Диалоги (июнь 2003 г.) - Александр Гордон

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 счёт окисления метана. Потому что у метанокисляющих идёт 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 чёткая 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 её, 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 жёстко опять-таки завязана друг с другом, и вы не можете выбрать из неё какой-то один элемент. Вот в центре я изобразил эти циклы. Мы их подробно рассмотрели.

Теперь давайте сделаем ещё следующий шаг – вот страшно упрощённая схема того, как работает трофическая система цианобактериального мата.

Зелёненькое наверху – это продуценты, это сине-зелёные 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. Причём, основателем этого подхода был тот самый Сергей Николаевич Виноградский. Он после революции остался во Франции, вёл 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 серьёзно. Но там есть и другие варианты, и вроде бы как раз проходят другие варианты, когда сульфаты накачиваются либо за счёт образованного кислорода, либо за счёт 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 всё 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 её 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 всё 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 живём, 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 серёдке, 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 плёнки, что мы показывали, где наверху расположены цианобактерии, белые пятна – это отложение карбонатов. Дальше – чёрная полоса, это серный сульфатный цикл с образованием чёрного железа. А дальше – это всё повторяется много раз.

Вот, пожалуй, галопом по истории… Я всё-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 придёт, 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 чём 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 её 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 идёт, 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 зелёными водорослями, которые, кстати, теряют способность ассимилировать азот. И поэтому система вся остаётся жёстко 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.