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

Перемотаем на миллиард лет вперед. Появляется новый феномен жизни. Манят новые углеродные резервуары. Углекислый газ извлекается из воздуха и фотосинтезирующими водорослями преобразуется в сахар. Сахар становится топливом для производства потрясающих молекулярных новинок: липидов из цепочек углерода — для формирования клеточных мембран; оснований из колец углерода — для переноса генетического кода; а углерод, связанный с азотом и кислородом в аминокислоту, — это строительный материал белков. Наш атом углерода быстро циркулирует по биосфере, играя множество новых ролей в гораздо более бешеном темпе, чем раньше, иногда меняя химическую форму десяток раз за неделю. А в некоторых случаях он запечатывается в карбонатной раковине, падая на дно океана связанным на 100 млн лет и ожидая возвращения в энергичный живой мир на поверхности.

На прошлой неделе вы съели этот атом углерода. Сейчас он часть молекулы белка, которая играет жизненно важную роль в одной из ваших клеток. Будем надеяться, что все идет как надо.

Смерть и углерод

Мы, многоклеточные формы жизни, уязвимы. Многое может пойти не так с атомами углерода в столь сложных системах.

У моего брата Дэна рак начался в двенадцатиперстной кишке — том месте, где никто не ищет рак, где не возникает явных симптомов, по крайней мере пока опухоль не распространится на другие органы. Но это уже оказывается слишком поздно. Врачи пытались остановить агрессивные клетки, когда рак убил печень. Дэн месяцами терпел жуткую химиотерапию. Она не помогла. Через полгода брат умер.

Виновниками были углеродсодержащие молекулы — как и во многих других болезнях. Один атом углерода — это мелочь, но когда несколько его атомов выпадают или располагаются не там или не так, они могут многое изменить: мы подчиняемся прихоти углерода в отношении смерти так же, как и применительно к жизни. Врачи не могли объяснить нам, что пошло не так у Дэна, почему именно он — находящийся в лучшей по сравнению со всеми нами форме, внимательнее относящийся к своему питанию, физически активный — пал жертвой. Что-то пошло не так с молекулами, которые контролируют деление клеток. Всего одной клетки из 10 трлн. Эта клетка начала размножаться неконтролируемо и в конечном счете узурпировала другие клетки, другие органы.

Все виды рака и генетические заболевания в данном отношении одинаковы: это ошибки в атомах углерода — их расположении, их связях. Рассмотрим главные аминокислоты аспартат (аспарагиновую кислоту) и глутамат, которые различаются только одним атомом углерода. Вставьте не ту аминокислоту в принципиально важный белок — и длинная цепочка молекул сложится не тем образом, которым должна была сложиться. Получившаяся не той формы структура может посеять клеточный хаос, следовательно, клетка будет не в состоянии выполнять свои жизненно важные функции.

А куда деваются наши атомы углерода, когда мы умираем?

Я думаю о Лулу, нашей четвертой и последней мальтийской болонке, представительнице третьего поколения милых белых пушистых мячей. Бо́льшую часть времени из прожитых 13 лет она веселым эльфом выскакивала за дверь, лая и подпрыгивая, когда я приходил домой из лаборатории. Ее сестра-близнец Джулия умерла годом ранее в возрасте 12 лет, и после этого здоровье Лулу стало неуклонно ухудшаться. Под конец жизни она потеряла слух и ориентацию в пространстве, то где-то пряталась, то внезапно выскакивала и начинала бегать, облаивая непонятно кого. Когда собачка перестала есть и пить, мы ее усыпили. По крайней мере уход ее был спокойным; когда-то оживленный дом поглотила тишина.

Мы выкопали могилку в лесу рядом с домом, под цветущим багрянником. Кудрявая белоснежная шерсть Лулу казалась совсем не к месту в этой глубокой темной яме; мы попрощались, накрыв трупик 60 см плодородной коричневой земли.

В маленькой собачке весом 4,5 кг содержится от 900 до 1300 г углерода — это порядка 50 трлн трлн его атомов. Что произошло с ними, когда Лулу умерла? Короткий промежуток времени — часы, не дни — ее мертвое тело еще удерживало почти все эти атомы. Но в контакте с воздухом и почвой останки собаки представляли собой богатый запас химической энергии для бактерий, грибов и мелких животных-падальщиков. Начался неизбежный процесс рассеивания ее атомов. Бо́льшая часть мертвой плоти пошла на обеспечение энергией и атомами других живых существ. Атомы углерода стали диффундировать, распространяясь наружу от разлагающейся Лулу все возрастающими сферами. Распад тела также высвободил в атмосферу углекислый газ и другие небольшие органические молекулы, которые распространились по всему миру и — самое главное — были использованы бесчисленное количество раз в новой жизни на каждом континенте. Возможно, прямо сейчас вы вдыхаете атомы, которые когда-то были частью Лулу.

