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

Третий отмеченный Дарвином ключевой признак эволюции жизни также очевиден: индивидуумы с полезными чертами, которые повышают шансы на выживание, скорее всего, передадут эти желательные черты следующему поколению. Если растение лучше других способно выдержать резкое похолодание или сквозняк, оно будет размножаться. Если животное обладает лучшей маскировкой или более развитым разумом, у него с большей вероятностью будут детеныши. Желательные черты в конечном счете побеждают.

Если три фундаментальных атрибута живого мира присутствуют, все, что вам нужно, — это много поколений (читай, много времени), чтобы жизнь эволюционировала до новых форм с улучшенными способностями к выживанию и воспроизводству. В этом суть эволюции посредством естественного отбора.

Как только первая клетка утвердилась и начала делиться, усложняющиеся петли обратной связи между клетками и их окружением привели к новым формам на суше, в море и в воздухе. Взаимодействие геологических условий и биологической новизны отразилось в шести отличающихся друг от друга вариациях эволюции жизни на Земле. Первые формы жизни — единичные клетки, настолько маленькие, что их можно увидеть только в самый мощный микроскоп, — были обязаны своим появлением почти исключительно химической энергии горных пород. Возможно, прошел миллиард лет, прежде чем появилась вторая вариация, когда более продвинутые клетки начали поглощать солнечный свет в качестве нового источника энергии. Третьей вариацией, появившейся примерно 575 млн лет назад, стала многоклеточная жизнь — новая стратегия выживания.

Вскоре после этого биологическая гонка вооружений представила следующую вариацию — четвертую, по мере того как камень зубов и когтей крошился в борьбе с броней раковин и костей. Пятая вариация появилась, когда растения и животные вышли на сушу, чтобы создать то, что — как сейчас считает большинство из нас — и есть характерный зеленый ландшафт Земли. И шестая вариация на тему эволюции, самая последняя, представляет людей, которые играют главную роль в меняющейся земной биосфере. Каждая вариация была переходом к новой стратегии использования питательных веществ и поддержания жизни. Каждая эволюционная вариация являлась, по сути, энергетическим опытом, и каждая меняла пути циркулирования углерода между резервуарами, расположенными вблизи непостоянной поверхности нашей планеты.

Вариация 1. Микробы едят минералы{173}

В истории жизни углерод является центральным атомом — игроком драмы, но в действие ее приводит энергия. Мы уверены, что химия происхождения основана на углероде, потому что он входит в состав всех современных биомолекул, и полноценной альтернативы ему нет. Вопрос источника энергии для жизни гораздо туманнее, а ряд вероятных ответов более разнообразен. Бо́льшая часть жизни на Земле сегодня в конечном счете получает энергию — либо напрямую, либо косвенно — от Солнца посредством фотосинтеза. Но сбор солнечного света и преобразование его в химические структуры — процесс замысловатый, соответственно, это более позднее достижение, требующее эволюции сложных уровней клеточных инноваций. Самые примитивные одноклеточные организмы на Земле сегодня используют гораздо более простое и, предположительно, более древнее энергетическое решение: они едят минералы.

Чтобы прийти к концепции минералов как пищи требуется довольно нетрадиционный взгляд на вещи, поэтому-то данная идея и приглянулась геобиологу Полу Фальковски{174}. Дитя послевоенного демографического взрыва, выросший в Нью-Йорке, Фальковски вспоминает свое взросление «на окраине Гарлема» в 1950–60-х гг. Семья мальчика принадлежала к рабочему классу и жила небогато, пытаясь свести концы с концами. Родители Пола не особенно интересовались наукой, но они развили возникший у их сына интерес к миру природы, подарив ему микроскоп (дорогостоящий презент на день рождения, когда ему было девять) и регулярно водя его в прославленный Американский музей естественной истории (где столь многие из нас, ученых, впервые почувствовали тягу к науке). В результате общения с молодой четой биологов, выпускников Колумбийского университета, которые жили в том же доме, в Фальковски проснулась длящаяся всю его жизнь любовь к разведению и изучению тропических рыб и их сложных замкнутых экосистем. Даже сегодня офис Пола и его лаборатории в Ратгерском университете могут похвастаться эффектными аквариумами со всевозможными цветными рыбками и кораллами.

