https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Вечный торф: почему в болоте не разлагается органика?

Вечный торф: почему в болоте не разлагается органика?

  • 2824
  • 0,0
  • 1
  • 3
Добавить в избранное print
Обзор

Сфагновый мох — основной обитатель северных верховых болот, где процессы разложения органических остатков идут чрезвычайно медленно. Фотография в полном размере.

фотография автора статьи (Ненецкий автономный округ)

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В болотах, в отличие от всех других почв, органические остатки не разлагаются, а накапливаются в виде торфа. Особенно это касается верховых болот, где торф состоит из практически не тронутого разложением мха. Не только сам торф, но и древесина, пищевые продукты, тела животных и людей могут сохраняться в верховых болотах нетронутыми сотни и тысячи лет. Вопрос о том, почему в болотах не разлагается органика, оказался не таким простым. Помимо очевидного — переувлажнения и анаэробных условий — рассматривались пониженная температура, кислая реакция среды и недостаток питательных веществ. Но основной причиной оказалась структура тканей и наличие особых полисахаридов у главных обитателей верховых болот.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Победитель конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023Эта работа заняла первое место в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023 и будет опубликована в журнале «Химия и жизнь».

SkyGen

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Болотное дело

В 1983 году неподалеку от городка Уилмслоу (графство Чешир, Великобритания) двое рабочих во время добычи торфа на болоте обнаружили страшную находку. Это был фрагмент женской головы — кусок черепа с мягкими тканями, кожей и волосами. Испуганные рабочие незамедлительно вызвали полицию, началось расследование убийства.

Очень скоро появился и подозреваемый — местный житель Питер Рейн-Бардт. За двадцать лет до этих событий его жена, Малика де Фернандес, пропала без вести. Полицейские тогда сразу заподозрили в убийстве Питера, обыскали его дом, но не обнаружили никаких улик.

Фрагмент головы, по оценке криминалистов, принадлежал женщине возрастом 30–50 лет, что подходило под возраст пропавшей Малики. Под давлением нового доказательства Питер, наконец, сознался. Оказалось, что Малика, с которой они разошлись вскоре после свадьбы, шантажировала Питера — требовала денег, угрожая раскрыть его гомосексуальность (в Англии в то время это грозило проблемами с законом). Питер убил несчастную Малику, расчленил ее тело и зарыл останки в болоте около дома.

Эта детективная история была бы достойна экранизации в каком-нибудь мрачном триллере, если бы не один нюанс: найденный в болоте фрагмент женской головы на самом деле не имел отношения к Малике де Фернандес. Если его настоящая обладательница и была убита, то не двадцать лет назад, а значительно раньше. По данным радиоуглеродного анализа эта женщина жила более тысячи семисот лет назад, в то время, когда Британия была провинцией Римской империи. Узнав об этом Питер попытался отозвать показания, но было поздно — присяжные приговорили его к пожизненному заключению .

О том, как изучают древние останки, можно прочитать в статье «Антропология и археология в криминалистике» [10]

Хранилище древностей

Подобные случаи происходили множество раз. Через год на том же болоте обнаружили человеческую ногу. Теперь, наконец, останки несчастной Малики? Опять нет. Удивительно сохранившийся труп мужчины, которому дали имя «человек из Линдоу». Возраст — две тысячи лет.

В 1950 году жители деревни Толлунд в Дании тоже во время добычи торфа обнаружили труп мужчины с веревкой на шее и также вызвали полицию. Тело «человека из Толлунда» (Tollund man) обладало поразительной сохранностью: на лице можно было разглядеть мельчайшие поры и морщины, на щеках — щетину, сохранились волосы, одежда, головной убор и пресловутая веревка на шее. Все заставляло предположить недавнее убийство, но на самом деле человек из Толлунда встретил свою смерть в железном веке, целых две с половиной тысячи лет назад.

В общей сложности в болотах Северной Европы найдено около тысячи таких останков, получивших название болотных тел (bog bodies). Благодаря уникальной сохранности они всегда привлекали большое внимание (рис. 1). Некоторые тела сохранились так хорошо, что можно было извлечь остатки пищи из желудка и определить состав последней трапезы (например, человек из Толлунда перед смертью ел ячменно-льняную кашу и закусил рыбой) [1].

Ребенок в датском музее смотрит на человека из Граубалле

Рисунок 1. Ребенок в датском музее смотрит на человека из Граубалле — современника человека из Толлунда

В болотах находили не только тела людей, но и животных: собак, свиней и даже лошадей. Еще лучше сохраняется древесина, что часто радует археологов. В болотах Англии, опять же, при добыче торфа, удалось обнаружить одну из самых древних рукотворных дорог на планете — Свит-Трек. Это два километра деревянных настилов на утопленных в болото опорах, которые были построены около 3800 лет до н.э. В климате Британии дерево не сохранилось бы долго, если бы оставалось на воздухе: бревна и доски быстро бы сгнили. Но на счастье археологов (и наверняка к большому неудовольствию древних строителей Свит-Трека) вскоре после строительства дороги уровень воды поднялся, и она ушла в болото .

