Книга: Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Глава 9. Хрупкие виды

Глава 9. Хрупкие виды

Когда я был маленьким, мой отец летом часто водил меня гулять в Риверсайд-парк, который находился в пятнадцати минутах ходьбы от нашего дома в муниципальном микрорайоне Гарлема. Более чем за пятьдесят лет до рождения моего отца, в 1901 году, Риверсайд-парк представлял собой большое кладбище. Оно было официально открыто в 1842 году распоряжением муниципалитета города Нью-Йорка в связи с увеличением смертности, связанным с эпидемиями холеры, оспы и брюшного тифа, что привело к переполнению кладбищ ближе к центру города. И хотя распоряжение позднее позволило городу использовать Риверсайд-парк как место массового захоронения солдат, погибших в гражданской войне, имелся прецедент погребения усопших в этой земле более чем за сто лет до названного времени.

В незаметном тихом уголке, как раз напротив мавзолея генерала Гранта, стоит небольшой памятник, посвященный «возлюбленному чаду», умершему в 1797 году в возрасте пяти лет. Место погребения отмечено обнесенным оградой гранитным монументом в память Сент-Клэра Поллока. Могила находится на выступе берега, откуда открывается вид на Гудзон и береговые утесы Палисадов Нью-Джерси. В 1797 году это место, несомненно, было великолепным для упокоения – панорама, должно быть, была одной из прекраснейших во всем мире.

Я был очень болезненным ребенком и однажды провел шесть месяцев в больнице. Я выжил и с тех пор почти не болел, но потом часто вспоминал могилу «возлюбленного чада» и размышлял о том, почему раньше дети так часто умирали в столь нежном возрасте. Также я часто думал о том, как мне повезло, что я не умер в той больнице.

Мы, люди, уже долгое время сосуществуем с микроорганизмами. И хотя в какой-то степени история нашего сосуществования может показаться достаточно мирной, за мирными аспектами всегда стояла непрерывная, глубинная война между нами и микробиологическими захватчиками, эволюционно запрограммированными на наше уничтожение. Однако мы и сами обладаем парой приобретенных в процессе эволюции навыков, дающих нам некоторые преимущества в этой войне. На протяжении человеческой истории сама эта война оказала большое влияние на эволюционный путь как людей, так и микроорганизмов. Давайте рассмотрим один из таких навыков, дающих нам преимущество в противоборстве с микробами.

Развитие у нас сложной речевой системы и абстрактного мышления – один из интереснейших и важнейших навыков, отличающих нас от всех остальных животных, но лишь частично осознаваемый на механистическом уровне. Ключевым эволюционным изменением, по всей видимости, послужили две мутации на пути от нашего последнего прародителя-примата к человеку, – мутации, которые привели к изменениям в двух аминокислотах, кодирующихся геном FOXP2 на 7-й хромосоме нашего генома. Белок, кодирующийся геном FOXP2, представляет собой фактор транскрипции, контролирующий экспрессию множества генов во время развития зародыша. У людей этот ген критичен для развития нескольких областей мозга, включая центр Брока, отвечающий за речь. Мутации в ключевых зонах гена FOXP2 могут вести к потере способности говорить, членораздельно произносить слова или понимать речь. Этот так называемый языковой ген, возникший в результате небольших и незначительных с виду мутаций на пути от приматов к человеку, сыграл преобразующую роль в нашей эволюции.

Несомненно, существуют и другие гены, участвующие в способности людей говорить и сообщать друг другу сложные, абстрактные идеи, но каковы бы они ни были, именно они ответственны за эволюцию другого типа – ту, которую антропологи называют культурной эволюцией; сам я предпочитаю называть этот феномен горизонтальным переносом информации. Способность беглой передачи таких идей является исключительной и исключительно важной. Люди – единственные животные, способные передавать сложную информацию от поколения к поколению практически мгновенно. Следовательно, приобретенное знание может сохраняться без какого-либо генетического отбора. Горизонтальный перенос информации потенциально позволил людям избежать ограничения «Черной королевы». Например, если благодаря горизонтальному переносу информации мы можем контролировать наше взаимодействие с микроорганизмами, способными нас уничтожить, или выработать относительно них какую-либо жизненную стратегию, можем ли мы нанести упреждающий удар и уничтожить их первыми? И если да, то изменим ли мы таким образом эволюционный путь этих микроорганизмов?

