на углеводородах нефти и на этой основе разработать методы выращивания отобранных микроорганизмов. Затем надо было всесторонне исследовать получаемый продукт: изучить методику его использования в кормовом рационе различных сельскохозяйственных животных, его безвредность и полноценность как источника питания, провести медико-биологические исследования продуктов животноводства, полученных от скота и птиц, в рационы которых входит дрожжевой белок, разработать методы контроля процессов производства биомассы и ее качества.

И вся эта грандиозная работа была проведена. Каковы же результаты?

Прежде всего, ученые установили, что способностью к росту иа углеводородах обладают не отдельные уникальные формы, а многие представители самых различных групп микроорганизмов и что их можно найти в почвах (особенно нефтеносных районов), илах, воде и т. д. Селекционно-генетическими методами удалось получить такие штаммы дрожжей, которые хорошо растут на углеводородах нефти и пригодны для производства кормового белка. Их стали выращивать на парафинах. Ученые разработали методы использования получаемого белка в кормовом рационе, исследовали сельскохозяйственные продукты, получаемые от животных и птиц, в рацион которых включаются дрожжи, выращенные на парафинах, и установили их высокое качество. В итоге уже работают первые в мире заводы, выпускающие ценный кормовой продукт, получаемый из парафиновой фракции нефти.

Он нашел широкое применение на многочисленных птицефабриках страны. Многие животноводческие совхозы используют для скота корм, содержащий 15 и более процентов микробного белка (от общего количества белка в корме). Это оказалось настолько выгодным, что в ближайшее время в нашей стране будет построен ряд новых специализированных заводов мощностью до 240 тысяч тонн кормовых дрожжей в год.

Но мысль ученых уже стремится дальше. Хотя нефть сравнительно дешевый корм для микробов, все же ее надо добыть, получить определенные фракции. А что если попробовать кормить микробов газами? Ведь во многих случаях газы сжигаются в виде факелов или выбрасываются в атмосферу. А белок на 50% состоит из углерода, который микробы могли бы брать, например, из метана.

Попытки использовать метан для выращивания микробов многие годы терпели неудачу. Дело в том, что долго не удавалось выделить в чистом виде любителей этой пищи и создать для них соответствующие условия роста. Несколько лет микробиологи бились над решением этой проблемы и, наконец, научились получать чистую культуру микробов, окисляющих метан. И хотя сегодня биомасса лучше накапливается на нефти, ученые считают, что выращивание микробов на газообразных углеводородах будет рентабельнее.

По мнению известного советского биолога, академика И. Имшенецкого, самый оригинальный и наиболее перспективный микробиологический метод получения белка - культивирование водородных бактерий. Эти микроорганизмы окисляют водород и образующуюся при реакции окисления энергию используют на усвоение углекислоты атмосферы. Источником азота может быть дешевая мочевина или сульфат аммония. Бактерии могут выращиваться и там, где водород образуется как отход химического производства. Правда, в этом случае он часто содержит примесь ядовитой окиси углерода. Но в Институте микробиологии АН СССР выделена культура бактерий, способных окислять окись углерода до углекислоты. Если выращивать их вместе с водородными, то последние получат дополнительное количество потребной им для жизнедеятельности углекислоты.

Таким образом, для получения кормового белка в необходимых количествах современная микробиологическая наука располагает рядом уже апробированных методов. Теперь дело за микробиологической промышленностью. Рациональное кормление животных, основанное на использовании продуктов микробиологического синтеза, открывает широкие перспективы к быстрому повышению продуктивности и рентабельности животноводства.

Следует, однако, не забывать, что значительное количество съеденных питательных веществ только разлагается в организме животного и выбрасывается, а не усваивается им, превращаясь в мясо, яйца, молоко. Выход животноводческой продукции по отношению к затраченным кормам не превышает 20-30% у молодых, быстро растущих животных и всего 5-10% у взрослых. Возникает вопрос! так ли уж необходимо посредничество животных? Нельзя ли затрачиваемые на них питательные вещества сразу передавать человеку? Разумеется, речь идет не о том, чтобы кормить людей тем же самым, чем кормят скот. Вопрос стоит о более разумном использовании белков, углеводов, витаминов и других ценных питательных веществ, содержащихся в кормовом сырье. При этом они, конечно, должны поступать в организм человека в надлежащей, хорошо усвояемой форме, отвечающей его привычным вкусам и потребностям. Иными словами, вопрос стоит о соответствующей переработке кормового сырья в полноценные, привычные для человека пищевые продукты, об организации промышленного производства синтетической пищи.

