Александр Гордон: Если говорить о системном восприятии мира, а тема у нас сегодня такая, которая должна быть одним из краеугольных камней для понимания системы существования... "Возникновение биосферы" – звучит пугающе.
Георгий Заварзин: Да, и постоянно задается этот вопрос, сейчас очень назойливо он возникает. Дело в том, что здесь есть два подхода. В течение второй половины 20-го столетия, по крайней мере, господствовал редукционизм, и была надежда, что познание элементов живой системы позволит приблизиться к пониманию, и действительно, продвинулись очень далеко.
Но на определенном этапе стало ясно, что существует и другая задача. Задача совершенно противоположная, когда нужно думать, допустим, не о лечении какого-нибудь синдрома Дауна или другой биомедицинской задачи, а когда нужно думать о выживании человечества.
И эта линия, между прочим, возникала раз от разу. Скажем, очень ярко это выразил совсем у нас забытый Александр Гумбольдт еще в конце 18-го столетия – как раз как стремление понять горизонтальный срез через всю планету. Потом она сменилось попыткой объяснить все через историю происхождения – то, что представляет, собственно говоря, несистемный подход.
Надо сказать, что взлет русской мысли в последней четверти 19-го столетия как раз дал очень интересный подход. Одним из самых интересных людей в этом отношении был Сергей Николаевич Виноградский. Он, в общем-то, в наших учебниках попадается, но в зарубежных с него начинается, собственно говоря, микробиология. И он показал, что мир создается деятельностью невидимых (тем, что нельзя показать по телевизору, и поэтому я показать, так сказать, "зверушку" вам не могу). Но важно понять, что именно эти невидимые создают мир.
Когда это началось? В 80-х годах стало понятно, что в дополнении редукционизму, к стремлению понять генетические закономерности, нужно иметь большую систему. Называлась эта вся штука – геосферно-биосферная программа.
И она, в общем-то, воспроизводит идеологию Вернадского, но Виноградский, о котором я говорил, он на четверть века раньше и точнее сформулировал ее. Но он человек был довольно тяжелый, ему один раз в жизни удалось прочитать хорошую лекцию, и то – членам императорской фамилии, когда деваться было некуда.
Так что, история, которую нам показывают и по телевизору, и в музеях, составляет одну восьмую часть истории Земли, когда уже все очень хорошо сложилось, очень хорошо установилось и все эти птички, бабочки, цветочки и ягодки наложились на то, что было создано для них, и без вот этого основания они, собственно говоря, существовать не могут.
Поэтому для того чтобы понять, как возникла биосфера, мы вынуждены двигаться в темный мир докембрия. И такое серьезное продвижение в этом направлении было лет 30-40...
Вот на маленькой картинке, которая сейчас на экране, можно видеть, как распадается вся история Земли. Эта лестница сделана академиком Семихатовым, она изображает тот период, когда существовали только цианобактериальные маты, то есть все, что было на земле, это было цианобактериальное сообщество. Оно оставило совершенно четкие и надежные свидетельства своего происхождения.
Я даже для того, чтобы вы мне поверили, я захватил камень, правда, не за пазухой... Это строматолит, который мне подарил Игорь Николаевич Крылов, один из первых, кто изучил эти вещи. Поверхность, которую вы видите, это как раз пленки цианобактерии, которая окаменела и осталась 800 миллионов лет – это Южный Урал. Вот камушек, который я подобрал около Онежского озера, ему несколько больше, два миллиарда лет. С той стороны вы видите реплику, а вот эта черная вершина, это то, как выглядит высохшая пленка. А с этим я очень прошу вас аккуратно, потому что она не окаменела, ей два года этой пленке. И если вы сравните тот зеленый камень, и этот, то они, в общем-то, окажутся совершенно одинаковыми. Значит, у нас возникает вопрос: а каким же образом в течение двух с чем-то миллиардов лет (хотя о сроках еще идут споры, в которые я не буду вдаваться) они выжили и продолжали существовать, почему их не вытеснили более совершенные цветочки?
Ну, вот то, что я вам показывал – живое, нынешнее – это с Курильских островов, из горячего источника, то есть выживают они в стороне от цветочков. И поэтому мы можем сказать, что область, занятая биосферой, по мере усложнения организмов сокращалась, в общем-то, а отнюдь не расширялась.
