Книга: Самое грандиозное шоу на Земле

Место под солнцем

Место под солнцем

«Экономика» природы зиждется на солнечной энергии. Фотоны, испускаемые Солнцем, в течение дня изливаются на земную поверхность. Большинство из них не нагревают без толку какой-нибудь камень или полоску пляжа. Немногие фотоны доходят до глаза — вашего, моего, сложного глаза креветки, параболической линзы глаза морского гребешка. Другие же попадают на солнечные батареи — либо искусственные, вроде тех, которые я в порыве экологического энтузиазма установил на крыше своего дома, чтобы нагревать воду для душа, либо природные, каковыми являются зеленые листья. Растения пользуются солнечной энергией, чтобы запустить энергозатратный («восходящий») химический синтез и в результате получить органическое топливо, в первую очередь сахара. Этой монетой можно после расплатиться за работу. Расщепляя сахара, можно получить энергию и использовать ее, например, для мышечных усилий или «возведения» древесного ствола. Реакции расщепления я здесь называю «нисходящими». Аналогия проста: вода течет вниз, выполняя работу (например, вращает колесо), но чтобы закачать ее обратно, нужен насос и затраты энергии. На каждой стадии цикла (как «восходящей», так и «нисходящей») теряется некоторая часть энергии: ее невозможно передавать со стопроцентной эффективностью. Именно поэтому в патентных бюро на заявки об изобретении вечного двигателя даже не смотрят: и так понятно, что его постройка невозможна. Нельзя за счет энергии падающей воды закачать наверх такое же ее количество. Водяное колесо не будет работать само по себе. Некоторое, пусть небольшое, количество энергии всегда должно поступать извне, чтобы компенсировать потери. Для этого нам и нужно Солнце. В главе 13 я вернусь к этому вопросу.

Немалая часть поверхности суши покрыта листьями зеленых растений, образующих многослойную ловушку для фотонов. Даже если какой-то лист не поймал пролетавший мимо фотон, это с высокой вероятностью удастся соседу снизу. В густом старом лесу редкий фотон достигает земли, поэтому там темно. Большая часть солнечных лучей, которая переходит в наше, земное, пользование, падает на поверхность океанов. Их поверхностные слои кишат одноклеточными зелеными водорослями. Задача этих организмов — улавливать фотоны. Процесс улавливания фотонов, использование их в «восходящих» химических реакциях с запасанием энергии, производство энергоемких молекул (таких как сахара и крахмал) называется фотосинтезом. Он был изобретен бактериями более миллиарда лет назад, и до сих пор зеленые бактерии берут на себя большую часть фотосинтеза. Хлоропласты (крошечные моторчики, проделывающие всю фотосинтетическую работу во всех листьях) являются потомками зеленых бактерий. Поскольку хлоропласты автономно размножаются внутри растительной клетки, их можно уподобить бактериям, хотя они и зависят от жизнедеятельности листа, попутно окрашивая его в зеленый цвет. Оказалось, что когда-то живущие свободно зеленые бактерии внедрились в растительную клетку, где эволюционировали до структуры, которую мы называем хлоропластом.

Строго симметрична ситуация с «нисходящими» реакциями. Если «восходящими» реакциями занялись бактерии, устроившиеся в растительных клетках, то «нисходящие» (то есть экономичное сжигание сахаров и другого топлива, необходимого для жизнеобеспечения растительных и животных клеток) обслуживают специалисты из другой группы бактерий — митохондрии, также некогда вольные, а теперь живущие внутри клеток и автономно размножающиеся. Митохондрии и хлоропласты, потомки различных групп бактерий, изготовили свои взаимосопряженные чудесные химические инструменты за миллиарды лет до того, как появились привычные и видимые невооруженным глазом иные обитатели нашей планеты. И те и другие поплатились за свое искусство и были захвачены для работы внутри более крупных и сложных клеток, из которых построены те самые видимые невооруженным глазом живые обитатели: растительные клетки с хлоропластами и митохондриями, животные клетки с митохондриями.

В основании пищевых цепей лежит солнечная энергия, запасенная хлоропластами. Далее эта энергия переходит от растений к травоядным, в том числе насекомым, от них — к хищникам (к ним отнесем и насекомых, и насекомоядных, и волков, и леопардов), от хищников — к падальщикам, таким как стервятники или жукинавозники, от них — к грибам и бактериям, конечным деструкторам, разлагающим органику. На каждом отрезке пищевой цепи часть энергии рассеивается в виде тепла, часть уходит на полезную работу, например на мышечные сокращения. Но никакой новой энергии кроме солнечной, усвоенной растениями, в пищевую цепь не поступает. Иначе говоря, все земная жизнь держится на энергии солнца — за любопытным, но несущественным исключением экосистем «черных курильщиков», существование которых зависит от энергии вулканических процессов.

