Рядом с лабораторией Агарвала находится кабинет его научной руководительницы, Сюзанны Менден-Дойер, которая специализируется на экологии планктона и занимает должность профессора океанографии. В первый день моего визита она встретила меня на парковке: на ней были вельветовые бордовые брюки и серый кардиган, а ее светлые волосы были собраны в аккуратную косу. Она проводила меня в свой кабинет: он был украшен изображениями копепод, которые нарисовал Эрнст Геккель, картами заливов Пьюджет-Саунд – места, где она жила и работала, и парой суккулентов, листья которых, нанизанные на тонкие стебельки, рассыпались по столу подобно волосам Рапунцель.
Уже в детстве Менден-Дойер проявляла сильный интерес к живому миру. Она вспоминает: «Мои старшие сестры рассказывали, что я не могла съесть горошину, не открыв ее, потому что мне нужно было увидеть, что находится внутри». Изучая биологию в Боннском университете в Германии в 1990-х годах, она получила стипендию для посещения австралийского университета – Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, – где она получила возможность заниматься океанографией, которая всегда ее увлекала. В Сиднее она жила в нескольких минутах ходьбы от пляжа: там она часто занималась подводным плаванием и наблюдала за случайными скоплениями красочных морских слизней, относящихся к голожаберным моллюскам. Она устроилась на работу дайвером-исследователем, где в рамках эксперимента кормила диких морских ежей, и вступила в студенческий дайвинг-клуб, в котором познакомилась со своей будущей партнеркой, Татьяной Райнерсон. «Мы влюбились в дайвинг», – сказала мне Менден-Дойер. За один насыщенный солнечный год вся ее жизнь как будто бы слилась с морем.
Получив степени PhD по океанографии, девушки долго не могли найти преподавательские должности в одном университете или даже работу, которая устроила бы обеих. В конце концов они обе стали профессорами в Университете Род-Айленда, где они с тех пор и работают. Их офисы находятся всего лишь в нескольких кабинетах друг от друга.
В течение своей научной карьеры Менден-Дойер все больше интересовалась скрытыми связями между мельчайшими организмами и колоссальными явлениями – между колебанием единственной клетки и ритмом всей планеты. «Идея моего подхода в том, чтобы признать, что каждый вид планктонных организмов и любое, даже самое мелкое взаимодействие имеют значение», – объяснила Менден-Дойер в одной из наших бесед. Она продолжила: «Однако в конечном итоге важен крупный масштаб – это и движет моими исследованиями: как мы можем измерить эти мелкие процессы и связать их с общей картиной? Планета Земля – это единая система, и в ней все взаимосвязано. Планктон играет ключевую роль в перемещениях элементов по Земле. Он буквально представляет собой двигатель, который обеспечивает работу биогеохимических циклов. Именно планктон делает Землю пригодной для жизни миллиарды лет».
Мы часто слышим противоположные утверждения о планктоне. Помимо того, что его едят киты, один из самых известных фактов о планктоне состоит в том, что в больших количествах он может отравить море. Цветение планктона, известное также как цветение водорослей или красные приливы, не только окрашивает море в оранжевый, желтый, коричневый или розовый цвет. Иногда оно наполняет воду и воздух токсинами, от которых болеют и гибнут рыбы, моллюски, птицы, млекопитающие и даже человек. Когда чрезмерно размножившиеся микроводоросли начинают погибать, микробы, разлагающие их клетки, потребляют бо́льшую часть доступного на данной территории кислорода и тем самым душат других существ и создают так называемую мертвую зону. Однако в большинстве случаев умеренное цветение планктона не приводит к выработке токсинов. К тому же планктон не зацветает столь быстро, чтобы лишить другие организмы кислорода. Напротив, планктон становится желанной закуской. Как бы драматично это ни звучало, но неоднозначная роль планктона – как вредителя и как жертвы – говорит о его значимости лишь частично. Своим ростом и поведением, жизнью и смертью – всем своим присутствием – планктон регулирует химический состав морей и в конечном счете – всей планеты.
В 1930-х годах американский океанограф Альфред Редфилд заметил, что среднее соотношение азота и фосфора во взятых из глубинных слоев океана пробах воды совпадает со средним соотношением этих элементов в клетках фитопланктона: 16 к 1. Основываясь на десятилетиях исследований, Редфилд, выражаясь словами биоокеанографа Пола Фальковски, заявил, что планктон «не только является отражением химического состава глубинного океана, но и создает его». По мнению Редфилда, когда мертвый планктон опускается в морские глубины, бактерии разлагают его на химические составляющие и тем самым обогащают океанские глубины азотом и фосфором в одинаковых пропорциях. По его мнению, планктон также поддерживает соотношение этих элементов за счет постоянного преобразования азота в различные химические формы в рамках экологических петель обратной связи, подобных тем, которые организуют микробы на суше.
