Но на определённом 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 ещё в конце 18-го столетия - как раз как стремление понять горизонтальный срез через всю планету. Потом она сменилось попыткой объяснить всё через историю происхождения - то, что представляет, собственно говоря, несистемный подход. Надо сказать, что взлёт 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 создаётся 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 её. Но он человек был довольно тяжёлый, 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 всё 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 тёмный мир докембрия. И такое серьёзное 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 всё, что было на земле, это было цианобактериальное сообщество. Оно оставило совершенно чёткие и надёжные 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 плёнки 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 чёрная вершина, это то, как выглядит высохшая плёнка. А с этим я очень прошу вас аккуратно, потому что она не окаменела, ей два года этой плёнке. И если вы сравните тот зелёный 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 ещё идут споры, в которые я не буду вдаваться) они выжили и продолжали существовать, почему их не вытеснили более совершённые 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 всё 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 чёрный 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 жёстко 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 жёстко связана с совершенно жёсткими 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 (идёт естественная солнечная энергия) и есть второй процесс - разложение этого углерода.
Если дыханием полностью всё 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 счёт неполного разложения созданного органического углерода… Почему-то все забывают об одной вещи: смотрят на зелёное растение и говорят: «Ах, вот оно нам даёт 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 даёт 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, причём, 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-зелёные 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 чётко запомнить, что система состоит из продуктивной и деструктивной части.
Чтобы кончить с этими цифрами, я должен упомянуть, что сейчас в море ещё работает серный цикл, где разложение идёт в условиях отсутствия кислорода за счёт 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 ещё 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 всё больше и больше приходится накручивать и расширять эту систему.
А большие системы изучать можно только одним путём: взять сначала очень большую систему, постепенно рассекать её на части, решать куски и помнить, что когда ты разрезал, выделил какую-то подсистему и начал изучать её, то тут рядом есть ещё одна система, и они взаимодействуют для создания большой системы, например, как климат взаимодействует с биотой.
Теперь ещё о чём можно рассказать? Как раз здесь показан кероген, и вот видите там, на пике, есть подъём 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 чётким доказательством того, что в течение всего обозримого периода работала система, аналогичная цианобактериальной, потому что изотопная характеристика - это характеристика типа усвоения зелёным растением. А зелёное растение, кстати, это тоже просто способ вынести цианобактерию, когда-то занесённую внутрь, на поверхность, в воздух, где больше света, и обеспечить её 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 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36