РЕПРИЗА — Человеческий углеродный цикл

Ключ к пониманию неразрывных связей между Землей, углеродом и нами кроется в циклах. В основе быстрых изменений, которые люди навязывают Земле как с умыслом, так и непреднамеренно, лежит циркулирование углерода. Мы выращиваем и разводим богатую углеродом пищу, чтобы поддерживать растущее мировое население, неизбежно разрушая окружающую среду, которая была устойчивой тысячи лет. Мы лишаем землю лесов, а моря — рыб, изменяя экологический баланс. Мы добываем углерод в огромных количествах, используя давно захороненные ресурсы в качестве топлива, а также для производства материальных ценностей. В этих да и в других подобных примерах ускоряющееся человеческое воздействие на углеродный цикл является глубоким и глобальным, а последующие изменения в атмосфере и климате — в значительной степени непредсказуемыми.

Все живые существа, включая наш человеческий род, играют свою роль в глобальном цикле углерода. Взгляните вокруг, и вы увидите последствия: минералы и воздух Земли становятся растениями, растения — едой для животных, погибшие животные и растения поддерживают благоденствие грибов и микробов; в свою очередь все эти организмы возвращаются в почву и царство минералов. Атомы углерода включаются в этот цикл снова и снова, и каждый атом за миллиарды лет своего существования принимает множество форм.

В нас с вами происходит также и индивидуальный углеродный цикл — гораздо более непосредственный и интимный, связанный с изменением нашего тела. Мы переживаем этот личный цикл элемента №6 с самого зачатия и до того момента, когда наши останки полностью разложатся.

Вы вдыхаете кислород и едите богатую углеродом пищу, которые являются движущей силой метаболизма. Ваше тело встраивает в себя этот углерод, когда создает новые клетки; ваше тело вырабатывает углекислый газ, когда сжигает насыщенное углеродом топливо.

Вы выдыхаете углекислый газ, и ваше тело сбрасывает атомы углерода, как деревья — осенние листья. С каждым выдохом вы немного таете. С каждым выдохом крошечная доля углерода вашего тела — менее 0,001% — уходит, рассеивается, она готова вступить в новый цикл. Ваше тело сегодня может казаться таким же, каким было на прошлой неделе или в прошлом году, но это не так. Многие атомы уже другие — точные копии, но другие.

Всю свою жизнь вы потребляли новые атомы углерода, теряя старые атомы углерода. Как эфемерны наши тела! Немного осталось тех атомов, тех молекул, которые были вами при рождении. Немногие из атомов, молекул, которые являются вами сегодня, по-прежнему будут вами, когда вы проживете еще с десяток лет. Мы, люди, не задумываясь приравниваем наши тела к нашим сущностям. Наши разумы разделены, наши мысли — однозначно наши собственные, но атомы в наших телах столь же мимолетны, как морской бриз.

И где сейчас эти атомы — те, что были еще недавно частью вас? Некоторые — в воздухе или растворились в океанах. Некоторые, возможно, заперты в карбонатных раковинах моллюсков и улиток или скоро будут изолированы в известняке коралловых рифов. Многие из триллионов и триллионов атомов углерода, которые когда-то были вами, сейчас обитают в стеблях, листьях, цветах и корнях растений — дуба, пшеницы, розы, мха. Животные едят растения и таким образом наследуют и задерживают на некоторое время то, что когда-то было вами. И каждый человек на Земле, который прожил хотя бы несколько лет, любой, кто ел растения или животных, которые ели эти растения, сейчас содержит атомы углерода, которые когда-то были вами, а в то же время в вас есть атомы углерода, которые когда-то были ими, — атомы каждого, кого вы знали в своей жизни, ваших друзей, родственников, любимых; почти всех, кто когда-либо жил.

Попробуйте представить себе космический путь одинокого атома углерода, который сейчас — на недолгий миг — является частью того, что вы считаете «собой».

Этот атом углерода выковался в недрах большой звезды и вылетел в космос, когда звезда взорвалась. Предположим, что он присоединился к другим атомам углерода и образовал крошечный кристаллик алмаза, став частичкой пыли и газа в молекулярном облаке — изобильной звездообразующей области Млечного Пути, нашей молодой Галактики. Возмущение в этом облаке, к примеру встряска от взрыва ближайшей сверхновой, способствует локальному коллапсу — и так зарождается наша Солнечная система. Бóльшая часть всей этой массы падает внутрь, чтобы образовать наше Солнце, но алмазная крупинка находит себе другой дом в оставшемся веществе, которое начинает образовывать третью большую планету в упрочняющейся системе.

Земля слишком горяча, слишком химически активна, чтобы маленький алмаз мог выжить. Наш атом углерода соединяется с атомами кислорода и образует молекулу углекислого газа — мельчайшую частичку развивающейся атмосферы. Эта молекула CO2 поглощается океаном, где ее тысячу лет носят течения, пока она не осядет в виде карбонатного слоя на дне мелководной окраины океана.

Проходят еще один-два миллиона лет. А затем в береговую линию врезается астероид диаметром больше километра и происходит всеобщее разрушение. Минералы углерода испаряются, возвращая углекислый газ в атмосферу. Цикл повторяется: из воздуха в океан, из океана в горные породы, но на этот раз слой карбонатов, захваченный опускающимся фрагментом плотной земной коры, медленно погружается в верхнюю мантию, где внутреннее тепло Земли расплавляет вмещающую породу. Этот расплав, богатый водой и CO2, поднимается все выше, а давление пока в состоянии удерживать летучую смесь. Когда магма подходит к поверхности, флюиды внезапно и бурно превращаются во взрывной поток, который, вырываясь наружу, забрасывает окрестности вулканическими бомбами и пеплом. И снова наш атом углерода высвобождается в воздух в виде молекулы CO2.

