Животные питались природным биопластиком сотни миллионов лет, выяснили ученые

Микроорганизмы освоили производство биоразлагаемых пластиков задолго до появления человека. Многие бактерии и археи естественным образом синтезируют соединения, известные как полигидроксиалканоаты (PHA), которые они накапливают внутри своих клеток в качестве запасов углерода и энергии.

Ученые долгое время полагали, что расщеплять эти природные пластики способны только микроорганизмы. Новое исследование Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене (Германия) ставит это предположение под сомнение. В работе, опубликованной в журнале Nature Ecology & Evolution, исследователи обнаружили, что широкий круг животных, включая морских червей, морских звезд, дождевых червей и другие наземные виды, обладает ферментами, способными разлагать микробные PHA. Открытие указывает на ранее неизвестный путь, по которому углерод, запасенный микробами, может попадать в пищевые цепи животных.

Безрогий морской червь раскрывает скрытую способность

Исследование началось с необычного морского червя Olavius algarvensis. В отличие от большинства животных, у него нет ни рта, ни кишечника. Вместо этого червь зависит от симбиотических бактерий, живущих под его кожей, которых он переваривает для получения питательных веществ.

«Один из бактериальных симбионтов червя накапливает огромное количество углерода в форме PHA, — рассказывает автор исследования Николь Дубилье, директор Института морской микробиологии Макса Планка. — Мы задались вопросом, выработал ли червь способ доступа к этому богатому энергетическому резерву».

Ответ оказался утвердительным. Исследователи идентифицировали у червя фермент, способный расщеплять микробные PHA на более мелкие молекулы, которые животные могут использовать. Съемка с высоким разрешением также показала, что фермент вырабатывается в том же месте, где червь переваривает своих бактериальных партнеров. Это указывает на то, что червь способен получать доступ к запасам PHA, хранящимся внутри его симбиотических бактерий.

Открытие не ограничилось одним морским червем. Когда команда изучила геномы животных в более широком масштабе, они обнаружили родственные ферменты более чем у 66 видов, относящихся к девяти различным типам. Лабораторные тесты показали, что ферменты очень далеких друг от друга животных, включая губку, дождевого червя и ногохвостку, также способны разлагать микробные PHA.

«Это было настоящим сюрпризом, — говорит первый автор исследования Каролин Цайдлер из Института морской микробиологии Макса Планка. — То, что началось с открытия у одного морского червя, оказалось широко распространенной способностью, общей для животных из самых разных ветвей древа жизни».

Биопластики PHA PHA служат микробными запасами энергии и углерода, но также используются для производства биоразлагаемых пластиков. В промышленном производстве бактерии выращивают в больших ферментационных резервуарах, предоставляя им богатые углеродом материалы, такие как сахара, крахмал или растительные масла. При правильных условиях бактерии накапливают большие количества PHA. Затем эти соединения можно извлечь и превратить в пластикоподобные материалы. Пластики на основе PHA поддаются формовке, относительно устойчивы к воде и достаточно стабильны для различных повседневных применений. Они используются в таких продуктах, как упаковка для пищевых продуктов и гигиенические материалы. В сельском хозяйстве удобрения могут быть заключены в гранулы PHA, которые постепенно высвобождают содержимое по мере разложения пластика. Медицинские применения включают повязки для ран, системы доставки лекарств и рассасывающиеся имплантаты или швы, которые медленно разлагаются в организме. PHA особенно примечательны своей биологической цикличностью: они создаются микроорганизмами и могут быть разложены биологическими процессами. Тем не менее, в настоящее время они занимают лишь небольшую долю рынка биопластиков. Это может измениться по мере роста спроса на биоразлагаемые материалы на биологической основе, а глобальные мощности по производству биопластиков, как ожидается, значительно вырастут в ближайшие годы. Новые находки добавляют еще одно измерение к этой картине, показывая, что многие водные и наземные животные также несут ферменты, способные расщеплять PHA.

Природные биопластики широко распространены в окружающей среде

Микробные PHA естественным образом встречаются в почвах, донных отложениях и водной среде по всему миру. Микроорганизмы производят их, когда у них больше углерода, чем им необходимо в данный момент, сохраняя излишки для последующего использования. PHA также входят в число немногих природных пластиков, которые полностью биоразлагаемы.

Интерес к PHA растет, поскольку их все чаще производят в качестве устойчивой альтернативы обычным пластикам. В результате ученые уделяют больше внимания тому, как эти материалы разлагаются в естественной среде.

Результаты, полученные Дубилье и ее коллегами, позволяют предположить, что животные могут способствовать разложению природных биопластиков наряду с микроорганизмами. Что еще более важно, результаты показывают, что животные могут получать доступ к микробному запасу углерода, который ученые ранее считали для них недоступным.

«Наше исследование меняет понимание того, кто может использовать эти микробные запасы углерода, — говорит соавтор работы Мэгги Согин, которая провела значительную часть исследования в Институте морской микробиологии Макса Планка и сейчас является доцентом Калифорнийского университета в Мерседе. — Животные, вероятно, питались природным биопластиком сотни миллионов лет — мы только сейчас это обнаружили».

Новый путь в углеродном цикле

Ученые до сих пор не знают, насколько распространен этот процесс в природных экосистемах и какой вклад он вносит в глобальный круговорот углерода. Тем не менее, открытие предлагает новый взгляд на взаимоотношения между микроорганизмами и животными.

Оно также демонстрирует, как исследования необычных организмов могут выявлять биологические процессы, которые оставались скрытыми, несмотря на то, что потенциально действовали сотни миллионов лет.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом морской микробиологии Макса Планка.

Caroline Zeidler, Harald R. Gruber-Vodicka, Dolma Michellod, Grace D’Angelo, Stefan Becker, Henry Berndt, Juliane Wippler, Marlene Violette, Manuel Kleiner, Alba Porta-Fidalgo, Rebekka S. Janke, Kristina Weinert, Manuel Liebeke, Nicole Dubilier, Maggie Sogin. Animal degradation of microbial storage polyhydroxyalkanoates. Nature Ecology, 2026; DOI: 10.1038/s41559-026-03153-8