Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

мировой войны, контроль над этой территорией был передан Норвегии, но и Россия получила определенные права. На архипелаге два главных города: Лонгйир и Баренцбург. В каждом проживает менее тысячи человек, есть несколько магазинов и ресторанов, нет светофоров, но зато много белых медведей. Всего на Шпицбергене живет около трех тысяч человек – примерно столько же, сколько медведей.

Городок Ню-Олесунн гораздо меньше по размеру, и в нем постоянно проживает лишь несколько десятков человек. Помимо научной работы основная задача здешних жителей – не стать обедом для белых медведей, что требует некоторых усилий. В Ню-Олесунне есть несколько зданий, электростанция, пара-тройка автомобилей и уйма лающих ездовых собак. Если вы увидите белого медведя, порядок действий прост: вы вбегаете в ближайшее здание (для этого двери здесь никогда не запираются) и звоните сторожу, чтобы он предупредил остальных. Если до ближайшего здания быстро добежать невозможно, ситуация усложняется. Хотя бы один член коллектива должен уметь пользоваться мощной винтовкой и ракетницей. Если вы оказываетесь у границы городка, обозначенной крутым земляным валом, вы обязаны остановиться и зарядить винтовку четырьмя патронами калибра 0,308. На месте выполнения полевых работ кто-то один не имеет права заниматься научными изысканиями, а должен оглядывать окрестности на случай появления медведей. Когда эта задача выпадает мне, я всегда чувствую себя дилетантом и бездельницей: я стою, а все трудятся. Но все же это небольшая плата за то, чтобы избежать растерзания белым медведем.

Кстати, об агрессивных животных. Полярная крачка – тоже не очень мирное существо. Эта небольшая птица каждый год перелетает через весь земной шар, получая билет в вечное лето за счет высокоэффективной аэродинамики полета. Шпицберген почти необитаем, но полярные крачки не желают жить в пустынных местах. Они хотят жить в самом центре исследовательского городка, где постоянно пикируют над нами и клюют в голову. Когда я сама еще не была близко знакома с этими птицами, мой коллега и муж Дрю Стин вернулся из экспедиции с удивительными фотографиями крачек, снятых крупным планом. Я недовольно спросила, зачем он так близко к ним подобрался, а он ответил, что использовал камеру для самообороны.

К счастью, пока мы с Джой всю ночь работали под палящим солнцем, нас не атаковали ни крачки, ни белые медведи. Зато мы стали свидетелями странного зрелища, которое изменило ход наших исследований. Пока мы методично регистрировали и упаковывали каждый грамм осадочных пород из кернов, мы увидели, как по фьорду распространяется необычный прилив: все заливала вода, выглядевшая красно-коричневой в свете солнца и темно-красной в тени облаков. Поскольку вероятность библейской чумы была невелика, мы продолжили работу. Позже мы узнали, что эта красная вода вытекала из реки Байелва, которая при летнем таянии ледников переносит богатые железом отложения. Мы видели именно то вещество, из которого состояли изучаемые нами отложения, – материал, неожиданным образом изменяющий термодинамическое пространство обитателей земных глубин и подрывающий наши самые основополагающие представления о жизни. Кажется, например, что в Арктике жизнь должна протекать неспешно, поскольку там господствуют холод, тьма и лед. Однако обитателям земных глубин нет дела до солнечного света или холода. Для них важен показатель ΔG. При очень невысоком уровне энергии в окружающей среде это ярко-красное железо служит энергетическим топливом, которое обитатели земных глубин используют, когда приходит время сражаться.

Термодинамическое оружие

В земной коре нет микробов, способных дышать всеми пригодными для дыхания химическими веществами. Микробы поделили их между собой. Не из благородства. Дело в том, что за наличие любого гена в геноме приходится платить, и поэтому микробы вынуждены специализироваться. Такое разделение труда предоставляет интересные возможности для соревнования. Я рассказывала об уравнении для свободной энергии Гиббса, которое можно использовать, чтобы оценивать имеющееся количество энергии. Но микробы из земных недр не пассивны. Они заставляют ΔG работать на себя и манипулируют им себе на пользу. Нам многое известно о том, как воюют друг с другом микроорганизмы на поверхности Земли: они производят убийственные антибиотики, накапливают питательные вещества и растут невероятно быстро, чтобы быть впереди всех. Подземные жители тоже это делают, но еще они воюют друг с другом с помощью термодинамики. Если у одного микроба ΔG лучше, чем у другого, первый может второго задушить.

Звучит жутковато. Но такие термодинамические войны постоянно происходят в иле на дне океанов, озер и устьев рек. Самые агрессивные воины в термодинамических битвах – микробы, дышащие сульфатами, эдакие подземные полярные крачки, если хотите. Сульфат – химическое соединение без цвета и запаха, которое спокойненько плавает повсеместно в Мировом океане. В нашем внешнем мире, насыщенном кислородом, сульфат довольно стабилен. Мы глотаем его с питьевой водой и даже этого не замечаем. Но обитатели земных глубин делают из него живую материю. Если они дышат сульфатом, то превращают его в сероводород. А сероводород, в отличие от сульфата, не заметить невозможно. Он взаимодействует с железом, образуя черный шлам или блестящий пирит (“золото дураков”), и убивает мелких животных. Он пахнет тухлыми яйцами, наполняя зловонием прибрежный ил. Он закисляет нефтяные скважины и разъедает корпуса кораблей, мешая человеческой деятельности. Но образование сероводорода – лишь одна причина, почему сульфатредукторы являются королями подземного мира. Вторая причина заключается в том, что большая величина ΔG0 обеспечивает им гигантское количество энергии.

Чтобы понять смысл параметра ΔG0, нужно на минутку вернуться к нашему уравнению ΔG = ΔG0 + RTlnQ. Как я объясняла в предыдущей главе, ΔG0 – только часть уравнения, но весьма важная. Большое значение ΔG0 означает, что сульфатредукторы получают при дыхании больше энергии, чем другие микробы при таком же количестве исходных субстратов. А что делает организм с лучшим показателем ΔG0, чем у остальных? Дорастает до очень большого размера? Скорее всего, нет, поскольку сульфат не может достаточно быстро диффундировать внутрь очень крупных клеток в процессе дыхания. Синтезирует массу антибиотиков и уничтожает соперников? Тоже не очень хорошая идея, ведь микробы зависят от своего окружения для получения пищи и витаминов, так что убивать всех подряд невыгодно. Выгодно устранить только прямых конкурентов.

А кто эти прямые конкуренты? Любые микробы, которые питаются той же пищей. Вспомним, что в процессе дыхания электроны, восстанавливающие окислитель (для нас – кислород, для сульфатредукторов – сульфат), берутся из пищи. Мы, люди, получаем их из сахаров и других органических молекул. Сульфатредукторы обычно питаются очень простыми соединениями, например ацетатом, формиатом или простейшей пищей на Земле – растворенным газообразным водородом (H2). Этот газ образуется в реакциях серпентинизации, но еще и в гораздо более широком спектре