Можно выдвинуть резонное возражение, что люди и микроорганизмы совместно стремительно эволюционировали последние 20 тысяч лет, а возможно, это началось даже раньше. Несомненно, и для нас, и для них это было выгодно. Например, согласно археологическим данным, племена первых охотников-собирателей обладали умением сбраживать зерно, получая из него те или иные алкогольные напитки, возможно пиво. Встречающиеся в естественной среде микроорганизмы – дрожжи – способны превращать содержащиеся в зерне сахара в алкоголь. К 3500 году до н. э. пиво уже было популярным напитком в Самарии и других областях колыбели цивилизации. Вино также предположительно появилось еще до начала письменной истории. Археологические данные свидетельствуют о том, что его делали в Китае еще примерно в 7000 году до н. э., а к 3200 году до н. э. вино производилось на всем Ближнем Востоке. Умение сбраживать зерно и фрукты для производства алкоголя в конечном счете распространилось по всей Азии и Европе. Это было началом микробиологического бума в человеческой культуре.

Процессы брожения под влиянием микроорганизмов стали использоваться независимо во многих культурах и применительно ко многим видам пищи – для производства сыров, для изготовления продуктов из соевых бобов (например, пасты мисо и соевого соуса), для приготовления множества других продуктов из бобов, зерновых, фруктов и овощей, рыбы и даже мяса.

Процесс брожения может быть примером нашего «мирного» сосуществования с микроорганизмами, и с человеческой точки зрения оно служит, как минимум, трем целям. Оно обеспечивает сохранность продуктов гораздо более длительное время. Это было особенно важно во времена, когда поставка продуктов была сезонной, а другие средства их сохранения не были доступны. Кроме того, брожение зачастую повышает питательную ценность продуктов. Благодаря осуществляемому людьми отбору, из соображений вкуса или по другим параметрам, определенные микроорганизмы культивировались в используемых людьми продуктах задолго до того, как было обнаружено, что именно эти организмы отвечают за процесс брожения. Также брожение помогает людям усваивать пищу. Микроорганизмы разрушают трудноусваиваемые компоненты, делая продукты более доступными для человеческого пищеварения. Какао-бобы и кофейные зерна могут послужить примером пищевых продуктов, в которых мякоть, окружающая зерна, должна подвергнуться естественному разложению микроорганизмами, прежде чем продукт будет употреблен в пищу и пройдет дальнейшую переработку у нас в кишечнике.

Микроорганизмы возглавляют класс существ, способных на такие трюки, которые человек готов подвергнуть отбору. Очень небольшое их подмножество стало для человека, по сути, невидимыми «домашними питомцами», каждый из которых выполняет собственный уникальный фокус – например, преобразуя один определенный сахар в определенную кислоту при производстве конкретного вида сыра, пива, хлеба и так далее. Однако порой эти «хорошие» микроорганизмы уступают в борьбе другим микроорганизмам, и продукты оказываются отравленными – при их употреблении мы заболеваем и даже можем умереть.

В прошлые столетия преждевременная смерть от бактериальных инфекций была чрезвычайно распространенной – заранее предполагалось, что более половины рождающихся в любом семействе детей не доживет до возраста половой зрелости. Так, в Византийской империи в VI веке, при императоре Юстиниане I, вспышка бубонной чумы, вызываемой бактерией Yersenia pestis и переносимой блохами, унесла жизни приблизительно 50 млн людей. В XIV веке другая эпидемия чумы привела к гибели почти половины всего населения Европы. В Англии, Италии, Испании вспышки этого заболевания продолжались вплоть до середины XVII столетия.

В XIX веке на всей территории Азии были чрезвычайно распространены унесшие жизни десятков миллионов людей эпидемии холеры, возбудителем которой является бактерия Vibrio cholera. Это заболевание, разносимое с фекальным загрязнением питьевой воды, наводнило Европу, погубив много миллионов жизней в Венгрии, России, Британии и Франции и дойдя с иммигрантами даже до Америки. Холера погубила Джеймса Полка в июне 1849 года, три месяца спустя после того, как он оставил должность президента Соединенных Штатов. Множество людей погибли в XIX столетии от тифа, оспы, туберкулеза, пневмонии и гриппа (который называли тогда инфлуэнцей). Не вызывает сомнений, что микроорганизмы могут представлять огромную угрозу для здоровья человека.

