Основы минералогии гипергенеза (стр. 1 из 4)

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 фундаментальных исследований взаимодействие в системе минеральный субстрат/микроорганизм, как и в прочих биокосных системах, осуществляется преимущественно в виде донорно-акцепторного механизма передачи массы, энергии и информации с учетом того, что реальные системы могут быть не только парными, но и более сложными. Минерал выступает донором по отношению к функционирующему организму - акцептору. При осуществлении подобной связи взаимодействие становится жизнеобеспечивающим. Хотя основные вопросы, связанные с взаимодействием в биокосных системах биосферы, рассмотрены и проанализированы в специальной работе (Яхонтова и др., 1991б), представляется уместным остановиться на главнейших моментах этого анализа.

Природные растворы практически всегда участвуют в биокосных взаимодействиях, поэтому их кислотность- щелочность, а также образующиеся в них трехмерные структуры ближнего порядка, представленные комплексными ионами с различными лигандами и полярными молекулами воды, имеют первостепенное значение. Они в заметной степени определяют характер протоструктур, на базе которых в дальнейшем формируются новообразованные минералы.

Учет структур формирующихся комплексных ионов, которые характеризуются взаимной координацией атомов, а также эффективных зарядов атомов-комплексообразователей, существенно уточняет представление о вероятном состоянии элементов в растворах, о характере их участия в биокосных взаимодействиях, в процессе транспорта носителей зарядов и в протекающих окислительно-восстановительных реакциях. В работе (Яхонтова и др., 1991д) впервые на разнообразных примерах показаны уникальные возможности данного подхода при анализе гипергенного минералообразования. В отношении биокосных взаимодействий они не менее впечатляющи. К примеру, смена в растворе комплекса [Fe+ 2,2(HSO4)2]+ на [Fe+ 2,5(HSO4)2]0 c изменением координации Fe (III) с 4 на 6 снижает донорное свойство сернокислого раствора, участвующего в биокосном взаимодействии. В ряду комплексов меди в углекислой среде [Cu+ 1,7(HCO3)3]- -Cu+ 1,6(HCO3)2]0-[Cu+ 1,4(HCO3)]+ с уменьшением координационного числа Cu (6-4-2) и соответственно эффективных зарядов, наоборот, нарастают донорные возможности раствора. Формирование того или иного комплекса связано с Eh- pH-состоянием среды.

Метаболические продукты бактерий, попадая в раствор, активно участвуют во взаимодействиях с минералами, проявляя в различной степени акцепторную роль. В составе метаболитов обычно присутствие различных органических кислот (яблочной, янтарной, лимонной и др.) при преобладающей роли какой-либо одной. Используя остовно-электронный метод расчета эффективного заряда атомов, можно произвести сравнительную оценку акцепторных качеств этих кислот. Так, особо высокая акцепторная активность лимонной кислоты, продуцируемой бактериями, вытекает из высоких эффективных зарядов углерода (+ 0,95 и + 0,85) во всех трех типах структурных групп O-OH этой кислоты. В структуре янтарной кислоты отмеченных групп лишь две, и обе, по существу, являясь цис- и трансформами, имеют один и тот же эффективный заряд углерода (+ 0,85) и к тому же в структурной цепочке связаны с отрицательно заряженным углеродом (- 0,03), что резко снижает акцепторную активность метаболитов, концентрирующих янтарную кислоту (рис. 11).

Рис. 11. Распределение эффективных зарядов в фрагментах структуры лимонной (1) и янтарной (2) кислот

В биокосном взаимодействии с помощью эффективных зарядов атомов в структуре минералов можно прогнозировать донорное качество минерального субстрата (табл. 43), где в уже рассмотренном ряду никелевых сульфидов полидимит-миллерит-пентландит возрастающей степени бактериальной деструкции соответствует постепенное уменьшение эффективного заряда Ni, т.е. увеличение донорной способности минералов.

Донорно-акцепторный механизм биокосного взаимодействия в другом аспекте может оцениваться как кислотно-основной, в соответствии с современными представлениями в химии акцептор энергии (электронов) является обобщенной кислотой Льюиса (окислителем), а теряющий электроны (окисляющийся) донор - основанием. С этих позиций функционирующий микроорганизм можно рассматривать в качестве "живой" кислоты- окислителя, а окисляющийся минеральный субстрат - в виде основания Льюиса.

Как уже показано, оценка кислотности- щелочности минерального субстрата, находящегося во взаимодействии с микроорганизмом, может быть произведена с помощью ЭхП, вычисленного, к примеру, известным методом, исходя из химического состава минерала (Ракчеев, 1989). Величина ЭхП, в принципе сопоставляемая с работой выхода электрона из структуры минерала и в этом смысле являющаяся мерилом степени окисленности последней, может свидетельствовать о выраженной тенденции в принадлежности минерала к "основанию" или "кислоте". Чем выше ЭхП, тем выше кислотность минерала и ниже его донорное качество. Но, как показали исследования деструкции отдельных минералов и их групп с помощью бактерий (Яхонтова и др., 1983, 1991е), метод ЭхП, не предназначенный для учета реального структурного состояния минерала (дефекты, полупроводниковые свойства, явления полиморфизма, степень упорядочения и др.), лишь ориентировочно и только для минералов одного структурного ряда и контрастного химизма, способен сопоставить их кислотно-основные свойства.