Не один дома. Естественная история нашего жилища от бактерий до многоножек, тараканов и пауков - Роб Данн

Все, что мы должны сделать, это попробовать вырастить бактерии из кишечника пещерных кузнечиков на субстрате из трудноразлагаемых веществ. Люди производят немалое число подобных соединений, многие из которых (такие как пластик) намеренно изготавливаются очень прочными. Это создает большую проблему при их утилизации, вот почему в мировом океане образовались целые острова пластиковых отходов, дрейфующие взад-вперед по волнам. В других случаях вещества-долгожители — просто побочные продукты производства. Если пещерные кузнечики помогут нам справляться с этими загрязняющими веществами, они принесут немалую пользу.

Я получил образование в области общей (а не прикладной) экологии и эволюционной биологии и даже не знал, с чего начинать подобный проект. Мне потребовалась помощь специалиста. Тогда я обратился по электронной почте к Эми Гранден, сотруднице кафедры биологии растений и микроорганизмов, расположенной в соседнем корпусе университета. Эми занимается вопросами промышленного использования микробов, взятых из естественных местообитаний. Одно из ее исследований было посвящено применению микробов, живущих в глубоководных гидротермальных источниках, для обезвреживания веществ, входящих в состав пестицидов и химического оружия[187]. Когда я спросил, есть ли у нее какие-нибудь соображения по поводу нашего эксперимента, Эми ответила: «Ну, мы можем проверить, способны ли бактерии из кишечника пещерных кузнечиков разлагать черный щелок». Украдкой от всех я загуглил, что это такое.

Черный щелок — это токсичное жидкое вещество черного цвета, которое является побочным продуктом при производстве бумаги. Это именно то, что остается после того, как дерево превращено в пачку чистой белой бумаги, готовой для загрузки в ваш принтер. Черный щелок состоит из лигнина — сложного углеродного соединения, придающего твердость древесине (именно благодаря ему ваш дом не сгнивает вскоре после постройки), в сочетании с омыляющими веществами и растворителями, благодаря которым черный щелок приобретает сильнощелочные свойства (рН около 12). По законам США это токсичное соединение нельзя сбрасывать в окружающую среду, поэтому бумажные фабрики вынуждены сжигать его, распространяя вокруг «аромат» тухлых яиц. Эми считала, что было бы очень неплохо найти бактерии, способные разлагать черный щелок, и мы принялись за дело. Стефани Мэтьюс (тогда аспирантка в лаборатории Эми, потом постдок, работала под нашим началом, а сейчас доцент в университете Кэмпбелл) получила задание изучить пробы, полученные из пещерных кузнечиков и из личинок пятнистого кожееда (Dermestes maculatus). Эти личинки питаются падалью, но известно, что они способны поедать трудноразлагаемую пищу. Стефани работала вместе с Эм-Джей. Эм-Джей разбиралась в насекомых, а Стефания — в бактериях. Казалось, все складывалось весьма удачно — все, кроме некоторых биологических реалий.

Перед началом работы Эми не предупредила меня о том, как малы шансы найти бактерии, разлагающие лигнин в составе черного щелока. Из почти 10 млн известных видов только шесть умеют это делать.

Разлагать лигнин до более простых и легкоусвояемых соединений могут некоторые грибы. Ученые называют результат расщепления лигнина грибами «белой гнилью». Именно с их участием разлагаются мертвые деревья в лесу. Если бы их не было, леса были бы завалены отмершей древесиной. Но, как ни полезны эти грибы в природных условиях, их использование в промышленности крайне затруднительно. Они образуют плодовые тела, они формируют сложные переплетения гиф, они очень медленно растут, с ними настоящая морока — так что все попытки использовать их для утилизации отходов или переработки лигнина в энергию окончились ничем. С бактериями работать не в пример легче, но по разным причинам все шесть известных их видов, способных разлагать лигнин, оказались малопригодными. Никто (кроме, как позднее выяснилось, Стефани, защитившей на эту тему диссертацию[188]) и нигде не находил грибы или бактерии, способные разлагать лигнин, входящий в состав черного щелока.

Когда Стефани и Эм-Джей приступили к работе, я рассчитывал на новое большое открытие. Если бы я тогда взял паузу и начал прикидывать, каковы наши шансы на успех, я бы счел их весьма призрачными. Но я не стал на это отвлекаться и забивать себе голову размышлениями о том, как долго нам придется ждать успеха. Эм-Джей тоже об этом не думала, а Стефани была настроена весьма оптимистично, так что мы решили попробовать.

Стефани работает быстро. Уже через несколько месяцев она получила первый результат. Она выращивала бактерии, взятые из кишечников насекомых, на разных средах. Различные виды пищи, пригодной для микробов, смешивались с агар-агаром в обычных чашках Петри, точно таких же, какие используются на лабораторных практикумах в университетах. В первой серии опытов чашки содержали целлюлозу, во второй — лигнин (без целлюлозы). Остальные чашки содержали другие виды питательных сред. В каждую чашку Петри помещали одну аликвоту (каплю точно определенного размера), взятую из суспендированного тельца пещерного кузнечика или личинки кожееда.

Стефани продемонстрировала нам полученный в чашках Петри результат. На целлюлозной среде выросло много бактериальных колоний. Все эти виды, очевидно, могли использовать целлюлозу в качестве пищи. Бумага, гипсокартон, стебли кукурузы — все это состоит из целлюлозы. Ее можно отправлять в отходы, а можно использовать в качестве сырья для получения биотоплива. Бактерии, способные утилизировать это вещество, могут принести немалую пользу, перерабатывая различный целлюлозосодержащий мусор, от кукурузных початков до туалетной бумаги, в энергию. Некоторые другие организмы тоже умеют это; какие-то уже используются в промышленном производстве, но найденные нами бактерии, возможно, перерабатывают целлюлозу быстрее и эффективнее. Это была впечатляющая, пусть и не совсем неожиданная находка.

Полученные нами данные о биологии пещерных кузнечиков, живущих в подвалах[189], позволяли надеяться, что по крайней мере некоторые из живущих в их кишечниках бактерий способны разлагать лигнин. В то время я ничего не знал об истории неудачных попыток отыскать подобные микробы. Незнание прошлого часто приводит к повторению чужих ошибок. С точки зрения истории наши шансы найти лигниноядные бактерии были ничтожны. И все же один бактериальный штамм, взятый от пещерного кузнечика, оказался именно тем, что мы искали, — эти микробы способны существовать в отсутствие другой пищи, кроме лигнина. Такую же способность продемонстрировали пять штаммов (или два вида), полученных от жуков-кожеедов. Лишь много времени спустя я вполне осознал значение нашего открытия. В двух видах насекомых мы нашли целое сообщество бактерий, разлагающих лигнин, возможно самое распространенное на планете вещество биологического происхождения. Теперь число известных штаммов лигниноядных микробов выросло вдвое, а число известных видов увеличилось на 30 %. По меньшей мере два найденных нами бактериальных вида, включая главный объект нашего внимания, микроб, родственный Cedecea lapagei, оказались новыми для науки. Подведем итог. Мы обнаружили крупный и ранее остававшийся незамеченным вид интродуцированного насекомого, расселившегося по подвалам домов по всей Северной Америке. В этом насекомом оказались микробы, представляющие ранее неизвестный вид, способный разлагать лигнин.