Микроорганизмы попадают в наш организм через рот с пищей и водой, через легкие с воздухом, которым мы дышим, через половые контакты, укусы насекомых и даже через мелкие порезы. Они вызывают катастрофические разрушения в нашей дыхательной, кровеносной и пищеварительной системах и служат причиной серьезных заболеваний, с легкостью распространяющихся в широких слоях населения.

Микроорганизмы могут синтезировать чрезвычайно мощные нейротоксины, энтеротоксины и триллионы других соединений, поражающих определенные функции организма. Порой мы оказываемся в состоянии контролировать токсичное воздействие – например, когда мы используем ботулотоксин, поражающий нейроны и мышцы, в качестве терапевтического и косметического средства, ослабляя мышечные спазмы и убирая морщины. Тем не менее гораздо чаще действие этих чрезвычайно мощных токсинов трудно контролировать после того, как микроорганизмы оказались в теле человека.

Коротко говоря, вплоть до XX столетия микроорганизмы в целом держали под контролем численность человеческой популяции посредством уничтожения множества людей. Однако в настоящее время, хотя бактериальные заболевания все еще поражают многих из нас, в особенности в неразвитых и развивающихся странах, два крупных открытия в корне изменили наши отношения с микроорганизмами.

Первым было осознание того факта, что заболевания можно избежать, уменьшив контакт человека с определенным видом микроорганизмов. В этом отношении одной из важнейших перемен стал способ доставки воды в жилища человека и ее удаления оттуда. За последние столетия угроза переносимых с водой заболеваний была значительно снижена благодаря как предварительной обработке питьевой воды, так и уменьшению контакта людей со сточными водами. Кипячение воды с добавлением трав или других вкусовых добавок стало общепринятым во всей Азии, равно как и добавление алкогольных субстанций, полученных путем сбраживания зерна и фруктов. Эти два процесса в разных ипостасях применялись на протяжении веков с целью сделать воду более безопасной для питья. Системы отвода сточных вод стали использоваться значительно позже и еще больше снизили риск контакта с болезнетворными микроорганизмами. Некая база знаний о доставке воды и удалении бытовых отходов, быстро распространившаяся в XIX столетии во многих странах, является признаком развитой культуры.

Вторым открытием было обнаружение естественных метаболитов, убивающих микроорганизмы. Термин антибиотик был введен в употребление Зельманом Ваксманом, ученым, открывшим стрептомицин – молекулу, производимую микроорганизмом, который был изолирован из небольшого образца почвы, взятого прямо напротив моей лаборатории. Это открытие позволило излечиться бесчисленным миллионам больных людей. Практически невозможно найти в развитой стране взрослого, который бы за свою жизнь ни разу не принимал курса антибиотиков.

В середине XX века также было обнаружено, что если давать антибиотики животным, это ведет к увеличению производства мяса и молока. Приблизительно 80 % всех антибиотиков, потребляемых в США, используются для нужд животноводства, а не здравоохранения. В настоящее время применяется так много антибиотиков, в особенности в животноводстве, что многие микроорганизмы приобрели иммунитет к наиболее распространенным из них – и снова противодействуют нам, пытаясь нас уничтожить. Они смогли приобрести иммунитет благодаря мутациям. Из-за того что микроорганизмы воспроизводятся очень быстро – в масштабах нескольких часов или даже быстрее, естественные мутации накапливаются стремительно; а затем эти мутации подвергаются отбору благодаря нашему применению антибиотиков. Микроорганизмы, которые смогли уцелеть, продолжают жить и, будучи отобранными, быстро распространяют свои гены в триллионах микробиологических сообществ благодаря горизонтальному переносу. Эти болезнетворные микроорганизмы предприняли против нас контрнаступление. По сути, микроорганизмы отвечают ударом на удар; мы оказались в эволюционном цикле «Черной королевы», где эскалация защиты с нашей стороны привела к эскалации нападения со стороны микроорганизмов.