Круговорот. Вот что делает природа. Стабильные атомы земного углерода ни создаются, ни разрушаются — они используются снова и снова.

ФИНАЛ — Земля, Воздух, Огонь и Вода

Какова с эволюционной точки зрения наша роль в Великой симфонии углерода? Люди одновременно и обыкновенные, и неповторимые. С одной стороны, мы просто очередной эволюционный шаг в истории длиной 4 млрд лет, которая, скорее всего, будет еще долго продолжаться после того, как наш род вымрет или превратится в какой-то новый вид. Некоторые утверждают, что одни только мы, исключительно собственными силами, в состоянии радикально изменить климат и окружающую среду Земли, но вырабатывающие кислород фотосинтезирующие микробы и разнообразные зеленые растения, которые пришли им на смену, изменили близповерхностные условия на нашей планете намного сильнее, нежели на это способны какие бы то ни было человеческие действия. Другие указывают на глобальное преобразование континентов, производимое человечеством с его городами, дорогами, шахтами и фермами, но деревья и травы намного превосходят нас по влиянию на ландшафт. Еще кто-то говорит, что наш вид уникален своей потенциальной способностью к разрушению планеты, но неоднократные катастрофические столкновения с астероидами и взрывные извержения мегавулканов имели намного более чудовищные последствия, чем любое оружие, разработанное человеком.

С другой стороны, наш человеческий вид действительно обладает беспрецедентными талантами. В истории жизни мы уникальны своей технической смекалкой при адаптации к окружающей нас среде и ее изменении в масштабах от местного до глобального. Мы уникальны своим изобретательным использованием других биологических видов — животных, растительных и микробных. Мы уникальны своим непреодолимым желанием и способностью исследовать Вселенную за пределами нашего мира, чтобы, возможно, в конечном счете колонизировать другие планеты и спутники. И мы уникальны своим влиянием на углеродный цикл Земли — цикл, который серьезно затрагивает каждый аспект нашей планеты: Землю, Воздух, Огонь и Воду.

Люди выделяются среди прочих форм жизни и сумасшедшим темпом тех изменений, которые мы производим. Мы меняем планету со скоростью гораздо большей, чем любой вид до нас, — со скоростью, которая выше только у внезапных катаклизмов вулканических извержений и падающих с небес камней. Микробам потребовались сотни миллионов лет, чтобы насытить кислородом атмосферу, и, возможно, еще миллиард — чтобы насытить кислородом океаны. Многоклеточной жизни понадобились десятки миллионов лет, чтобы колонизировать сушу после самых первых робких поползновений. Эти изменения были сильными, но они происходили в геологических масштабах времени, что позволяло жизни и неживой природе коэволюционировать постепенно. Экосистемы Земли необыкновенно гибки — но им нужны поколения, чтобы перестроиться, эволюционировать и «перезагрузиться» в ответ на новые условия окружающей среды. Если люди и представляют какую-то особенную угрозу для Земли, как опасаются некоторые ученые, то именно своими небывалыми темпами изменений окружающей обстановки, что несет в себе величайший риск разрушения биосферы.

Тем не менее у камней и разнообразных микробов, которые живут среди них, проблем не возникнет — какие бы раны мы ни нанесли своему дому и, сами того не желая, своему виду. Земля будет вращаться дальше, жизнь не прекратится, а мощный процесс эволюции посредством естественного отбора гарантирует, что новые существа продолжат заселять каждую нишу на нашей планете.

Великая вечная симфония углерода объединяет все природные сущности — Землю, Воздух, Огонь и Воду. Ни одна из них не пребывает в изоляции, все являются важными частями целого. Земля выращивает твердые кристаллы с углеродом — прочное каменное основание суши и океанов. Воздух содержит обнимающие и объединяющие всех нас молекулы с углеродом, — вечно циркулирующие, защищающие и поддерживающие жизнь. Огонь, рожденный с участием углерода, заряжает планету энергией и обеспечивает непревзойденное молекулярное разнообразие материальному и живому миру. Вода, породившая углеродную жизнь, питает ее, пока та эволюционирует и распространяется во все уголки земного шара. В крещендо исключительной гармонии и сложного контрапункта каждая из этих земных сущностей углерода приветствует остальных и приветствуется ими.

Люди научились накладывать на эту древнюю партитуру свои насущные темы и все ускоряющиеся темпы. Мы изымаем из Земли минералы. Мы загрязняем Воздух отходами. Мы эксплуатируем Огонь для удовлетворения своих нужд и потребностей. Мы злоупотребляем наполненной жизнью сферой Воды, зачастую не задумываясь о том, какие виды в ней живут и умирают.

