Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым.

 

© ООО Издательство «Питер», 2016

 

* * *

Моим родителям Эду и Хелен, моей жене и подруге Сари Раскин, а также нашим дочерям Саше и Мирит

 

Благодарности

 

Я обдумывал эту книгу уже довольно давно. Она была написана в несколько приемов на протяжении почти двухлетнего периода. Эта книга стала развитием моих идей, изложенных в курсе «История земных систем», который я ежегодно читаю в Ратгерском университете; однако я не хотел, чтобы она превратилась в еще один учебник. Мне хотелось обратиться к более широкой читательской аудитории и попытаться разъяснить, что мы знаем и (пожалуй, это еще важнее) чего мы не знаем о роли, которую сыграли микроорганизмы в процессе превращения Земли в обитаемую планету. Львиная доля работы была проделана, пока я находился в творческом отпуске в Рэдклиффском институте перспективных исследований при Гарвардском университете. Я чрезвычайно признателен людям, оказавшим мне гостеприимство в институте, а также моим университетским коллегам, взявшим на себя труд прочитать и прокомментировать первые несколько глав. В особенности хочу поблагодарить Рэя Джайявардхану (он же Рэй Джей) (Ray Jayawardhana), Тамару Шапиро (Tamar Schapiro), Бенни Шайло (Benny Shilo) и Алессандру Буонаньо (Alessandra Buonanno) за помощь, оказанную мне в начале работы.

Я в долгу перед моим другом и гарвардским коллегой Энди Ноллом (Andy Knoll) за поощрение и критику моих первых глав, а также за многочисленные обсуждения в тот период, когда я был в Кембридже, штат Массачусетс. Я благодарен моему покойному другу Тоширо Саино (Toshiro Saino), пригласившему меня прочесть курс лекций в Нагойском университете в 2006 году. После лекций в Японии мне почти сразу же удалось выстроить структуру этой книги. Разговоры со множеством людей за долгие годы помогли мне оформить мои идеи о роли микроорганизмов в возникновении жизни на нашей планете. Я благодарен Тому Фенчелу (Tom Fenchel) и Эду Делонгу (Ed Delong), сотрудничавшим со мной в работе над статьей, где описывалась роль микроорганизмов в поддержании биохимических циклов. Основные положения этой статьи оказались чрезвычайно важны при разработке нескольких глав этой книги. Покойная Линн Маргулис (Lynn Margulis) оказала мне большую поддержку; во время обеденных перерывов у нас было множество интересных разговоров о симбиозе. Благодаря Джо Киршвинку (Joe Kirschvink) и Минику Розингу (Minik Rosing) мне удалось понять, как много могут рассказать древние камни.

Множество людей чрезвычайно мне помогли, вычитывая главы книги и делая конструктивные замечания; в особенности я благодарен Сэму Элворти (Sam Elworthy), ходатайствовавшему за мою книгу, пока он работал в издательстве Принстонского университета, и моему редактору Элисон Калетт (Alison Kalett) за терпение и новые идеи, которые помогли улучшить книгу. Отдельно хочу поблагодарить мою жену Сари Раскин (Sari Ruskin) за ее чрезвычайно дельные замечания и поддержку. Мой давнишний друг Боб Кросс (Bob Kross) выдвинул много интересных предложений. Спасибо Форду Дулитлу (Ford Doolittle), Дэйву Джонстону (Dave Johnston), Дону Кэнфилду (Don Canfield), Полу Хоффману (Paul Hoffman) и Дугу Эрвину (Doug Erwin), указавшим мне на ключевые ошибки, которые иначе прошли бы незамеченными. Ник Лэйн (Nick Lane) был в высшей степени любезен в своих хвалебных отзывах о тех нескольких главах, которые я попросил его прокомментировать, и я получил большое удовольствие от обсуждения с ним основополагающих концепций моей книги. Множество моих студентов, постдоков и сотрудников на протяжении длительного времени помогали мне оформить мои мысли о роли микроорганизмов в эволюции жизни на Земле. Я признателен организациям, поддерживавшим мои исследования: NASA, Национальному научному фонду, Агуронскому институту и фонду Гордона и Бетти Мур. Благодарю Сари и двух наших дочек, Сашу и Мирит, за их понимание и терпение и прошу извинения за время, украденное у них, пока я работал над книгой. Я благодарю моих коллег по Ратгерскому университету, где я работал начиная с 1998 года. Никогда бы не подумал, что, будучи биофизиком и океанографом, я в один прекрасный день стану преподавать «Историю земных систем» на геологическом факультете. Однако более всего я благодарен моим родителям, которые не были учеными, однако с детства поощряли меня следовать в жизни за своей мечтой и предоставили мне интеллектуальные возможности и эмоциональную поддержку, которые так благотворно сказались на всей моей взрослой жизни.