Это не единственная древняя дорога, сохранившаяся в болоте. В другом регионе Англии, около города Питерборо, была открыта деревянная дорога времен бронзового века и искусственный остров, где сохранились остатки деревянных строений и множество предметов.

Список находок из болот можно продолжать долго. Среди них кожаная и шерстяная одежда, веревки и дерево, куски сыра, молочные поросята и даже бочка со сливочным маслом возрастом 2200 лет (рис. 2) [2]. Причем пищевые продукты из болота — не обязательно случайные потери или жертвоприношения. По историческим данным обитатели Британских островов специально хранили мясо, масло и сыр в болоте, чтобы продукты не портились [3].

Бочонки с маслом, найденные в болотах Ирландии

Рисунок 2. Бочонки с маслом, найденные в болотах Ирландии. Самая ранняя находка датируется 200–350 г. д.н.э. (верхний левый).

Есть в болотах что-то такое, что останавливает неизбежные в других местах процессы разложения растительных и животных тел. Ведь сама субстанция, из которой состоят болотные почвы — торф — это неразложившиеся растительные остатки, законсервированные на тысячи лет.

Необычная почва

В любую почву каждый год попадает мертвое органическое вещество. На поверхность земли падают листья и стебли растений, под землей отмирают корни. Но растительные остатки в земле не накапливаются. В большинстве почв массовая доля органических веществ составляет всего несколько процентов или даже меньше одного процента. Как только на поверхность земли падает лист или под землей отмирает корень растения, на них набрасываются бактерии и грибы, которых в почве живет больше, чем в какой-либо другой среде на Земле. Почва — постоянно работающий котел, в котором жизнь переваривает органику.

Это верно практически для всех почв, но не для болот. В болотах растительные остатки вместо того, чтобы разлагаться, накапливаются в виде мощного слоя торфа.

Правда, здесь нужно сказать пару слов про различия болот. Хотя у всех болот есть главное общее свойство — постоянное застойное переувлажнение — источник этого переувлажнения может быть разным (рис. 3). Низинные болота (fen, swamp), как можно догадаться из их названия, находятся в низинах, куда стекает вода с окружающих территорий. Верховые болота (bog) подпитываются только дождевой водой. Хуже всего торф и другие органические остатки разлагаются в верховых болотах, именно в них находили болотные тела и другие артефакты. Значит, именно в верховых болотах должно быть что-то, что больше всего подавляет активность микробов и не дает им разлагать органику.

Устройство верхового и низинного болот

Рисунок 3. Устройство верхового (raised bog) и низинного (valley fen) болот. Низинные болота образуются в понижениях рельефа, куда стекает вода с окружающих склонов — например, на поймах рек. Верховые болота, наоборот, приподняты над окружающим ландшафтом. Они накапливает дождевую воду и сами могут быть источником воды для рек на соседней территории.

Чем тут дышать?

Большинству живых существ нужен кислород для дыхания, и почвенные микроорганизмы — не исключение. Большая часть из них — аэробы, то есть без кислорода они существовать не могут. Болота постоянно испытывают застойное увлажнение (собственно, это и делает болота болотами), и там должно быть мало кислорода. Может быть, именно с этим связана устойчивость торфа?

Правда, в воде тоже может быть кислород. В большинстве водоемов не полностью анаэробные условия благодаря растворенному кислороду. В открытых водоемах отлично существуют растения и животные, и микроорганизмы там встречаются на достаточно большой глубине. Да, разложение органики в водоемах идет медленнее, чем в воздушной среде, но все равно идет. Болотные тела вряд ли сохранились бы в водоемах, поскольку на дне рек и озер мягкие ткани у трупов сильно разлагаются уже за несколько лет. На дне озер тоже может накапливаться органическое вещество — сапропель — но он состоит из сильно разложившихся остатков живых существ.

Похожи ли болота по содержанию кислорода на «обычные» водоемы? Можно взять пробы на разной глубине болот и определить содержание кислорода — такую возможность дает масс-спектрометрический анализ.

Возьмем исследование верхового болота на юге Швеции [4]. На самой поверхности, совсем немногим ниже уровня воды, растворенного кислорода 160 мкМ (около 5 мг/л). Это вполне сравнимо с содержанием кислорода в открытых водоемах. Но с глубиной его содержание начинает резко снижаться. Уже на глубине в семь сантиметров его содержание было ниже 0,2 мкM (предел чувствительности прибора). В более раннем исследовании авторов — в болотах Шотландии — кислород пропадал уже на трехсантиметровой глубине. Не всегда кислородсодержащий слой такой тонкий, но с определенной глубины в болоте всегда наступают бескислородные условия.

