Пенсионный советник
Лекция по биологии

Весь прогресс из угля

Роль каменного угля и лигнина в прошлом и будущем прогрессе человечества

Лектор: 06.11.2012, 10:16
Растительный и животный мир в каменноугольном периоде hronoblog.com
Растительный и животный мир в каменноугольном периоде

Как возникли залежи каменного угля, обеспечившие весь научно-технический прогресс человека, в чем особенность основного компонента древесины — лигнина, как повлияли на эволюцию растений насекомые и грибы, и как сегодня человек может использовать плоды эволюции для создания биотоплива — на эти и другие вопросы отвечает Сергей Белков в своей лекции в «Газете.Ru».

Лигнин — всему голова
Что дал человеку уголь, тот самый уголь, который добывают шахтеры из недр земли и который большинство из нас в глаза не видели? Из современных источников энергии это, пожалуй, самый скрытный. Многие современные люди вообще не сталкивались ни с чем, кроме электричества и бензина. Однако вряд ли у нас было бы электричество или бензин, не говоря уже об атомной энергии, если бы на планете не было угля. Вряд ли вообще наша цивилизация смогла бы достичь современного уровня развития без этого простого и важного полезного ископаемого.

Даже сегодня большая часть привычного, обыденного электричества в мире вырабатывается на тепловых электростанциях. Металлургия без угля вообще не может существовать. Но дело даже не в этом.

Именно открытие угля, дешевого и доступного источника энергии, дало толчок тем изменениям, которые мы сегодня именуем научно-технической революцией.

Именно уголь стал той силой, которая позволила выплавить металл для парового двигателя и раскрутить его в полную силу, тем самым запустив маховик прогресса, который дал нам авиалайнеры, интернет и возможность жить полноценной, сытой жизнью в защищенных отапливаемых домах.

Говоря простыми словами, уголь – это не что иное, как энергия Солнца, упавшая на планету более 300 млн лет назад. Превращенная далекими предками современных елей и берез в процессе фотосинтеза в органические вещества, похороненная под толщей пород, превращенная в почти чистый углерод, она терпеливо дожидалась своего часа. Углекислый газ, образующийся в результате горения угля – это тот самый газ, который более 300 млн лет назад поглощали растения, перерабатывая его в органическую материю.

Большинство залежей угля на планете датируются достаточно узким геологическим периодом. Он так и называется – каменноугольный, и охватывает он период с 360 до 300 млн лет назад. Было в это время что-то особенное, что-то такое, почему мы почти не встречаем каменноугольных пластов за границами этого периода. Для понимания причин этого явления нужно изучить механизм образования угля. Понять, какие конкретно вещества играют роль в этом процессе, и какие условия необходимо им создать. Конечно, самая главная молекула в этой истории – это лигнин.

Лигнин по сути своей — не простая молекула, он является очень сложным, разветвленным полимером крайне нерегулярного строения.

В этом и есть необычность этого вещества, ключевое его отличие от других биополимеров (белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот) состоит в крайней степени гетерогенности, хаотичности.

Разные мономеры в лигнине случайным образом связаны с другими мономерами, образуя в результате гигантскую разветвленную и очень прочную структуру.

Лигнин//«Википедия»
Лигнин//«Википедия»

Считается, что впервые это соединение служило в качестве структурного элемента каркаса растения, вещества, придающего прочность, позволившего первым растениям поднять свою листву высоко над поверхностью планеты. Оно и сегодня является основным элементом устойчивости деревьев, главным компонентом древесины. В лесу, тем более в тропическом лесу каменноугольного периода, конкуренция за солнечный свет была крайне высока, а ведь именно он является главным элементом питания растительного мира. В стремлении опередить конкурентов преимущество получали те, кто мог вырасти выше других, подняться над всеми и там уже разбросать шатер из листьев. Эволюция просто не могла не придумать материал, который позволил бы это сделать, не сломавшись под действием ветра или просто собственным весом.

Однако не только стремление «поесть» стало причиной образования именно такой молекулы. Не быть съеденным — стало другим двигателем.

Важной особенностью лигнина является то, что он несъедобный. Именно по причине очень сложного, нерегулярного строения молекулы шансы переварить его крайне малы. Ферментам, обычно специализирующимся на разрушении однотипных связей относительно простых молекул, просто не справиться с такой громоздкой и нерегулярной структурой.