 

Пролог

 

Жизнь представляет собой цепь взаимосвязанных исторических случайностей, непредвиденных поворотов и неожиданных возможностей. Я вырос в нью‑йоркском муниципальном микрорайоне на окраине Гарлема. Когда мне было около девяти лет, моя мама подружилась с молодой парой из нашего дома. Это были аспиранты Колумбийского университета, они жили несколькими этажами ниже.

Билл Коэн и его жена Мириам изучали биологию, и в их квартире находились аквариумы с тропическими рыбами. Это была чудесная молодая чета, и моя мать, разумеется, надавала им множество советов, в которых они не нуждались. Детей у них еще не было, и вскоре после того как мама познакомила меня с ними, они пригласили меня к себе посмотреть на рыб. И я пропал!

Уже через несколько недель после нашего знакомства я получил от Билла и Мириам небольшой аквариум и принялся выращивать рыбок гуппи и зеленую водоросль нителлу, наблюдая за тем, как беременные самки дают жизнь новому потомству гуппи на ложе из водорослей. Я читал все книги о тропических рыбах, что мог достать. У меня развилась настоящая мания – мне хотелось узнать о них все, как и о рыбах вообще. Сам того не понимая, я ступил на путь, который сделал из меня биолога, – все благодаря случайному знакомству моей не в меру любопытной, словоохотливой матушки с парой молодых аспирантов, ехавших вместе с ней в лифте.

Время шло; я откладывал карманные деньги и то, что мне удавалось заработать, выполняя небольшие поручения, и покупал все более и более объемистые аквариумы и все более дорогостоящих экзотических рыб в легендарной Aquarium Stock Company, занимавшей целый квартал в Южном Манхэттене, между Уоррен‑стрит и Мюррей‑стрит. Это было место, где заядлые любители тропических рыб утоляли свою страсть.

Приблизительно в это же время мой отец купил мне небольшой микроскоп в Американском музее естественной истории, куда мы несколько лет ходили вместе едва ли не каждую субботу. Почти наверняка за микроскоп запросили больше, чем он стоил, и для моего отца это были большие деньги, однако я мечтал о нем уже давно; это был подарок ко дню рождения, который изменил мою жизнь. Я понимаю, что музеям необходимо получать деньги за микроскопы и тому подобное, но было бы гораздо лучше, если бы они могли просто раздавать их бесплатно всем детям, приходящим в музей.

Подарок отца позволил мне увидеть и исследовать невидимый, волшебный мир микроскопических организмов, что плавали у меня в аквариумах. Даже несмотря на то, что мой микроскоп был не самого высокого качества, он позволил мне прикоснуться к миру, о котором я не мог и мечтать. Сказать, что эти организмы были чудесными, – значит не сказать ничего.

Сотни часов я проводил, глядя в окуляр моего микроскопа в попытке постичь сюрреалистичный микроскопический мир, события в котором разворачивались у меня перед глазами, – мир, столь чуждый моему повседневному опыту. Я видел, как микроорганизмы поглощают частицы меньшего размера. Я видел, как делятся одноклеточные организмы. Я наблюдал, как одни организмы плавают, а другие передвигаются, «шагая» по предметному стеклу. Я не понимал, каким образом эти организмы перемещаются, как они питаются, как вообще живут.

Читая книги, взятые в местной публичной библиотеке на 125‑й улице, я понемногу начал узнавать кое‑что о мире микробов. Кроме того, в библиотеке еще имелась замечательная деревянная модель парусного судна. Она располагалась на внушительной лестнице, которая вела на второй этаж. Чтобы добраться до взрослого отделения, где хранились книги по науке, я должен был миновать парусник. И пока я шел от парусника к научным книжкам, я предавался мечтам о мирах за пределами Гарлема. Меня все больше увлекал процесс добывания сведений об экзотических местах Африки и Южной Америки, откуда были родом мои рыбы, а также распознавания различных микроорганизмов по рисункам в тех немногочисленных книжках по этому предмету, которые можно было найти в библиотеке.