Как же дрожжевой белок, предназначенный для животноводства, может быть использован непосредственно для приготовления пищи человека, не только полноценной, но и вполне вкусной? Для этого, как указывает академик А. Н. Несмеянов, пока разведаны два пути. Первый - ферментативный гидролиз дрожжей, который дает необходимую сумму аминокислот, содержащихся в дрожжевом белке. Этот гидролизат легко очищается на ионообменнике от всего постороннего, чист и может служить основой для кулинарии. Другой путь использования белка дрожжей - механическое или химическое разрушение оболочки клетки и отделение всего белка. Получается белый безвкусный порошок, который можно хранить неограниченное время.

Эти два вида белкового продукта можно перерабатывать в привычные, вкусные, ароматные блюда. Для этого нужно к белковому препарату добавить соответствующие вкусовые и ароматические вещества и, придав ему надлежащую консистенцию и форму, получить соответствующий пищевой продукт, весьма схожий с натуральным и по внешнему виду, и по химическому составу. В мире уже есть патенты на препараты, имитирующие специфический запах вареного мяса или рыбы, создающие цвет и вкус тех или иных продуктов. Такого рода вещества вызывают аппетит, воздействуя на секреторную деятельность желудочных желез, а кроме того, повышают пищевую ценность продуктов.

Прежде чем организовать массовое производство концентрированных белковых продуктов с синтетическими добавками, ученым предстоит провести еще немало исследований, экспериментов, решить ряд сложных технологических задач. Но успешное начало изготовлению искусственной синтетической пищи уже положено. Так, например, за несколько лет напряженного труда академику А. Н. Несмеянову, его сотрудникам и другим ученым, привлеченным к решению этой проблемы, удалось заложить теоретические и практические основы получения богатых белком искусственных продуктов, по вкусу и виду подобных мясу, черной икре и т. д. Полученные белки оказались вполне пригодными для создания гранулированных пищевых продуктов типа зернистой икры. Последняя была получена синтетическим путем в 1964 году. В США с помощью микробов изготовляют искусственную "курятину" из соевого белка. В последние годы жителей Центральной Америки, особенно детей, приучают к потреблению "инкапарины" - продукта, обогащенного белками из смеси кукурузы, семян хлопчатника, сухих дрожжей, синтетических витаминов и других добавок. К этому продукту приходится именно приучать: что поделаешь, долголетние привычки делают людей консервативными в выборе пищи. Дети же едят "инкапарину" (она приготовлена в виде вкусной каши) с большим удовольствием...

Организация производств, основанных на микробиологическом синтезе, необычайно расширяет сырьевые ресурсы для получения пищевых продуктов. Производство белка сразу же увеличивается в пять раз. Весьма ценным преимуществом микробного синтеза является то, что он осуществляется в заводских условиях. Такие стихийные бедствия, как нехватка кормов в неурожайные годы, распространение заразных заболеваний и пр., которые всегда могут обрушиться на животноводство, не страшны для микробиологического синтеза. Он протекает в специальной аппаратуре и поддается точному автоматическому управлению. Специальные электронные устройства следят за микробиологическим синтезом и в случае каких-либо отклонений от нормы подают сигналы исполнительным механизмам.

Наука и техника достигли сейчас такого уровня, что уже не за горами то время, когда реальностью станет великое пророчество Д. И. Менделеева: "Как химик, я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания элементов воздуха, воды и земли, помимо обычной культуры, то есть на особых фабриках и заводах..."*

* (Цит. по: А. Н. Несмеянов. Искусственная и синтетическая пища. "Наука и жизнь", 1970, № 6, стр. 32.)

