NG: Черная слизь покрывает мировые памятники — и это может быть хорошо
Пятнистые участки биопленки пачкают Мемориал Джефферсона в Вашингтоне, округ Колумбия, как видно на фото августа 2016 года. Фотография Джима Ло Скальцо, EPA/Redux
Биопленки поражают такие сооружения, как Ангкор-Ват и Мемориал Джефферсона, и ведутся ожесточенные споры о том, полезны они или вредны.
Автор: Мишель З. Донахью (Michelle Z. Donahue)
Опубликовано 21 сентября 2016 года
По замыслу, легион белоснежных памятников и зданий в Вашингтоне, округ Колумбия, был построен, чтобы связать американский эксперимент с его греческими и римскими музами. Выполненная из чистого, незапятнанного мрамора, классическая архитектура города является визуальным представлением стремления нации к гражданским идеалам и самоуправлению.
Но за относительно короткий промежуток времени эти современные храмы демократии начали покрываться изъянами. Темные, пятнистые участки появились практически на всех каменных поверхностях города — ни одно не так заметно, как потемневший купол Мемориала Джефферсона, который всего за 10 лет превратился из довольно ярко-белого в пятнистый беспорядок.
Аналогичные покрытия из черной слизи также портят римские руины в Италии, древние храмы в Египте и каменные лица, высеченные в Ангкор-Вате в Камбодже.
Да, они неприглядны. Но разрушительны?
Ответ, в лучшем случае, неясен. Но белые поверхности более новых американских памятников — это чистый лист для наблюдения за тем, как биопленки развиваются, растут и распространяются, и поэтому они являются ценной экспериментальной исследовательской площадкой, помогающей прояснить, как биопленки могут повреждать — или защищать — великие исторические каменные памятники мира.
«Это то, что становится все более сложным по мере того, как мы узнаем об этом больше», — говорит Джуди Джейкоб (Judy Jacob), старший реставратор Службы национальных парков США. «Дело не в том, что это происходит быстрее, чем кто-либо думал, а в том, что никто на самом деле не задумывался о сроках. Внезапно мы наблюдаем, как это происходит».
Упрямая облицовка
Больше похожие на сажистую пыль, чем на слизь, биопленки представляют собой целые экосистемы бактерий, водорослей и грибов, живущих вместе в причудливой и чрезвычайно стойкой облицовке. Нет двух совершенно одинаковых. Микробы коллективно производят и находятся в полимероподобном геле, который прочно связывается с микротопографией любой поверхности, которую они колонизируют. Бактерии производят защитные пигменты, а сам гель может способствовать потемнению, собирая частицы из воздуха.
Будучи обильными и вездесущими организмами, бактериальные биопленки могут образовываться на любой поверхности в любое время. От выстилки кишечника человека до покрытия поверхности океанов Земли — эти покрытия есть повсюду.
Голландский ученый Антони ван Левенгук (Antoni van Leeuwenhoek) сделал самое раннее известное упоминание о биопленках в 1683 году, когда он наблюдал под своим микроскопом «анималькулей», собранных с собственных зубов. В своих письменных отчетах он отметил, что даже после полоскания горла и ополаскивания уксусом организмы, казалось, остались невозмутимыми.
Наблюдения ван Левенгука подчеркивают, насколько трудно удалить биопленки. Хотя мойка под давлением, соскабливание и обработка химическими веществами, известными как биоциды, могут уменьшить их на время, невозможно убить каждого последнего микробного члена этих сообществ. В конечном итоге выжившие после каждого истребления создают новые, более сильные колонии, поэтому обесцвечивание часто повторяется со временем.
Храм Байон в Ангкор-Вате в Камбодже также покрыт темной биопленкой. Фотография Джима Ричардсона, National Geographic
Так почему же биопленки, по-видимому, только недавно начали буйствовать на каменных памятниках?
Одна из ведущих теорий, по крайней мере для Соединенных Штатов: более чистый воздух. По иронии судьбы, поэтапное принятие Закона о чистом воздухе с 1970-х годов могло снизить кислотность дождевой воды до такой степени, что она больше не препятствует росту этих бактериальных сообществ.