С помощью моего микроскопа и книг из библиотеки я понемногу начинал понимать, как инфузории‑туфельки передвигаются, используя свои реснички, и как амебы скользят над поверхностью мелкозернистого гравия, выстилавшего днища моих аквариумов. Я узнал, что некоторые организмы тянутся к свету, а другие избегают его, что одним организмам для существования необходимо освещение, а другим – добавление органического вещества. Я начал выращивать колонии микроорганизмов из образцов воды, взятых в озерах Центрального парка и из луж на Риверсайд‑драйв. Я пытался «думать» как микроб, что для ребенка не так уж сложно, даже если это происходит только в воображении.

Когда рыбы в моих аквариумах начали размножаться, я смог изучать развитие их эмбрионов за прозрачными оболочками икринок. При помощи моего микроскопа я наблюдал различные формы водорослей, растущих на стенках аквариумов, и видел, как улитки соскребают и поглощают их. Переворачивая гравий и перекладывая камни на дне, я мог рассматривать на предметном стекле детрит (донные отложения), с трудом различая движения мельчайших микроорганизмов, которые все называли бактериями. В то время я еще не очень хорошо понимал, что представляют собой эти «бактерии» и какова их связь с аквариумными рыбами и растениями.

Моя мама, у которой была навязчивая идея относительно пищевых отравлений, постоянно предупреждала меня насчет «червячков» в моих аквариумах, из‑за которых я могу заболеть, если буду пить эту воду. Я не очень хорошо понимал, что это за «червячки», но осознавал, что с ними шутки плохи. Мама заставляла меня мыть руки каждый раз после того, как я перекладывал в аквариумах камни или отбирал образцы.

Разумеется, мне бы и в голову не пришло пить воду, в которой живут мои рыбы, но почему я, в принципе, могу от этого заболеть, оставалось загадкой. Ведь самим рыбам «червячки» не приносили никакого вреда, хотя они и пили эту воду – во всяком случае, мне так казалось. Неужели я действительно заболею, если попью воды из аквариума? Я не отваживался проверить. Вода наливалась из крана в ванной, рядом с моей комнатой. Я пил эту воду каждый день. Однако если бы мне вздумалось налить рыбам воды прямо из‑под крана, они бы умерли. Я знал, что рыбы не переносят содержащийся в водопроводной воде хлор и что они могут жить только в такой среде, где есть бактерии и другие микроорганизмы. В то же время сам я мог спокойно пить воду, содержащую хлор, но почти наверняка бы заболел, если бы попил воды из аквариума. Получается, что в моем мире хлорированную воду пить было можно, но мои рыбы могли от нее умереть, потому что в их мире хлор убивал «червячков»? Это казалось лишенным смысла.

Выходило так, что микроорганизмы могли быть и хорошими и плохими одновременно. Для меня в мои девять лет было непросто осознать этот кажущийся парадокс. Было очевидно, что «червячки», приводившие в такой ужас мою маму, играли важную роль в моих аквариумах. Понемногу я начинал понимать, что эти «червячки» и есть микробы. В то время еще не было известно, что у каждого из нас внутри живет огромное множество микробов и что они столь же важны для нашего существования, как микробы в аквариумах для жизни рыб.

Мир микробов все более очаровывал меня, я бы даже сказал – поглотил с головой. Я проводил бесчисленные часы, далеко за полночь, разглядывая в окуляр микроскопа образцы из моих аквариумов и слушая в наушниках моего детекторного радиоприемника, как «Кузен» Брюси Морроу ставит хиты шестидесятых на радио WABC.

На протяжении нескольких лет моя жизнь была полностью сосредоточена на аквариумах, микроскопе и живших в моих аквариумах микроорганизмах. Однако к тринадцатилетнему возрасту мои горизонты стали расширяться. Меня все больше интересовал другой невидимый мир – мир электромагнитного излучения. Правда, тогда я его так не называл. Кажется, я думал, что это просто радиоволны или что‑то типа того. Каким образом изображения и звуки могли передаваться с далекой станции ко мне в квартиру? Для меня это был совершенно невероятный феномен.