Независимо от того, кто в конечном счете окажется победителем в цикле «Черной королевы», человеческое знание, приобретенное и распространенное по земному шару посредством горизонтального переноса информации, несомненно, оказалось в высшей степени эффективным, позволив людям временно получить контроль над планетой. Наша непрекращающаяся война с микроорганизмами привела людей к великим победам. Хотя микроорганизмы и становятся все более устойчивыми к антибиотикам, ограничения, налагаемые ими на человеческую жизнь, хотя и не вовсе несущественны, все же гораздо менее значимы, нежели всего лишь столетие назад. Эволюция языка и быстрая передача информации помогли снизить микробиологический контроль за ростом численности населения. Кажется, что мы сумели временно избежать ограничения «Черной королевы» и при этом вошли в фазу экспоненциального роста человеческой популяции.

В студенческие годы я работал в микробиологической лаборатории при Городском колледже Нью-Йорка, выращивая штаммы водорослей для экспериментов. В лаборатории рост единичного микроорганизма в культуре – бульоне с питательными веществами – происходит по простой схеме. На протяжении некоторого периода после инокуляции (посева культуры) клетки растут медленно – это называется латентной фазой. Однако через какое-то время клетки постепенно привыкают к своей новой среде обитания и начинают расти быстрее. На протяжении этой фазы траектория роста популяции представляет собой экспоненту: две клетки превращаются в четыре, четыре – в восемь и так далее. В конце концов какого-либо из питательных веществ в среде начинает не хватать, и клетки принимаются соревноваться друг с другом за этот ограничивающий ресурс. Когда это происходит, темп роста снова замедляется, и кривая роста популяции выходит на плато.

Существует также и четвертая стадия, которую редко упоминают в статьях. Когда график роста клеток достигает плато и питательные вещества оказываются на какое-то время ограничены, клетки порой сталкиваются с трудностями при производстве основных наномеханизмов, необходимых для выживания, и многие из них «совершают самоубийство». Этот феномен я случайно обнаружил много лет назад, будучи студентом, но не вспоминал о нем на протяжении многих лет, он носит название самопроизвольной гибели клеток.

В реальном мире эта траектория выглядит гораздо более сложной – микроорганизмам неизбежно приходится соревноваться со множеством других микроорганизмов за ресурсы, кроме того, всегда присутствуют хищники и вирусы, контролирующие каждую конкретную популяцию микроорганизмов. В действительности отдельные виды очень редко выходят за пределы фазы экспоненциального роста, чтобы занять доминирующую позицию в океане или ландшафте – разве что они являются привнесенными видами, для которых не существует хищников, или же имеют какие-либо другие уникальные свойства, позволяющие им победить в соревновании с туземными организмами.

Рис. 33. Типичная кривая роста микроорганизмов. После инокуляции клетки переживают латентную фазу, прежде чем начинается экспоненциальный рост. В какой-то момент какое-либо из питательных веществ или других ресурсов (например, свет в случае водорослей) становится ограничивающим фактором, темпы роста снижаются и в конце концов рост прекращается. Это стационарная фаза. В дальнейшем, будучи оставлены на долгий период без пополнения запаса питательных веществ или внесения свежих клеток, клетки начнут гибнуть

Основная концепция о контролирующих и уравновешивающих факторах роста микроорганизмов применима к любому другому организму, включая и нас с вами. Согласно вычислениям ученых, в 1 году н. э. по григорианскому календарю на земном шаре проживало от 250 до 300 млн человек. В 1809 году, когда родился Дарвин, население Земли составляло около 1 млрд. К концу XIX столетия людей было около 1,6 млрд, и общая средняя продолжительность жизни составляла всего лишь около 30 лет. К концу XX столетия численность людей на планете составляла более 6 млрд, а общая продолжительность жизни увеличилась более чем вдвое – до 65 лет. По оценкам, к 2050 году нашу планету будут населять более 9,5 млрд человек, каждому из которых потребуются пища, вода, энергия и одежда. Демографы надеются, что в это время численность человеческой популяции выйдет на плато, но особой уверенности в этом нет.