Возможности для жизни по мере совершенствования все сокращались и сокращались и приходили, так сказать, к нормальным условиям, которые мы сейчас видим в поле или в лесу.
И переход осуществился примерно два миллиарда лет назад, то есть установившаяся уже наверняка система была примерно два миллиарда лет назад – вот как раз черный камушек, который я вам дал.
Дело в том, что к тому времени уже сформировалась система биогеохимических циклов, а это основная машина планеты. Здесь в качестве основы работает углеродный цикл, и, вообще говоря, эту машину можно просчитать в единицах и граммах органического углерода, можно просчитать как в конвертируемой валюте.
Если покажут следующую картинку, то мне будет легче.
Вы видите, здесь работает цикл, в котором одна реакция обеспечивает поступление органического вещества и отношение атмосферная углекислота, органический углерод и кислород работают в молярном отношении один к одному. То есть для того, чтобы у вас в атмосфере остался кислород, нужно каким-то образом убрать из системы восстановленный углерод. Это действительно происходит, это машина работала, начиная с первых осадочных пород, которые известны – углерод уходил, и, соответственно, кислород оставался. Значит, один к одному работает СО2, О2 и органический углерод.
Вторая система жестко завязанных циклов – это синтез биомассы, потому что для синтеза биомассы нужно соотношение органического углерода и азота – шесть к одному, а для фосфора и органического углерода это соотношение будет больше, чем 116 к одному. Естественно, у растений, имеющих скелет (деревья, например), это соотношение будет гораздо больше, там гораздо меньше фосфора надо. Значит, эта часть жестко связана с совершенно жесткими количественными отношениями.
Теперь фокус в том, каким образом может остаться в атмосфере кислород? Для того чтобы он остался, нам нужно убрать углерод. Имеются два, собственно говоря, процесса – автотрофная ассимиляция фотосинтезом (идет естественная солнечная энергия) и есть второй процесс – разложение этого углерода.
Если дыхание полностью все сжигается, значит, баланс нулевой, ничего не получите, как в пустыни.
А если создаются какие-то условия, препятствующие микробам разложить это синтезированное органическое вещество, то, естественно, углерод уходит в осадочные породы, там основной его резервуар. Он превращается в устойчивый углерод керогена, и, собственно говоря, на этом начинает крутиться вся биогеохимическая машина планеты.
Постепенно в течение истории Земли за счет неполного разложения созданного органического углерода... Почему-то все забывают об одной вещи: смотрят на зеленое растение и говорят: "Ах, вот оно нам дает кислород и убирает углекислоту". Работает, на самом деле, не одно растение, может работать только система из двух компонентов.
Вот для России мы считали такие величины по климату, и получается, что из-за того, что наша страна холодная, из-за того, что у нас много болот, то углерод проваливается в эти резервуары восстановленного углерода. А триста миллиардов тонн углерода (меньше, я округлил цифру) остаются, и это как раз дает кислород в атмосферу. Не столько фотосинтез, которого в тропических лесах, конечно, больше, сколько невозможность разложить углерод в наших болотах, в нашем сезонном климате.
И такая же штука работала не на уровне одного года или сезона, она работала в течение миллиардов лет, причем, содержание этого керогена осталось примерно одинаково в осадочных породах.
Как это может получиться? Видимо, мы можем сказать, что хлорофильное покрытие Земли было более или менее постоянно, оно менялось в разы, но не на порядки. И с этих камушков, которые я вам показал, оно так вот и работало.
Значит, вся биогеохимическая машина планеты сформировалась с цианобактериального сообщества. Цианобактерии или сине-зеленые водоросли, как их иначе называют, составляют очень узкую по своим физиологическим способностям систему, они накапливают разнообразные органические вещества, и эти вещества начинают использоваться очень разными бактериями. То есть на каждую компоненту этого вещества нужно иметь свой "трофический маршрут", который начинается со сложного вещества, с целлюлозы, например, постепенно деградируются мелкие молекулы, доходит до ацетата уксусной кислоты, водорода и там начинает работать вторая часть цикла.
Итак, вот это нужно четко запомнить, что система состоит из продуктивной и деструктивной части.
