Зеленые растения выделяют метан. Это сенсационное открытие немецких ученых может перевернуть сложившиеся представления о биохимии растений, глобальном круговороте углерода и механизмах климатических изменений на нашей планете.
Метан — гораздо более «сильный» парниковый газ, чем двуокись углерода. По сравнению с доиндустриальной эпохой содержание метана в атмосфере увеличилось почти втрое. Неудивительно, что в последние десятилетия ведутся углубленные исследования и учет всех источников атмосферного метана — как техногенных (сжигание органики, добыча ископаемого топлива), так и биологических.
Считалось, что есть только один биологический процесс, в ходе которого выделяется метан, и только одна группа организмов, способных этот процесс осуществлять. Это метаногенные архебактерии — очень древние и во многом загадочные микроорганизмы, получающие энергию за счет восстановления углекислого газа или ацетата молекулярным водородом в бескислородных условиях с выделением метана в качестве конечного продукта.
Метаногены живут в разнообразных, порой весьма экзотических средах: в глубине болот (болотный газ), в кишечнике животных (тоже понятно), в толще осадка на дне океанов, озер, прудов и затопленных рисовых плантаций, в городских свалках и даже в недрах Земли — в трещинах и полостях горных пород, до глубины 8-10 км. В качестве «пищи» их вполне устраивает смесь углекислого газа с водородом. Углекислота есть повсюду, а источниками водорода служат либо бактерии-бродильщики, сбраживающие органику в бескислородных условиях, либо вода при ее реакции с перегретыми горными породами вблизи магматических очагов.
По расчетам выходило, что в сумме все эти источники поставляют в атмосферу около 600 млн. тонн метана в год. Однако в 2005 году было обнаружено аномально высокое содержание метана в тропических районах над вечнозелеными лесами. Масштаб аномалии свидетельствовал о существовании неучтенного источника метана, благодаря которому за период наблюдений (с августа по ноябрь 2005 года) в атмосферу дополнительно поступило 30-40 млн. тонн горючего газа.
Франк Кепплер из Института Макса Планка (Гейдельберг, Германия) и его коллеги подошли к проблеме просто. Если метан образуется над тропическими лесами, подумали они, почему бы не проверить, не выделяется ли этот газ самими растениями? И неважно, что такое предположение противоречит всему, что известно о биохимии и физиологии зеленых растений. Нарвали листьев и проверили. Выделяется. И не так уж мало: от 0,2 до 3 нанограммов на грамм сухого веса зеленой массы в час (при температуре 30°C). Процесс происходит в обычных аэробных условиях, которые для метаногенных архебактерий смертельны.
На всякий случай ученые простерилизовали листья гамма-лучами и убедились, что на выделение метана это никак не повлияло. Таким образом, газ выделяется самими листьями, а не какими-либо притаившимися микробами. «Это однозначно свидетельствует о существовании до сих пор неизвестного пути синтеза метана в зеленых листьях», — скромно пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature. «До сих пор неизвестного» — это мягко сказано. Немыслимого. Фантастического. Так будет точнее.
Разобравшись с сорванными листьями, стали проверять целые живые растения. Оказалось, что они выделяют на 1-2 порядка больше метана, чем мертвая листовая масса. Процесс резко активизируется на свету, вплоть до 870 нанограммов на грамм сухого веса в час.
Добавив в почву помеченный изотопом 13C ацетат, ученые доказали, что растения синтезируют метан не из ацетата, как это делают многие архебактерии-метаногены. Резкое усиление эмиссии газа при повышении температуры (вплоть до 70°C) свидетельствует о том, что процесс этот, скорее всего, неферментативный, т. е. не катализируется каким-то специальным ферментом, как у метаногенных архебактерий. Фермент, катализирующий данную реакцию, есть только у этих микроорганизмов. Растения лесов и саванн из-за особенностей фотосинтеза заметно отличаются друг от друга по соотношению изотопов 13C/12C. Такие же различия обнаружились и в выделяемом этими растениями метане.
Все эти факты однозначно показывают, что живые растения синтезируют метан сами, без участия микробов, а сам процесс растительного метаногенеза радикально отличается от архебактериального. Ученые допускают, что источниками растительного метана могут служить метоксильные группы пектина и лигнина — обычных растительных углеводов.
Измерив интенсивность метаногенеза у многих видов растений из разных климатических зон, ученые попытались вычислить суммарное количество метана, выделяемого всеми зелеными растениями планеты. Разумеется, речь идет лишь о самой первой приблизительной оценке. Получилось, что живые растения выделяют от 60 млн. до 240 млн. тонн метана в год, причем основной вклад вносят тропические леса и саванны, и еще от 0,5 млн. до 7 млн. тонн производят опавшие листья. Все это вместе, включая техногенные источники, составляет 10-30% общего ежегодного поступления метана в атмосферу.
Если полученные данные не окажутся результатом какой-то грандиозной ошибки, ученым придется пересмотреть (или, по крайней мере, существенно дополнить) имеющиеся представления о биохимии растений, углеродном цикле и механизмах климатических изменений. Ну, а первую реакцию научного сообщества на сенсационную статью можно охарактеризовать единственной фразой: «Как мы умудрились это проглядеть?!» «Nature», Великобритания — elementy.ru