Мы — каждый из нас — должны поступиться срочностью своих желаний, чтобы увидеть наш драгоценный планетарный дом как уникальное, но уязвимое жилище. Если мы окажемся мудры, если нам удастся сочетать наши желания с обновленным чувством благоговения и восхищения, если мы сможем научиться ухаживать за своим невероятно прекрасным, богатым углеродом миром, как он этого безотлагательно заслуживает, — тогда у нас появится надежда, что мы оставим нашим детям, их детям и всем последующим поколениям поистине непревзойденное и бесценное наследие.

Благодарности

При написании этой книги-симфонии мне очень помогли мои коллеги по Обсерватории глубинного углерода. Но ни одно открытие DCO не произошло бы, если бы не знакомство с Джесси Аусубелом и не последующая поддержка и советы от него, а также его коллег из фонда Альфреда Слоуна — особенно координатора программ Паулы Олсивски.

Бывший директор Геофизической лаборатории Рас Хэмли определил масштаб и суть DCO, а также придумал само название — Обсерватория глубинного углерода. Этот исследовательский проект изначально сформировала директор DCO Конни Бертка, которая смогла представить себе организационную структуру, основанную на энтузиазме, идущем снизу вверх и упорядоченном мягким подстрекательством сверху вниз.

Я в большом долгу перед сотрудниками секретариата DCO, с которыми имел удовольствие работать ежедневно. Директор Крэг Шиффрис руководил комплексной международной программой с большим мастерством и юмором, выживая в знойных нефтеносных долинах Восточного Китая, среди токсичных испарений вулканов в Италии и растрескавшихся скал Омана. Крэг также постоянно помогал мне советами и поддерживал во время написания этой книги; его мысли так или иначе всюду отражены. Менеджер программ Андреа Мэнгам, самый давний член команды DCO, на экспертном уровне управляла финансовым благополучием DCO, а ее голос был неизменно успокаивающим. Дженнифер Мейс и Мишель Хун-Старр привнесли свои профессиональные знания в написание текстов, веб-дизайн и материально-техническое обеспечение DCO, излучая при этом вдохновляющий энтузиазм и ответственный подход к успеху организации.

DCO не преуспела бы без профильного международного научного руководства Исполнительного комитета, возглавляемого Крэгом Мэннингом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Я учился у всех членов комитета, включая Джона Баросса, Тараса Брындзю, Изабель Даниэль, Эдриана Джонса, Дональда Дингуэлла, Клода Жопара, Луизу Келлог, Дэвида Коула, Карен Ллойд, Бернара Марти, Паулу Олсивски, Эйзи Отани, Терри Планк, Роберта Покални, Николая Собелова, Митча Соджина Винченцо Станьо, Питера Фокса, Эрика Хаури, Кай-Уве Хинрикса, Рассела Хэмли, Барбару Шервуд-Лоллар, Крэга Шиффриса, Мари Эдмондс.

При рецензировании нескольких версий этой рукописи свои экспертные мнения предоставили многие специалисты. Я благодарен Дэвиду Димеру, Патриции Дав, Оливии Джадсон, Дэвиду Коулу, Дарлин Трю Крист, Джи Ли, Андреа Мэнгам, Скотту Мэнгаму, Крэгу Мэннингу, Сюхею Оно, Саре Ругхаймер, Димитри Сверженски, Эрику Смиту, Полу Фальковски, Терезе Форнаро, Шону Харди, Грете Хистад, Крэгу Шиффрису, Мари Эдмондс, Шарлин Эстраде, Эдварду Янгу.

Я признателен своим коллегам по нашей прекрасной организационной команде DCO — Робу Покални, Кэти Пратт и Дарлин Трю Крист, которые очень помогли мне в осуществлении моего проекта, а отдельно — Джошуа Вуду, который оказал принципиальную помощь при отборе и обработке фотографий для вклейки.

Я в особом долгу перед своими редакторами и издательской командой W. W. Norton. Куин До отредактировала рукопись с глубокой проникновенностью. Она привнесла в этот проект как восторг от замаха книги, так и тщательное внимание к деталям. Благодаря въедливым и продуктивным замечаниям литературного редактора Стефани Хиберт стала лучше каждая страница книги. Я также благодарю редактора проекта Эми Медейроз, менеджера по производству Джулию Драскин и художественного редактора Ингсу Лю.

Мой литературный агент, Эрик Лупфер из Fletcher and Company, был неисчерпаемым источником мудрых советов и неослабевающей поддержки. Он стал одним из первых, кто приветствовал концепцию книги как симфонии.

Наука стоит денег. Ни одно из достижений, описанных в этой книге, не оказалось бы возможным без поддержки правительственных организаций и частных фондов. Я безмерно признателен Национальному научному фонду, Геологической службе США и NASA, в частности замечательной программе Марсианской научной лаборатории и Астробиологическому институту NASA (вот на что идут ваши налоги). За щедрую поддержку я благодарен не только фонду Альфреда Слоуна, но и фонду У. М. Кека, фонду Джона Темплтона, фонду Саймонса, фонду Гордона и Бетти Мур, а также Институту Карнеги.