Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин — основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.

Пролог

Взгляните вокруг. Углерод повсюду: в бумаге этой книги, краске на ее страницах и клее, который их скрепляет; в подошве и коже ваших туфель, синтетических тканях и красителях одежды, а также в молниях на основе тефлона и застежках-липучках; в каждом кусочке пищи, в пиве и крепких спиртных напитках, в газировке и игристом вине; в коврах на полу, краске на стенах и потолке, облицовочной плитке; в горючих материалах — от природного газа и бензина до свечного воска; в прочной древесине и отполированном мраморе; во всех клеях и смазках; в грифелях карандашей и бриллиантах украшений; в аспирине и никотиновой кислоте, кодеине и кофеине, а также в любом другом лекарстве, которое вы когда-либо принимали; в любом пластиковом изделии — от магазинных пакетов до велосипедных шлемов, от дешевой мебели до дизайнерских солнечных очков. Атомы углерода окружают вас от самых первых подгузников до обтянутого шелком гроба.

Углерод дарит жизнь: ваши кожа и волосы, кровь и кости, мышцы и сухожилия — все зависит от него. Каждая клетка в вашем теле — а на самом деле каждая часть каждой клетки — основывается на прочном каркасе из углерода. Углерод материнского молока становится углеродом бьющегося сердца ребенка. Углерод — это химическая суть глаз, рук, губ и мозга вашего любимого человека. Когда вы дышите, вы выдыхаете углерод; когда целуетесь — атомы углерода соединяются.

Из того, до чего вы дотрагиваетесь, проще назвать те предметы, в которых нет углерода, — это алюминиевые банки в вашем холодильнике, кремниевые микрочипы в вашем айфоне, золотые зубные коронки и еще кое-какие диковинки, — чем перечислить хотя бы 10% окружающих вас объектов, его содержащих. Мы живем на углеродной планете и сами являемся представителями углеродной жизни.

Каждый химический элемент своеобразен, но некоторые — своеобразнее остальных. Из всей пестроты обитателей Периодической таблицы элемент №6 особо выделяется по своему влиянию на нашу жизнь. Углерод не просто стандартный элемент материи. Углерод обеспечивает важнейшую химическую связь, прослеживающуюся через всю бесконечность пространства и времени, — основополагающую для понимания космической эволюции. На протяжении почти 14 млрд лет Вселенная эволюционировала, становясь все разнообразнее и разнообразнее и завораживая бесконечными вариантами своих проявлений. Углерод лежит в сердце этой эволюции, дирижируя появлением планет, жизни и нас с вами. И в большей степени, чем любой другой компонент, углерод способствовал стремительному появлению новых технологий — от паровых двигателей промышленной революции до нынешнего «пластикового века». Но вместе с тем он же ускоряет небывалые изменения окружающей среды и климата, происходящие в планетарном масштабе.

Зачем нам фокусировать внимание на углероде? Водород намного более распространен, гелий — более стабилен, а кислород — химически активнее. Железо, сера, фосфор, натрий, кальций, азот — у всех есть свои замечательные истории. Все играли важную роль в сложной эволюции Земли. Но если вы хотите найти смысл и цель в бескрайнем холоде и темноте Вселенной, приглядитесь к углероду. Углерод как сам по себе, так и в химических соединениях с другими атомами — это беспримерная космическая инновация, предоставляющая ни с чем не сравнимые возможности для вселенской эволюции.

Ни с одним из более чем 100 химических элементов не связано столько наших ожиданий и страхов, сколько с углеродом. Новые углеродсодержащие материалы, изобретаемые тысячами ежегодно, — продукция Kleenex, спандекс, фреон, нейлон, полиэтилен, вазелин, листерин[1], бактин[2], скотч, пластилин Silly Putty — бесконечно обогащают нашу жизнь, замечаем мы это или нет. Но распространение всех этих синтетических химических веществ привело к непреднамеренным последствиям — появлению опасных дыр в защитном озоновом слое, смертельных аллергических реакций и большого количества канцерогенов. Будучи основой всех биомолекул, углерод как никакой другой элемент способствует благополучию и поддержанию жизни на Земле, включая человека, а потеря или смещение атомов углерода может привести к болезням и смерти.

Близповерхностный геохимический цикл углерода стабилизирует климат Земли, поддерживает здоровье экосистем, а нас обеспечивает богатейшими источниками недорогой энергии. Однако, если в силу природных или антропогенных факторов — таких как извержения вулканов, сжигание угля, сбившийся с курса астероид или уничтожение лесов — баланс атомов углерода нарушится, климат может измениться, а экосистемы прийти в упадок. И влияние углерода не ограничивается приповерхностной сферой жизни; поведение его в глубоких, скрытых недрах Земли определяет динамические процессы, которые выделяют нашу планету среди всех известных миров.

История углерода в каком-то смысле история всего. Но этот вездесущий незаменимый элемент окружен тайнами. Мы не знаем, сколько углерода содержится в Земле, и не до конца представляем себе разнообразие его форм, спрятанных глубоко внутри нашей планеты. Мы не понимаем, как движутся потоки атомов углерода, циркулирующие между поверхностью Земли и ее глубокими недрами, и не можем сказать, значительно ли они изменились за миллиарды лет истории Земли — в ходе «глубокого времени»[3]. Несмотря на существование миллионов известных соединений углерода, ученые только сейчас начали исследовать богатство его химии. И величайшая тайна всего — происхождение жизни — неразрывно связана с поведением углерода в сложных химических соединениях с другими элементами.

В том, что касается углерода — его количеств и форм, движения и происхождения, — везде мы натыкаемся на границы своих знаний о нем. Мы должны найти ответы, но как нам удастся восполнить столь зияющие пробелы в нашем понимании? Кажется, что сама структура науки препятствует устойчивому продвижению. В университетах не хватает кафедр по изучению углерода, а широкомасштабные междисциплинарные исследования проводятся редко. Научные открытия совершаются благодаря правильно поставленным вопросам о мире природы, но они зависят также от финансирования в условиях сжатых сроков и ограниченных средств, когда специализация часто довлеет над интеграцией.

Кто первым разработает иную форму поддержки научных исследований?

Место действия — почтенный клуб Century Association[4] в Нью-Йорке в начале 2007 г., куда ответственные за сбор пожертвований сотрудники Института Карнеги пригласили несколько десятков потенциальных спонсоров на изысканный ужин. Экономика страны процветает, а Барак Обама — пока еще сенатор от штата Иллинойс. Просторные, отделанные деревянными панелями комнаты клуба украшены произведениями величайших в истории Америки художников и скульпторов. Выдающиеся их представители, среди которых Джон Фредерик Кенсетт, Уинслоу Хомер и Пол Мэншип, предложили свои основные творения в обмен на столь желанное, но дорогостоящее членство в клубе. Это оказалось хорошей сделкой для всех: Century Association собрал превосходную коллекцию шедевров, а художники обзавелись доступом к богатым меценатам, которые могли себе позволить высокие вступительные взносы клуба.

Я выступал после обеда на тему исследований происхождения жизни — по сути развлекательную; лекцию я подкрепил простыми наглядными пособиями: стаканом газировки, подобранным в ближайшем парке камнем, чайной ложкой и соломинкой. И всё! Этого достаточно, чтобы доступно проиллюстрировать химические этапы, в ходе которых из глубин горячей, насыщенной углеродом вулканической среды на океаническом дне могла появиться жизнь. То, что мои идеи были слегка противоречивыми — и это являлось источником оживленных, иногда язвительных дебатов с коллегами-скептиками, — добавило моим высказываниям немного остроты. В качестве бонуса я раздал присутствующим по экземпляру «Происхождения»[5], моей последней книги на эту тему. Я помню чувство родства с художниками, чьи работы окружали меня. Как и они, я отрабатывал приглашение, пытаясь поймать взгляд потенциально возможного мецената в надежде, что следующий заказ позволит мне и моим коллегам создать новое научное полотно.

Наука недешева. На поддержание каждого выпускника или аспиранта нужно 100 000 долларов в год. Новые аналитические приборы могут стоить до миллиона долларов плюс техническое обслуживание и замена деталей, которые добавляют к ценнику десять или более процентов в год. Поездки на конференции, оплата публикаций и самого необходимого для лаборатории (пробирок, реагентов и безворсовых салфеток для очистки оптики) — без этого не обойтись. Не говоря уже о накладных расходах. Не имея поддержки от производственных компаний, правительственных организаций и частных фондов, научные исследования быстро бы завяли и прекратились. Но писать заявки на гранты в организации и фонды, запрашивая 100 000 долларов в год, когда шанс получить поддержку меньше 10%, довольно мучительно.

