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 люду уголь, тот самый уголь, какой промышляют шахтеры из недр земли и какой большинство из нас в бельма не видали. Из нынешних ключей энергии это, пожалуй, самый замкнутый. Многие нынешние люд вообще не сталкивались ни с чем, кроме электричества и бензина. Однако, вряд ли у нас было бы электричество или бензин, не болтая уже об атомной энергии, если бы на планете не было угля. Вряд ли вообще наша цивилизация смогла бы добиться нынешнего уровня развития без этого простого и величавого здорового ископаемого.Даже ныне большущая доля привычного, обыденного электричества в мире вырабатывается на тепловых электростанциях. Металлургия без угля вообще не может бытовать. Однако девало даже не в этом.
Собственно открытие угля, грошового и доступного ключа энергии, дало толчок тем изменениям, какие мы ныне именуем научно-технической революцией.
Лигнин//"Википедия"
Собственно уголь стал той насильно, какая позволила выплавить металл для парового двигателя и раскрутить его в абсолютную могуществу, тем самым запустив маховик прогресса, какой дал нам авиалайнеры, интернет и возможность жительствовать полноценной, сытой жизнью в защищенных отапливаемых домах. Болтая простыми словами, уголь – это не что другое, будто энергия Солнца, упавшая на планету более 300 млн лет назад. Обернутая дальними дедами нынешних елей и берез в процессе фотосинтеза в органические вещества, похороненная под толщей пород, обернутая в почитай безукоризненный углерод, она терпеливо дожидалась своего часа. Углекислый газ, образующийся в итоге горения угля – это тот самый газ, какой более 300 млн лет назад вбирали растения, перерабатывая его в органическую материю.Большинство залежей угля на планете датируются довольно узким геологическим стадием. Он настолько и зовется – каменноугольный, и охватывает стадия с 360 до 300 млн лет назад. Было в это времена что-то необычное, что-то таковое, зачем мы почитай не встречаем каменноугольных пластов за гранями этого стадия. Для понимания причин этого явления, надобно изучить механизм образования угля. Осмыслить, какие конкретно вещества выступают роль в этом процессе, и какие обстановка необходимо им создать. Безусловно, самая основная молекула в этой истории – это лигнин.Лигнин, по сути своей, не простая молекула, он изображает больно сложным, разветвленным полимером крайне нерегулярного строения.
В этом и жрать необычность этого вещества, ключевое его отличие от иных биополимеров(белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот)заключается в крайней степени гетерогенности, хаотичности.
Неодинаковые мономеры в лигнине случайным образом связаны с иными мономерами, образуя в итоге гигантскую, разветвленную и больно крепкую структуру.
Почитается, что впервинку это соединение предназначалось в качестве структурного элемента каркаса растения, вещества, сообщающего прочность, позволившим первым растениям возвысить свою листву длинно над поверхностью планеты. Оно и ныне изображает основным элементом устойчивости деревьев, основным компонентом древесины. В лесу, тем более в тропическом лесу каменноугольного стадия, конкуренция за солнечный свет была крайне возвышенна, а ведь собственно он изображает основным элементом питания растительного мира. В стремлении обогнать конкурентов преимущество получали те, кто мог взлелей возвышеннее иных, возвыситься над всеми и там уже разметать шатер из листьев. Эволюция попросту не могла не придумать материал, какой позволил бы это сделать, не сломавшись под деянием ветра или попросту собственным весом.
Однако не всего стремление «поесть», стало причиной образования собственно подобный молекулы. Не быть съеденным – стало иным двигателем.
Величавой особенностью лигнина изображает то, что он несъедобный. Собственно по причине больно сложного, нерегулярного строения молекулы, шансы переварить его крайне крохотны. Ферментам, всегдашне специализирующимся на разрушении однотипных связей сравнительно простых молекул, попросту не свериться с подобный громоздкой и нерегулярной структурой. И это тоже проблема борьбы за выживание. Наивно предполагать, что растения пребывают в безопасности, желающих «полакомиться» провиантами чужого фотосинтеза довольно и среди микромира, и среди многоклеточных организмов. Вот и получается, что чем вяще древесине или коре растения лигнина, тем крохотнее шансов быть съеденным.Впервинку в эволюционной истории растений лигнин показывает еще в гробе девонского стадия, и собственно в это времена можно следить образование первых каменноугольных пластов. Запоздалее, в каменноугольный стадия на планете показывают растения, синтезирующие этот биополимер воистину в индустриальных, всепланетных масштабах, недоступных современной биосфере, не болтая уже о люде.Занимательно, что касательство массы коры, заключающейся из утилитарны безукоризненного лигнина, к массе древесины у растений сухмени того времени могло составлять от 8:1 до 20:1, что безумно бессчетно по сравнению с нынешним не более чем 1:4. Зачем настолько бессчетно?Каменноугольный стадия знаменит многообразием насекомых, какие, будто знаменито, больше кормятся растениями. В отсутствие натуральных ворогов, а птиц в то времена не было, ага и рептилии взялись показывать лишь задушевнее к капуту стадия, они стали взаправдашними властителями сухмени. Единая сдерживающая их развитие могущество – это доступность растительной шамовки. Каменноугольный стадия – это не всего эпоха лигнина, это еще и эпоха насекомых.Добавим сюда еще и то, что
возросшая в итоге бешеного развития растительного мира до 35% концентрация кислорода в атмосфере позволила насекомым добиться гигантских, по сравнению с нынешними, размеров.