Многие обитатели страны невидимок могут оказать и оказывают большую помощь в повышении урожайности наших полей. Известно, что растениеводство нуждается в огромном количестве азотных удобрений. Наша химическая промышленность из года в год увеличивает их производство. И все же их не хватает. Помочь могут бактерии, способные усваивать азот атмосферы, накапливать его в своем теле и обогащать тем самым почву. Большое значение для обогащения почвы азотом имеют клубеньковые бактерии, которые усваивают азот атмосферы. Из них готовят препарат нитрогин. Им обрабатывают семена бобовых растений перед посевом, что резко повышает урожай этих культур, а также устойчивость растений к различным заболеваниям и неблагоприятным погодным условиям.

В последние годы нашим ученым удалось найти в почве большое число ранее неизвестных, свободно живущих азотфиксирующих бактерий и грибов. Теперь дело за микробиологической промышленностью.

И еще в одном чрезвычайно важном деле могут помочь бактерии сельскому хозяйству. Речь идет о создании новых водоемов. Пруды и озера становятся неотъемлемой частью современного сельского пейзажа. Но не везде можно создавать водоемы. В некоторых местах подстилающий грунт не удерживает воду, она уходит и заболачивает местность. И вот работники Грузинского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации решили создать плотный грунт искусственным путем, воспользовавшись помощью анаэробных бактерий - микробов, способных жить и размножаться без свободного кислорода. Эти бактерии в процессе своей жизнедеятельности способствуют образованию водонепроницаемого слоя на дне болот. Воспроизведение процесса оказалось весьма эффективным и доступным способом удержания воды в прудах и водоемах. Для этого нужно на месте будущего водоема бульдозером снять слой земли, положить на дно солому, сено, стебли кукурузы или другие отходы растениеводства, богатые клетчаткой, и засыпать их землей. Ложе будущего водоема готово. Влага, проникая через земляной покров в слой клетчатки, способствует интенсивному размножению в нем анаэробных бактерий. Они изменяют структуру почвы, образуя грунт, практически не пропускающий воду...

Микроорганизмы совершают громадную работу по созданию одних горных пород и минералов и разрушению других. Первостепенную роль играют микробы в круговороте железа на Земле. Легкорастворимая закись железа выносится с водой на поверхность. Здесь под действием железобактерий она окисляется, превращается в нерастворимую гидроокись и выпадает в осадок. В результате железо перекочевывает из глубин Земли на поверхность и откладывается в виде железной руды. На это еще в 1888 году указывал известный русский микробиолог С. Н. Виноградский.

Все важнейшие мировые месторождения железа, по мнению ряда ученых, имеют бактериальную основу. Член-корреспондент АН СССР А. Г. Вологдин отмечает, что ему приходилось наблюдать под микроскопом остатки древних железобактерий во многих рудах - из Кривого Рога, с Кольского полуострова, из Казахстана, из Сибири, с Дальнего Востока. И на дне Мирового океана океанологи обнаруживают колоссальное количество скоплений железомарганцевых конкреций микробиологического происхождения.

Микробам принадлежит также важная роль в образовании нефтяных залежей, месторождений газа.

А коль эти бесконечно малые организмы ведут такую титаническую геологическую деятельность в масштабах нашей планеты, коль они так могущественны и всесильны, то их, естественно, нужно заставить работать на человека не только в микробиологической, химической, пищевой, фармацевтической промышленности, в сельском хозяйстве, но и в горнорудной и металлургической промышленности. Здесь для них необъятное поле деятельности.

Хорошо известно, например, что Советский Союз по запасам серы занимает одно из ведущих мест в мире. Однако рост производства, новые отрасли химической промышленности требуют все больше и больше сырья. Крупнейшие же месторождения серы постепенно иссякают, а новые обнаружить все труднее. Выход нашелся совершенно неожиданно. Ученым было известно, что арабы, живущие у озера Айнез-Зауя в Северной Африке, в течение многих лет добывали на его берегах серу. Но и сейчас в водах этого озера совершается таинство сероосаждения; 20-сантиметровый слой серы устилает все дно. Аналогичная картина наблюдается и на озере Серном Куйбышевской области, в котором еще при Петре I добывали серу для производства пороха. Чтобы проникнуть в тайну этого процесса, ученые построили миниатюрную модель африканского озера и поставили ряд опытов: в обычную колбу с водой поместили гипс и сульфат натрия, затем в этот же сосуд поселили сульфатредуцирующие и так называемые пурпурные бактерии. Первые создавали из исходных веществ сероводород, а вторые переводили его в серу. На стенках и дне колбы выпадал осадок серы!