Это не значит, что в болотах нет микроорганизмов. Даже в верховых болотах, где органика почти не разлагается, можно найти миллиарды клеток бактерий в грамме сухого торфа — не меньше, чем в «нормальных» почвах. Некоторым из этих микробов достаточно совсем небольших количеств кислорода (микроаэрофилы), другим он вообще не нужен, и даже ядовит для них (облигатные анаэробы). К последним относятся процветающие в глубоких слоях болота археи, которые выделяют «болотный газ» — метан (рис. 4). Но есть и обычные аэробы, которые живут в верхней части болота. Словом, несмотря на недостаток кислорода, болота густо населены микроорганизмами. Но могут ли они разлагать органику?

Это археи из группы Euryarchaeota, которые получают энергию при помощи окисления водорода углекислым газом, а в качестве побочного продукта образуют метан. В упомянутом выше исследовании шведского болота на глубине 7 см, где заканчивался кислород, резко увеличивалось содержание метана — это как раз показатель работы метаногенных архей. Их численность в болотах обычно порядка 108 клеток на грамм торфа, то есть около 10% от всей численности прокариот.

Источники метана в атмосфере Земли

Рисунок 4. Источники метана в атмосфере Земли. Главный источник — больше 25% общего поступления — это болота, за счет высокой активности метаногенных архей в анаэробных условиях.

Лучший способ проверить влияние какого-то отдельного фактора — «выключить» его и посмотреть, как система будет работать без него. Значит, надо убрать анаэробные условия в болотах и посмотреть, начнет ли органика разлагаться. Нужны болота, из которых ушла вода, и торф оказался в кислородной среде.

За двадцатый век в мире появилось много подходящих осушенных болот. Например, в северной Финляндии, неподалеку от города Рованиеми. На краю обширного болота в 1959 году был построен завод, использующий грунтовые воды. В результате уровень воды на ближайшем участке болота сильно понизился. Получился удобный для научного исследования плавный градиент: от полностью осушенного болота рядом с заводом (глубина уровня воды — 26 см) до нетронутого болота вдалеке от него (уровень воды — 9 см). В 2004 году финские ученые исследовали разные участки этого градиента [5]. На дальнем участке болото осталось болотом, с четырехметровым слоем торфа, обилием мхов и лишь редкими угнетенными деревцами. Чем ближе к заводу, тем выше становились деревья, и тоньше — слой торфа. Рядом с заводом болото превратилось в сосновый лес, а мощность торфяной толщи была чуть больше двух метров. Половина всего торфа, который накапливался тысячи лет, разложилась за 50 лет после осушения болота.

Кажется, ответ найден — анаэробные условия в болоте действительно мешают разложению органики. Но есть один нюанс. В низинных болотах такое же застойное переувлажнение, как и в верховых, но торф там гораздо сильнее подвергается разложению. Нетронутые болотные тела находили только в верховых болотах, в низинных они не сохранились бы. Значит, недостаток кислорода — не единственная причина медленного разложения органики в болотах, должно быть что-то еще. Какой-то дополнительный фактор, который мешает торфу разлагаться, причем в верховых болотах он должен быть выражен намного сильнее, чем в низинных.

Кисло?

Есть несколько возможных претендентов на роль фактора, который останавливает разложение торфа в верховых болотах. Один из них — кислотность среды. Низинные и верховые болота довольно сильно различаются по реакции среды: в низинных pH составляет от 5,5 до 7 (то есть близкий к нейтральному или слабокислый), а в верховых — до 3,5 (кислый, примерно как у яблочного сока или кислого пива). Может быть микроорганизмам, разрушающим органику, слишком «кисло», и они не могут работать в верховых болотах?

Большинство бактерий действительно любят нейтральный pH. Но в верховых болотах есть много ацидофильных (способных жить в кислой среде) бактерий, которые могут разлагать растительные полисахариды. Считалось, что в кислой среде не живут бактерии из группы Firmicutes — крупного типа бактерий, хорошо разлагающих полимеры, но при этом любящих нейтральный pH. Но и среди этой группы обнаружились ацидофильные виды, которые могут разлагать пектин, крахмал и целлюлозу [6].

Кроме того не только верховые болота имеют такую кислую среду. Сравнимый pH имеют тропические почвы — красноземы и желтоземы — в которых органика разлагается очень быстро. Несмотря на огромную продуктивность тропических экосистем, содержание органики в этих почвах редко превышает 1% по массе.

Так что низкий pH может замедлять разложение торфа в верховых болотах, но это точно не главная причина его сохранения.

Холодно?

Второй возможный фактор, усложняющий жизнь микробов в болотах — температура. Ведь при низких температурах замедляются все биологические процессы, в том числе процессы разрушения органики. Может быть, в верховых болотах слишком прохладно?