Чем крупнее насекомое, тем вяще ему надобно шамовки, тем больше давление натурального отбора на эволюцию растений, тем вяще они выделывают лигнина. В совокупности с басистой эффективностью пищеварительной системы насекомых, способной усваивать лишь крохи органического вещества, можно быть уверенным, растениям в этой войне доводилось не сладко. Алкая, безусловно, это больно упрощенная полотно, и насекомые не были единым один-единственным двигателем этого процесса.Настолько или иначе, в теплом климате и в войне за выживание, растительный мир, процветал и накапливал лигнин. Отжившие свое деревья бросались, на них бросались новоиспеченные, а ветхие погружались все абсолютнее. Поколения сменялись поколениями, теплые моря наступали и заносили их илом, отодвигались, и вновь возвращались. Давление и времена исподволь концентрировали энергию лигнина, фактически энергию древнего солнца, запасенную растениями в этом биополимере, в фигуре каменного угля. Настолько продолжалось до тех пор, доколе изменение климата на планете не ввергло к визгливому сокращению тропических лесов, очередному массовому вымиранию и началу новоиспеченного геологического стадия, в каком бытие развивалась по иным правилам.Это классическая версия. Однако, вероятно, не всего древним растениям и вырвавших их защищаться вредителям мы должны взговорить благодарствую за это чудо. Выясняется, что жрать в этой истории процессе и третья заинтересованная палестины.Бытие любого организма, кроме, неужели что, человека – это война за еду. Любое пропащее звериное залпом становится достоянием падальщиков и микроорганизмов. Любое упавшее на землю бездушное, а дробно и вполне себе живое и вырастающее дерево непременно подвергается нападению на водящиеся резервы органики мириадам желающих полакомиться. Любой кусочек доступной органической материи непременно становится едой и материалом для создания новоиспеченной материи, дабы впоследствии стать едой для кого-то еще. В гробе девонского стадия растительный мир изобрел лигнин. Это позволило растениям стать полноправными хозяевами сухмени, возвыситься над поверхностью земли и откачнуться в эволюционной гонке от своих конкурентов и защититься от ворогов. Побочным итогом стало то, что растения попросту перестали разлагаться. Ни одни живой организм на планете, будто очутилось, не мог переварить лигнин, не мог использовать его в качестве ключа энергии. И это крайне необычная ситуация. Живых организмов, способных «переварить» молекулу лигнина, и ныне капельку. В основном это грибы. Мы их можем видать в лесу на стволах деревьев, медлительно, однако неизменно превращающих отжившее свое растение в труху и перегной. Это настолько величаемая «белая плесень», какая изображает одним из основных «уничтожителей» лигнина в наших деревянных берлогах. В каменноугольном фазисе белокипенной плесени не было.
Похоже, что на земле вообще не было ни одного живого организма, какой мог бы переварить запутанный растительный полимер.
И девало тут собственно в строении лигнина – это излишне сложная и нерегулярная молекула для того, дабы ее можно было «взломать» и разложить на составляющие, доступные для извлечения энергии.Вероятно, собственно этот факт, а вовсе не особенности климата, сразился решающую роль в обеспечении людей ископаемым топливом. Это ныне любое бездушное дерево больно бойко превращается в труху, а в то времена оно плотски не могло разложиться. Представьте себе на момент. Планета, на десятки миллионов лет погруженная в многометровый слой неразлагающихся биологических отходов, накапливающихся с всяким годом, погружающаяся под давлением верхних пластов все абсолютнее. Важнецки, что в то времена не было нынешних «зеленых», они бы не выбросили этой картины. Нынешние синтетические полимеры, винимые загрязнении планеты и не способности разлагаться – ничто по сравнению с натуральным лигниновым загрязнением каменноугольного стадия. Ага и по объемам производства пластика мы неприкрыто не еще не дотягиваем.Эта гипотеза, выдвинутая уже довольно давненько на основании ряда геологических находок, находит ныне более внятное подтверждение на генетическом уровне.