Взглянем на одинокое дерево, гордо стоящее на открытой поляне. Почему оно выросло таким высоким? Уж точно не для того, чтобы быть ближе к солнцу! Было бы дешевле укоротить ствол и распластать ветви широко по земле: солнечного света попадет столько же, но можно сэкономить за счет исключительно дорогостоящего ствола. Зачем же идти на траты, поднимая крону как можно выше? Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить, что естественной средой обитания деревьев является лес. Деревья тянутся ввысь, чтобы перерасти конкурентов, будь они того же или иного вида. И пусть вас не одурачит вид растущего в саду или парке дерева с пышными ветвями снизу доверху. Какая у него роскошная, идеально круглая крона! Настоящее украшение сада. Но дело в том, что именно сада, а не леса: в лесу в окружении других деревьев ствол дерева выпрямляется, ветки собираются у верхушки, где крона улавливает интенсивный фотонный дождь. Однако если деревья смогли бы договориться не расти, например, выше трех метров (нечто вроде профсоюзного соглашения), то все оказались бы в выигрыше. Вся экосистема смогла бы избавиться от затрат энергии, которая расходуется на стволы.

Сложность достижения таких согласований известна всем. Она касается даже отношений между людьми, в которых, казалось бы, мы можем предвидеть результат. Вот неплохой пример: на скачках зрители обычно сидят, а не стоят, поскольку и в этом случае высокие люди получают преимущество, так же, как если бы все стояли. А вот если человек небольшого роста, сидящий за верзилой, встает, чтобы ему было лучше видно, начинаются проблемы. Тот, кто сидел за ним, немедленно встает также, чтобы видеть хоть что-нибудь; и по стадиону идет волна, оканчивающаяся тем, что все стоят. В конце концов все оказываются в худшем положении по сравнению с исходным.

Полог зрелого леса — своеобразная поднятая в воздух лужайка, прерия на ходулях. Он собирает энергию солнечных лучей примерно с той же эффективностью, что и участок прерии. Однако существенная часть энергии тратится на «ходули», то есть стволы, которые ни на что другое не годны, кроме как поднимать древесные лужайки, где те собирают точно такой же урожай фотонов, какой достался бы им, находись они на земле.

Таким образом, мы сталкиваемся с необходимостью различать плановую экономику и эволюционную экономику. Если бы экономика живой природы была плановой, никаких деревьев (по крайней мере, высоких) не было бы. Деревья дорогостоящи. Деревья расточительны. Их стволы — живые памятники конкуренции, бессмысленной с точки зрения плановой экономики. Но экономика природы — не плановая. Каждое растение самостоятельно, в одиночку, конкурирует с другими растениями, своего и других видов. В результате они вырастают выше, чем рекомендовал бы любой экономист. Но, заметим, их рост не бесконечен. Есть граница, за которой прирост на один метр вверх, приносящий, естественно, преимущество в отборе, обходится так дорого, что это дерево проигрывает конкурентам, не потратившимся на лишний метр. Высоту, на которую вырастут все близлежащие деревья, в конце концов определяет именно равновесие между затратами и преимуществами отдельных деревьев, а не общее благо группы деревьев, которым, вероятно, озаботился бы проектировщик. Вдобавок, конечно же, равновесные значения различаются от леса к лесу. Секвойные леса Тихоокеанского побережья Северной Америки (уверяю, на них стоит посмотреть), по всей вероятности, не превзойдены по этому параметру.

Представим себе гипотетический Лес дружбы. Пусть неизвестным нам способом деревья смогли договориться между собой и опустить уровень полога до трех метров. Он выглядит так же, как обычно, однако расположен на высоте не тридцати, а всего трех метров. С точки зрения плановой экономики Лес дружбы более эффективен как лес, чем известные нам высокие леса: ресурсы на строительство высоких стволов, необходимых только для конкуренции с соседними деревьями, не расходуются.

Предположим теперь, что посередине Леса дружбы внезапно появилось мутантное дерево. Этот изменник вырастет выше, чем положено, и получит конкурентное преимущество. Безусловно, ему придется потратиться на ствол, длиннее, чем у прочих. Однако пока остальные деревья подчиняются общим ограничениям, это дерево будет процветать. Таким образом, естественный отбор станет поощрять выход из соглашения и небольшую прибавку в росте, например до 3,5 метра. В каждом поколении все новые и новые деревья будут нарушать договоренность. В конце концов все деревья в лесу обзаведутся стволом длиной 3,5 метра и окажутся в положении худшем, чем вначале: все платят стоимость дополнительного роста ствола, но не получают от этого дополнительные фотоны. И, что еще хуже, теперь естественный отбор будет благосклонен к четырехметровым мутантам. Почему эта бессмысленная гонка к солнцу заканчивается? Почему на свете нет деревьев с километровым стволом? Предел установлен просто: это высота, после которой стоимость приращения дополнительного метра не окупается полученными за счет этого фотонами.

Напомню, мы говорили об индивидуальных преимуществах и издержках. Будь «экономика» леса подчинена именно общему благу, а не благу отдельных экземпляров, леса выглядели бы совсем по-другому. Более того, леса, которые мы видим вокруг, состоят из деревьев, предки которых эволюционировали под воздействием естественного отбора, предпочитавшего экземпляры, способные успешно конкурировать со всеми другими деревьями, будь они из своего или чужого вида. Все известные нам данные о деревьях противоречат тому, что деревья были сотворены (если только они не были созданы специально для того, чтобы снабжать нас древесиной и осенними пейзажами). К сожалению, мир видел множество людей, готовых поверить в последнее. Поэтому перейдем к случаю, в котором преимущества для человечества не заметны: гонке вооружений между хищником и жертвой.