Позвольте, может сказать читатель, одно дело - осаждение серы в естественных водоемах, другое - получение ее в стеклянной колбе. Хватит ли сил у микробов, чтобы поставить такое дело на индустриальную ногу? Это ведь не производство пенициллина, а большая химия. Ведь речь идет о сотнях тысяч и миллионах тонн. Но не будем спешить с выводами. Обратимся к расчетам ученых. А они показывают, что при воспроизведении условий лабораторных экспериментов в водоеме глубиной 5 метров и площадью 1 квадратный километр за сто дней серобактерии выработали бы от 100 до 500 тысяч тонн серы! Как видите, эти цифры довольно убедительно говорят о высокой "производительности труда" рабочих-невидимок. Реальность произведенных расчетов можно подтвердить также примером, приведенным академиком В. И. Вернадским в "Очерках геохимии": микробы так быстро размножаются в подходящих условиях, что одна бактерия за 4-5 дней может образовать 1036 особей - объем, равный океану. Значит, все дело в том, чтобы создать микробам подходящие условия, и тогда они будут работать "не за страх, а за совесть". Такие условия не так уж трудно найти или создать. Английские ученью Батлин и Посгейт предложили, например, "заразить" серобактериями некоторые озера Африки и Австралии, располагающие исходными материалами, чтобы превратить их в подобие озера Айнез-Зауя. Не менее подходящей, а главное, дешевой средой для деятельности серобактерий могут стать сточные, канализационные воды. Здесь можно получить двойной выигрыш: микробы будут вырабатывать серу и одновременно очищать городские отбросы.

Более тридцати лет назад ученые провели исследования ржавого осадка в шахтных и рудничных водах. Предполагалось, что он образуется только в результате окисления. Опыты же показали, что в стерилизованной воде железо практически не окисляется, зато в шахтной... Трое суток - и оно покрылось красноватым налетом. Виновники этой "химической диверсии" были обнаружены с помощью микроскопа. То, что раньше принимали за обычную реакцию, оказалось биологическим процессом, в котором главную роль играют серо- и железобактерии. Те же самые серобактерии по собственному почину освобождают уголь от соединений серы: за месяц они окисляют до 30% серы и удаляют ее в виде серной кислоты. Процесс этот протекает очень медленно, чтобы применять его в промышленности. Но зато он не требует никакого специального оборудования.

В своей жизнедеятельности серобактерии выступают, подобно двуликому Янусу, сразу в двух амплуа: в роли создателей месторождений серы и в роли рудных браконьеров. Они разрушают вскрытые месторождения сульфидных руд, окисляя нерастворимые в воде сульфиды металлов и превращая их в легкорастворимые соединения. Разумеется, сульфоредуцирующие микробы об этом даже не подозревают. Добывая себе энергию за счет реакции окисления, они, как отмечалось выше, хищнически разоряют залежи сернистых руд. Переведенные в растворимую форму соединения металла вымываются дренажными и почвенными водами. Ценный продукт беспрепятственно уходит из руды и теряется безвозвратно.

А можно ли рудных браконьеров перевоспитать, превратить из хищников в обогатителей бедных руд, в деятельных металлургов? Можно! Продукты собственного химического производства не интересуют железо- и серобактерии. Неорганические молекулы для них лишь своеобразные "дрова". Сжигая их в "пламени химического костра", они получают необходимую для себя энергию. Следовательно, не ущемляя интересов бактерий, с ними можно заключить взаимовыгодный договор: вам - вершки, а нам - корешки, вам - тепло "химического костра", а нам - его золу. Именно с этой целью и вступили уральские ученые в союз с серобактериями. Они разработали схему первой опытно-промышленной установки по бактериальному (подземному) выщелачиванию металла из медных и цинковых руд. Она оказалась предельно простой. По трубопроводу в скважины подается бактериальный раствор. Он увлажняет руду. Бактерии окисляют металл, и он переходит в раствор (концентрат), который выкачивается на поверхность в специальные желоба. На этом производство концентрата заканчивается. Содержание металла в нем достигает 80%. Только за время опытов на Дегтярском месторождении с помощью бактериального выщелачивания были добыты десятки тонн меди, причем руда бралась с отработанных участков месторождения. Полученная этим способом медь почти втрое дешевле, чем при использовании других методов.