Этот повидавший мир атом углерода, подзаправившись ближайшей вспышкой молнии, соединяется с азотом и другими атомами для образования аминокислоты — молекулы, которая живет всего несколько дней, пока не распадется под действием ультрафиолетового излучения Солнца. В своем более стабильном облике, в виде молекулы углекислого газа, наш атом очередной раз вступает в цикл — отправляется из воздуха в океан. Этот атом неоднократно подвергается химическим реакциям в глубинных жерлах гидротермальных источников на дне океана, образуя аминокислоты, которые выживают там лишь несколько недель, прежде чем распасться обратно до CO2. Вот так рожденный звездой атом циркулирует по резервуарам Земли эон за эоном, переходя из газа в жидкость, а потом в камень и обратно бесчисленное количество раз.

Перемотаем на миллиард лет вперед. Появляется новый феномен жизни. Манят новые углеродные резервуары. Углекислый газ извлекается из воздуха и фотосинтезирующими водорослями преобразуется в сахар. Сахар становится топливом для производства потрясающих молекулярных новинок: липидов из цепочек углерода — для формирования клеточных мембран; оснований из колец углерода — для переноса генетического кода; а углерод, связанный с азотом и кислородом в аминокислоту, — это строительный материал белков. Наш атом углерода быстро циркулирует по биосфере, играя множество новых ролей в гораздо более бешеном темпе, чем раньше, иногда меняя химическую форму десяток раз за неделю. А в некоторых случаях он запечатывается в карбонатной раковине, падая на дно океана связанным на 100 млн лет и ожидая возвращения в энергичный живой мир на поверхности.

На прошлой неделе вы съели этот атом углерода. Сейчас он часть молекулы белка, которая играет жизненно важную роль в одной из ваших клеток. Будем надеяться, что все идет как надо.

Смерть и углерод

Мы, многоклеточные формы жизни, уязвимы. Многое может пойти не так с атомами углерода в столь сложных системах.

У моего брата Дэна рак начался в двенадцатиперстной кишке — том месте, где никто не ищет рак, где не возникает явных симптомов, по крайней мере пока опухоль не распространится на другие органы. Но это уже оказывается слишком поздно. Врачи пытались остановить агрессивные клетки, когда рак убил печень. Дэн месяцами терпел жуткую химиотерапию. Она не помогла. Через полгода брат умер.

Виновниками были углеродсодержащие молекулы — как и во многих других болезнях. Один атом углерода — это мелочь, но когда несколько его атомов выпадают или располагаются не там или не так, они могут многое изменить: мы подчиняемся прихоти углерода в отношении смерти так же, как и применительно к жизни. Врачи не могли объяснить нам, что пошло не так у Дэна, почему именно он — находящийся в лучшей по сравнению со всеми нами форме, внимательнее относящийся к своему питанию, физически активный — пал жертвой. Что-то пошло не так с молекулами, которые контролируют деление клеток. Всего одной клетки из 10 трлн. Эта клетка начала размножаться неконтролируемо и в конечном счете узурпировала другие клетки, другие органы.

Все виды рака и генетические заболевания в данном отношении одинаковы: это ошибки в атомах углерода — их расположении, их связях. Рассмотрим главные аминокислоты аспартат (аспарагиновую кислоту) и глутамат, которые различаются только одним атомом углерода. Вставьте не ту аминокислоту в принципиально важный белок — и длинная цепочка молекул сложится не тем образом, которым должна была сложиться. Получившаяся не той формы структура может посеять клеточный хаос, следовательно, клетка будет не в состоянии выполнять свои жизненно важные функции.

А куда деваются наши атомы углерода, когда мы умираем?

Я думаю о Лулу, нашей четвертой и последней мальтийской болонке, представительнице третьего поколения милых белых пушистых мячей. Бóльшую часть времени из прожитых 13 лет она веселым эльфом выскакивала за дверь, лая и подпрыгивая, когда я приходил домой из лаборатории. Ее сестра-близнец Джулия умерла годом ранее в возрасте 12 лет, и после этого здоровье Лулу стало неуклонно ухудшаться. Под конец жизни она потеряла слух и ориентацию в пространстве, то где-то пряталась, то внезапно выскакивала и начинала бегать, облаивая непонятно кого. Когда собачка перестала есть и пить, мы ее усыпили. По крайней мере уход ее был спокойным; когда-то оживленный дом поглотила тишина.

Мы выкопали могилку в лесу рядом с домом, под цветущим багрянником. Кудрявая белоснежная шерсть Лулу казалась совсем не к месту в этой глубокой темной яме; мы попрощались, накрыв трупик 60 см плодородной коричневой земли.

В маленькой собачке весом 4,5 кг содержится от 900 до 1300 г углерода — это порядка 50 трлн трлн его атомов. Что произошло с ними, когда Лулу умерла? Короткий промежуток времени — часы, не дни — ее мертвое тело еще удерживало почти все эти атомы. Но в контакте с воздухом и почвой останки собаки представляли собой богатый запас химической энергии для бактерий, грибов и мелких животных-падальщиков. Начался неизбежный процесс рассеивания ее атомов. Бóльшая часть мертвой плоти пошла на обеспечение энергией и атомами других живых существ. Атомы углерода стали диффундировать, распространяясь наружу от разлагающейся Лулу все возрастающими сферами. Распад тела также высвободил в атмосферу углекислый газ и другие небольшие органические молекулы, которые распространились по всему миру и — самое главное — были использованы бесчисленное количество раз в новой жизни на каждом континенте. Возможно, прямо сейчас вы вдыхаете атомы, которые когда-то были частью Лулу.

Круговорот. Вот что делает природа. Стабильные атомы земного углерода ни создаются, ни разрушаются — они используются снова и снова.

Отправить