Поговорим о дыхании. Дар, который мы не ценим

Глава 2. Пар над первичным бульоном. Как на земле появилась возможность дышать

Вдохните. Ваш организм как раз требует этого. Сосредоточьтесь на вдохе. Сделайте этот глубокий вдох через нос (хорошо, если он у вас не заложен). Задержите дыхание. Чувствуете, как расширяется грудная клетка? Как опускается диафрагма? Благодаря тому, что давление воздуха в груди теперь ниже атмосферного, воздух из атмосферы устремляется в ваши легкие. Его не так много, как вам, может быть, кажется. Примерно с банку пива. Однако в нем множество всякой всячины: только что вы, как через шланг пылесоса, всосали в себя миллиарды молекул. Доля кислорода, столь необходимого вашим клеткам, здесь невелика: всего около двадцати одного процента. Наряду с ним вы вдохнули микроскопические капельки воды, столь же древней, как сама Земля. Углекислый газ, только что выдохнутый окружающими. Пылевые частицы мухи, несколько недель назад омертвевшей на подоконнике. И даже вещества не из вашего непосредственного окружения. Ведь ваше дыхание – часть гигантского процесса рециклирования во вселенной. Он объединяет вас со всеми живыми существами на нашей планете. С тысячами давным-давно взорвавшихся звезд. С прошлым и даже будущим (но об этом позже). А теперь выдохните – если вы этого еще не сделали.

Далеко на западе Австралии, в пустынном регионе, где проживает четыреста человек и гнездятся тысячи водоплавающих птиц, обжились одни из древнейших существ на Земле: тромболиты. Озеро Клифтон (Lake Clifton) – окруженное эвкалиптами и перечными деревьями озеро в национальном парке Ялгорап. У него необычная форма: оно простирается на двадцать один километр, при этом ширина нигде не превышает полутора километров. Его легко принять за море (побережье проходит за ним параллельно). Четыре тысячи лет назад озеро еще было лагуной. Сегодня из пряно пахнущих джунглей к его берегам ведет длинный зигзагообразный деревянный настил. Для озера оно слишком солоно и мелко. С высоких мостков просматривается дно. Ничто не нарушает тишину, кроме плеска волны и птичьих криков. Место, где можно вдохнуть полной грудью. Во многом благодаря тромболитам. Они лежат рядышком друг с другом в прибрежной воде – растянувшаяся на пятнадцать километров колония идеально округленных бурых валунов. И ничто не выдает того, что в них сокрыта жизнь. Или – что без их предков не было бы ни этого эвкалиптового леса, ни кенгуру, ни глазеющих на причудливые камни туристов вроде меня. Тромболиты – симбиоз крошечных водорослей и бактерий, обитающих в ими же построенных купольных залах. Преимущество здесь у цианобактерий. Хоть их и причисляют к бактериям, однако они, как растения, выделяют кислород. Возможно, дело в фотосинтезе, лучшем на свете механизме сохранения солнечной энергии. Через специальную мембрану внутри цианобактерии улавливают солнечный свет, чтобы позже из углекислого газа и гидрокарбоната кальция, которым богаты грунтовые воды, стекающие в озеро, синтезировать высокоэнергетический сахар. В остатке – кислород и известковые отложения, давшие этим ископаемым остаткам название. По-гречески thrombos значит «ком», «глыба»; lithos – «камень». Вырастая на десятую долю миллиметра в год, тромболиты проводят пограничную линию между живой и неживой природой. Старейшим экземплярам из озера Клифтон едва ли две тысячи лет. А вот их обитатели, цианобактерии, два с половиной миллиарда лет назад коренным образом изменили Землю.

Именно кислород отличает нашу Землю от восьми непригодных для жизни планет и малых тел Солнечной системы. На Венере, «младшей сестре» Земли, средняя температура составляет 468 удушливых градусов из-за парникового эффекта, вызванного двуокисью углерода и диоксидом серы. Марс – тоже не самая вожделенная цель путешествия: около нуля в теплые дни и минус сто в холодные. Тонкая атмосфера в среднем напоминает облако выхлопных газов нынешних автомобилей. Бета-версия Земли больше подходит для фона шутеров. Правда, в первые пару миллионов лет после образования нашей планеты не имелось ни одного объекта, в который можно было бы стрелять. После того как солнечный ветер сдул первичную атмосферу Земли, состоящую из водорода и гелия, через тонкую кору из недр вырвалась адская смесь с преобладанием азота и двуокиси углерода. Метеориты бомбили с небес, пока у Солнечной системы не кончились снаряды. Из трещин в поверхности вырывалась магма, вздымая сернистый пепел. Пар застил горизонты – и это при температуре свыше восьмидесяти градусов. А когда Земля остыла – дождь, дождь и дождь. Мрачная серо-сизая водная масса. Никакого райского сада. Но всё-таки в этом мутном первичном бульоне зародилось нечто невообразимое: жизнь.

