Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

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», —