Рис. 34. Кривая роста человеческой популяции начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции и открытия необходимости отделять сточные воды от питьевых человеческая популяция была относительно постоянной, что идентично латентной фазе в микробиотической культуре (см. рис. 33). С середины XIX столетия, однако, человеческая популяция начинает расти по экспоненте. По оценкам демографов, к середине XXI столетия она выйдет на плато при численности приблизительно от 9,5 до 10 млрд человек. Ср. с рис. 33

С учетом такого грандиозного прироста населения возникает вопрос: как мы сможем обеспечить себя всем необходимым? Что-то, несомненно, должно ограничить рост нашей популяции. Будет ли это пища? Вода? Энергия? Жизненное пространство? Достигнет ли рост сопротивляемости микроорганизмов нашим самым современным антибиотикам такой точки, где они снова станут способны убивать нас en masse? Или же мы внесем в микробиотический химизм нашей планеты такие необратимые изменения, в результате которых она станет менее гостеприимной для людей?

Давайте рассмотрим небольшое происшествие, которое привело к значительному изменению нашей планеты, вызванному нами.

В 1859 году – в тот год, когда Биг-Бен прозвонил в первый раз, а лондонское издательство «Джон Мюррей и сыновья» отправило в печать первое издание «Происхождения видов», – по другую сторону Атлантики американский железнодорожный служащий Эдвин Дрейк пробурил первую большую нефтяную скважину возле Титусвилля, штат Пенсильвания. Это событие впоследствии отметит начало современного бума нефтеразведки и в конечном счете нефтедобычи. В то время рынок нефти (английское слово petroleum буквально означает «каменное масло») был весьма невелик. Она применялась главным образом для производства лампового масла – керосина.

Керосиновая лампа была разработана в США Робертом Дитцем, мелким изобретателем из Бруклина, у которого была собственная фабрика по производству масляных ламп. Дитц придумал такую лампу, которая горела ярко и почти не давала дыма. Его лампы оказали на жизнь людей того времени не меньшее влияние, чем изобретенные через сорок лет лампы накаливания; однако непосредственно после их введения в производство Дитцу потребовался источник дешевого топлива. В те времена ламповое масло делалось главным образом из ворвани, особенно той, что добывалась из кашалотов. Титусвилль с успехом предоставил новый источник сырья, из которого можно было делать керосин. В совокупности с выходом на рынок керосиновых ламп Дитца это привело к мгновенному распространению таких ламп по всей стране. Возникновение новой для того времени технологии привело к снижению спроса на китовую ворвань, непреднамеренным результатом чего был полный упадок китобойного промысла во второй половине XIX века. Однако хотя можно считать, что применение керосина в качестве источника освещения спасло китов от полного истребления охотниками, у этого события были и другие, непредвиденные последствия.

К первым десятилетиям XX века нефтяная промышленность стала двигателем экономического роста для стран, в которых стремительно происходила индустриализация. Одним из побочных продуктов дистилляции керосина была высоколетучая жидкость – бензин. В то время на него не было спроса, поэтому его сжигали как отход производства. Однако в конце XIX столетия несколько конструкторов параллельно изобрели, в той или иной форме, двигатель внутреннего сгорания. В 1876 году, после более десяти лет экспериментов, немецкий инженер Николаус Отто с помощью многочисленных коллег успешно разработал двигатель внутреннего сгорания, способный работать на продуктах перегонки нефти. Бензин был настолько дешев, что очень скоро стал наиболее доступным для использования топливом. Бензиновые двигатели оказались гораздо более эффективными, нежели работавшие на угле паровые или газогенераторные, и были быстро приняты к использованию для транспортных целей. Появление новых двигателей привело к огромному спросу на отходы керосиновой промышленности, и для удовлетворения этого спроса нефтяные компании принялись вкладывать крупные суммы в инфраструктуры по очистке нефти и транспортного топлива.

Непреднамеренным и совершенно непредвиденным последствием стремительного сжигания нефти и других ископаемых видов топлива, однако, стало увеличение содержания парниковых газов, в первую очередь углекислого газа. С каждым галлоном сжигаемого бензина из выхлопной трубы автомобиля извергается около 20 фунтов углекислого газа. По дорогам всего мира ездит более миллиарда автомобилей; но это только часть проблемы. На земном шаре существуют обширные запасы угля и природного газа. Все это ископаемое сырье было произведено миллионы лет тому назад и представляет собой резервуар находящихся на хранении энергетических связей. В частности, для нефти эти запасенные энергетические связи являются производными ископаемых водорослей. Мы разработали очень эффективные способы извлечения этих видов топлива. За один год мы можем освоить запас нефти, накопленный за миллион лет; другими словами, водоросли и высшие растения фотосинтезировали на протяжении миллиона лет, чтобы создать количество топлива, которое мы сжигаем за один год.