На вопрос «как же это в точности произошло?» естествоиспытатели уже давно ищут ответ. Греческий философ Аристотель предполагал «самозарождение»: воздух и «тепло жизни», содержащиеся в таких средах, как дерево, роса или навоз, образуют питательную среду, в которой растут животные – например, угри и лягушки в грязи. Для Авиценны, средневекового персидского врача и ученого (XI век н. э.), жизнь проистекала от «создателя всех вещей», как мягкое мороженое из внематериального аппарата. Даже в XVII веке бельгийский врач и химик Ян Баптиста ван Гельмонт составил инструкцию, как вывести мышей: положить грязную рубашку в ящик с зернами пшеницы и оставить на три недели. Всё это соответствовало своему времени. Микроскоп еще не был изобретен. ДНК, «копировальная машина, дающая жизнь от жизни», – как писал в 1953 году своему двенадцатилетнему сыну первооткрыватель структуры этой макромолекулы Фрэнсис Крик, – еще не была обнаружена. Сегодняшние модели происхождения жизни, базирующиеся на длительных лабораторных экспериментах, изучении каменистых пород Луны и Марса или компьютерном моделировании, выглядят не менее фантастично. Согласно им, «первичный буль он» мог быть облучен мгновенно, подобно удару молнии, или постепенно, вроде воздействия ультрафиолетом, в результате чего углерод, водород и азот образовали аминокислоты, «кирпичики жизни». В гонку мест возникновения включились также кристаллы и радиоактивные штранды. Влияние извне тоже не исключено. По гипотезе панспермии, бактерии и споры могли быть занесены на Землю метеоритами из глубин космоса. И это не комиксы Marvel^[9], а нечто вполне реальное: упавшие в 1969 году в Австралии обломки метеорита, названного по месту нахождения Мурчисонским, содержали аминокислоты внеземного происхождения.

Более шестидесяти лет назад американский биолог Стэнли Миллер воссоздал в лаборатории предполагаемую первичную атмосферу Земли: аммиак, водород, метан и вода. Он облучал их вспышками, подобными молниям. Из всех соединений образовались жирные кислоты, сахар и аминокислоты. Однако не хватало важнейших компонентов для развития более сложных молекул. Между тем повсюду ученые «варили» свой собственный первичный бульон. Боже, какие нужны ингредиенты, чтобы химия перешагнула в биологию? Неведомо. Но, кажется, у нее есть истинно горячий сторонник. Земле уже исполнился миллиард лет, когда появился LUCA (Last Universal Common Ancestor) – «последний универсальный общий предок», общий знаменатель жизни на Земле. По геологическим масштабам это мелочь. Несмотря на эффектное появление, по сегодняшним меркам LUCA не более чем случайный гость на вечеринке. Он (или они) – поскольку жизнь возникла во многих точках в разное время и в разнообразных вариантах – оказался мертворожденным. Автотроф, метаболизирующий водород, двуокись углерода и азот, не переносил кислорода. К тому же он был экстремофилом, то есть купался в теплой, влажной сумрачной среде. Так же, как и его потомки, цианобактерии. Те тоже встречаются в экстремальных местах, невыносимых для других: арктических льдах, окрашивая их в розовый цвет; в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, окрашивая их в радужные цвета. Даже в песчаных дюнах пустыни и приморских солончаках они чувствуют себя привольно. Так что в умеренно соленом озере Клифтон цианобактерии принимают расслабляющую ванну.