Чтобы кончить с этими цифрами, я должен упомянуть, что сейчас в море еще работает серный цикл, где разложение идет в условиях отсутствия кислорода за счет восстановления сульфатов в сероводород – все морские системы так работают, как только уходят в анаэробные условия.
А в прошлом, примерно два миллиарда лет назад, в дополнении еще работал железный цикл, тот самый, который создал Курскую магнитную аномалию, Костамукшу, где были накоплены чудовищные запасы кислорода, связанного железом. Считают, что в эти запасы и в сульфаты моря ушло примерно 40 процентов когда-либо образованного кислорода, если считать по углероду, остающемуся в осадочных породах.
Значит, получается такая штука, что вы не можете обходиться одним растением, одним животным, вы обязательно должны брать биосферно-геосферную систему, которая взаимодействует. И без системного подхода вы ничего не можете объяснить. И чем дальше, тем все больше и больше приходится накручивать и расширять эту систему.
А большие системы изучать можно только одним путем: взять сначала очень большую систему, постепенно рассекать ее на части, решать куски и помнить, что когда ты разрезал, выделил какую-то подсистему и начал изучать ее, то тут рядом есть еще одна система, и они взаимодействуют для создания большой системы, например, как климат взаимодействует с биотой.
Теперь еще о чем можно рассказать? Как раз здесь показан кероген, и вот видите там, на пике, есть подъем в карбонатах в возрасте двух миллиардов лет, это как раз тот камушек, который я показывал.
Почему-то в этот момент произошло утяжеление карбоната. В то же время в органическом углероде держится примерное отношение изотопов около минус 25 промилле. И это служит четким доказательством того, что в течение всего обозримого периода работала система, аналогичная цианобактериальной, потому что изотопная характеристика – это характеристика типа усвоения зеленым растением. А зеленое растение, кстати, это тоже просто способ вынести цианобактерию, когда-то занесенную внутрь, на поверхность, в воздух, где больше света, и обеспечить ее водой.
У нас получается так, что вся история Земли в плане цикла углерода, была более или менее постоянна, всегда источником были фотосинтезирующие организмы, использующие цикл Кальвина или рибулозобисфосфатный цикл, но я не буду нагружать вас терминологией.
Два провала вниз объясняют тем, что, вероятно, в этот момент было большое образование за счет окисления метана. Потому что у метанокисляющих идет большее фракционирование, и углерод получается полегче. Но толком в этом нельзя разобраться, потому что тогда к этому же периоду нужно привязать избыток использования кислорода из атмосферы.
Вот на этих картинках показана общая схема.
Мы видим, что работают две взаимодополняющие системы. С одной стороны, наверху, я изобразил эндогенные процессы, происходящие в геологической среде. А внизу нарисовал солнышко, которое светит на биоту, использующую энергию. И у нас получается очень четкая машина, движущаяся Солнцем. В начале происхождения Земли, примерно четыре миллиарда лет назад, сформировалась атмосфера и гидросфера в результате дегазации, в результате ударов планетезималей. С другой стороны, происходило постоянно обновление поверхности Земли. И для того чтобы остался кислород, нужно провести две вещи – нужно убрать СО2 из атмосферы, чтобы не было парникового эффекта и мы не превратились в Венеру. Для того чтобы убрать ее, есть один реальный механизм – это образование известняков, доломитов – карбонатов вообще. Для того чтобы их образовать, нужно вынуть из изверженных пород кальций и магний и засадить их туда. В результате, после того как вы металлы вытащили из пород, у вас останется глина, а глина – это лучший глинистый минерал, естественно, тонко дисперсный материал. Это как раз самая выгодная вещь для того, чтобы захоронить кероген, и значит, вся машина очень жестко опять-таки завязана друг с другом, и вы не можете выбрать из нее какой-то один элемент. Вот в центре я изобразил эти циклы. Мы их подробно рассмотрели.
Теперь давайте сделаем еще следующий шаг – вот страшно упрощенная схема того, как работает трофическая система цианобактериального мата.
Зелененькое наверху – это продуценты, это сине-зеленые водоросли или растения. Верхнюю половину до пунктира занимают аэробные системы с блоками групп организмов и овалами веществ, а ниже пунктира – анаэробная система. Как видите, она опять-таки замыкается в цикл, и конечные продукты анаэробного разложения должны быть снова окислены.
