Популярно о микробиологии - Михаил Бухар

«Однако при чем же здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Логично предположить, что и у этих биологических систем, стоящих на более низком уровне развития, процессы обработки информации и управления должны быть основаны на таких же принципах. Ведь сам факт их существования и жизнеспособности в изменяющихся условиях свидетельствует о наличии у микроорганизмов практически безынерционных систем обработки информации, хотя и не таких сложных, как головной мозг высших животных.

Как происходят передача и обработка информации в ультраструктуре микробной клетки и какова та элементная база, из которой состоит ее ЭВМ? Ответа пока нет. До сих пор не удалось обнаружить среди разнообразных субклеточных структур микроорганизма такие, которые могли бы выполнять функции блоков обработки информации. Однако эти функции каким-то образом успешно выполняются в клетке. Можно предположить, что здесь не обошлось без одного из основных ее компонентов — белков.

Еще в 1941 г. американский биохимик А. Сент-Дьерди предположил, что в них содержатся делокализованные электроны, которые могут обеспечить передачу в другие места изменений, начавшихся в каком-либо месте белковой макромолекулы. Таким образом, эти переходы аналогичны тем, которые хорошо известны в физике полупроводников и на основе которых функционируют многие электронные приборы и устройства. По мнению французского ученого Л. Бриллюэна, белки также могут служить полупроводниками электронного типа благодаря присутствию в них боковых цепей, действующих так же, как примеси в полупроводниках.

Когда мы говорили о композиционных структурах, предсказанных квантовой теорией твердого тела и воплощенных в металле и керамике, то следовало заметить, что у них есть близкие аналоги в живой природе. Это — клеточные мембраны. По структуре они тоже представляют собой «сэндвичи», но не из тонких слоев различных металлов, а из тончайших слоев белков и липидов.

Не исключено, что это, как принято говорить в биологии, морфологическое сходство ведет к функциональной общности: такие структуры способны играть роль элементов, служащих вентилями в электронных схемах, т. е. выполнять функции полупроводников.

В последнее время в научной и коммерческой литературе появились сообщения о разработке и использовании на базе достижений биотехнологии и микроэлектроники новых структурных элементов ЭВМ — биочипов. Специалисты японской фирмы Suntory Ltd. полагают, что емкость их памяти примерно в 1 млрд раз больше, чем у полупроводников на базе кремния.

Найти микроструктуры, выполняющие роль элементной базы, изучить архитектонику их компоновки в системе СИС (сложных интегральных схем) и условия, обеспечивающие стабильность, надежность и мизерную энергоемкость этих биологических микроЭВМ, разработать биотехнологические схемы их синтеза — вот задача для микробиологов, биотехнологов, специалистов в области микроэлектроники; задача, поставленная американским ученым Норбертом Винером и взятая в качестве эпиграфа к этой главе.

И это не фантастика. В этом направлении уже сделаны первые шаги, и открывающиеся перспективы поистине удивительны! Успехи генетической инженерии позволяют получать в больших количествах белки определенной структуры, обладающие специфическими свойствами. Не исключено, что, применяя методы генной инженерии, можно будет получать структуры, напоминающие полупроводниковые, а используя методы их иммобилизации, — стабилизированные биоструктуры, которые могут служить аналогами сложных интегральных схем и быть основой элементной базы последующих поколений ЭВМ.

Вычислительная техника, создаваемая на элементной базе из биологических материалов, так называемых биочипов, делает первые шаги. И может быть, недалеко то время, когда эта элементная база станет основой для создания компактной, надежной и малоэнергоемкой вычислительной техники будущего.

Глава 24

Malleus et Scientia[7]

Соизволяется всем и каждому, каждому достается воля… во всех местах… искать, копать, плавить, варить всякие металлы.

Геологи… Мужественные, отважные люди. Они пробираются сквозь непроходимую тайгу и знойную пустыню, чтобы найти новое месторождение и отметить его на карте.