Рис. 3. Схема бактериального выщелачивания металла из сернистых руд (по А. Шибанову)

Технико-экономическая эффективность бактериального выщелачивания всецело зависит от условий, в которых проходит процесс. В суровом Заполярье бактерии проявляют себя очень слабо, зато они весьма активны в тропическом и умеренном климате. Кроме того, в темноте процесс идет иногда лучше, чем на свету. В целом же эксперименты показали, что бактерии могут ускорить окисление минералов в 5, 20 и 100 раз! Примером может служить выщелачивание халькопирита*, одного из самых "неподдающихся". За 400 суток обычного химического окисления из халькопирита удавалось извлечь только 18% меди. За такое же время, но с участием бактерий в первых опытах из руды извлекалось 58% металла. Позднее, при более благоприятных условиях, темпы работы бактерий значительно возросли: за 75 суток они извлекали из халькопирита 30-40% меди. Сейчас, в новых "творческих условиях", они за 35 часов переводят из этого минерала в раствор 90% металла. И это не предел. При таких показателях процесса бактериального выщелачивания нет нужды доказывать необходимость быстрейшей организации в каждом руднике микробиологической обогатительной фабрики, а может быть, и металлургического цеха.

* (Халькопирит (медный колчедан) - минерал латунно-желтого цвета, химическое соединение меди с железом и серой (главная руда для получения меди).)

Не секрет, что металлургам все чаще и чаще приходится иметь дело с бедными рудами, волей-неволей приходится затрачивать огромные средства на сооружение больших комбинатов, единственное назначение которых - увеличить содержание металла в руде. От всего этого нас освободит будущая высокоскоростная биометаллургия, фундамент которой закладывается сегодня. При широком использовании в горнорудной промышленности живых обогатительных фабрик не нужно будет держать под землей шахтеров, отпадет необходимость в строительстве заводов по обжигу медной руды и ее обогащению.

Опыт подземного выщелачивания показал, что использование бактерий особенно эффективно на последней, завершающей стадии эксплуатации рудников. На этом этапе они вообще незаменимы. Обычно в выработанных месторождениях, как правило, еще остается от 5 до 20 % руды. Извлечь ее современными техническими средствами почти невозможно. Добраться до этого подземного кладбища меди можно лишь одним-единственным путем - мобилизовав многомиллиардную армию бактерий. Подобно трудолюбивым муравьям или сказочным гномам, они будут без устали работать, переводя металл из невыработанных остатков руды в раствор. Так можно вернуть по меньшей мере три четверти оставшихся запасов медной руды. Двадцать пять лет назад закрылось месторождение Южная Выклинка. Маркшейдеры* сказали - меди нет. Призвали на помощь бактерии - начали получать десятки тонн металла. Таким же путем на мексиканском руднике из старых, заброшенных забоев за один только год было "вычерпано" 10 тысяч тонн меди.

* (Маркшейдер - горный инженер, специалист по геодезиче^ ской съемке рудников и подземных выработок.)

По мере выработки природных месторождений ценных ископаемых взоры специалистов все чаще и чаще обращаются к накопившимся у шахт и рудников отвалам пород. Уже в первых опытах бактерии и здесь зарекомендовали себя самыми экономными и непривередливыми металлургами. За многие годы в Мексике на месторождении Кананеа возле шахт скопилось около 40 миллионов тонн отвалов породы. Содержание меди в них мизерное - всего 0,2%. Отвалы начали орошать шахтной водой, которая стекала затем в подземные резервуары. Из каждого литра собранной воды бактерии извлекли по три грамма меди. В итоге - 650 тонн дорогого металла в месяц!

В природе сравнительно редко встречаются руды, содержащие только какой-либо один металл. Чаще всего в них имеется целый комплекс различных сопутствующих компонентов. Это относится почти ко всем полиметаллическим рудам цветных металлов и ко многим другим полезным ископаемым. Так, например, титаномагнетиты содержат, кроме железа, титан и ванадий. В каменных углях, железных рудах находятся германий и другие рассеянные элементы и т. д. Народное хозяйство, разумеется, заинтересовано в максимально полном извлечении всех ценных компонентов, содержащихся в рудах, иными словами, в организации комплексной переработки руд. Успешно решить эту большой народохозяйственной важности задачу можно опять-таки с помощью бактерий. И ученые ведут целенаправленный поиск в мире микробов все новых и новых тружеников для биометаллургии. Цинк, молибден, железо, хром - таков сейчас далеко не полный ассортимент металлов, добываемых микроорганизмами у нас и за рубежом.