Фальковски учился неподалеку от дома — он ходил сначала в Бруклинскую техническую среднюю школу, а затем в Городской колледж Нью-Йорка. Ненадолго погрузившись в изучение философии и логики и блестяще овладев требуемыми физическими, математическими и химическими знаниями (их перечень очень длинен и зануден), он обнаружил свое истинное призвание — океанографию. Городской колледж запустил программу по забору образцов воды и микроорганизмов из реки Гудзон и гавани Нью-Йорка на 27-метровом катамаране Atlantic Twin, и Фальковски, в то время студент-старшекурсник, вызывался участвовать в этих акциях при любой возможности.

Формально Пол Фальковски — официальный член Общества океанографов со степенью PhD Университета Британской Колумбии, имеющий за плечами долгие месяцы морских путешествий, среди которых переходы в Западную Антарктиду и Саргассово море. В действительности же его профессиональный путь был очень своеобразным. Годами он совмещал работу в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде — знаменитом центре физических исследований — с постом профессора геологии Ратгерского университета в Нью-Джерси. Будучи ненасытным читателем, он видит те природные связи, которые другие упустили.

Одна из самых глубоких догадок Фальковски заключается в том, что Земля функционирует подобно огромной электрической цепи, а жизнь в ней играет такую же фундаментальную роль, как лампочка, которую вы (скорее всего) используете, чтобы читать эту книгу{175}. Вот что он имеет в виду: каждая электрическая цепь имеет три основных компонента. Во-первых, должен быть надежный источник электронов, поскольку электричество — это не что иное, как поток электронов. Во-вторых, должен быть какой-то электрический проводник, по которому они проходят. И в-третьих, должно быть место для хранения всех этих электронов, когда они переместились. Обозревая планету в глобальном масштабе — океаны, атмосфера, горные породы и жизнь, — Фальковски понял, что там присутствуют все компоненты. Электроны выходят на поверхность Земли через вулканы — особенно те, что на океаническом дне, — которые выносят насыщенные ими атомы железа из глубоких недр. В этом смысле породы эквивалентны отрицательному полюсу батарейки.

Океаны в глобальной цепи Фальковски являются «проводами»: они отводят электроны от богатых ими пород. В конце пути эти электроны оказываются в насыщенной кислородом атмосфере, которая представляет собой аналог положительного полюса батарейки. Свежие, новые вулканические породы, которые изливаются на океаническом дне, «изображают» из себя источник электрической потенциальной энергии — энергии, которая только и ждет, чтобы ее использовали.

И тут на сцене появляются микробы, которые едят минералы. Точнее, эти микробы используют химический дисбаланс, который возникает, когда некоторые минералы имеют слишком много или слишком мало электронов по сравнению со своим окружением. Как и в батарейке, огромные количества электронов (например, от богатого железом оливина в породах, излившихся из недр Земли в поверхностную среду) готовы стать потоком. Микробы проникают внутрь пород, фактически подключаясь к этому потоку и вызывая вокруг себя «короткое замыкание». Для бактерий эта электрическая энергия вроде бесплатного ланча, в процессе которого постепенно потребляется оливин, а на его месте образуются новые минералы.

Самые первые живые организмы Земли существовали за счет минералов, которые находились в химическом дисбалансе со своими соседями. Микробы росли на минеральных поверхностях, действуя как катализаторы и ускоряя химические реакции, которые замещали старые минералы новыми видами — новыми минералами, которые, вероятно, сформировались бы в любом случае, но гораздо медленнее. На деле же все следы этих первых клеток исчезли из ископаемой летописи. Единственные зримые результаты древних микробных «банкетов» — это отдельные, как правило слоистые, залежи полезных ископаемых.

Секрет этих поддерживающих жизнь взаимодействий минералов и микробов кроется в способности многих элементов-металлов существовать в химических вариантах с разными количествами валентных электронов. Самым распространенным примером является железо. Большинство атомов этого металла, которые изливаются с вулканическими лавами, находятся в степени окисления +2, отдав два электрона окружающим атомам. Но при наличии кислорода или какого-то другого жаждущего электронов элемента железо +2 может отдать один электрон, выбросив немного энергии, и остаться вполне себе счастливым со степенью окисления +3.

Первобытные микробы, ищущие надежные источники энергии, научились катализировать переход железа от состояния +2 к +3 с отдачей электрона и по ходу дела осаждать слои рыжих оксидов железа на океаническое дно. И действительно, самые большие в мире месторождения руд железа, а также магния, урана и других ценных элементов формировались атом за атомом деятельностью бесчисленных потребляющих минералы микробов.

