Угольные месторождения прекратят формироваться из-за грибов?

Появление грибов, возможно, стало причиной прекращения формирования залежей угля, которое мы используем сегодня в качестве топлива. Это топливо на самом деле является окаменелыми останками растений, которые жили 300—360 млн лет назад. Но в конце этого периода, уголь резко прекратил свое формирование.

Теперь ученые полагают, что эволюция грибов, которые стали «поедать» мертвые растения, могла стать причиной прекращения формирования угольных месторождений.

Доказательства, представленные в журнале Science, говорят о том, что эволюция грибов могла разрушить лигнин, который содержится в стенках растительных клеток. Это, возможно, сыграло ключевую роль в прекращении образования угольных месторождений и положила конец продолжавшемуся 60 млн лет Каменноугольному периоду, в который сформировались основные залежи угля на Земле. Кроме того, работа позволила пролить свет на вырабатываемые грибами многочисленные ферменты, которые в будущем могут быть использованы для производства биологического топлива — наиболее перспективной на данный момент альтернативы ископаемым углеводородам.

Сравнительный анализ современных грибов позволяет предположить, что их предки обрели способность разрушать лигнин. До появления этого предка лигнин в растительной массе не деградировал, что позволяло ему накапливаться в почве с течением времени.

В результате процесса лигнификации большая часть растительной биомассы вместо накопления в виде торфа, который, в конечном итоге, должен был превратиться в уголь, ушла в атмосферу в виде углекислого газа.

На данный момент в мире насчитывается около 1,5 млн видов грибов. Они занимают важнейшие экологические ниши, например, участвуют в процессе разложения погибших организмов и служат пищей для многих видов насекомых и более крупных животных.

Тем не менее, только 5% всех видов грибов к настоящему времени изучены и заняли свое место в систематике.

Каменный уголь представляет собой окаменевшие остатки растений, в первую очередь, состоящих из лигнина — сложного полимера, являющегося основным компонентом клеточных стенок и придающего древесине твердость и прочность. Грибы, в том числе вызывающие белую гниль, единственные микроорганизмы, способные разлагать лигнин, появились в конце Каменноугольного периода и это не случайное совпадение.

Если верить полученной информации, как только грибы, вырабатывающие разлагающие лигнин ферменты, стали представлять собой существенный экологический фактор, древесина, которая в противном случае избежала бы разложения и превратилась бы в каменный уголь, была безвозвратно разрушена. Следовательно, если бы не появление белой гнили, угольные пласты, вполне возможно продолжали бы формироваться и по окончании Каменноугольного периода. Это открытие подтверждает гипотезу, высказанную Дженнифер М. Робинсон в ее опубликованной в 1990 г. статье, где она предположила, что эволюционное развитие белой гнили могло быть фактором, обусловившим конец Каменноугольного периода.

Лигнин в клеточных стенках образует прочную структуру в сочетании с целлюлозой — углеводом, состоящим из множества остатков глюкозы. Когда белая гниль разрушает лигнин, структура рассыпается и ставшая доступной целлюлоза, поглощается грибами в качестве пищи.

Способность белой гнили разлагать лигнин, может в итоге быть использована для решения самой насущной и сложной проблемы, связанной с масштабным производством биологического топлива: для получения из растений углеводов, из которых путем ферментации и производится топливо.

Вполне вероятно, что использование белой гнили для получения из клеточных стенок свободной целлюлозы, окажется вполне оправданным. Затем сахара, полученные из целлюлозы при помощи дрожжей, будут преобразованы в спирты, которые послужат основой для производства биологического топлива.

Кроме того, поскольку энзимы белой гнили способны разлагать сложные органические молекулы, они были исследованы на предмет возможности использования их для разложения веществ, загрязняющих окружающую среду.

«Наше исследование было призвано реконструировать процесс эволюции механизмов, позволяющих грибам разлагать лигнин, проанализировать распространенность способных на это ферментов, и лучше определить группы генов, ответственных за их выработку», — сообщил руководитель исследования Дэвид Гиббетт из Университета Кларка.

Гиббетт и его команда сосредоточились на большом классе грибов, известных под названием агарикомицеты, который включает в себя наряду с вызывающими белую гниль грибами и грибы привычной глазу формы со шляпкой и ножкой. Кроме этого, к классу агарикомицетов относится и коричневая гниль — гриб способный разрушать древесину за счет разложения целлюлозы и гемицеллюлозы, не затрагивая при этом лигнин.

По словам Гиббетта «12 новых генетических последовательностей могут быть впоследствии использованы микробиологами, занимающимися производством биологического топлива, биологической очисткой окружающей среды и т.д. Новый материал равным образом может быть использован и для генной инженерии и для подбора уже существующих микроорганизмов».

«Это исследование демонстрирует, какие объемы информации о сложных биологических процессах, например, о разложении лигнина, мы можем получить, изучая эволюционные взаимоотношения между организмами», — заявил Чарлз Лайдеард, курировавший проект.

Исследование включало в себя также изучение того, как разлагающие лигнин ферменты развивались во времени. Для этого был использован метод «молекулярных часов». Он основывается на предположении, что гены организма накапливают изменения с относительно предсказуемой скоростью — так же как стрелка часов описывает круг за известный отрезок времени. Возможность оценить эту скорость дает исследователям возможность проследить изменения во времени, и определить, когда различные виды грибов, происходящие от общего предка, начали расходиться.

Результаты анализа позволяют предположить, что старейшим общим предком агарикомицетов являлся гриб белой гнили, обладавший набором ферментов, способных разлагать лигнин. Этот вид существовал примерно 300 млн лет назад. Многие существующие в настоящее время агарикомицеты, включая живущие на деревьях трутовики, вырабатывают разлагающие лигнин энзимы. «Согласно нашему исследованию, способность грибов разлагать лигнин возникла только однажды», — утверждает Гиббетт.

Кроме того, по его словам «это исследование еще раз подчеркивает приспособляемость грибов к внешним условиям». Фактом, подчеркивающим приспособляемость можно считать то, что некоторые агарикомицеты сохранили свои разлагающие лигнин ферменты. Другие виды, например, коричневая гниль и виды живущие в симбиозе с определенными деревьями и питающиеся за их счет, не вызывая гниения древесины, полностью утратили способность производить такие ферменты, развив другие способы получения питательных веществ.

Экономическое значение грибов уже настолько велико, что практически не поддается оценке: они используются в различных прикладных областях, включая сельское хозяйство, медицину и фармакологию. Чем больше ученые узнают об этих организмах, тем больше шансов, что будут открыты новые возможности их использования в интересах экономики, окружающей среды и общего благополучия человечества. Кроме того, возможно будут открыты способы борьбы с древесной гнилью, которая наносит экономике большой ущерб, поражая деревья и разрушая деревянные строения включая дома и корабли.

Джозеф Спатафора из Орегонского университета, соавтор данного исследования, заявил в интервью: «Сейчас наступило очень интересное время для биологической науки. Отчасти мы обязаны этим развитию технологий, позволяющих находить ответы на действительно фундаментальные вопросы».