Задача микробиолога – в каждый такой блок, в каждый квадратик посадить необходимые организмы. Вытащить их из природы, посадить в пробирку, изучить, как они работают, и потом скомпоновать в общую систему. Это работа микробиологами была проделана в течение последних ста лет. Причем, основателем этого подхода был тот самый Сергей Николаевич Виноградский. Он после революции остался во Франции, вел себя очень корректно, но, тем не менее, был не слишком популярен у нас в стране.
Можно следующую картинку?
Есть, собственно говоря, два варианта устроить фотосинтетическую систему. Первый – это аэробная система, второй – система пурпурного океана. Мог быть такой океан. Пурпурные бактерии – это анноксигенные организмы, анаэробы. Они используют либо органическое вещество и водород как восстановитель, либо замыкают серный цикл. Такая штука могла быть и, вообще говоря, по одному из вариантов, она могла накачать все сульфаты океана, так что к этой группировке нужно относится серьезно. Но там есть и другие варианты, и вроде бы как раз проходят другие варианты, когда сульфаты накачиваются либо за счет образованного кислорода, либо за счет фотохимии.
Как видите, опять-таки, и здесь, в общей микробиологии, мы не можем работать с одной какой-то чистой культурой. Чтобы понять всю систему, нам приходится все время набирать, устраивать связки веществ, которые работают между микробами. Но можно сказать довольно уверенно, что те трофические системы, которые вы здесь видите, судя по тому, что мы смогли изучить в реликтовых сообществах, они работали в течение всей геологической истории, с самого ее начала.
И поскольку их достаточно для того, чтобы обеспечить работу всех циклов вместе, следовательно, мы можем утверждать, что система бактерий по своим химическим реакциям, по своим химическим способностям необходима и достаточна для поддержания биосферы на Земле, что все остальное есть надстройка над необходимым. И когда нам предлагают смывать бактерии с рук какой-нибудь отравой, то вместе с этим, к сожалению, внедряется представление о том, что, дескать, все они вредные и что чем стерильнее мы живем, тем нам будет лучше. Это абсолютное заблуждение, глубокое заблуждение. Потому что на самом деле вся наша система работает на тех бактериях, на которых нам наплевать.
Можно кадр назад вернуть? Это вот очень схематичное изображение того, где мы находим такие сообщества бактериальные, которые, скорее всего, аналогичны тому, что было примерно два миллиарда лет назад. Это изображение континента, который движется. На его активном крае появляется вулканический пояс, там мы находим термофильные микробы. Дальше, в середке, на континентальных платформах внутри континентов мы находим механизм удаления СО2 из атмосферы благодаря выветриванию, это содовые системы.
Надо сказать, что в этой области, несмотря на весь упадок, моей лаборатории сильно удалось всех обогнать – поэтому я хочу похвастаться немножко.
Вот эти самые строматолиты, которые находятся в зоне образования седиментагинеза, это те организмы, которые задолго до скелетных организмов устроили сток углекислоты из атмосферы и создали карбонатный резервуар, избавили нас от убегающего парникового эффекта, произошедшего на Венере.
На следующей картинке как раз содовое озеро в Центральной Азии, где вы видите отложение соды на берегу. Озеро очень неглубокое, как видите, до колена исследователя. И, наконец, внизу сам цианобактериальный мат, такой же, каким, вероятно, он был миллиарды лет назад.
Вот говорят – "устойчивое развитие". На Земле было устойчивое развитие, когда никто никого не ел. А это было в период бактерий. Бактерии в принципе не могут друг друга есть, им приходится пользоваться другими, тоже не очень ласковыми, но другими путями.
Вот, пожалуй, то основное, что я хотел вам рассказать в очень поспешных и коротких чертах. Потому что каждый квадратик на моей схеме – это сотни организмов, которые нужно разгонять по матрице разных условий, зависящих от РН, температуры, минерализации, всего прочего – и для каждого существует свой набор. Но в принципе, такая трофическая схема достаточна для того, чтобы служить руководством для поиска нового зверя, нового микроба.
И дальше там идут всякие прикладные вещи вроде образования отложений осадочных руд. Это уже несколько специальная вещь.
А на этой картинке вы видите очень увеличенный срез той пленки, что мы показывали, где наверху расположены цианобактерии, белые пятна – это отложение карбонатов. Дальше – черная полоса, это серный сульфатный цикл с образованием черного железа. А дальше – это все повторяется много раз.