За последующие миллиарды лет жизнь расширила свой репертуар стратегий получения энергии, но этот — самый древний — процесс использования пород для получения энергии сохранился, став неотъемлемой частью глобальной электрической цепи, ускоряя и расширяя поток электронов планеты Земля.

О неожиданной распространенности глубинной подповерхностной жизни{176}

Вот примечательный факт. Пробурите скважину на глубину чуть больше 1 км практически в любой точке Земли — в пустыне или лесу, на суше или в море, рядом с экватором или за Полярным кругом, — и почти со 100%-ной вероятностью вы найдете микробную жизнь. Там не будет крупных скоплений клеток, да и сами они не окажутся какими-то причудливыми — просто небольшие сферы или прутики, едва различимые в мощный микроскоп, — но вы найдете живые клетки. Эта скрытая биосфера, состоящая почти полностью из микробных потомков первых потребляющих минералы форм жизни, является убедительным доказательством самой древней стратегии потребления энергии Земли.

Ни в одной другой области коэволюция геосферы и биосферы не проявляется так очевидно, как в подповерхностной зоне, где единственные источники энергии и питательных веществ — это горные породы и глубоко циркулирующие воды. Исследование глубинной микробной биосферы окончательно оформилось за прошлое десятилетие в ходе «Переписи глубинной жизни» — центрального проекта Обсерватории глубинного углерода{177}. Перепись документирует подповерхностные микробные сообщества по всему земному шару, главным образом в кернах скважин и глубоких шахтах.

Бурение в поисках микробов — нетипичный подход, но он стал страстью целой группы ученых по всему миру. Они отправляются в удаленные участки континентов — Оман, Центральный Китай, горы Скандинавии и пустыни Африки, чтобы изучать поднятые на поверхность километры цилиндриков породы. Ученые проникают в илистые отложения всех земных океанов, а также десятков озер — от экваториальных областей Африки и Южной Америки до Заполярья, чтобы извлечь и описать редкие популяции подземных клеток. Во избежание загрязнений поверхности следует быть очень осторожными, поскольку крошечная капля поверхностной воды может залить любой биологический сигнал из глубин.

Основная доля находок глубинных микробов приходится на океанографа Стивена Д’Ондта из Род-Айлендского университета{178}. Своей копной непослушных волос и внезапной широкой улыбкой Д’Ондт производит впечатление человека, который занимается наукой с удовольствием. Как многие из нас, он заинтересовался ею рано. «Мой интерес к геологии и палеонтологии проснулся, когда родители подарили мне на седьмой день рождения минералогический набор компании Porter-Spear, — рассказывает Стивен. — В нем было руководство по горным породам и минералам, несколько диагностических инструментов — бисквит[47], увеличительное стекло, спиртовая горелка — и коллекция неизвестных минералов, которые нужно было определить». Спиртовая горелка, вероятно, не соответствовала бы правилам безопасности XXI столетия, смеется Стив: «Но мне удалось ничего не сжечь».

Однако интересы Д’Ондта в начальной школе поддерживались не всеми. «Следующие несколько лет мне пришлось украдкой таскать (а потом возвращать) учебники по геологии, биологии и астрономии из школьной библиотеки, поскольку библиотекарь считал, что они мне не по возрасту». Не испугавшись препятствий, он продолжал заниматься наукой со страстью, получив в итоге магистерскую степень в Стэнфорде и докторскую в Принстоне.

Профессиональные интересы Стива Д’Ондта были сосредоточены на сложном взаимодействии жизни и Земли на протяжении геологического времени. Изучая ископаемые и химические «летописи» прошедших 100 млн лет, он начал все сильнее осознавать, что океаны Земли постоянно изменяются за счет метаболической деятельности микробов, живущих в отложениях океанического дна. «Мне стало ясно, что исследование глубинной жизни представляет исключительную и при этом новую возможность понять границы жизни и влияние микробов на Землю», — вспоминает Стивен.

Предвосхитив DCO почти на десятилетие, Д’Ондт возглавил исследовательские работы на борту бурового судна JOIDES Resolution зимой 2002 г. Буровая экспедиция в восточную часть Тихого океана (первая, сфокусированная прежде всего на поиске подповерхностной жизни) убедительно доказала, что глубинная жизнь — разнообразный, распространенный и в целом недооцененный аспект биосферы Земли.

Последующие исследования — помимо поразительного осознания, что биосфера Земли распространяется глубоко под поверхность и на суше, и на море, — привели к важным открытиям. Сейчас мы понимаем, что подповерхностная жизнь играет ключевую роль в химической эволюции земной коры, участвуя в круговороте питательных веществ и разрушая горные породы по всей планете.

Глубинный микробный мир бросает вызов традиционным представлениям об экосистемах. Д’Ондт называет его глубинной зомби-сферой, потому что подповерхностные микробы почти ничего не делают, их и живыми-то трудно назвать — они редко двигаются, почти никогда не размножаются и существуют в невероятных пространственных и временны́х масштабах. Прежде всего, глубинная жизнь удивительно неторопливая. Клеточное размножение здесь происходит, возможно, раз в тысячу лет. Среднее микробное сообщество во многих подповерхностных экосистемах сохраняется миллионы лет, почти ничем не занимаясь и выживая на энергетических потоках, сила которых меньше, чем на поверхности. Плотность наиболее глубинной жизни (на глубине более 2 км) может составлять 1 микроб на 1 см³ (приблизительно соответствует кубику сахара). Если проводить аналогию с человеческим населением, то это как если бы отдельные люди жили на расстоянии примерно 640 км друг от друга.

Глубинную биосферу назвали новыми дарвиновскими Галапагосами, потому что глубоко изолированные микробные популяции подобно группе дарвиновых вьюрков на изолированных Галапагосских островах предоставляют нам природную лабораторию для изучения эволюции, многообразия и распределения микробов. Глубинная жизнь медленная и некомпактная, но общий объем подповерхностной биомассы, находящейся под всеми океанами и континентами Земли на глубине 1 км и глубже, ошеломляет.

Думая об этой скрытой, загадочной глубинной биосфере, вы можете задаться вопросом: сколько же жизни скрыто? Сколько углерода скопилось в подповерхностных клетках? И насколько глубоко простирается биосфера? «Перепись глубинной жизни» сейчас насчитывает более 1200 подповерхностных «локаций» — некоторые на глубине аж 3 км — с данными о разнообразии и образе жизни этих таинственных обитателей. В связи с этим наше понимание глубинной микробной биосферы расширилось и можно сделать несколько выводов. Прежде всего, глубинная биосфера необыкновенно обильна. Несколько лет назад, когда большинство подповерхностных образцов отбирались из богатых микробами океанических отложений у окраин континентов, казалось, что по своему объему подповерхностная биосфера может конкурировать с поверхностной жизнью — всеми деревьями, травой, муравьями и китами, вместе взятыми. Потому что даже на глубинах порядка 800 м и ниже прибрежные отложения содержат более 60 000 микробов на 1 см³. В пересчете на огромный объем всех прибрежных отложений Земли это очень много.

Проведенные недавно измерения в более удаленных местах — там, где океанические отложения находятся далеко от богатой питательными веществами береговой линии, — показывают, что в осадках глубоководной части океанов концентрация микробов намного ниже. Тем не менее даже пересмотренные оценки скрытой глубинной микробной популяции указывают на значение 6 × 10²⁹ клеток, в которых содержится от 10 до 20% общей биомассы Земли, — небольшую, но бесконечно интересную часть углеродного цикла Земли.

Выживание жизни на такой глубине стоит перед по крайней мере тремя наводящими страх вызовами: давлением, температурой и энергией. Но оказывается, что давление не такое уж большое ограничивающее условие. Около 20 лет назад, просто чтобы увидеть, что произойдет, мы с коллегами сжали культуру всем известной кишечной палочки E. coli{179}. Мы воспользовались той же ячейкой с алмазными наковальнями, которая используется в исследованиях минералогии глубинного углерода Земли, только заполнили ячейку водой, питательными веществами и живыми микробами. Мы собирались закрутить наш винт давления до 2000 атм, что приблизительно в два раза больше давления в самой глубокой океанической впадине. Но какой-то слишком «рьяный» поворот винта привел к тому, что давление подскочило выше 10 000 атм, эквивалентных сокрушительному давлению на глубине 50 км в земной коре (своего рода момент «упс!» в мире экспериментов высокого давления). Удивительно, но некоторые микробы выжили. Из этих и последующих (более контролируемых) экспериментов мы сделали вывод, что микробные экосистемы Земли давлением не ограничены.

[47] Сделанная из фарфорового бисквита пластинка, служащая для определения цвета черты минерала — одного из основных диагностических признаков. — Прим. ред.