Место рождения LUCA, о чем свидетельствуют десятилетние генетические исследования, – морское дно в стоградусной воде «черного курильщика». Эти гидротермальные источники рождаются в океанских глубинах на стыке континентальных плит. Из океанической коры с копотью вырываются насыщенные железом, сероводородом и сульфидами металлов фонтаны. Охлажденные океанскими водами, выброшенные соединения снова оседают. Так образуются «камины» – крупные расщелины в скалах, в согревающей сени которых селятся целые коммуны светофобных микроорганизмов. LUCA со своими одноклеточными компаньонами так и остался бы навечно в уютном темном укрытии, но природа не терпит застоя. Она развивается дальше: в археи и бактерии. Археи, или «древние», способны выдерживать невообразимое. Например, methanopyrus kandleri процветают при температуре свыше ста градусов. Picrophilus torridus кислотоустойчивы, как никакой другой организм, и чувствуют себя вольготно даже в среде, эквивалентной соляной кислоте. Археи единственные из всех известных живых организмов выделяют метан. Поэтому не вполне корректно обвинять крупный рогатый скот в изменении климата: на самом деле воздух портят археи, живущие в пищеварительном тракте парнокопытных. Сопротивляемость этих микроорганизмов позволила им широко распространиться на древней земле. Метеоритные кратеры, извергающиеся вулканы, серные озера? Археи появились, чтобы выжить.

ВЕЛИКАЯ КИСЛОРОДНАЯ КАТАСТРОФА

Бактерии тоже благоденствовали. Некоторые одноклеточные открыли инфракрасный свет как импульс для обмена веществ. Другие – экспериментировали с многоклеточностью. Цианобактерии пошли неизведанным путем. Два с половиной миллиарда лет назад они научились использовать второй, почти неисчерпаемый ресурс – воду. Вода – наиболее распространенное на Земле вещество. Добывать с помощью солнечного света питательные вещества и двуокись углерода из воды было разрушительной идеей. Ибо она вызвала, наверное, первое массовое вымирание в истории Земли – великую кислородную катастрофу. А происходило это примерно так: цианобактерии нежились в теплой воде, подставляя мембраны солнцу, лакомились глюкозным коктейлем собственного изготовления и выбрасывали кислород; некоторое его количество уже присутствовало в атмосфере. Но в том объеме, который высвобождали цианобактерии, он уже являл собой ядовитое облако – по крайней мере для их анаэробных родственников. В высшей степени химически активный газ атаковал материю этих микроорганизмов, а они, несмотря на малоэффективный обмен веществ, всё еще преобладали. Предположительно несколько сотен миллионов лет анаэробы боролись с ним метаном. Между тем кислород окислял вынесенное из подводных вулканов железо, а также железистые породы на суше. Следы этого великого ржавления видны и поныне: красные скалы Пилбары в западной Австралии, примерно в одном дне пути на север от озера Клифтон, – крупнейшее на земле месторождение железной руды. Однако два с половиной миллиарда лет назад на планете не осталось ничего, с чем кислород мог бы вступить в быструю реакцию. Некоторые одноклеточные в бедных кислородом глубинах еще водились, но основная масса вымерла. Так что жизни пришлось придумывать нечто новое. Нечто приспособленное к кислороду. И это должно было стать воистину грандиозным.

Обмен веществ нового типа превратил цианобактерии в успешнейшие микроорганизмы. Они начали строить себе города – строматолиты. Эти напластованные из известняка глыбы или столбы во многом схожи с тромболитами озера Клифтон, но часто достигают в высоту нескольких метров – предтечи нынешних рифов. Однако не все анаэробы эволюционно затерялись. Некоторые попробовали слиться – и накрыли собой близкие им цианобактерии. Не слишком дружелюбное поглощение: проглоченные одноклеточные едва не оказались переваренными. Но каким-то образом им всё-таки удалось спастись из вакуоли в цитоплазму захватчика. Здесь способные к фотосинтезу цианобактерии начали вырабатывать для хозяина глюкозу. А те поставляли необходимые для этого молекулы. Возник новый организм, предок ныне существующих водорослей и растений. Теперь прежние бактерии работают в их клетках как хлоропласты – фабрики по производству кислорода фотосинтезом. Наряду с другими всё еще свободно живущими цианобактериями они осуществляют бόльшую часть фотосинтеза на планете. Превращают леса в зеленые легкие, озеро Клифтон – в место, где дышится полной грудью. И дают нам пищу.