«Пришел, увидел…» и открыл. Так неискушенному читателю представляется работа геологов, сложность которой сосредоточена в основном на трудностях пути к месторождению. Однако отколоть кусочек породы и отметить ее выход на поверхность — только часть большой и сложной работы геологов, девизом которых всегда было «Молотком и знанием». Но если первая часть девиза понятна людям, далеким от геологии, то о второй мало что известно. Между тем в наше время геологоразведка пользуется помимо традиционного геологического молотка множеством новых методов, основанных на успехах других наук.

Не отказывается геология и от помощи микробиологии. Оказывается, микроорганизмы можно использовать как тесты на наличие тех или иных полезных ископаемых. Если известный микроб, способный расти только в присутствии вещества «x», растет в неизвестной исследуемой среде, значит, в ней есть это вещество. Из этого вытекают два микробиологических подхода, используемых в процессе геологоразведки. Первый — изучение качественного состава новых образцов микрофлоры уже известных месторождений. Так, по присутствию бактерий Bacillus cereus можно обнаруживать месторождения золота, меди и некоторых других металлов. Второй подход — рост на исследуемых образцах породы «тестовых» микроорганизмов служит еще одним подтверждением присутствия вещества, ради которого проводится поиск.

Объединение этих двух подходов в значительной степени увеличивает вероятность обнаружения полезных ископаемых, если к этому, разумеется, есть и геологические предпосылки. Конечно, кроме микробиологических методов существуют и другие, но микробиологические иногда более чувствительны и специфичны.

Микробиологические методы, разумеется, не дают абсолютной гарантии. Нельзя забывать, что ее может дать только пробуренная скважина или шахта. А бурить скважину, даже пробную, и долго, и дорого. Один день бурения стоит около $1 млн. Поэтому любой дополнительный метод исследования, позволяющий получить информацию о возможном наличии или отсутствии полезных ископаемых, помогает вести геологоразведку более эффективно и экономно.

Предположим, что месторождение нефти найдено, и на географической карте появился знак буровой вышки или нефтяного фонтана. Но месторождений, где нефть действительно фонтанирует, т. е. идет под давлением, остается все меньше и меньше. Нефть приходится качать из глубинных слоев с помощью целой системы мощных насосов.

В последнее время в связи с нехваткой нефти геологи все чаще вынуждены обращаться к разработке даже тех месторождений, в которых она находится в так называемом нефтеносном пласте, состоящем из различных пористых пород, и располагается в микрокапиллярах. В этих случаях решающее значение для ее извлечения имеют сила связи нефти с частицами породы пласта и поверхностное натяжение на границе раздела нефть — вода, в свою очередь зависящее от вязкости нефти. Если бы удалось ее снизить, то добывать нефть из пластов было бы значительно легче. Уменьшение толщины нефтяной пленки на стенках пор песчаника лишь на 0,000002 мм привело бы к увеличению добычи нефти на 10 %. Однако даже введение в пласт поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение, отнюдь не решает задачу извлечения нефти из пористых пород.

Так что же делать? Выкапывать весь слой и промывать его на поверхности? Трудоемко, технически трудноосуществимо и экономически невыгодно. Нефть будет стоить дороже золота! С помощью микробиологов геологи нашли выход из этого затруднительного положения. В нефтеносный пласт вводят микроорганизмы, которые благодаря своим микроскопическим размерам проникают в мельчайшие поры породы и, интенсивно размножаясь и выделяя углекислый газ или метан, создают в каждой поре и в пласте в целом условия, которые способствуют вытеснению нефти на поверхность. Одновременно бактерии, окисляя углеводороды, вызывают изменения их физико-химических свойств, в частности, необходимое снижение вязкости.

Аналогичный эффект увеличения дебита нефтяных скважин можно получить, закачивая культуру микроорганизмов с питательной средой в те из них, в которых резко снизилось избыточное давление. После введения культуры микроорганизмов скважину консервируют и через некоторое время снова открывают. Интенсивно размножаясь в созданных для них благоприятных условиях, микроорганизмы образуют большое количество углекислого газа, который и создает в скважине избыточное давление, необходимое нефтяникам. После такой обработки прирост добычи нефти колеблется в среднем от 20 до 200 %, и это увеличение может сохраняться от двух до восьми лет. Такие разработки уже осуществлены в промышленном масштабе!