Вот, пожалуй, галопом по истории... Я все-таки умудрился 4 миллиарда лет уложить во сколько?
А.Г. В 35 минут.
Первый вопрос к вам. Когда я обращался к микробиологам в этой студии с просьбой разъяснить мне некие странности эволюции бактерий, мне сказали – это вот Заварзин придет, к нему тогда и вопросы, пожалуйста. Из ваших слов и из предыдущего знакомства с этим грандиозным, не нуждающимся в нас мире бактерий, у меня создалось впечатление, что они либо отказываются от эволюции по известным нам принципам, либо эволюционируют как-то по-своему. В чем здесь штука?
Г.З. В той схеме, о которой я рассказывал сейчас, эволюция не нужна им. Просто не нужна.
А.Г. Не нужна – это я понимаю. Но как ее избежать? Ведь мы привыкли считать, что эволюция неизбежна, что мутация накапливается, так или иначе, происходит отбор и так далее.
Г.З. Ой, это не совсем так получается. Потому что эволюция идет, в общем, аддитивно. И я пытаюсь убедить своих коллег-эволюционистов в том, что для того, чтобы новое могло появиться, оно должно согласовываться со старым, с существующим. А раз так, сохранение старого является необходимостью для появления нового.
Только потом и частично может произойти замена. Скажем, цианобактерии, о которых я говорил, могут частично (и это произошло примерно миллиард лет назад) замениться зелеными водорослями, которые, кстати, теряют способность ассимилировать азот. И поэтому система вся остается жестко зависящей от ассимиляции азота бактериями.
Как раз нам сейчас показывают картинку, как живут термофильные цианобактерии вокруг выхода горячей воды. Вода там градусов 70 в середине, и они кругом располагаются, валиком. Это Камчатка. Так что вы бактерии можете руками потрогать и видеть их, когда их много.
А.Г. Получается, что все, что было надстроено, весь этот шалашик, включая нас с вами, он совершенно не обязателен для существования огромной экосистемы. Мало того, в последнее время вмешательство одной из частей этой новой биоты, назовем ее так, наоборот пытается сбить этот ритм, это дыхание. Или все-таки у нас кишка тонка для того, чтобы бороться...
Г.З. Чтобы напакостить? Нет, ну что вы. Наши возможности в этом отношении очень велики. Причем, главное – это не избыток углекислоты с выхлопными газами. Основная беда – это изменение ландшафта.
Для того чтобы сохранить биоразнообразие, поддерживающее Землю, наше существование, нам необходимо сохранять ландшафт. И прежде всего – через углеродные циклы. Понимаете, мы не погибнем, если исчезнет амурский тигр. Очень жалко будет его, но мы не погибнем. А вот если шесть ведущих лесообразующих пород – елки, сосны, березы, лиственницы – засуховершинят и выйдут, то тогда вся система, по крайней мере, северного полушария, полетит в очень неприятном направлении. Вот тогда нам будет очень плохо.
Поэтому, получаются две совершенно разные вещи. Если вы хотите добиваться устойчивого развития, сохраняйте массовые виды – эдификаторы, как их называют в науке.
Если вы хотите сохранять биоразнообразие, пожалуйста, сохраняйте стерха, амурского тигра и все прочее. Но это совершенно другая игра. Это не устойчивость, это генетический резервуар. И самый важный генетический резервуар, кстати, это резервуар бактериальный – он-то идет для биотехнологии.
Значит, чтобы его спасти, вы должны спасти эти системы, вот такие, как я показывал, скажем, для термофилов. Значит, вы должны строить заповедники не только для косуль и калана, но и заповедники для микробов.
Потому что микробы максимально зависят от геосферной обстановки вокруг них. Они сохраняются только как экосистема... Вот тут мелькнула картинка места, где просто льется серная кислота, это на острове Кунашир, я добываю горячих микробов оттуда. Да, да, вроде ада это место.
А.Г. Получается, что если благодаря нашим усилиям или любым другим изменениям в существующем порядке вещей, случится катастрофа, то единственными, кто может претендовать на то, что жизнь восстановится, пусть, может быть, даже несколько в другом виде, являются только бактерии. Потому что чуть-чуть изменится (чуть-чуть, я имею в виду, на десяток градусов) средняя температура на Земле, и это будет огромной проблемой для выживания всей биоты, кроме бактерий.