Без бактерий наше существование было бы невозможно. Ведь не только растительные, но и животные клетки – а значит, и наши – произошли из симбиоза микроорганизмов. Об этом свидетельствует теория эндосимбиоза биолога из США Линн Маргулис. В шестидесятые годы прошлого века, когда Маргулис предложила свои тезисы, их никто не желал публиковать. Что? Люди – внуки бактерий?! Сегодня симбиогенез пользуется признанием. Электростанции наших клеток – митохондрии – прежде, вероятно, были протеобактериями. Таким образом, каждый вдох обеспечивает потомков древних бактерий в наших клетках столь необходимым им кислородом.

Есть еще одна причина для благодарности цианобактериям. Избытки выделяемого ими кислорода распределяются в атмосфере. Примерно с десятикилометровой высоты молекулы под действием ультрафиолетовых лучей начинают расщепляться и формироваться заново: O₂ превращается в O₃ – озон. Озоновый слой окружает планету, как четырехметровый непроницаемый щит. До поверхности доходит лишь незначительная часть агрессивного ультрафиолета. Условие жизни на Земле. Не будь озонового слоя, человечество до сих пор пребывало бы на стадии доисторических крабов.

Закончив опыты с получением кислорода и озонового слоя, цианобактерии двинулись в следующую исследовательскую экспедицию на неизведанные территории. Они были первыми живыми существами, которые вышли на сушу – да там и остались. За ними последовали водоросли. Лишайники колонизировали камни. Грибы раскинули сеть мицелия. Может быть, под водой стало жутко. Там беспрестанно копошились странные твари: бесцветные позвоночные с трубчатыми сердцами, крошечные рогатые личинки, бесчелюстные круглоротые. Эволюция, подстегнутая кислородом, непринужденно распределяла глаза, челюсти, хрящевые скелеты, кости, жабры и – легкие. Как и ныне сохранившиеся двоякодышащие рыбы, некоторые древние обитатели морей имели и жабры, и легкие. Они получили преимущество, поскольку растворенного в воде кислорода недостаточно. Жаберное дыхание требует немало усилий. Для того чтобы извлечь из воды такое же количество кислорода, как из воздуха, рыбе требуется омыть жабры двадцать три тысячи раз. А с дополнительным легким достаточно скользящей прогулки к поверхности: «Пойду-ка глотну свежего воздуха!»

Взгляд над водой пробудил в рыбах любопытство, и некоторые из них выползли на мясистых плавниках на берег. Кое-кто вернулся потом обратно на глубину. Освоение нового мира не протекало линейно. Скорее, это движение туда-сюда. Прикидки природы, которая развивала новые формы, уже существующие модифицировала или отбрасывала, – и всё это чтобы следовать «зову кислорода», как выразился датский физиолог, лауреат Нобелевской премии Август Крог. Кислород был ключевым моментом. За каждым вымиранием следовало усовершенствование дыхательных органов. Однако концентрация кислорода в воздухе значительно колебалась. Вероятно, по этой причине эволюция бережно сохраняет свои наиболее успешные проекты: через две недели после зачатия на головке человеческого эмбриона наблюдаются четыре уплотнения. У рыб из таких же выпячиваний позже сформируется жаберный аппарат. Если однажды воздуха на Земле будет не хватать, мы, очевидно, успеем вернуться в море.

КИСЛОРОД НАГРАЖДАЕТ ГИГАНТСКИМИ КРЫЛЬЯМИ

Европа триста миллионов лет назад. Воздух густой и влажный, словно пудинг. В темных водах тропических болот гниют сломленные ветви окружающих чешуйчатых деревьев. Сорока метров в высоту достигают эти травовидные. Их раскидистые кроны затеняют даже гигантские хвощи у самой воды. Под папоротником высотой с человеческий рост что-то копошится: многоножка размером с малолитражку, защищенная чешуйчатым панцирем, рыщет в поисках жертвы – рептилии или яиц. Над ней гудит стрекоза, устремляясь к воде. Солнце переливается в ее филигранных крыльях всеми цветами радуги. Захватывающее зрелище. Размах крыльев этого насекомого равен размаху крыльев чайки. В нынешних условиях меганевры – так называют этих монстров – не могли бы подняться в воздух. Однако атмосфера каменноугольного периода сильно отличалась от нашей. Зеленый ковер водорослей и мхов обеспечивал повышенное содержание кислорода. Тридцать пять процентов против нынешних двадцати одного. Эти проценты обеспечивали насекомым подъемную силу. Они отличались многообразием, а с развитием – и строением крыльев. Их трахея была оптимально приспособлена к дыханию тем воздухом. Система воздухообмена снабжала клетки кислорода напрямую. Ни в легких, ни в кругах кровообращения не было необходимости. Огромные объемы энергии высвобождались в короткое время и позволяли ускользать от опасности. Трахеи, однако, имели существенный недостаток: они занимали слишком много места, иногда были непропорционально большими. Филигранным косточкам, которые тоже необходимо снабжать кровью, уже не оставалось пространства. Поэтому самый крупный из оставшихся насекомых, жук titanus giganteus, – размером всего лишь в семнадцать сантиметров. Нынешняя атмосфера не дает ему большего шанса.