Алхимики средневековья мечтали о философском камне, способном превращать любые металлы в золото. В наши дни ученые собираются добывать золото при помощи... бактерии. На первый взгляд такая идея и сейчас может показаться фантастической. И многие специалисты так и расценивали ее до самого последнего времени. Аргументы были веские. Золото - металл инертный, на него не действуют даже концентрированные кислоты. Только "царская водка" (смесь соляной и азотной кислот) одолеет чистое золото. Поскольку микроорганизмам не под силу конкурировать с такой "адской смесью", их поприще деятельности, говорили скептики, медные и железные рудники. Но живая природа показала иное. И вот каким образом.

В Сенегале на берегу реки Иввары есть золотоносный холм Ити. Месторождение это промышленного значения не имеет, так как размер частиц самородного золота не превышает микрона и плотность залежи чрезвычайно мала. Лишь местные золотоискатели, затрачивая массу времени и сил, стоически продолжают копать и промывать землю, получая в награду за свой поистине сизифов труд мизерное количество пыли желтого металла. Казалось бы, за многие десятилетия хотя и кустарной разработки золотоносной жилы ее тощие запасы должны были бы иссякнуть. Но вот чудо! Золотая жила Ити остается неисчерпаемой. Впечатление такое, будто кто-то все время пополняет месторождение запасами драгоценного металла. Р. Мартинэ - директор Бюро геологических изысканий и шахт в Дакаре, узнав о таинственной неиссякаемости золотоносной жилы холма Ити, высказал предположение, что это результат деятельности микробов.

Гипотезу Мартинэ поддержала Ивьет Парэ и принялась за ее доказательство. Она проделала огромную исследовательскую работу по изучению деятельности "обитателей" холма Ити.

Процесс бактериального растворения золота подтвердился, но оказался более сложным, чем предполагали исследователи.

Сейчас в лабораторных условиях при помощи микроорганизмов извлекают из почвы до 82% содержащегося в ней золота! Пришла пора промышленных испытаний. Патент па открытие уже получен. Если эксперименты в заводских масштабах не будут уступать по результативности лабораторным опытам, то бактерии пополнят свой табель "специальностей" еще одной чрезвычайно важной и нужной в наш век "профессией" - микродобытчиков золота.

Все больше и больше микроорганизмов привлекают к себе в помощники нефтяники. Ученые установили, что газы, которые образуются в некоторых месторождениях нефти, обязаны своим происхождением деятельности микробов. Возникла идея: а нельзя ли использовать это явление для добычи нефти, которую не удается извлечь обычными способами? От дерзкого замысла перешли к опытам. И вот специальные бактерии - газообразователи, "командированные" в нефтяной пласт, образуют из нефти метан, водород, азот, углекислоту. По мере накопления газов их давление возрастает. К тому же, растворяясь в нефти, газы снижают ее вязкость. В итоге продуктивность скважин значительно возрастает. Микроорганизмы помогают также и при поисках месторождений нефти и газа. Дело в том, что над месторождениями нефти и газа в водах и породах обитают вполне определенные микроорганизмы. И если анализ проб воды, взятых из различных источников, обнаруживает микробы-указатели, то нетрудно отметить район, где имеет смысл вести поиск нефти глубинным бурением.

На очереди привлечение морских микроорганизмов к освоению несметных минеральных богатств Мирового океана.

Под водой находится около двух третей всех минеральных ресурсов нашей планеты. Одних только железомарганцевых конкреций в донных осадках Мирового океана хранится около 1000 миллиардов тонн, 100 миллиардов тонн фосфатных конкреций (с содержанием пятиокиси фосфора 30%), а глобигеринового ила, отвечающего по своему составу хорошему цементному сырью, - 1 000 000 миллиардов тонн.