Когда запасов азота в море становится меньше по отношению к фосфору, многим организмам, испытывающим недостаток питательных веществ, приходится бороться за существование. Тогда наступает время особых азотфиксирующих микробов: они выделяют в море аммиак и другие биологически усваиваемые формы азота, в конечном итоге пополняя его запасы в море. Если же уровень азота поднимается слишком высоко, наступает эра других видов планктона, и они вытесняют азотфиксирующие микробы. В это же время все больше и больше планктона, погибая и погружаясь на глубину, лишенную кислорода, переносят туда углерод и стимулируют рост микробов, в процессе дыхания которых аммиак превращается обратно в газообразный азот. Это еще больше стабилизирует соотношение азота и фосфора в воде.
Планктон также является важнейшим элементом тех процессов, как краткосрочных, так и долгосрочных, которые способствуют поглощению углерода и регуляции климата планеты. На протяжении своей истории Земля неоднократно переживала периоды широкомасштабного оледенения, которые приводили к исчезновению многих видов животных и растений и всерьез тормозили развитие жизни в целом. Тем не менее раз за разом наша планета не только восстанавливалась, но и в конечном счете процветала. Как это стало возможным?
Наступление и окончание ледниковых периодов частично связано с дрейфом континентов и изменениями океанских течений, которые перераспределяют тепло по всему земному шару, а также изменениями орбиты Земли, колебаниями и наклоном ее оси, которые влияют на количество получаемого ею солнечного света. Однако в некоторых случаях в дело вступают и процессы саморегуляции нашей планеты. Способность Земли к восстановлению отчасти зависит от необыкновенной универсальности того элемента, из которого состоит вся земная жизнь, – углерода. Кольцевой путь углерода по воздуху, суше и морю – его вечное перемещение между организмами и окружающей средой – в конечном итоге выполняет роль термостата нашей планеты.
Содержащийся в атмосфере углекислый газ постоянно растворяется в океане, где в процессе фотосинтеза солнцелюбивый фитопланктон встраивает его в свои клетки. Бо́льшая часть этого углерода выделяется на мелководье, когда зоопланктон и микробы поедают и разлагают фитопланктон. Они поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Не ставший добычей фитопланктон обычно живет лишь несколько дней или в крайнем случае пару недель. Умирая, он сталкивается с себе подобными: они образуют небольшие скопления и вместе со сгустками экскрементов зоопланктона начинают тонуть, унося углерод в холодное глубоководье, где он останется в течение следующих нескольких тысяч лет[50]. Часть этих подводных осадков, известных как морской снег, служит пищей для обитающих на глубине существ, но часть его продолжает тонуть и оседать на морском дне. Там они накапливаются в слоях ила, которые в конечном итоге окаменеют и будут удерживать в себе углерод миллионы лет.
В это же время углекислый газ, извергаемый вулканами, соединяется с водным паром в атмосфере – вместе они образуют угольную кислоту, которая выпадает на землю в виде дождя. Из-за невысокой кислотности дождевая вода, превращенная в разбавленную угольную кислоту, вступает в реакцию с корой планеты и разрушает ее. В результате происходящих во время эрозии химических реакций образуются различные минералы, соли и другие молекулы: через реки они попадают в океан, питая морскую флору и фауну. Некоторые виды цианобактерий, планктона, кораллов и моллюсков используют ионы кальция и бикарбоната, образующиеся в результате эрозии, для создания раковин, оболочек, скелетов, рифов и бактериальных матов, известных как строматолиты. Когда такие существа погибают, их богатые углеродом останки постепенно накапливаются в слоях уплотненных известняковых отложений на морском дне. На протяжении длительного времени тектоническая активность планеты поглощает и преобразует эти отложения, возвращая содержащийся в них углерод на поверхность планеты в виде новых гор или извергающихся вулканов. Таким образом, цикл завершается.
Если на Земле в результате парникового эффекта устанавливается режим сильных и частых ливней, то они быстро размывают породу, наполняют океан минералами, питают жизнь в море и выводят углерод из атмосферы быстрее, чем вулканы успевают его восполнить. В результате в течение периода от сотни тысяч до миллионов лет Земля охлаждается. И наоборот, если лед заполнит бóльшую часть поверхности моря и суши, то круговорот воды фактически остановится, продуктивность планктона и других обитателей океана упадет, а углекислый газ будет накапливаться в атмосфере, что в конечном итоге приведет к потеплению планеты. «Таким образом, живые организмы в значительной степени контролируют весь этот процесс, от которого и зависит их существование на Земле», – пишут палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк. Хотя некоторые самостабилизирующиеся процессы на Земле могут протекать без содействия живых существ, уже более 3,5 миллиарда лет жизнь тесно связана с углеродным циклом – термостатом нашей планеты.