Болота действительно прогреваются достаточно медленно, поскольку торф работает как теплоизолятор. Причем именно верховой торф имеет самую низкую теплопроводность — благодаря этому свойству торф традиционно использовали как утеплитель на севере Европы (рис. 5). Среднегодовая температура в торфяниках обычно на 2–4 °C ниже, чем на соответствующей глубине «нормальных» почв окружающей территории [6]. Больше всего разница — летом, когда торфяная подушка не дает болоту быстро нагреваться от солнца.

И до сих пор используют. Сейчас для этой цели изготавливают торфоблоки — строительный и теплоизоляционный материал из прессованного торфа.

Традиционные дома в Исландии, утепленные торфом

Рисунок 5. Традиционные дома в Исландии, утепленные торфом

Но эти несколько градусов — не проблема для микроорганизмов. Снижение температуры может немного замедлить физиологические процессы , но не остановить разложение органики. Во многих северных почвах, где средние годовые температуры ниже, чем в европейских верховых торфяниках, органика пусть медленно, но все равно разлагается.

По правилу Вант-Гоффа при снижении температуры среды на 10 °C химические реакции замедляются в 2–4 раза. Это правило эмпирическое, кроме того ферментативные реакции реагируют на температуру сложнее, но порядок остается примерно таким же.

В исследовании Васюганского болота в Западной Сибири — самого большого верхового болота в мире — показано, что с мая по сентябрь температура в верхней части болота колебалась от 0 до 20 °C, а на глубине ниже 50 см — от 3 до 8 °C [6]. То есть температура нижних слоев болота — примерно как в холодильнике (хотя любой, кто надолго забывал еду в холодильнике, знает, что он не способен остановить разложение органики), но температура в верхней части может быть вполне достаточна для нормальной активности микроорганизмов. Модельный опыт в канадском болоте даже показал, что при 14 °C мох там разлагается быстрее, чем при 20 °C [7].

В конце концов, стоит спросить, что же первично: теплопроводность торфа или скорость его разложения? Пожалуй, что второе. Не плохая теплопроводность верхового торфа сохраняет его от разложения, а наоборот, из-за того, что растительные остатки в верховом торфе практически неразложившиеся, они работают как хороший теплоизолятор. Правда, дело не только в сохранности остатков, но и в том, из чего они состоят. Но об этом поговорим чуть позднее.

Голодно?

Низинные и верховые болота сильно различаются по количеству питательных элементов. Вода, которая стекает в низинные болота с других территорий, приносит с собой массу растворенных веществ: соединения азота, фосфора, калия и ионы металлов, нужных для жизни растений и микроорганизмов .

Поэтому именно торф низинных болот обычно используется как удобрение — его можно использовать на бедных почвах как альтернативу (или дополнение) к минеральным удобрениям.

Верховые болота, наоборот, бедны всеми этими элементами. Они не попадают в верховые болота ни из почвообразующей породы (потому что она скрыта глубоко под слоем торфа), ни с водой (потому что в верховые болота поступает только дождевая вода). Бедность биофильными элементами — главная причина, по которой на верховых болотах обитают, например, росянки (рис. 6). Этому растению настолько не хватает питательных элементов, прежде всего азота, что оно приспособилось охотиться на насекомых.

Росянка

Рисунок 6. Росянка (Drosera rotundifolia), которая получает биофильные элементы из мелких беспозвоночных, — наглядное свидетельство того, насколько бедны этими элементами верховые болота

По идее, недостаток питания должен ограничивать активность микробов, разлагающих органику. Чтобы проверить это, как и в случае с недостатком кислорода, надо «выключить» нужный фактор. То есть посмотреть, что было бы, если бы питательных веществ в верховом болоте было достаточно.

Вот один из таких опытов: в экстракт верхового торфа, содержащий микробов из болота, внесли целлюлозу, и проверяли, как она разлагается. Контрольный вариант — только целлюлоза, а в опытный вариант добавили доступного азота, чтобы микробам было повкуснее [8]. В опыте с азотом значительно увеличилось выделение CO2 — это главный показатель активности микроорганизмов, перерабатывающих органику. Значит, в присутствии азота целлюлоза действительно разлагается лучше. Недостаток питательных веществ и правда мешает микробам разлагать сложные вещества.

Но в болота попадает не чистая целлюлоза, а остатки растений. Как разлагаются они? В модельном опыте на верховом болоте в Чехии сравнивали скорость разложения целлюлозы и остатков сфагнового мха [9]. Целлюлоза разлагалась с более-менее равномерной скоростью, а мох за первые пять месяцев потерял в два раза больше массы, чем за последующие шесть. Ниже уровня воды целлюлоза и мох разлагались одинаково медленно, а вот на болотных кочках, в кислородной среде, средняя скорость разложения мха была намного ниже, чем целлюлозы.