Не менее фантастичны минеральные богатства, заключенные в водах морей и океанов. Чаша Мирового океана наполнена 1 370 000 000 кубических километра воды. В этом объеме растворено около 50 000 000 миллиардов тонн солей. Если бы удалось собрать всю массу находящихся в морской воде веществ и распределить ее ровным слоем по поверхности суши, получился бы "бутерброд" толщиной 200 метров, в котором присутствовали бы почти все элементы таблицы Менделеева: магний и сера - 1015, кальций и калий - 1014, алюминий, рубидий, литий - 1011, цинк, свинец, селен, цезий, молибден и торий - 109 тонн. В каждом литре морской воды содержится, к примеру, 3,34 микрограмма урана. Несмотря на ничтожность концентрации, морские запасы этого важнейшего для атомной энергетики элемента составляют 4000000000 тонн. В водах Мирового океана рассеяно 10 миллиардов тонн золота!

Таковы далеко еще не все известные ныне, поистине сказочные сокровища царства Посейдона. Моря и океаны - это своего рода гигантский природный склад несметного количества минеральных веществ. Между тем из этих богатств "голубого континента" человечество использует самую мизерную долю. Да и то нефть, уголь, железные и другие руды, редкие элементы добываются лишь в зоне материковых шельфов (в прибрежных районах) и с небольших глубин. Что же касается больших, океанических глубин, то способы добычи минерального сырья здесь разработаны пока совершенно недостаточно. Это заставляет ученых избрать другой путь организации подводного горного дела. Его подсказывают сами обитатели Мирового океана.

Многие морские микроорганизмы поглощают и, следовательно, могут концентрировать отдельные химические элементы, растворенные в океанической воде. Известно, например, что некоторые виды бактерий воздвигают в океане целые острова, осаждая из морской воды соли магния и кальция. Имеются организмы, приспособленные к накоплению цезия, некоторых радиоактивных элементов, а также ряда других веществ. В чем секрет столь удивительной способности некоторых организмов, мы пока не знаем. Впереди еще большая работа по детальному изучению всех особенностей бактериальных процессов. Но уже сегодня, говоря словами известного океанолога академика Л. А. Зенкевича, нет никакого сомнения в том, что методу биологической концентрации нужных человеку веществ из морской воды принадлежит будущее. Не за горами время, когда в морях и океанах появятся подводные плантации "бактерий-металлургов" и мириады микроорганизмов будут добывать людям медь, никель, магний, кобальт, серебро, золото, платину и другие ценнейшие металлы.

Теперь заглянем в область энергетики. Не сможем ли мы и там воспользоваться помощью микроорганизмов? Иному читателю, живущему в век атомных электростанций, знающему о существовании ядерных или атомных батарей, такая идея может показаться нелепой, надуманной и даже смехотворной. Однако такое представление так же ошибочно, как и мнение о бесполезности изучения живых локаторов на фоне существующей, хорошо развитой современной радиолокации, гидролокации. Возьмем к примеру упомянутые ядерные или атомные батареи. В этих батареях энергия радиоактивного распада непосредственно превращается в электричество. Безусловно, это удобно, но подобная батарея имеет ряд серьезных недостатков. Основной из них - сверхвысокое напряжение: оно достигает сотен тысяч вольт, и потому приходится вводить дополнительные устройства для его понижения. Энергетика же живых микроорганизмов удивительно гармонично сочетает оптимальные режимы, предельную экономичность и надежность. Но это вовсе не означает, что принципы, на которых она построена, применимы лишь в живых организмах. Мы должны их использовать для создания новой энергетики путем перенесения этих принципов в неживую природу, в инженерные энергетические системы. При этом вовсе не надо стремиться точно копировать отдельные элементы живого организма. Для создания новых энергетических систем достаточно воспользоваться лишь принципами, отработанными в процессе эволюции природой. Это чисто бионический путь. Но есть и другой путь - путь непосредственного использования энергии, образуемой в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, путь создания биохимических источников питания.

Идея создания биохимических источников питания вообще-то не нова. У нее довольно длинная и трудная история. На протяжении последних ста лет она не раз возникала, затем о ней забывали и неоднократно опять вспоминали. Так, например, в журнале "Природа и люди", № 20 за 1899 года, была опубликована заметка следующего содержания: