Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Противоречие между воспроизводством и метаболизмом остается одной из самых трудных преград к пониманию того, как эволюционировала жизнь на Земле. Для этого требуется больше знаний об электрической схеме жизни. Мне далеко не сразу удалось соединить в своем мозгу пресловутые два мира. Честно говоря, я не уделял большого внимания невидимым мирам и в моем формальном обучении. Объединение схемы электрической циркуляции жизни с эволюцией организмов отнюдь не стояло в списке задач или приоритетов у моих школьных учителей или университетских преподавателей. Мне следовало обнаружить эти связи самостоятельно.

В старших классах школы, в которую я ходил, биология была дополнительным курсом и не включала в себя области, которые меня интересовали. В основном меня натаскивали по математике, физике и химии. Только став значительно старше, я осознал, что в книгах по биологии, которые мне давали читать в колледже, о микробах по большей части речь не шла – они рассматривались лишь как переносчики болезней (те же самые «червячки»). Разговоры об эволюции, когда они случались, почти всегда вращались вокруг животных и растений. Биологические статьи, которые требовалось читать, было не только невозможно достать – они были к тому же невыносимо скучны. Я не мог понять, как можно такой волнующий предмет, как изучение жизни, превратить в нечто настолько забитое никому не нужным научным жаргоном.

Тем не менее, будучи студентом нью-йоркского колледжа, обращающим внимание на окружающий мир, я вспомнил, как видел множество бабочек в парке рядом с моим домом – вдоль Риверсайд-драйв. Мне отчетливо припомнилась статья в National Geographic, где рассказывалось о миграции этих бабочек из какого-то отдаленного места в Мексике за тысячи миль на север, в Риверсайд-парк. Я мог лишь гадать, что им довелось пережить на своем пути к этому, казалось бы, никчемному клочку земли в Гарлеме. Было совершенно невозможно поверить, что столь хрупкие с виду создания могли выдержать переселение за несколько тысяч миль. Для меня они стали живой эмблемой жизненной силы. Подобно той мечте, что зародилась в моем юном сознании при виде модели парусника в библиотеке на 125-й улице, эти бабочки смогли выйти за границы своего обычного существования, чтобы открывать новые миры.

В колледже мы узнали, как отличать правый глаз коровы от левого, вызубрили названия костей человеческой руки, а также названия и формы различных цветов и фруктов. Большое внимание было уделено эволюции зубов и стадиям развития зародыша цыпленка. В результате неизбежно прививающийся, все менее вразумительный и большей частью ни на что не пригодный биологический лексикон стал для нас более важен, чем сам предмет изучения. К концу моего обучения в колледже практически все былое восхищение чудесами биологии, столь вдохновлявшее меня в детстве, как и следовало ожидать, оказалось перечеркнуто и уступило место формализованному языку и ритуализованной научной культуре. Наука – это философский культ, въевшийся в умы даже самых продвинутых ученых настолько глубоко, что ключевые вопросы, такие как: «Что такое жизнь? Когда она появилась? Как она устроена?», превратились в отдаленное воспоминание, если они вообще когда-либо задавались.

Вполне в духе армейских инструкторов по строевой подготовке многие из моих преподавателей всеми силами старались выкорчевать из моей головы эти и им подобные дерзкие вопросы. Восхищение или тем более радость от занятия биологией – да и вообще наукой, если на то пошло, – не имели никакого значения для жизни будущих медиков, которых из нас готовили. Если я собирался стать успешным солдатом в армии на службе биологических исследований, мне следовало владеть терминологией, знать факты и забыть об электрических схемах жизни и микробах. Я не виню моих профессоров, многие из которых руководствовались вполне благими намерениями. Такова была в те годы, а зачастую остается и по сей день, научная культура: найти «лучшее» и исключить «худшее». Проблема в том, как породить в молодых умах желание браться за самые сложные вопросы – а понимание происхождения жизни весьма сложный предмет. К несчастью, в процессе исключения «худшего» некоторые преподаватели зачастую систематически выпалывают из науки самые пытливые и творческие умы.

Лишь много позже, когда я принялся серьезно работать в настоящем природном аквариуме – океане, я начал размышлять о том, почему нет бабочек на Венере, и если бы они там были, то смогли бы мы об этом узнать? Я стал осознавать масштаб того, насколько все находится под контролем микроорганических процессов, которые делают Землю обитаемой для растений и животных, включая нас самих; я понял, что организмы, которые я в детстве наблюдал в микроскоп, связаны между собой невидимым, но вполне реальным электрическим контуром жизни. Именно этот контур позволяет нашей планете функционировать.

Эта книга представляет собой попытку исследовать и объяснить, как возникла эта глобальная электрическая схема, как она контролирует природное равновесие на Земле и как люди могут ее нарушить, подвергая себя потенциальной опасности. Начнем с того, что мы видим – а зачастую и не видим – в макроскопическом мире, том, в котором мы живем.

Глава 1. Незамеченные микроорганизмы

Несколько лет назад я получил возможность поработать на исследовательском судне на Черном море, у северного побережья Турции. Черное море – поразительный и уникальный водоем: ниже приблизительно 150-метровой отметки в нем нет кислорода. Задачей моей работы было изучить фотосинтезирующие бактерии в верхнем 150-метровом слое.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию солнечного света для строительства новых клеток. В любой части Мирового океана существуют микроскопические фотосинтезирующие организмы – фитопланктон, которые продуцируют кислород. Они являются предшественниками высших растений, но появились на Земле значительно раньше. Через несколько дней плавания инструмент, который моя исследовательская группа использовала для распознавания фитопланктона (особый тип флюорометра, который мы разработали уже много лет назад), зафиксировал странные сигналы, каких никто из нас прежде не видел. Сигнал исходил с довольно большой глубины – как раз из той части водной толщи, где никакого кислорода уже нет и освещенность очень низкая. В процессе дальнейшей работы я понял, что организмы, испускающие этот странный флюоресцентный сигнал, обитают в очень тонком слое воды – толщиной, возможно, не более метра. Это были фотосинтезирующие бактерии, но в отличие от фитопланктона, обитающего в верхней части водной толщи, они не могли продуцировать кислород. Эти бактерии были представителями древнейшей группы организмов, возникших в процессе эволюции задолго до фитопланктона. Они были реликтовыми представителями того времени, когда кислород еще не появился на нашей планете.

Работа на Черном море оказала глубочайшее влияние на мои представления об эволюции жизни на Земле. Отбирая образцы из все более глубоких слоев водной толщи, я мысленно возвращался вспять во времени, обнаруживая микроорганизмы, некогда населявшие все океаны, а сейчас ограниченные лишь очень малой частью своего прежнего местообитания. Организмами, испускавшими тот странный флюоресцентный сигнал, оказались фотосинтезирующие зеленые серные бактерии – облигатные анаэробы. При помощи энергии Солнца они расщепляют сероводород (H2S) и используют образовавшийся водород для производства органических соединений. Эти организмы могут жить при очень низком уровне освещенности, но не переносят даже весьма незначительного присутствия кислорода.

На протяжении нескольких последующих недель, курсируя по Черному морю с целью сбора образцов в различных его частях, мы наблюдали стаи дельфинов и рыб в верхних слоях воды, но ниже приблизительно 100-метровой отметки многоклеточные организмы отсутствовали. Животная жизнь не может долго существовать без кислорода, а здесь, на глубине, он исчезал. Бактерии преобразовали экосистему Черного моря: в верхнем 100-метровом слое они продуцировали кислород, но в более глубоких слоях, наоборот, поглощали его. Таким образом они сделали бассейн Черного моря своей уникальной экологической нишей.

Рис. 1. Теоретический график распределения кислорода и сероводорода (газа с запахом тухлых яиц) в верхнем 300-метровом слое Черного моря. В Мировом океане этот водоем является уникальным. В большинстве океанических и морских бассейнов кислород прослеживается вплоть до самого дна. Здесь же, чуть ниже отметки, куда проникает лишь 1 % солнечного света, приходящего на поверхность, существует очень тонкий слой фотосинтезирующих бактерий, которые при помощи солнечной энергии расщепляют сероводород, используя его для своего роста. Метаболизм этих организмов чрезвычайно древен; вероятно, он возник более трех миллиардов лет тому назад, когда концентрация кислорода на поверхности Земли была еще чрезвычайно низкой