В области электромеханики мои родители были абсолютными луддитами. От них нельзя было ждать какой‑либо помощи в понимании принципа работы радио и тем более телевидения. Радио мы иногда слушали, но только классическую музыку (мои родители не одобряли ни джаз, ни рок‑н‑ролл). Телевизора у нас не было. Мой отец называл телевизоры «пожирателями времени» и считал, что для нормальной жизни они совершенно не нужны. Зато книг у нас в доме были буквально тысячи – и мой отец постоянно читал, читал и читал. Это с его подачи я пристрастился к чтению серьезной литературы. (Не знаю, если бы он дожил до появления Интернета, как бы он его назвал – вероятно, «предприятием по вымоганию времени» или как‑нибудь в этом роде.) Тем не менее, хотя он и внушил мне глубокое уважение к литературе и печатному слову, получилось так, что, смотря телевизор в гостях у друзей, я все больше загорался желанием выяснить, каким образом можно передавать звуки и изображения на расстояние без проводов. В моей жизни звуки и изображения сыграли преобразующую роль. Я не мог себе представить, как их можно передавать в эфире так, чтобы они проигрывались на телевизоре, однако в принципе мог понять, как именно у Кузена Брюси получается проигрывать запись где‑то в Мидтауне так, что я могу слушать ее на своем детекторном приемнике на расстоянии нескольких миль. Я твердо вознамерился выяснить, как работает эта магия.

Накупив дешевых деталей в маленьких магазинчиках на Кэнал‑стрит, я соорудил детекторный радиоприемник. Самый сильный сигнал ловился на волне 770 AM – это было радио WABC. Фактически сигнал был настолько сильным, что оказался единственным сигналом, который я мог слушать на своем детекторном приемнике, использовавшем невероятно слабое электрическое поле, источником питания для которого служили радиоволны. Я мог прицепить зажим «крокодил» со своего приемника к батарее и бесплатно слушать музыку через маленькие наушники. «Кузен» Брюси был супер‑диск‑жокеем – перед каждой новой песней он выкрикивал несколько хвалебных фраз и объяснял, кто из музыкантов самый крутой. Это было просто отлично; Брюси был именно тем парнем, которого следовало слушать, вычищая аквариумы и перекладывая камни на дне.

Подрастая, я стал выполнять разные случайные работы неподалеку от дома, благодаря чему имел достаточно денег, чтобы покупать для своих аквариумов самые экзотические виды рыб. Одновременно я покупал подержанные или скидочные радиодетали в многочисленных лавочках на Кэнал‑стрит. Я сделался страстным поклонником африканских цихлид, параллельно сооружая усилители, приемники и другую незамысловатую радиоаппаратуру. Я усвоил основы генетики, выращивая и продавая экзотических рыб Альфреду из Aquarium Stock Company. Я узнал, как замедляют электроны в резисторах и накапливают в конденсаторах, как работает электронная лампа, а также – конструируя радиоприемники и небольшие передатчики – каким образом передаются и принимаются невидимые радиоволны. Однако все это время в глубинах моего сознания хранился образ – модель парусника из библиотеки на 125‑й улице. Это был мой маяк, указывавший путь к другому миру.

У меня ушло еще двадцать лет, прежде чем я по‑настоящему осознал, каким образом организмы, которые мы не можем непосредственно воспринимать при помощи глаз, преобразовали нашу планету, создав глобальную электрическую схему жизни. Они делают свою работу молча, но их электрический контур – не метафора; это в самом деле двигатель жизни на Земле. Хотя их и нет в экспозиции Музея естественной истории, но именно они создали газы, благодаря которым я сейчас живу. Это они удаляют создаваемые мной отходы. Это они превратили крупинку пыли в галактическом пространстве в обитаемую планету.

На протяжении моей дальнейшей жизни мир в аквариумах, который я наблюдал благодаря купленному отцом микроскопу, становился для меня все более значимым, но я не мог в точности сказать почему. У меня ушло несколько десятилетий на то, чтобы понять, что смерть микроорганизмов и их разложение на усыпанных гравием днищах моих детских аквариумов представляли собой миниатюрные модели того, как органические соединения становятся топливом для машины, на которой я езжу. За время моей научной деятельности я начал понимать, что электрические схемы, которые я конструировал в детстве, были аналогами самой жизни – но они были незавершенными. Чего‑то не хватало. Я понял, что не знаю ключевых механизмов функционирования клеток. Они‑то не получают энергию из радиоволн; они берут энергию у более высокоэнергетических частиц света, излучаемых Солнцем. Что еще более загадочно – в отличие от радиоприемников, которые не развиваются из радиоикринок, чтобы стать взрослыми приемниками, клетки раз за разом объединяются и воспроизводятся. Воспроизводство клеток – одна из важнейших функций жизни.

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.