Похоже, что сам состав растений, из которых образуется верховой торф, определяет его медленное разложение. Мы уже проговорились, что это за растения. Недостаток минеральных веществ приводит к тому, что на всех верховых болотах процветают сфагновые мхи.

Творцы верховых болот

Сфагновые мхи — полноправные короли верховых болот. Часто говорят, что сфагнумы являются не просто обитателями этих экосистем, но отчасти — их творцами.

Род Sphagnum включает как минимум 380 видов мхов, которые живут по всей Земле, от тропиков до Арктики, но в основном — в болотах. Они медленно растут вверх, оставляя внизу, под водой, мертвые части побегов, которые постепенно уплотняются и формируют торф. Сфагновые мхи гигроскопичны как губка и могут впитать влаги в 20 раз больше своего веса . Все дело в наличии крупных пористых гиалиновых клеток, поглощающих воду. Так сфагнумы помогают формированию верховых болот — они накапливают и удерживают дождевую воду. Многолетний рост сфагнумов постепенно «приподнимает» верховое болото, так что оно может постепенно отдавать воду ручьям и речкам на окружающей территории. Например, огромные Васюганские болота служат источником воды для нескольких десятков рек Западной Сибири.

Эту особенность сфагновых мхов использовали (и до сих пор иногда используют) при строительстве бревенчатых домов. Прокладка из высушенного сфагнума между бревен играет роль теплоизоляции, а если между бревен попадает влага, сфагнум хорошо впитывает ее и предохраняет бревна от гниения.

Гигроскопичность сфагнума — это способ приспособиться к голодным условиям. В листьях сфагнумов мертвые гиалиновые клетки чередуются с живыми фотосинтезирующими, содержащими хлорофилл (рис. 7). Гиалиновые клетки насыщаются водой, а хлорофиллсодержащие — вытягивают из нее те небольшие количества питательных веществ, которые там можно найти. И снова сфагнумы — не просто обитатели, но и создатели условий верховых болот: они сами способствуют еще большему обеднению этой скудной среды.

Пористые гиалиновые клетки листа сфагнума и хлорофиллсодержащие клетки между ними

Рисунок 7. Пористые гиалиновые клетки листа сфагнума и хлорофиллсодержащие клетки между ними

С биофильными элементами сфагнумы вообще обходятся очень экономно. В исследовании минерального состава живых и мертвых частей побегов сфагнумов показано, что мертвые части растения обычно обеднены азотом и фосфором [11]. Авторы считают, что сфагнумы забирают доступный азот и фосфор из отмерших нижних частей растения, чтобы использовать их в верхних живых побегах. Экоактивисты одобрили бы образ жизни сфагновых мхов: осознанное потребление, ничего не пропадает даром!

Бедность мертвых побегов азотом и фосфором уже ограничивает разложение сфагнума: «пустые» побеги для микробов не так вкусны. Но главная защита сфагновых мхов от разложения — это состав их клеточных стенок.

Ученые довольно давно обнаружили, что сфагнумы образуют особые структурные полисахариды [12], которые определяют, насколько устойчивы будут побеги сфагнума к разложению. Плата за эту устойчивость — медленный рост. Быстрорастущие виды Sphagnum riparium и Sphagnum jensenii, в основном живущие в локальных понижениях болота, могут вырастать до 5,6 см в год. Но мертвые побеги Sphagnum riparium уже через год в болоте теряют пористость. А наиболее устойчивые виды: Sphagnum fuscum и Sphagnum magellanicum, обитатели болотных кочек, прибавляют в год всего лишь 0,4 см. Зато с тканями Sphagnum fuscum почти ничего не происходит даже после трех лет в болоте (рис. 8) [13]. Хотя вариабельность между разными видами очень высока, в среднем, скорость роста и скорость разложения сфагнумов связаны друг с другом [14].

Sphagnum fuscum и Sphagnum riparium

Рисунок 8. Cтроение гиалиновых клеток медленнорастущего вида Sphagnum fuscum в исходном состоянии (а) и после трех лет в болоте (б) и быстрорастущего вида Sphagnum riparium в исходном состоянии (в) и после одного года в болоте (г). Сканирующая электронная микроскопия.

Со временем при помощи мягкого кислотного гидролиза удалось извлечь эти структурные полисахариды из клеточных стенок сфагнума, и узнать, что они собой представляют [15]. Эта группа веществ получила название сфагнанов. Если вы не любитель органической химии, вы можете пропустить следующий абзац.