С начала промышленной революции в середине XIX века концентрация углекислого газа в атмосфере возрастала в геометрической прогрессии – от 280 частей на миллион в 1800 году до более 400 частей на миллион в 2014 году, и в обозримом будущем никакого плато не предвидится. Продолжающееся использование ископаемых видов топлива значительно увеличивает потенциальную вероятность долгосрочного изменения глобального климата, включая потепление и закисление верхних слоев океана, таяние ледников, подъем уровня океана и увеличение частоты и силы штормов. Мы начали вырабатывать собственные отходы, оказывающие губительное влияние на планету, но не знаем легкого способа разрешить эту проблему. Удастся ли нам разработать возобновляемый углеродно-нейтральный вид топлива, который будет экологически устойчив, экономически жизнеспособен и сможет непосредственно заменить нефтепродукты, используя существующую инфраструктуру? Как мы вскоре увидим, большие надежды в деле нашего спасения возлагаются на помощь микроорганизмов. Однако непредвиденные последствия использования ископаемых видов топлива на этом не заканчиваются.

Рис. 35. Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции концентрация CO2 была относительно постоянной и составляла приблизительно 280 частей на миллион по объему (то есть 0,028 %, в то время как содержание кислорода – 210 тысяч частей на миллион, или 21 %). С началом промышленной революции содержание углекислого газа в атмосфере стало возрастать почти экспоненциально и к 2014 году достигло 400 частей на миллион. В отличие от азота и кислорода углекислый газ относится к парниковым газам, то есть удерживает тепловое излучение. Даже такая относительно небольшая концентрация этого газа в земной атмосфере имеет решающее значение в контролировании климата. Кривая изменения содержания углекислого газа поразительно напоминает график роста населения Земли (см. рис. 34)

Разработка ископаемых видов топлива привела к коренному изменению применяемых нами способов выращивать, убирать, перерабатывать и транспортировать наши продукты питания. На полях, которые прежде распахивались при помощи быков или лошадей, сейчас используются машины с двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтепродуктах. Уборка пшеницы, кукурузы и других зерновых, прежде требовавшая непосильного труда людей, теперь может производиться при помощи механизмов. Зерно может перевозиться на сотни и даже тысячи миль к крупным населенным пунктам, где расположены другие двигатели внутреннего сгорания, обслуживающие центры переработки продуктов. Стоимость продуктов питания снизилась, равно как и число людей, необходимых для их производства. Одновременно стремительно возросла потребность людей в других секторах новой экономики, сначала на большей части территории Европы и Соединенных Штатов, а затем и в других странах. Новые населенные пункты вырастают, становясь крупными городами. Крупные капиталовложения в инфраструктуру, в особенности в системы доставки чистой питьевой воды и удаления сточных вод, повысили продолжительность жизни, а следовательно, теперь появилось гораздо больше ртов, которые нужно кормить.

В конце XIX столетия серьезную озабоченность вызывал тот факт, что в мире могут закончиться удобрения, абсолютно необходимые для производства продуктов питания для индустриализированного мира. Первоначальной формой удобрений, применявшихся во второй половине XIX века, было гуано – высушенный птичий помет. За тысячи лет этот материал скопился во многих местах на побережьях всего мира, и экспорт гуано из Чили, Флориды и нескольких других прибрежных регионов превратился в крупную отрасль промышленности. Однако с ростом численности населения гуано стало потребляться быстрее, чем его могли производить птицы. Стоимость гуано начала возрастать, и пришло понимание необходимости заменителя. Однако чем его можно было заменить?

Одним из наиболее важных растительных питательных веществ, содержащихся в гуано, является аммоний и другие так называемые продукты связывания азота. Изначально азот «связывался» в сложные соединения микроорганизмами в океанах, после чего последовательно переходил к водорослям, затем к мелким животным и в конечном счете к рыбе, которой питаются птицы. В конце XIX века люди не очень хорошо представляли себе, что такое связывание азота. Лишь в 1901 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк показал, что бактерии, ассоциированные с корнями бобовых, способны превращать содержащийся в воздухе газообразный азот в форму, которую растение может использовать для роста. Хотя севооборот и помогал возвращать азот в почву (эта методика используется и до сих пор), стало понятно, что без добавления связанного азота извне мы не сможем выращивать достаточно пищи, чтобы прокормить себя.

