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

Проходят еще один-два миллиона лет. А затем в береговую линию врезается астероид диаметром больше километра и происходит всеобщее разрушение. Минералы углерода испаряются, возвращая углекислый газ в атмосферу. Цикл повторяется: из воздуха в океан, из океана в горные породы, но на этот раз слой карбонатов, захваченный опускающимся фрагментом плотной земной коры, медленно погружается в верхнюю мантию, где внутреннее тепло Земли расплавляет вмещающую породу. Этот расплав, богатый водой и CO2, поднимается все выше, а давление пока в состоянии удерживать летучую смесь. Когда магма подходит к поверхности, флюиды внезапно и бурно превращаются во взрывной поток, который, вырываясь наружу, забрасывает окрестности вулканическими бомбами и пеплом. И снова наш атом углерода высвобождается в воздух в виде молекулы CO2.

Этот повидавший мир атом углерода, подзаправившись ближайшей вспышкой молнии, соединяется с азотом и другими атомами для образования аминокислоты — молекулы, которая живет всего несколько дней, пока не распадется под действием ультрафиолетового излучения Солнца. В своем более стабильном облике, в виде молекулы углекислого газа, наш атом очередной раз вступает в цикл — отправляется из воздуха в океан. Этот атом неоднократно подвергается химическим реакциям в глубинных жерлах гидротермальных источников на дне океана, образуя аминокислоты, которые выживают там лишь несколько недель, прежде чем распасться обратно до CO2. Вот так рожденный звездой атом циркулирует по резервуарам Земли эон за эоном, переходя из газа в жидкость, а потом в камень и обратно бесчисленное количество раз.

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