Кроме того, такие памятники, как Мемориал Джефферсона, просто достигают той точки в своем жизненном цикле, когда нормальная эрозия начинает сказываться. Когда он был завершен в 1943 году, мрамор Мемориала Джефферсона имел атласно-гладкую поверхность. Со временем эта поверхность стала незаметно покрываться ямками, становясь более привлекательным домом для биопленок.
Класс биоцидов, известный как соединения четвертичного аммония, или кваты, является одним из химических методов лечения, которые временно уменьшают биопленки и их видимые эффекты. Но Джейкоб сомневается, является ли подход к лечению, включающий циклическое, непрерывное применение химикатов, особенно желательным образом действий. Она также изучает, какими будут экологические последствия долгосрочного использования кватов для окружающих территорий.
«Стратегия, которую мы сейчас рассматриваем, заключается не в том, чтобы убивать эти микроорганизмы, а в том, чтобы обезвредить их», — говорит Федерика Вилла (Federica Villa), микробиолог из Миланского университета, которая изучает биопленки Вашингтона вместе с Центром биоинженерного биопленок Университета штата Монтана. «Если вы знаете механизмы, лежащие в основе образования биопленок, вы можете работать с более элегантными решениями, вместо того чтобы использовать или злоупотреблять биоцидами или антибиотиками».
Друг или враг?
Тем временем среди реставраторов и исследователей каменных памятников ведутся интенсивные дебаты: действительно ли биопленки повреждают поверхности зданий? Если да, то как их следует устранять? А если нет, и они каким-то образом защищают камень от воздействия окружающей среды, будет ли ущерб, причиненный их удалением, больше, чем эстетическая ценность чисто выглядящего сооружения?
С тех пор как исследования биопленок действительно начали активизироваться в 1970-х годах, многие исследователи предполагали, что присутствие бактериальных биопленок и лишайников обязательно означает повреждение нижележащего камня из-за химического воздействия или проникновения закрепляющих структур.
Доказательств прямого химического или физического воздействия меньше, но они существуют: одно исследование из Египта, опубликованное в начале этого года, показало, что повышенная влажность в погребальной камере Осириона в Абидосе способствовала росту различных грибков, которые химически выветривали камень.
Напротив, Вилла обнаружила, что биопленки, по-видимому, оказывают защитное действие. Она выращивает упрощенные культуры этих бактериальных сообществ в специальных камерах, где может контролировать и отслеживать условия роста. Ее работа на данный момент предполагает, что пленки предотвращают проникновение избыточной воды — общего врага памятников — в камень.
Статуи, покрытые биопленкой, выстроились вдоль колоннады Канопуса на вилле Адриана в Италии, которая является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО. Фотография DeAgostini, Getty Images
«Мы все еще боремся с вопросом баланса эстетики и этого естественного процесса», — говорит Кэтрин Дьюи (Catherine Dewey), руководитель отдела управления ресурсами Национальной аллеи и мемориальных парков в Вашингтоне. Дьюи участвовала в тестировании других методов удаления или уменьшения видимости биопленок, включая использование высокоинтенсивных лазерных обработок.
Вилла настаивает на том, что знание того, кто является действующими лицами на каждом объекте, в каждом конкретном случае, имеет решающее значение для определения динамики. В то время как преимущественно грибковые сообщества могут разрушать песчаники в Абидосе, доминирующие бактериальные биопленки на Мемориале Джефферсона или других объектах по всему миру могут защищать их от капризов ветра, дождя и солнца. Проще говоря, существует слишком много различий от места к месту, чтобы можно было сделать общее заявление о положительном или отрицательном влиянии биопленок.
«Мы хотим знать не только то, кто там есть, но и на что они способны», — говорит Вилла. «Мы заинтересованы в знании функциональных возможностей биопленки. Какую активность они проявляют, каковы их метаболические пути? Мы пытаемся взглянуть на биопленку с другой точки зрения».
Вилла и ее коллеги также изучают, достаточно ли сходства между биопленками из разных регионов мира, чтобы использовать их поведение. Если да, то, возможно, они смогут найти способ использовать биопленки для защиты памятников, но без черного беспорядка.
«Биопленка — это очень распространенное явление», — говорит Вилла. «Поэтому, если мы сможем лучше их понять, в будущем мы, возможно, сможем модулировать биопленки и даже применять эти идеи в других областях, таких как сельское хозяйство, промышленность и биоремедиация».