И это тоже вопрос борьбы за выживание. Наивно предполагать, что растения пребывают в безопасности, желающих «полакомиться» продуктами чужого фотосинтеза достаточно и среди микромира, и среди многоклеточных организмов. Вот и получается, что чем больше в древесине или коре растения лигнина, тем меньше шансов быть съеденным.

Впервые в эволюционной истории растений лигнин появляется еще в конце девонского периода, и именно в это время можно наблюдать образование первых каменноугольных пластов. Позже, в каменноугольный период, на планете появляются растения, синтезирующие этот биополимер воистину в промышленных, всепланетных масштабах, недоступных современной биосфере, не говоря уже о человеке.

Интересно, что отношение массы коры, состоящей из практически чистого лигнина, к массе древесины у растений суши того времени могло составлять от 8:1 до 20:1, что безумно много по сравнению с современным не более чем 1:4. Зачем так много?

Каменноугольный период известен многообразием насекомых, которые, как известно, преимущественно питаются растениями. В отсутствие естественных врагов, а птиц в то время не было, да и рептилии начали появляться лишь ближе к концу периода, они стали настоящими властителями суши. Единственная сдерживающая их развитие сила – это доступность растительной пищи. Каменноугольный период – это не только эпоха лигнина, это еще и эпоха насекомых.

Добавим сюда еще и то, что

возросшая в результате бурного развития растительного мира до 35% концентрация кислорода в атмосфере позволила насекомым достичь гигантских по сравнению с современными размеров.

Чем крупнее насекомое, тем больше ему надо пищи, тем сильнее давление естественного отбора на эволюцию растений, тем больше они производят лигнина. В совокупности с низкой эффективностью пищеварительной системы насекомых, способной усваивать лишь крохи органического вещества, можно быть уверенным, растениям в этой борьбе приходилось не сладко. Хотя, безусловно, это очень упрощенная картина, и насекомые не были единственным двигателем этого процесса.

Так или иначе, в теплом климате и в борьбе за выживание растительный мир процветал и накапливал лигнин. Отжившие свое деревья падали, на них падали новые, а старые погружались все глубже. Поколения сменялись поколениями, теплые моря наступали и заносили их илом, отступали и снова возвращались. Давление и время постепенно концентрировали энергию лигнина, фактически энергию древнего солнца, запасенную растениями в этом биополимере, в форме каменного угля. Так продолжалось до тех пор, пока изменение климата на планете не привело к резкому сокращению тропических лесов, очередному массовому вымиранию и началу нового геологического периода, в котором жизнь развивалась по другим правилам.

Это классическая версия. Но, возможно, не только древним растениям и вынудившим их защищаться вредителям мы должны сказать спасибо за это чудо. Выясняется, что есть в этой истории и третья заинтересованная сторона.

Жизнь любого организма, кроме разве что человека, – это борьба за еду. Любое погибшее животное сразу становится достоянием падальщиков и микроорганизмов. Любое упавшее на землю мертвое, а часто и вполне себе живое и растущее дерево непременно подвергается нападению на имеющиеся запасы органики мириад желающих полакомиться. Любой кусочек доступной органической материи непременно становится пищей и материалом для создания новой материи, чтобы потом стать пищей для кого-то еще.

В конце девонского периода растительный мир изобрел лигнин. Это позволило растениям стать полноправными хозяевами суши, возвыситься над поверхностью земли, оторваться в эволюционной гонке от своих конкурентов и защититься от врагов. Побочным результатом стало то, что растения просто перестали разлагаться. Ни одни живой организм на планете, как оказалось, не мог переварить лигнин, не мог использовать его в качестве источника энергии. И это крайне необычная ситуация.

Живых организмов, способных «переварить» молекулу лигнина, и сегодня немного. В основном это грибы. Мы их можем видеть в лесу на стволах деревьев, медленно, но верно превращающих отжившее свое растение в труху и перегной. Это так называемая «белая плесень», которая является одним из основных «уничтожителей» лигнина в наших деревянных жилищах.

В каменноугольном периоде белой плесени не было.

Похоже, что на земле вообще не было ни одного живого организма, который мог бы переварить запутанный растительный полимер.

И дело тут именно в строении лигнина – это слишком сложная и нерегулярная молекула для того, чтобы ее можно было «взломать» и разложить на составляющие, доступные для извлечения энергии.