В 1898 году недавно избранный председатель Лондонского королевского общества – той самой почтенной организации, которая за 274 года до этого издала «Микрографию» Роберта Гука, – опубликовал объявление: «Необходимо найти заменитель аммонию… [ради спасения] Англии и всех цивилизованных стран». Председатель, сэр Уильям Крукс – известный ученый Викторианской эпохи, первооткрыватель химического элемента таллия, интересовавшийся также спиритизмом, – был обеспокоен тем, что, если люди не смогут отыскать способ связывать азот для нужд сельского хозяйства, цивилизованный мир начнет голодать уже в 1930-х годах. Под «цивилизованным миром» сэр Крукс понимал народы, употребляющие в пищу пшеницу, а не «низшие» зерновые – рис и т. п. Оставалось невыясненным, как именно растения связывают азот, но было очевидно, что запасов гуано не хватит навечно. Вызов сэра Крукса был принят учеными-химиками.

В Германии сварливый немецкий еврей Фриц Хабер проделал кропотливую работу, чтобы отыскать химический катализатор, который позволил бы, взяв относительно инертный газ – азот, составляющий 78 % земной атмосферы, – и соединив его с водородом в условиях высоких температуры и давления, получить аммиак, который, будучи растворен в воде, становится ионом аммония. Через несколько лет работы Хабер мог синтезировать около стакана аммония в час при помощи механизма размером с большую коробку. Разумеется, это кажется не таким уж большим достижением, однако реакция работала. Катализатор производился на основе железа; его синтез был относительно несложен, однако чтобы выпустить реакцию на рынок, требовались крупные капиталовложения. Хабер не интересовался продажей чего-либо, будь то аммиак или что-то другое, – он был ученым.

Для Карла Боша, химика-инженера, работавшего в немецкой промышленной химической компании BASF, открытие Хабера явилось мощным стимулом. Он убедил директоров компании заложить опытный завод по производству аммония, который потребовал много энергии, но тем не менее работал. Требовавшийся для реакции водород добывался из угля, который также использовался для нагрева обоих газов в реакционном сосуде для производства аммония. Угля в Германии было много, и BASF предстояло немало обогатиться благодаря владению секретным способом производства удобрений. Реакция Хабера – Боша и по сей день остается – с незначительными поправками – основой мировых ресурсов связанного азота для производства удобрений. Без этого процесса мы почти наверняка не смогли бы прокормить 7,5 млрд людей или даже надеяться прокормить еще на два миллиарда больше в середине XXI столетия.

По существу, человечество изобрело крупные механизмы для связывания азота, обойдя необходимость заботиться о наномеханизмах, разработанных природой в микроорганизмах для абсолютно того же процесса на миллиарды лет раньше. Наши рукотворные машины – самолеты, поезда и автомобили, фабрики по связыванию азота, системы отвода сточных вод, сталелитейные заводы и прочие энерго– и материалоемкие процессы являются относительно недавними творениями. Практически все они были созданы за два последних столетия, с начала промышленной революции, но они не были приспособлены для того, чтобы быть совместимыми с биогеохимическими процессами, установившимися на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет земной истории. В результате эти созданные человеком машины стали вносить стремительные изменения в химизм планеты. Понадобится несколько сотен, если не тысяч лет, чтобы микроорганизмы смогли восстановить Землю относительно нового баланса.

Объемы связывания человеком азота значительно превосходят работу всех микроорганизмов на планете, и этот связанный азот смывается с полей всего мира в реки, откуда попадает в прибрежные зоны океанов, где стимулирует цветение водорослей. Цветение водорослей зачастую достигает таких масштабов, что, когда эти организмы гибнут, погружаются и оказываются съеденными другими микроорганизмами, происходят значительные потери кислорода, гибнет рыба и выделяются такие газы, как закись азота – веселящий газ.

В веселящем газе нет ничего особенно веселого. Каждая молекула закиси азота обладает в 300 раз большей способностью задерживать тепловое излучение, нежели молекула углекислого газа; это чрезвычайно мощный парниковый газ. Тем не менее есть и другая сторона проблемы, связанная с поддержанием на Земле сбалансированного рынка электронов в планетарном масштабе.

