Perpetuum mobile po mikrobno
Pri prehranjevanju običajno ni možno, da hrano pojem, naredim pri tem odpadek in nato odpadek ponovno pojem, da naredim hrano. To krši cel kup fizikalnih zakonov. Perpetuum mobile pač ni možen. Hm, nekateri mikroorganizmi se temu upirajo.
V okolju brez kisika posebna skupina mikroorganizmov, metanogenci, lahko proizvaja metan. Ker je metan plin lahko z difuzijo preide v okolje s kisikom, kjer ga porabi druga skupina mikroorganizmov, metanotrofi, ki se z metanom prehranjuje. Vse lepo in prav. Kar je za en organizem odpadek je za drug organizem hrana.
Tudi v primeru, ko metan ostaja v okolju brez kisika se lahko mikrobno porabi. V tem primeru mora vlogo kisika kot oksidanta opraviti neka druga molekula. V okolju brez kiska je kar nekaj takšnih oksidantov kot so, nitrat, sulfat, ali Fe(3+). Je pa to zahteven proces, ki zahteva sodelovanje dveh mikroorganizmov tistega, ki metan proizvaja in tistega, ki metan porablja. V procesu posebne simbioze, ki jo lahko opravijo samo mikroorganizmi, imenovane sintrofija, si lahko mikroorganizma energijsko pomagata. Organizem, ki anaerobno oksidira metan, generira elektrone. Elektrone nato pošlje sulfat reducirajoči, nitrat reducirajoči ali pa železo reducirajoči bakteriji preko sistema mobilnih celičnih prenašalcev elektronov, kot so citokromi ali menakinoni. Tako dobljene elektrone nato uporabi drugi organizem za redukcijo nitrata, sulfata ali železa. Pri tem lahko oba udeležena organizma generirata dovolj protonskega gradienta za sintezo ATP in za rast. Vsak mikroorganizem zase tega ne bi uspel narediti. Vendar uporabne energije pri tem procesu ni prav veliko, zato je potrebno porabiti veliko metana za rast obeh udeleženih mikrobov.
Posebna metabolna strategija, ki so jo ubrali nekateri mikrobi, omogoča tem mikroorganizmom, da anaerobno oksidirajo metan do ogljikovega dioksida in vodika. Metabolna pot, ki jo pri tem uporabijo je zelo podobna tisti, ki jo izrabljajo metanogenci, ki delajo metan iz vodika in ogljikovega dioksida. Encimi pri reverzni metanogenezi so zelo podobni encimom, ki jih uporabljajo organizmi, ki delajo metan. To je presenetljivo, saj to pomeni perpetum mobile ali neksončno kroženje med ogljikovim dioksidom in metanom, kar najodločneje prepoveduje drugi termodinamski zakon. Kako je to mogoče?
Izkaže se, da takšnega kroženja ne moremo dobiti v istem organizmu ampak v dveh različnih, ki pa imata skoraj identične komponente. Pri metanogencu komponente omogočajo nastanek metana. Pri reverznem metanogencu pa manjaka ključni encim, ki vodik dodaja na ogljikov dioksid in zaradi tega metanogeneza ni možna. Je pa pri tem organizmu možna metabolna pot pri kateri iz metana nastaja ogljikov dioksid in vodik. Da to lahko funkcionira mora imeti tak organizem možnost oddajanja elektronov v okolje. To lahko naredi s sintrofijo, v simbiozi s sulfat reducirajočimi bakterijami, železo oksidirajočim bakterijam ali nitrat oksidirajočimi bakterijami.
Vsaj ena skupina Candidatus Methanoperedens nitroreducens pa vsebuje vse potrebne encime za popolno reverzibilno metanogenezo. Še več oksidacijo metana lahko vrši brez brez sintrofije, brez sodelovanja z drugimi mikroorganizmi. Seveda mora imeti način, kako se znebi viška elektronov. Ko poteka reverzibilna metanogeneza elektrone oddaja na nitrat in pri tem nastaja nitrit. Pri tem organizmu je prišlo do sklopitve funkcij dveh organizmov v enem samem. Trenutno še ni poznano ali lahko isti organizem vrši metanogenezo in reverzno metanogenezo v isti celici, kar bi perpetuum mobile zahteval.
In za konec kar ni uspelo metonegencem je uspelo nekaterim acetogencem. Pri njih pa je možno, odvisno od pogojev v okolju, v istem organizmu doseči popolno reverzibilnost procesa. Organizem lahko pri pogojih, ko ima na voljo vodik in ogljikov dioksid, naredi acetat. Če pa je v okolju prisoten metanogeni organizem, pa lahko oksidira ocetat do ogljikovega dioksida in vodika, ki ga porablja metanogenec. Hm, to se zdi skoraj popolni perpetuum mobile.
To je naravnost čudovito, saj mikrob prevara celo drugi termodinamski zakon. Kaže kako blizu ravnovesja lahko delujejo nekateri procesi pri mikrobih. Proces se namreč lahko odvija v eno ali drugo smer popolnoma svobodno. Ravnovesje ali reverzibilnost je za organizem izjemno velik problem in pomeni gotovo smrt. V ravnovesju namreč ni možno opravljati dela. To da lahko mikrobi iz hrane naredi odpadek in se z njim prehranjuje je izjemno. Pomeni večen, neprekinjen tok brez zunanjega vira energije. Pomeni nesmrtnost! Vsaj pri nekaterih mikrobih se torej zdi, da lahko prevarajo smrt. Bravo za mikrobe. Vendar kot bi pripomnil fizik vrag v termodinamiki je vedno v podrobnostih. In če nekoliko pomislimo drugi termodinamski zakon še vedno velja. Opaziš kako?