Возможно, именно этот факт, а вовсе не особенности климата, сыграл решающую роль в обеспечении людей ископаемым топливом. Это сегодня любое мертвое дерево очень быстро превращается в труху, а в то время оно физически не могло разложиться. Представьте себе на момент. Планета, на десятки миллионов лет погруженная в многометровый слой неразлагающихся биологических отходов, накапливающихся с каждым годом, погружающихся под давлением верхних слоев все глубже. Хорошо, что в то время не было современных «зеленых», они бы не вынесли этой картины. Современные синтетические полимеры, обвиняемые в загрязнении планеты и неспособности разлагаться — ничто по сравнению с натуральным лигниновым загрязнением каменноугольного периода. Да и по объемам производства пластика мы явно еще не дотягиваем.

Эта гипотеза, выдвинутая уже достаточно давно на основании ряда геологических находок, находит сегодня более четкое подтверждение на генетическом уровне.
Исследователи сравнили геном 31 вида грибов, способных переваривать лигнин. Нашли в них участки, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лигнин, и проследили эволюцию этих участков назад во времени, к первому общему предку, получившему такую способность. Время датировали, используя технику так называемых «молекулярных часов».

В основе методики лежит научно оправданное предположение, что, несмотря на случайность мутаций, существует некоторая усредненная частота, с которой они наблюдаются. Оценивая разницу в геноме родственных и не очень видов и зная частоту мутаций, можно установить примерную дату расхождения их по разным ветвям эволюционного дерева. Применив эту методику к грибам, было установлено, что обретение грибами способности переваривать лигнин датируется, ни больше ни меньше, временем окончания каменноугольного периода. Около 300 млн лет назад первые живые организмы наконец раскусили защиту, придуманную растениями.

Это лишь одна из версий, но, возможно, именно эта эволюционная находка грибов вызвала не только прекращение образования угля, но и задала направление последующей эволюции растительного мира.

Лигнин наконец стал такой же едой, как и любая другая органическая материя. Растения вновь стали уязвимы. Не только мертвая древесина, живые растения тоже стали пищей для грибов и вынуждены были эволюционировать дальше, придумывая новые способы защиты уже от новых врагов.

Это эволюция, в природе ничего не бывает вечного. Эволюционная находка методов синтеза лигнина у растений была взломана той же самой эволюцией. Поиск занял много времени, намного больше, чем потребовалось для происхождения человека из обезьяны, но он закончился успехом. Все вернулось к исходной точке.

Впрочем, мы можем только поблагодарить природу за это. За то, что однажды эволюция оказалась необычно медленной, что позволило запасти в виде угля необходимое количество энергии для развития нашей цивилизации. Энергии, которая до сих пор нас поддерживает. Будь она немного быстрее – у нас, возможно, вместе с углем не было бы шанса на развитие. Кто знает, были бы мы вообще, какие создания сейчас запускали бы в космос свои ракеты.

В современных деревьях лигнина намного меньше, чем было когда-то, но проблема у человека остается. Теоретически, лигнин является ценным материалом, но способов его переработки существует очень немного. Можно сказать, что этот исторический полимер сегодня является промышленным отходом, придумать способы применения которому затруднительно.

Однако сегодня мы знаем, что превратить лигнин в полезные вещества можно. Если это умеют делать грибы, то сможем и мы. Нам даже не обязательно придумывать что-то новое, достаточно воспользоваться тем, что уже изобрела эволюция.

Сегодня мы владеем методами генной инженерии. Уже сегодня, зная, какие именно гены кодируют ферменты для переработки лигнина в грибах, используя созданные эволюцией механизмы превращения продуктов разложения лигнина в другие вещества, мы можем собрать новую генетическую конструкцию. Которая никогда не существовала в природе, но, помещенная в живую клетку, даст нам возможность переработать лигнин во что-нибудь нужное для нас. И хотя промышленных реализаций этой идеи еще нет, работы уже ведутся. Не за горами то время, когда отходы переработки древесины перестанут быть отходами, а станут ценным сырьем для получения, например, ванилина или модного сегодня биотоплива. История лигнина, которая ведет свое начало с девонского периода, продолжается, но теперь уже с помощью человека. Это ведь намного лучше, чем просто добывать и сжигать полезное ископаемое растительного происхождения.