Во время Первой мировой войны, когда Германия сражалась с французами и британцами, стало не хватать пороха. Ключевым ингредиентом в порохе является селитра, представляющая собой нитрат, калийную соль азотной кислоты.

Рис. 36. Изменение общего количества связанного азота за последнее столетие. До открытия реакции Хабера – Боша по связыванию азота весь азот связывался микроорганизмами, небольшой вклад также вносили молнии. Природное биологическое связывание азота составляет приблизительно 100 тераграмм (1012 грамм) в год (более темная область на рисунке). После введения в эксплуатацию реакции Хабера – Боша производство человеком связанного азота резко увеличилось и в настоящее время превышает природное биологическое связывание азота почти в два раза (более светлая область)

Нитраты – еще один вид молекул со связанным азотом; они образуются, когда микроорганизмы совмещают ион аммония с тремя атомами кислорода. В мире очень немного мест, где можно промышленно добывать нитраты. Соли азотной кислоты хорошо растворимы в воде, и когда идет дождь, нитраты размываются дождевой водой и впитываются в почву или утекают в реки и озера. Основным источником нитратов для Германии был природный резервуар в пустыне Атакама в Чили, самом засушливом месте в мире.

Германии было необходимо защищать свои запасы нитратов во время их транспортировки из Южной Америки в Европу. В 1915 году, во время Первой мировой войны, британский флот уничтожил немецкие военные корабли, защищавшие нитраты. Поставка нитратов в Германию была остановлена, в результате чего застопорилось производство пороха и возник недостаток боеприпасов. Возможно, это послужило ключевым фактором поражения Германии в Первой мировой войне. Однако Гитлер, придя к власти в Германии, потребовал, чтобы компания BASF нашла способ превращать аммиак в нитрат. Немецкие химики повиновались, и в результате основным источником удобрений на мировом рынке по сей день является нитрат аммония – вещество, не существующее в природе (и чрезвычайно взрывоопасное). В основе производства нитрата аммония лежала реакция Хабера – Боша, которая обошла все микроорганические реакции в природе.

Куда в конечном счете девается весь излишек азота, синтезированного людьми ради пропитания? За удаление избыточного азота из озер, рек и океанов мира отвечают микроорганизмы. Это они, сами того не зная, являются переработчиками наших отходов в глобальном масштабе. В целом микроорганизмы превращают около 25 % азота, применяемого нами как удобрение, в нитраты и затем далее в газообразный азот; кроме того, небольшая часть уходит на образование закиси азота. Тот же процесс происходит при переработке стоков.

Расхищая во все возрастающих масштабах планетарные ресурсы ради производства пищи и удовлетворения своих нужд и прихотей, человек повлиял не только на углеродный и азотный циклы, но практически на все природные циклы химических элементов. Результатом стало стремительное и масштабное искажение основных биогеохимических циклов на всем земном шаре. Равновесие в этих циклах, контролируемое и поддерживаемое главным образом микроорганизмами в совокупности с геологическими процессами, было подорвано людьми в беспрецедентном масштабе на протяжении очень короткого временного периода. В результате природные циклы углерода, азота, серы и многих других элементов оказались разъединены – под этим я подразумеваю, что изменения циклов становятся все более независимы друг от друга. Так, до эволюционного развития человека углеродный и азотный циклы были теснейшим образом связаны. В те времена не было массового смыва азота в реки и океаны. В индустриальном мире производство аммония не имеет прямой связи с темпом сжигания ископаемых видов топлива.

Не катимся ли мы по наклонной плоскости? Могут ли люди населять планету совместно с микроорганизмами, не истребляя так много ресурсов и не нарушая химизм Земли так стремительно? И если да, то как нам вступить на этот путь?

Один подход, воспринимаемый все более серьезно, состоит в том, чтобы убедить микроорганизмы выполнять наши задания. Появилась отдельная научная отрасль – синтетическая биология, посвященная попыткам перестроить метаболизм микроорганизмов так, чтобы они могли связывать азот на порядки быстрее, чем делают это естественным путем, или же найти замену нефтепродуктам, или синтезировать белок, который смог бы послужить сырьем для искусственного мяса. Давайте проследим, как такой подход смог заронить в людях надежду.