Г.З. Да, но тут нужно иметь в виду две вещи. То, что выживут другие бактерии, произойдет так называемая адаптивная динамика, не адаптация бактерий тех, которые есть, а смена видов. Потому что для организма с коротким жизненным циклом, как у бактерии, для него выгоднее последовательно заменить один вид другим. В то время как для, скажем, дерева, пожалуйста, – держись в течение ста лет, как не будет колебаться вокруг тебя климат. Сам организм должен адаптироваться, а с бактериями – по-другому.
А.Г. Замена вида вместо адаптации, да?
Г.З. Замена вида... Вот мелькнула хорошая картинка – как я себе представляю Землю два миллиарда лет назад. Это снято на Сиваше, вы видите покров из сине-зеленых водорослей на очень мелкой лагуне, где эти самые камушки образовывались. Так что это вы можете сейчас руками почувствовать, увидеть все это.
А.Г. Да, даже когда камень держишь, которому два с половиной или четыре миллиарда лет, и то некое волнение охватывает. А когда это жизнь, причем, жизнь в неизменившемся виде за такое время... Это меняет философию отношения к тому, что происходит.
Г.З. Совершенно верно, это изменение мировоззрения. И мировоззрение это требует того, чтобы заменить индивидуальные изменения (мутаций, о которых вы говорили) пониманием кооперативной системы.
А.Г. Но тут получается обидная штука. Кооперативная-то она кооперативная, но без нас может обойтись совершенно спокойно. Ну, вымер амурский тигр, ну и хомо сапиенс вымер, подумаешь...
Г.З. Действительно, для существования биосферы это... Ну, что ж, динозавры вымерли – обычно на них ссылаются – их заменил кто-то другой, ну и что?
А.Г. Ну, как? Это такой удар по антропоцентризму, что просто дальше-то уж некуда.
Г.З. Видите ли, я естественник. И поэтому антропоцентризм для меня нечто находящееся в другой плоскости. Если мы захотим говорить о антропоцентристском мировоззрении, я буду говорить о других вещах. Я буду говорить о социальной психологии, я буду говорить об устойчивости кооперативных систем в отличие от систем индивидуальных – они аналогичны тем системам, которые я разбираю.
Скажем то, что я показывал, говоря о системе бактерий. Это то же самое производство на заводе. Тот же самый сетевой график, те же самые потоки в сетях. Это делается на одной и той же логической основе.
А.Г. А как вы относитесь к идее пансперми?
Г.З. Значит, вы хотите меня спрашивать о метеоритах?
А.Г. Я хотел даже дальше спросить. Если пробы грунта с Марса к нам доставят, и там на самом деле была жизнь, понятно, что это была жизнь бактерий. Какие бактерии нам там искать?
Г.З. Там, видимо, искать нужно анаэробов, развивающихся глубоко, за счет эндогенных реакций, нефотосинтезирующих.
Но с этими метеоритами есть гораздо более неприятные вещи. То, что бактериоморфные образования имеют метеоритный возраст в 4,6 миллиарда лет. Больше чем возраст Земли. Вот как с этим распутаться, я плохо себе представляю.
А.Г. Ну, это прямое указание на то, что гипотеза пансперми имеет право на существование и даже получает косвенное доказательство.
Г.З. Если, конечно, то, что мы видим в метеоритах, правильно интерпретируется. В чем есть очень большие сомнения и обоснованные сомнения. Во всяком случае, органическое вещество, которое мы находим в этих метеоритах, перестает быть доказательством абиотического синтеза.
То есть, всю сумму фактов нужно положить в другую коробочку и рассматривать аккуратнее. Ту сумму фактов, на которую намекают и МакКей, и Розонов, и Горленко, и Жмур, – те, кто интерпретируют свои находки как бактериоморфы. Отличить их, вообще говоря, от бактерий трудновато. Могут они быть органическими. Хотя бактерии очень легко имитируются минеральными образованиями.
Так что, это очень профессиональные вещи. Прежде чем найдем абсолютно достоверный кусочек, абсолютно достоверный снимок, все это находится под большим знаком вопроса.
Но главный вопрос – 4,6 миллиарда лет. Где наврали?
Вверх