«Био/мол/текст»-2016

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.

---

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

Если попытаться проранжировать газы, входящие в состав земной атмосферы, по их значению для современной жизни на Земле, то, вероятно, среди «первых скрипок» многие назовут кислород, водяной пар, углекислый газ . Эти компоненты атмосферы, вместе с относительно «бесполезными» азотом и аргоном, одновременно являются и основными по количественному содержанию в ней. Однако оказывается, что и те компоненты, содержание которых в сотни раз меньше, чем углекислого газа, и в сотни тысяч, чем кислорода, играют не меньшую роль. Один из таких компонентов — метан.

Круговороту этих веществ в атмосфере Земли и роли в нем живых организмов был посвящен ряд статей на «биомолекуле»: «Волонтер фотосинтеза», «Кто на самом деле крутит углеродное колесо», «О, этот благодатный дождь из бактерий!» [1–3].

Метан — один из основных парниковых газов в атмосфере Земли. Главный его источник — деятельность метаногенных бактерий. Будучи строгими анаэробами (то есть организмами, способными жить только в отсутствие кислорода в окружающей среде), эти бактерии обитают в основном на затопленных участках земной поверхности — природных заболоченных территориях, рисовых плантациях, которые и дают основной вклад в эмиссию метана в атмосферу (рис. 1). Анаэробное брожение происходит также на мусорных полигонах, в пищеварительном тракте у термитов и у жвачных млекопитающих. Большой вклад в эмиссию метана вносят пожары и сжигание топлива [4].

Приток метана в атмосферу, в среднем, компенсируется его оттоком. В первую очередь, окислением тропосферного метана в реакциях с гидроксильным радикалом (источником которого служит тропосферный озон):

Эта реакция дает начало разветвленной цепи превращений, в которых участвуют молекулы воды, кислорода и оксидов азота. Заканчивается этот каскад реакций окислением метана до углекислого газа — CO₂.

Нарушение баланса притока и оттока приводит к изменениям концентрации газа в атмосфере. За последние 250 лет интенсивной хозяйственной деятельности человека содержание метана в атмосфере выросло в 2,5 раза из-за роста активности всех антропогенных источников — сжигания топлива, увеличения поголовья скота и площади свалок. Количество газа, поступающего в атмосферу от этих источников, хорошо известно и постоянно контролируется.

И вот десять лет назад в журнале Nature была опубликована сенсационная статья Франца Кепплера с коллегами [5], в которой утверждалось, что растения способны образовывать метан, да еще в аэробных условиях (то есть в присутствии кислорода) (рис. 2). Сенсационной была и весьма существенная величина интенсивности выделения метана растениями в общепланетарном масштабе: количество метана, производимое растениями, может составлять до трети всего известного на сегодняшний день его притока.

Статья вызвала бурную дискуссию не только в научном мире, но и в СМИ. Открытие свидетельствовало о видимом дисбалансе потоков метана в атмосфере и означало необходимость пересмотреть данные о его выбросах. В СМИ же появились сообщения о вреде лесов для климата Земли — поскольку они способствуют выделению парниковых газов.

Однако довольно быстро обнаружилась очевидная поспешность таких «глобальных» выводов. Уже в первой волне научных публикаций, возникших в ответ на статью Кепплера, оппоненты отмечали наиболее «скользкое» место в его выводах — обобщение результатов экспериментов до глобальных процессов. Ведь данные о выделении метана растениями были получены на отдельных растениях или даже листьях. Как на такой основе можно оценить интенсивность этого процесса в масштабах всего растительного покрова Земли? Как она будет зависеть от температуры и освещенности в разных областях планеты? Будет она пропорциональна суммарной фотосинтетической активности земной растительности или ее общей биомассе? Как долго в течение года и в течение суток будут активны процессы выделения метана? Все это может существенно влиять на общий итог.

Приведенная группой Кепплера оценка, по сути, давала максимально возможное значение. Учет реального распределения (пространственного и временнóго) солнечных дней в течение вегетационного периода, температуры, доли листвы в общей биомассе растений, взаимного затенения и др. показал, что эмиссия метана в атмосферу растениями как минимум в несколько (3–4) раз ниже величины, вызвавшей столь бурную дискуссию (рис. 3) [6], [7].

Чуть позже появились критические статьи, подвергавшие сомнению сам факт продукции метана растениями в аэробных условиях [8]. Измерения газообмена можно производить в замкнутой системе (то есть изолированной от окружающего воздуха), а можно в проточной. В замкнутой системе регистрируют изменения концентрации газа за определенное время, в проточной измеряют постоянные (стационарные) концентрации газа на входе и выходе из системы. В первом случае измерения более чувствительны, но чреваты артефактами и могут создавать нефизиологические условия для растений.