Оказалось, что сфагнаны — это пектиновые вещества, то есть полимеры галактуроновой кислоты и рамнозы. Но кроме них сфагнаны содержат 5-кето-D-маннуроновую кислоту (5-keto-D-mannuronic acid, KMA) с более активными карбоксильными (кислотными) группами. Через остатки этой кислоты сфагнаны связаны с другими полисахаридными цепочками: целлюлозой и ксилозоглюкоманнаном. Получается разветвленная структура, благодаря которой сфагнаны лучше защищены от разложения, чем их родственники — пектины, не содержащие боковых полисахаридных цепочек [15].

Устойчивость сфагнанов может быть ответом, почему не разлагается сам сфагнум, формируя верховой торф. Но это не ответ на вопрос, почему не разлагаются другие органические остатки в верховых болотах, например, болотные тела. Оказалось, что сфагнум не просто устойчив сам по себе, но и подавляет активность микробов, не давая им разлагать другую органику.

Токсичный мох

То, что сфагнум обладает антимикробными свойствами, люди обнаружили экспериментальным путем уже давно. Благодаря этому свойству сфагнум, вероятно, спас тысячи жизней. Из-за высокой гигроскопичности и обеззараживающих свойств его использовали в качестве перевязки при ранениях до того, как стали доступны более качественные перевязочные материалы и антисептики.

С 1880-х его стали применять в армии Германии. С началом Первой мировой войны шотландский хирург Чарльз Кэткарт узнал о применении немцами сфагнума и призвал перенимать этот опыт. Свою статью по этому поводу он снабдил цитатой Овидия «Учиться дозволено и у врага». Сфагнум с шотландских болот стал применяться в британской армии, а позже эту практику переняли США и другие страны (рис. 9). Даже во время Второй мировой войны лишенные медикаментов белорусские партизаны все еще использовали примочки из болотного сфагнума для обработки ран.

Изготовление перевязочного материала из сфагнума

Рисунок 9. Изготовление перевязочного материала из сфагнума в университете Торонто (Канада, 1914 г.)

Не только сам сфагнум, но и вода из сфагновых болот обладает как минимум бактериостатическими свойствами. По легендам, викинги, а позже и английские мореплаватели, брали в дальние морские походы болотную воду, которая дольше не протухала [3]. Значит, в ней должны быть какие-то водорастворимые вещества, угнетающие развитие микробов.

В 1899 г. чешский микробиолог Фридрих Чапек (большинство микробиологов знает его как изобретателя самой популярной питательной среды для выращивания грибов) выделил из сфагнума некое вещество, которое он назвал сфагнолом. Сфагнол обладал свойствами фенольных соединений и действительно подавлял развитие бактерий и грибов. Правда, получен он был довольно жесткой обработкой: кипячением сфагнума в щелочном растворе. Сам Чапек подчеркивал, что в естественных условиях в сфагнуме этого самого сфагнола нет.

Тем не менее идея токсичных фенольных соединений из сфагнума оказалась очень живучей. Например, с использованием вытяжки из сфагнума в Великобритании производили антисептическое мыло под названием «сфагноловое» (Sphagnol soap) (рис. 10). Под общим названием «сфагнол» понимали смесь фенольных веществ, среди которых выделили даже отдельную сфагновую кислоту [16].

«Сфагноловое» мыло

Рисунок 10. «Сфагноловое» мыло, Англия

Но действительно ли именно фенолы подавляют бактерий и не дают разлагаться торфу? Снова вспомним способ оценить действие отдельного фактора — «выключить» его и посмотреть на результат. Оказалось, что удаление из болотной среды всех фенольных соединений несколько усиливает разложение других видов мхов, но практически не отражается на скорости разложения сфагнума [17]. Они все же обладают антибактериальной активностью, но при концентрациях намного более высоких, чем есть в сфагнуме [18]. А общее содержание фенолов в верховом болоте ничуть не выше, чем во многих других почвах, где органика разлагается нормально [19].

Тройной удар по микробам

В результате ученые снова вернулись к сфагнанам — полисахаридам из клеточных стенок сфагнума.

В живом мхе они, конечно же, нерастворимы, но после смерти побегов сфагнаны могут постепенно проникать в раствор. Это не результат разложения: молекулы сфагнанов просто рвутся на части под действием физических и химических сил, даже чисто механического воздействия на мох [6]. Дальше снова будет много органической химии.

Механизм тройного действия сфагнанов, которое подавляет активность микроорганизмов, предложил норвежский ученый Тэренс Пэйнтер (Terence J. Painter) [20]. Когда фрагменты сфагнанов попадают в раствор, освобождаются их остатки уроновых кислот. И снова сфагновые мхи оказываются создателями условий верховых болот — на этот раз низкого pH. Карбоксильные (точнее, входящие в их состав карбонильные) группы связывают и без того редкий в верховых болотах доступный азот. В химическом смысле это называется реакцией Майяра — тот же тип реакции, в результате которой образуется румяная корочка на выпечке или жареном мясе, только там белок яйца или мяса (аминогруппа) соединяется с сахаром (карбонильная группа), а в сфагновом болоте молекулы сфагнанов (карбонильная группа) присоединяют к себе аммоний и другие азотсодержащие вещества [20]. За счет той же реакции Майяра сфагнаны могут защищать от разложения сами органические останки, в том числе болотные тела. Сфагнаны выступают как дубильные вещества, увеличивая устойчивость останков. Из-за этого кожа болотных тел приобретает темный цвет.