Вот так я стоял в самом сердце «Большого яблока»[6] с протянутой рукой, продвигая науку в комнате, полной людей, от науки далеких. На подобных мероприятиях есть вероятность добиться успеха, по крайней мере — стоит попробовать. Тот вечер был приятным и веселым, но вскоре я о нем забыл в суете исследовательских проектов и дедлайнов по заявкам на гранты. И тогда раздался телефонный звонок, который изменил все.

Это произошло три месяца спустя, в начале весны 2007 г., когда Вашингтон был весь в цвету.

— Привет, Боб. Это Джесси Аусубел из фонда Слоуна в Нью-Йорке.

Видимо, я познакомился с Джесси на той лекции в Century Association, но не запомнил его. По телефону он произвел на меня впечатление доброжелательного, но весьма делового человека; говорил Джесси приятным баритоном.

— Фонд Слоуна рассматривает новые программы.

Я навострил уши. Фонд Слоуна поддерживает важнейшие научные исследования и просветительскую деятельность: амбициозный проект «Перепись населения океана», цифровые космические исследования, в ходе которых была обнаружена темная энергия, программы Национального общественного радио и Государственной службы телевещания.

— Мы подумали, не заинтересует ли вас обсуждение программы о глубинном происхождении жизни?

Тема моего выступления в Нью-Йорке — очень спорная гипотеза о том, что жизнь зародилась в глубокой вулканической зоне на дне океана, — явно попала в точку.

Аусубел сообщил мне, что программы фонда Слоуна обычно длятся десять лет при финансировании от 7 до 10 млн долларов в год, затем замолчал, ожидая какой-то реакции. У меня не было слов. Единица с восемью нулями парализовала мой мозг.

Наконец я пришел в себя, и мы начали обсуждать детали. Я сказал, что фокусировка исключительно на глубинном происхождении жизни — слишком узкий взгляд для крупного десятилетнего исследования. Ведь с углеродом в планетарном масштабе связано множество фундаментальных загадок — не только в биологии, но также и в физике, химии и геологии. Я объяснил, что мы не сможем до конца понять загадочное древнее происхождение жизни, пока не разберемся в истории углерода на Земле в целом.

Джесси Аусубелу понравилась идея всеобъемлющего подхода: физика, химия, геология и биология; 4,5 млрд лет истории Земли, от коры до ядра, от наномасштабов до глобальных. Он предложил годовой исследовательский грант в 400 000 долларов («уже предварительно одобренный», по его словам), чтобы собрать экспертов по всему миру, провести рабочие встречи, определить, что мы знаем и чего не знаем, а также рассмотреть глобальную стратегию, меняющую наше представление о земном углероде.

Это было не просто полотно. Это была невероятно величественная симфония Бетховена в небывалом исполнении, с мощным хором, многочисленными оперными солистами и огромным оркестром со множеством инструментов — от тубы до флейты-пикколо. Ничего подобного раньше даже не пытались делать.

[1] Антисептическое средство для полоскания рта и горла. — Прим. науч. ред.

[2] Антисептик. — Прим. науч. ред.

[3] Концепция «глубокого времени» разработана шотландским геологом Джеймсом Геттоном в XVIII в. Суть ее заключается в крайне медленном характере протекания геологических процессов, а также глубокой древности Земли. — Прим. ред.

[4] Основанный в 1847 г. клуб объединяет мужчин и женщин, известных своими выдающимися достижениями в сфере литературы и искусств. Устоявшегося перевода названия на русский язык нет. Его можно перевести как «Ассоциация ста» или «Ассоциация сотни», поскольку изначально в ассоциации было примерно столько членов. — Прим. ред.

[5] Речь идет о книге: Hazen, Robert M. Genesis: the scientific quest for life’s origins. Washington, D. C.: Joseph Henry, 2007. — Прим. ред.

[6] Прозвище Нью-Йорка. — Прим. науч. ред.