Измерения в проточной системе в большей степени свободны от этих недостатков, но обладают меньшей чувствительностью. Сотрудники Кепплера помещали растения в герметичные пластиковые камеры (то есть в замкнутые системы), которые в некоторых экспериментах очищали от атмосферного метана. Ряд лабораторий повторили измерения Кепплера другими методами и в иной постановке эксперимента и сделали вывод об отсутствии самого явления, предполагая результат Кепплера следствием экспериментальных ошибок.

На фоне очень низкой концентрации метана в атмосфере (порядка одной миллионной доли) измерить еще более ничтожные ее изменения за счет выделения газа листьями — задача, требующая изысканных и нестандартных экспериментальных подходов. Кроме того, она связана с риском получения результатов, которые возникают вследствие условий эксперимента, а не отражают «естественное» поведение исследуемого объекта.

По мнению Тома Дюка, который провел исследование по выделению метана живыми растениями, такая процедура могла приводить к нарушению газового равновесия между тканями растений и окружающим воздухом [8]. В итоге тот метан, который попал в ткани растения из атмосферного воздуха, выходил обратно в окружающую среду. Этот-то поток метана и могла регистрировать группа Кепплера. В своих экспериментах Дюк использовал существенно более совершенную технику: растения с самого начала выращивали в атмосфере, содержащей углекислый газ с тяжелым изотопом углерода ¹³C. Следовательно, именно изотоп ¹³C должны были содержать органические вещества тканей растений и образуемый из них в ходе предполагаемого метаногенного метаболизма метан. Таким образом, метан, синтезируемый в тканях растения, можно было бы легко отличить от атмосферного метана, и использованная Томом Дюком система не требовала предварительной очистки воздуха от метана. Дюк с сотрудниками, проведя измерения как в проточной системе, так и в замкнутой, не обнаружили выделение метана. При этом растения культивировались на гидропонике, то есть без почвы, которая могла бы содержать анаэробные «карманы» с метаногенными бактериями. (Неучет возможного выделения метана из почвы также ставился в вину группе Кепплера, однако справедливости ради следует заметить, что в своих экспериментах группа использовала как почвенные, так и водные культуры растений.)

Наиболее уязвимым местом концепции Кепплера было отсутствие каких-либо данных о возможном механизме обнаруженного явления, казавшегося невероятным. За время, прошедшее с публикации этой работы, появилось достаточно много исследований на данную тему, выполненных как на целых экосистемах, так и на отдельных растениях, целых листьях и их фрагментах, а также на культурах растительных клеток и изолированных структурных компонентах растений [9]. Одни работы подтверждали выводы Кепплера, другие опровергали.

Сейчас уже ясно: причина разногласий связана с тем, что растения выделяют метан в ответ на некоторый стимулирующий фактор. Это могут быть механические повреждения, освещение УФ-излучением (в составе солнечного света или же в лабораторных условиях), воздействие активных форм кислорода, повышение температуры, особенно выше 40–50°C. Пока роль этих факторов была неизвестна, их проявление в постановке эксперимента оставалось делом случайности, вызывая разнобой в измеряемых потоках метана и последующих выводах.

Кроме того, в ходе всех этих исследований стал ясен вероятный путь образования метана. Скорее всего, это — свободнорадикальный механизм, то есть, реакции, протекающие с участием радикалов — высокореакционных молекул, у которых есть неспаренные электроны (этот механизм образования метана предложил в 2007 году доктор химических наук Валерий Андреевич Шарпатый из Института биохимической физики РАН в Москве [10]). А источниками атомов углерода для образования CH₄ может служить довольно широкий класс веществ — воски, покрывающие поверхность листа, полимеры клеточной стенки (целлюлоза, лигнин, пектин), аминокислоты (метионин), аскорбиновая кислота, содержащаяся не только во многих органеллах клетки, но и вне клеток в ткани зеленого растения. Иными словами, в отличие от метаногенных бактерий, метан, выделяемый растениями, имеет неферментативное происхождение.

Совсем недавно группой Кепплера обнаружено выделение метана при окислении серосодержащих органических соединений (сульфоксидации метилсульфидов), которое повсеместно распространено в природе [11]. При этом вполне вероятно, что, несмотря на разнообразие факторов, стимулирующих выделение метана, активные формы кислорода — ключевое звено в механизме действия любого из них. Однако экстраполяция результатов этих лабораторных экспериментов на весь растительный покров и всю атмосферу, как аккуратно подчеркивается в последних работах, преждевременна и требует дальнейших исследований. С одной стороны, последние работы, проводимые на целых экосистемах, действительно, обнаруживают широкую распространенность выделения метана растениями in vivo. Среди таких, неучтенных ранее источников метана оказывается и вегетирующая растительность как субтропических [12], так и бореальных лесов [13], и мертвая древесина [14], и лесная подстилка [15]. С другой стороны, становится ясной существенная зависимость интенсивности и даже знака (поглощение или выделение) газообмена метана в природных экосистемах от множества метеорологических факторов, таких, как, например, температура и влажность почвы и воздуха, инсоляция [12]. Наличие же такой зависимости означает, в частности, и то, что изменения климата могут существенно изменить баланс газообмена метана, как, впрочем, и других парниковых газов.