После поглощения аммония образуются темноокрашенные полимеры — меланоидины — которые могут поглощать мультивалентные катионы металлов. Металлов, которые также необходимы микроорганизмам, и иногда выступают в качестве кофакторов (вспомогательными молекулами для работы ферментов). Получается, что сфагнаны и их производные попросту отбирают у микроорганизмов нужные для метаболизма вещества.

Ну и последнее и, наверное, самое важное — полимеры с большим количеством карбоксильных групп могут подавлять активность внеклеточных ферментов. Тех самых, которые нужны микроорганизмам, чтобы разрушать органические остатки. Сфагнаны, как в тканях сфагнума, так и в растворимой форме, могут обездвижить и полностью деактивировать молекулы экзоферментов [20].

Получается сфагнаны не просто «броня» побегов сфагнума, это их главные агенты во внешней среде, которые создают характерные условия верховых болот (низкий pH, бедность питательными веществами) и подавляют активность микробов. Прежде всего, именно ту активность, которая направлена на разложение органики — захватывают их экзоферменты. И именно они — главная причина, по которой сохраняется как верховой торф, так и другие остатки, в том числе болотные тела.

Но любую концепцию надо проверять на практике. Пэйнтер с коллегами решили проверить консервирующее действие сфагнума на останки, правда, вместо человеческих тел они использовали рыбу [21].

Тушки данио рерио (Danio rerio) и куски кожи семги выдерживали несколько недель во влажном сфагновом мхе, торфе и растворе сфагнанов. Во всех вариантах рыба сохранялась нетронутой, кожа приобретала темный цвет за счет реакции Майяра (рис. 11). В качестве контрольного варианта авторы использовали целлюлозу, в которой рыба ожидаемо сгнила. После нейтрализации всех карбоксильных групп в растворе сфагнанов «консервирующий» эффект пропадал. Единственное что авторам не удалось сохранить — рыбное филе без кожи, которое распадалось из-за активной потери растворимых белков.

Рыбка данио рерио

Рисунок 11. Рыбка данио рерио после 14 дней во влажном сфагновом мхе (слева) и в древесной целлюлозе (справа)

Тэренс Пэйнтер был настолько увлечен антимикробным действием сфагнанов, что хотел использовать их на благо родной страны. В 2001 году он призывал вместо дорогостоящих рефрижераторов снабжать норвежский рыболовный флот дешевым сфагнумом или торфом для сохранения рыбы во время доставки в порт [22]. По его мнению, это сохранило бы норвежской экономике миллиарды крон. «Не могу уже дождаться, когда съем консервированного в торфе лосося!» — говорил Пэйнтер в интервью. Он признавался, что съел бы и тушки данио-рерио из эксперимента, но они были слишком маленькими.

Каков же будет окончательный ответ о причинах сохранения органики в болотах? Анаэробные условия — базовый фактор, который приводит к образованию торфа во всех типах болот. Но верховые болота защищают органику еще лучше благодаря их главным обитателям — сфагновым мхам. Даже постановка вопроса «Какие условия верховых болот не дают разлагаться торфу?» не совсем верна. Скорее, сам сфагнум за счет устройства своих тканей и специальных полисахаридов — сфагнанов — создает специфические условия верховых болот: и достаточно низкий pH, и бедность питательными веществами, и более низкие температуры. Но самое главное: подавление активности экзоферементов и реакция Майяра делают сфагнаны главными консервантами в верховых болотах, которые сохраняют от разложения и сам верховой торф, и все остальное, что попадает в болото, будь то деревянные сооружения, бочки с маслом или невероятно сохранившиеся тела болотных людей.