Исследователи сравнили геном 31 облика грибов, способных переваривать лигнин. Нашли в них участки, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лигнин, и проследили эволюцию этих участков назад во времени, к первому всеобщему деду, получившему таковскую способность. Времена датировали, используя технику настолько величаемых «молекулярных часов». В основе методики валяется научно извиненное гипотеза, что, несмотря на случайность мутаций, бытует кое-какая усредненная частота, с коей они наблюдаются. Оценивая разницу в геноме родственных и не больно обликов, и зная частоту мутаций, можно ввести образцовую дату расхождения их по неодинаковым ветвям эволюционного дерева. Применив эту методику к грибам, было введено, то обретение грибами способности переваривать лигнин датируется, не вяще ни крохотнее, датой завершения каменноугольного стадия. Близ 300 млн лет назад первые живые организмы наконец раскусили защиту, придуманную растениями.
Это лишь одна из версий, однако, вероятно, собственно эта эволюционная находка грибов вытребовала не всего прекращение образования угля, однако и задала курс последующей эволюции растительного мира.
Лигнин наконец стал подобный же едой, будто и любая иная органическая материя. Растения вновь стали чувствительны. Не всего бездушная древесина, живые растения тоже стали едой для грибов, и вырваны были эволюционировать отдаленнее, придумывая новоиспеченные способы защиты уже от новоиспеченных ворогов. Это эволюция, в натуре ничего не случается бессмертного. Эволюционная находка методов синтеза лигнина у растений была взломана той же самой эволюцией. Отыскание занял бессчетно времени, намного вяще, чем потребовалось происхождения человека из обезьяны, однако он закончился успехом. Все вернулось к исходной точке.Впрочем, мы можем всего поблагодарить натуру за это. За то, что как-то эволюция очутилась необычно медлительной, что позволило запасти в облике угля необходимое численность энергии для развития нашей цивилизации. Энергии, какая до сих пор нас поддерживает. Будь она капельку бойче – у нас, вероятно, вкупе с углем не было бы шанса на развитие. Кто знает, были бы мы вообще, и какие создания сейчас запускали бы в космос свои ракеты.В нынешних деревьях лигнина намного крохотнее, чем было как-то, однако проблема у человека остается. Теоретически, лигнин изображает ценным материалом, однако способов его переработки бытует больно капельку. Можно взговорить, что этот исторический полимер ныне изображает индустриальным отходом, придумать способы применения какому затруднительно. Однако, ныне мы знаем, что обернуть лигнин в здоровые вещества можно. Если это умеют ладить грибы, то сможем и мы. Нам даже не беспременно придумывать что-то новоиспеченное, довольно воспользоваться тем, что уже изобрела эволюция. Ныне мы владеем методами генной инженерии. Уже ныне, зная, какие собственно гены кодируют ферменты для переработки лигнина в грибах, используя созданные эволюцией механизмы обращения провиантов разложения лигнина в иные вещества, мы можем сконцентрировать новоиспеченную генетическую конструкцию. Какая ввек не была в натуре, однако, примощенная в живую клетку, даст нам возможность переделать лигнин во что-нибудь надобное для нас. И алкая, индустриальных реализаций этой идеи еще дудки, работы уже ведутся. Не за горестями то времена, когда отходы переработки древесины перестанут быть отходами, а станут ценным сырьем для получения, примерно, ванилина, или модного ныне биотоплива. История лигнина, какая ведет свое взялось с девонского стадия, продолжается, однако ныне уже с поддержкой человека. Это ведь намного важнее, чем попросту промышлять и сжигать здоровое ископаемое растительного происхождения.
Про автора
Родился в 1978 году. В 2000 году закончил Химический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. Вкалывал технологом пищевых производств на нескольких предприятиях, с 2004 - флейворист(демиург пищевых ароматов). В взаправдашнее времена возглавляет отдел разработки пищевых ингредиентов(ароматизаторов, подсластителей и красителей)одного из крупнейших российских предприятий пищевой ветви. Артист делового администрирования. Член Британского сообщества флейвористов. Беспрерывный автор нескольких российских научно-популярных изданий.
