http://galachem.ru/bioximiya/mn-bio-kits/

Метан из растений: открытие со сложной историей

  • 159
  • 0,4
  • 1
  • 0
Добавить в избранное
Способны ли растения образовывать метан, да еще в аэробных условиях?

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Выделяют ли растения метан? И если да, то как человечеству следует изменить тактику борьбы с парниковым эффектом? Дискуссия об этом разгорелась ровно десять лет назад в результате казавшегося невероятным открытия — аэробного выделения метана, что дает, по первым сделанным тогда оценкам, значительную долю всего количества этого парникового газа, поступающего в атмосферу. И только в последнее время вопрос в достаточной мере прояснился: да, аэробное выделение метана существует, но все же не вносит столь крупного вклада в общий баланс метана в земной атмосфере, как казалось вначале. В данной статье дан краткий обзор «зигзагов» понимания этого вопроса.

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].

Основные источники метана

Рисунок 1. Основные источники метана в атмосфере Земли и их вклад в суммарную эмиссию — по данным IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Рисунок из [4], адаптирован.

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):

OH• + CH4 → H2O + CH3•.

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.

Установка Кепплера

Рисунок 2. На этой установке были получены первые результаты группы Кепплера по аэробному выделению метана растениями. Плексигласовая камера с исследуемыми растениями объемом 18 л снабжена датчиками температуры, влажности, давления воздуха, концентрации углекислого газа и системой отбора проб воздуха. Эти пробы анализируют затем на масс-спектрометре на предмет выделенного растениями метана. Воздух, которым заполняется камера, очищен от метана. Внутри нее находится маленький вентилятор, обеспечивающий равномерное распределение всех газов в атмосфере камеры. Фотография любезно предоставлена Ф. Кепплером.

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].

Интенсивность эмиссии метана

Рисунок 3. Интенсивность эмиссии метана в разных областях Земли. Области с наиболее интенсивной эмиссией метана лежат вблизи экваториальной зоны. Области умеренных широт вносят заметный вклад в эмиссию метана лишь в период вегетации. Значения эмиссии CH4 на цветной шкале даны в гигаграммах (1 Гг = 109 г). а — Январь. б — Апрель. в — Июль. г — Октябрь. Расчеты проведены на основе измерений в лабораторных условиях и экстраполированы на глобальные масштабы. Рисунок из [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. Nature439, 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 Phytol175, 29–35;
  9. Bruhn D., Møller I.M., Mikkelsen T.N., Ambus P. (2012). Terrestrial plant methane production and emission. Physiol. Plant144, 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. Rep6, 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 Phytol211, 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 жизнь6, 56–58..

Комментарии

Вас также может заинтересовать