На грани возможного: Наука выживания

Кислотность или щелочность раствора (его водородный показатель – pH) зависит от содержания в нем ионов водорода. Чем их больше, тем раствор кислотнее, и наоборот. Водородный показатель определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Это значит, что у кислотного раствора (с высокой концентрацией ионов водорода) pH будет низким. У щелочного же ионов водорода мало, а pH высокий. Запутаться немудрено, однако в наши дни, благодаря рекламе, pH давно у всех на слуху. Мыло, шампунь – а иногда и напитки – рекламируются как «pH-сбалансированные». Садоводам тоже приходится думать о водородном показателе почвы на своем участке, поскольку любители кислых почв, вроде вереска и азалий, в щелочной известковой почве не приживутся, тогда как гвоздики предпочитают как раз ее и погибают в кислотной. Полезно также помнить, что pH – это логарифмическая функция, и разница в одну единицу pH соответствует десятикратной разнице в содержании ионов водорода. Поэтому уксус (чей pH равен 2) содержит почти в миллиард раз больше ионов водорода, чем нашатырный спирт (pH 11).

Большинство клеток предпочитают pH-нейтральную среду (7,0), где концентрация ионов водорода такая же, как и концентрация гидроксильных ионов (ион водорода и гидроксильная группа образуют молекулу воды). Кроме того, клетки чувствительны даже к незначительным изменениям водородного показателя, поэтому pH крови человека тщательно регулируется средствами организма. Нормальный для крови показатель pH – около 7,4. Повышение до 7,7 или спад до 7,0 несовместимы с жизнью.

Однако многие бактерии и археи, напротив, предпочитают сильно кислую или сильно щелочную среду. Ацидофилам – любителям кислоты – нравится pH менее пяти. Они обитают в горячих геотермальных источниках, где растворенные в воде сернистые газы образуют серную кислоту, или в кислотных водах, сочащихся из отвалов шлака вокруг старых шахт. Другие живут в уксусе и лимонном соке (вот почему эти продукты со временем портятся). К числу самых удивительных представителей этой группы относится Thiobacillus ferrooxidans. Она добывает энергию из углекислого газа, кислорода, серы и закиси железа, производя в процессе серную кислоту и соли железа, которые окрашивают ручьи, вытекающие из заброшенных шахт, в яркий желто-коричневый цвет и сильно окисляют воду (до pH равного двум). Для большинства водных форм жизни и кислота, и растворенные металлы токсичны. Однако T. ferrooxidans обладает еще более поразительной способностью, как подсказывает ее второе название – T. concretivorans (пожирательница бетона). Она питает особую страсть к низкомарочному бетону, богатому серой, особенно если он армирован металлическими прутьями. К ужасу строителей, бактерия вырабатывает столько серной кислоты, что бетон начинает «гнить». В результате рушатся мосты и эстакады, крошатся плиты многоэтажек. Прошло немало времени, прежде чем удалось установить виновницу бетонной гнили, поскольку плотность ее крайне низка – одной бактерии для одноразового деления требуется потребить железа в 50 раз больше собственного веса.

Ацидофилы не просто терпят низкий pH, он им действительно нравится. Например, Sulpholobus лучше всего растет при pH 2. И это очень кстати, поскольку в качестве отходов метаболизма она производит серную кислоту. Есть бактерии, для которых оптимальный pH еще ниже. Текущий рекорд принадлежит микробам вида Pircophilus – лучше всего они чувствуют себя при pH 0,5. При pH выше 3 они перестают расти, а при pH, равном 5, – разлагаются. Кислотную среду неплохо переносят также некоторые грибы и водоросли, способные расти в слабом растворе серной кислоты.