Американский геохимик Джон Ванденбрук исследовал, как содержание кислорода влияет на различных насекомых. Он в своей лаборатории подвергал мучных червей, черных тараканов, жуков и стрекоз разнообразным атмосферным воздействиям. Трудоемкая работа. Личинки стрекозы – прожорливые охотницы, сухой корм есть не станут. Более двухсот особей он кормил ежедневно живой добычей. Но, несмотря на заботу, при двенадцатипроцентном содержании кислорода из личинок вылуплялись карлики. При тридцати одном проценте кислорода, наоборот, толстые монстры. Нынешние стрекозы, жуки и многоножки выглядели бы смехотворно в каменноугольном периоде. Позволяла вырастать до гигантских размеров или принуждала к этому насыщенная кислородом среда?

Кислород для организмов – обоюдоострое лезвие, топливо с побочным эффектом. Аэробное дыхание высвобождает в двадцать раз больше энергии, чем анаэробное. По этой причине живые существа лучше приспосабливаются. В клеточном дыхании митохондрий образуются токсичные формы кислорода – АФК. Здоровые клетки достаточно вооружены, чтобы обезвредить эти высокоактивные ядовитые молекулы. Однако, если речь идет об оксидативном стрессе, защита не срабатывает. Кислород играет решающую роль при старении и развитии различных заболеваний. Так, в лабораторном эксперименте клетки умирают быстрее, когда повышается уровень кислорода в окружающей среде. Уже в XVIII веке британский теолог и естествоиспытатель Джозеф Пристли, слывущий первооткрывателем кислорода, предполагал, что тот может истощить организм: «Как свеча скорее сгорает в кислородной среде, чем в обычном воздухе, так и мы в ней быстрее сжигаем свою жизнь и исчерпываем свои жизненные силы».

Взаимоотношения между потребностью в дыхании живого существа и его жизненным пространством – очень интимная связь. Недостаток кислорода заставил рыб выбраться на сушу. Их тела, почти невесомые в воде, в этой неизведанной среде были буквально придавлены своим весом к земле. Каждый шаг давался с трудом, каждый вдох стоил мучений. Большая концентрация кислорода в воздухе означала меньшее число вдохов, облегчала ползанье и предохраняла от быстрого высыхания. Только вот изобилие кислорода заставляло исполинские растения мгновенно вспыхивать ярким неукротимым пламенем от каждого удара молнии. Каждый помнит школьный опыт урока химии с горящей щепкой: в кислородной среде она сгорает быстрее. Пожары каменноугольного периода были куда более разрушительны. То, что уже выбралось на сушу, не успевало вернуться в воду. В нынешних условиях подобные естественные пожары надолго изменили бы состав воздуха: каждое горящее или тлеющее на земле дерево потребляет неимоверное количество кислорода. Однако упадку противостояли болота, которые «проглатывали» древесину и головешки, избавляя их от дряхлости. Массивные залежи угля в Великобритании – реликты этих ушедших под воду лесов. Именно они дали толчок индустриальной революции, и они, сгорев в топках, опустились удушающим смогом на города. В смоговой катастрофе 1952 года, накрывшей Лондон на пять дней, воздух был настолько насыщен пеплом, что пешеход не видел своих ног. По последним данным, от отравления ядовитым сернистым газом тогда погибло более двенадцати тысяч человек. И сегодня город продолжает бороться с pea-souper^[10], густым желтым лондонским смогом, виновником хронического кашля со всеми его последствиями вроде сердечной недостаточности, астмы и эмфиземы легких.