Литература

  1. Nina H. Nielsen, Peter Steen Henriksen, Morten Fischer Mortensen, Renée Enevold, Martin N. Mortensen, et. al.. (2021). The last meal of Tollund Man: new analyses of his gut content. Antiquity. 95, 1195-1212;
  2. Giles M. (2020). Exquisite things and everyday treasures. Bog bodies;
  3. Moss magic — Sphagnum preservation. Moesgaard Museum;
  4. Manfred Beckmann, David Lloyd. (2001). Mass spectrometric monitoring of gases (CO2 , CH4 , O2 ) in a mesotrophic peat core from Kopparås Mire, Sweden. Global Change Biology. 7, 171-180;
  5. Krista Jaatinen, Raija Laiho, Anita Vuorenmaa, Urko del Castillo, Kari Minkkinen, et. al.. (2008). Responses of aerobic microbial communities and soil respiration to water-level drawdown in a northern boreal fen. Environ Microbiol. 10, 339-353;
  6. T. G. Dobrovol’skaya, A. V. Golovchenko, D. G. Zvyagintsev. (2014). Analysis of ecological factors limiting the destruction of high-moor peat. Eurasian Soil Sc.. 47, 182-193;
  7. Markus N Thormann, Suzanne E Bayley, Randolph S Currah. (2004). Microcosm tests of the effects of temperature and microbial species number on the decomposition of Carex aquatilis and Sphagnum fuscum litter from southern boreal peatlands. Can. J. Microbiol.. 50, 793-802;
  8. Timofey A. Pankratov, Anastasia O. Ivanova, Svetlana N. Dedysh, Werner Liesack. (2011). Bacterial populations and environmental factors controlling cellulose degradation in an acidic Sphagnum peat. Environmental Microbiology. 13, 1800-1814;
  9. Hájek T. (2009). Habitat and species controls on Sphagnum production and decomposition in a mountain raised bog. Boreal Environment Research. 14, 947–958;
  10. Антропология и археология в криминалистике;
  11. Tomáš Hájek, Lubomír Adamec. (2009). Mineral nutrient economy in competing species of Sphagnum mosses. Ecol Res. 24, 291-302;
  12. Terence J. Painter, Nils Andreas Sørensen. (1978). The cation-exchanger of sphagnum mosses: an unusual form of holocellulose. Carbohydrate Research. 66, C1-C3;
  13. Merritt R. Turetsky, Susan E. Crow, Robert J. Evans, Dale H. Vitt, R. Kelman Wieder. (2008). Trade-offs in resource allocation among moss species control decomposition in boreal peatlands. Journal of Ecology. 96, 1297-1305;
  14. Fia Bengtsson, Gustaf Granath, Håkan Rydin. (2016). Photosynthesis, growth, and decay traits in Sphagnum – a multispecies comparison. Ecol Evol. 6, 3325-3341;
  15. S BALLANCE, K KRISTIANSEN, J HOLT, B CHRISTENSEN. (2008). Interactions of polysaccharides extracted by mild acid hydrolysis from the leaves of Sphagnum papillosum with either phenylhydrazine, o-phenylenediamine and its oxidation products or collagen. Carbohydrate Polymers. 71, 550-558;
  16. Håkan Rydin, Urban Gunnarsson, Sebastian Sundberg. (). The Role of Sphagnum in Peatland Development and Persistence. Ecological Studies. 47-65;
  17. Tomáš Hájek, Simon Ballance, Juul Limpens, Mink Zijlstra, Jos T. A. Verhoeven. (2011). Cell-wall polysaccharides play an important role in decay resistance of Sphagnum and actively depressed decomposition in vitro. Biogeochemistry. 103, 45-57;
  18. H. Mellegård, T. Stalheim, V. Hormazabal, P.E. Granum, S.P. Hardy. (2009). Antibacterial activity of sphagnum acid and other phenolic compounds found inSphagnum papillosumagainst food-borne bacteria. Letters in Applied Microbiology. 49, 85-90;
  19. Terence J. Painter. (1991). Lindow man, tollund man and other peat-bog bodies: The preservative and antimicrobial action of Sphagnan, a reactive glycuronoglycan with tanning and sequestering properties. Carbohydrate Polymers. 15, 123-142;
  20. Terence J Painter. (1998). Carbohydrate polymers in food preservation: an integrated view of the Maillard reaction with special reference to discoveries of preserved foods in Sphagnum-dominated peat bogs. Carbohydrate Polymers. 36, 335-347;
  21. K.Y Børsheim, B.E Christensen, T.J Painter. (2001). Preservation of fish by embedment in Sphagnum moss, peat or holocellulose: experimental proof of the oxopolysaccharidic nature of the preservative substance and of its antimicrobial and tanning action. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2, 63-74;
  22. Jones N. (2001). Bog bodies. New Scientist;
  23. Jessica Smyth, Robert Berstan, Emmanuelle Casanova, Finbar McCormick, Isabella Mulhall, et. al.. (2019). Four millennia of dairy surplus and deposition revealed through compound-specific stable isotope analysis and radiocarbon dating of Irish bog butters. Sci Rep. 9;
  24. Jeff Tollefson. (2022). Scientists raise alarm over ‘dangerously fast’ growth in atmospheric methane. Nature;
  25. K.Y Børsheim, B.E Christensen, T.J Painter. (2001). Preservation of fish by embedment in Sphagnum moss, peat or holocellulose: experimental proof of the oxopolysaccharidic nature of the preservative substance and of its antimicrobial and tanning action. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2, 63-74.

Комментарии