Заметим также, что независимо от того, в какой мере зеленые растения способны синтезировать метан, они могут ускорять его выделение из почвы: производимый почвенными бактериями метан поглощается корневой системой растений вместе с водой и по проводящей системе, как по трубам, «доставляется» к листьям, а затем выделяется в атмосферу.

Возможно, практическое значение открытия аэробного образования метана растениями, с точки зрения изменений климата на нашей планете, в конечном итоге, окажется невелико. Но фундаментальное значение этого открытия несомненно.

Интересно, что первыми исследователями в этой области были наши соотечественники. Еще в 1960 году Г.А. Санадзе и Г.М. Долидзе в Тбилисском государственном университете, работая с листьями ивы и тополя, обнаружили среди их летучих выделений метан [16]. Однако в дальнейшем они, к сожалению, оставили эту тему, сконцентрировав исследования на изопрене.

Об этих работах советских биологов пишут сами авторы статьи, открывшей дискуссию, в одной из своих публикаций [17]. Такие внимательность и щепетильность западных исследователей тем более приятны, что отечественные журналы и вместе с ними многие классические работы по сей день остаются труднодоступными.

Первая версия статьи была опубликована в журнале «Наука и жизнь» [18].

Литература

1. Волонтер фотосинтеза;
2. Кто на самом деле крутит углеродное колесо;
3. О, этот благодатный дождь из бактерий!;
4. Vigano I. Aerobic methane production from organic matter. Ipskamp Drukkers BV, Enschede, 2010. — 152 p.;
5. Keppler F., Hamilton J.T., Braß M., Röckmann T. (2006). Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions. Nature. 439, 187–191;
6. Kirschbaum M.U., Bruhn D., Etheridge D.M., Evans J.R., Farquhar G.D., Gifford R.M. et al. (2006). A comment on the quantitative significance of aerobic methane release by plants. Funct. Plant Biol. 33, 521–530;
7. Butenhoff C.L. and Khalil M.A.K. (2007). Global methane emissions from terrestrial plants. Environ. Sci. Technol. 41, 4032–4037;
8. Dueck T.A., De Visser R., Poorter H., Persijn S., Gorissen A., De Visser W. et al. (2007). No evidence for substantial aerobic methane emission by terrestrial plants: a ¹³C-labelling approach. New Phytol. 175, 29–35;
9. Bruhn D., Møller I.M., Mikkelsen T.N., Ambus P. (2012). Terrestrial plant methane production and emission. Physiol. Plant. 144, 201–209;
10. Sharpatyi V.A. (2007). On the mechanism of methane emission by terrestrial plants. Oxid. Commun. 30, 48–50;
11. Althoff F., Benzing K., Comba P., McRoberts C., Boyd D. R., Greiner S., Keppler F. (2014). Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions. Nat. Commun. 5, 4205;
12. Savi F., Di Bene C., Canfora L., Mondini C., Fares S. (2016). Environmental and biological controls on CH 4 exchange over an evergreen Mediterranean forest. Agric. For. Meteorol. 226, 67–79;
13. Machacova K., Bäck J., Vanhatalo A., Halmeenmäki E., Kolari P., Mammarella I. et al. (2016). Pinus sylvestris as a missing source of nitrous oxide and methane in boreal forest. Sci. Rep. 6, 23410;
14. Wang Z.P., Gu Q., Deng F.D., Huang J.H., Megonigal J.P., Yu Q. et al. (2016). Methane emissions from the trunks of living trees on upland soils. New Phytol. 211, 429–439;
15. Gritsch C., Egger F., Zehetner F., Zechmeister-Boltenstern S. (2016). The effect of temperature and moisture on trace gas emissions from deciduous and coniferous leaf litter. J. Geophys. Res.: Biogeosci. 121, 1339–1351;
16. Санадзе Г.А. и Долидзе Г.М. (1960). К вопросу о химической природе летучих выделений листьев некоторых растений. Докл. АН СССР. 134, 214–216;
17. McLeod A.R. and Keppler F. Vegetation. In: Methane and climate change / ed. by Reay D., Smith P., van Amstel A. UK, Earthscan, 2010. P. 74–96;
18. Птушенко В.В. (2015). Метан из растений. Наука и жизнь. 6, 56–58.