Pseudomonas syringae, которая обычно живет в почве и на растениях. Белки имитировали форму кристаллов льда, обеспечивая идеальный шаблон для организации свободно плавающих молекул воды в твердое тело.
На земле бактерии вызывали у растений обморожение, разрывая их ткани, чтобы получить доступ к питательным веществам. Когда грозовые тучи вбирали в себя воздух и пыль с земли, они неизбежно притягивали и различные микроорганизмы. Попадая в облака, P. syringae и ее белки могли стать источником кристаллов льда и градин. Никто из ученых никогда всерьез не предполагал, что микроб может заморозить воду, не говоря уже о том, чтобы изменить погоду, но теперь было доказательство – бактериальный белок, действующий подобно веществу лед-девять из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».
Воодушевленный этими открытиями, Шнелл отправился в кругосветную исследовательскую экспедицию. Сначала он поехал в центральные районы Соединенных Штатов. Затем он перелетел в Англию и отправился на восток. А после Европы – в Россию, где проехал часть пути по Транссибирской магистрали. Прежде чем вернуться домой, он посетил Японию, Таиланд, Индию, Непал, Иран и некоторые регионы Африки. Шнелл жил экономно, питаясь и удовлетворяя другие свои потребности на сумму до 100 долларов в месяц. При любой возможности – на обочине дороги, в поле, в роще деревьев – он останавливался, собирал опавшие листья и складывал их в пластиковый пакет. Вернувшись в Вайоминг, он провел эксперименты на десятках образцов из самых разных экосистем и климатических условий. В каждом из них он обнаружил активные ядра кристаллизации, созданные P. syringae и другими микробами.
Шнелл понял, что микроорганизмы, образующие лед, важны не только для града. Попадая в атмосферу, они также увеличивают вероятность дождя. Совсем небольшая часть облаков обладает достаточной тяжестью, чтобы из них выпали осадки. Подавляющее же их большинство просто рассеивается. Однако присутствие ядер кристаллизации многое меняет. Такое ядро может запустить цепную реакцию, которая быстро заморозит значительную часть воды в облаке, втянет в него еще больше воды и сделает его настолько огромным, что оно будет готово разразиться дождем в любой момент. Белки, которые производит P. syringae, – самые оперативные ядра кристаллизации из всех нам известных. Шнелл считает, что это важнейший компонент круговорота воды в экосистемах всей планеты. «Почти все дожди на суше, даже над Сахарой и в тропиках, поначалу являются ядрами кристаллизации», – говорит он.
Частный бизнес быстро осознал потенциал открытия Шнелла. К 1980-м годам компания Snomax запатентовала процесс создания искусственного снега с помощью очищенных белков, выделенных из огромных сосудов с P. syringae. С тех пор по всему миру горнолыжные курорты используют микробные белки для покрытия своих трасс. Научное сообщество, напротив, в течение нескольких десятилетий практически не обращало внимания на изменяющие погоду микробы. Они интриговали ученых, но казались им довольно банальным аспектом метеорологии, который не заслуживает серьезного исследования. Однако в последние годы, когда изменение климата заставило ученых заново взглянуть на сложную структуру атмосферы и стали известны новые удивительные открытия, отношение к микробной жизни изменилось.
Теперь очевидно, что P. syringae – далеко не единственный организм, способный превращать воду в лед. Многочисленные бактерии, водоросли, лишайники и планктон как на суше, так и в море производят белки, способствующие образованию льда. Сильные ветры, восходящие потоки воздуха, грозы и пылевые бури регулярно заносят этих крошечных существ в воздушную среду, где они на несколько недель образуют небесные колонии, а затем возвращаются на поверхность планеты как часть того самого осадка, что они и вызвали. Таким образом, эти случайные воздушные путешественники могут оказывать глубокое влияние на планету, которому до сих пор по большей части не придавали значения. «Вся эта концепция, безусловно, вызвала большой интерес у ученых, – рассказывает Дэвид Сэндс, профессор фитопатологии в университете Монтаны, – мы должны признать, что эти микробы – часть, может быть, даже основная, метеорологических процессов».
Вероятность того, что воздушная среда кишит невидимой жизнью, будоражит ученых со времен возникновения микробиологии в XVII веке. Антони ван Левенгук, один из первых людей, изучавших микробов через микроскоп, предположил, что есть «воздушные живые существа, которые настолько малы, что мы не можем их заметить». В 1800-х годах, находясь на борту корабля «Бигль», Чарльз Дарвин собрал частички пыли, летающие над Атлантическим океаном: позже выяснилось, что эта пыль также полна микробов. В начале 1900-х годов Фред Майер, фитопатолог из Министерства сельского хозяйства США, убедил Чарльза Линдберга и Амелию Эрхарт оснастить свои самолеты металлическими цилиндрами, созданными для сбора микроорганизмов.
Однако только в конце XX века исследователи начали рассматривать воздушных микробов не только как пассивные организмы. В 1978 году, пытаясь найти причину нашествия P. syringae на пшеничные поля Монтаны, Дэвид Сэндс пролетел на самолете фирмы Cessna сквозь облака над посевами, просунув чашки Петри в иллюминатор. Вскоре P. syringae выросла в этих чашках. В 1980-х годах, основываясь на более ранних исследованиях Шнелла, Сэндс представил теорию биопреципитации – идею о том, что некоторые бактерии рассеивают себя посредством сложного танца дождя. «В то время многие считали это безумием, – говорит Синди Моррис, которая работает во французском Национальном исследовательском институте сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды и давно сотрудничает с Сэндсом, – но теперь уже никто не говорит нам, что мы сумасшедшие».
В середине 2000-х годов Сэндс, Моррис и их коллеги собрали образцы свежего снега на трех разных континентах. Почти каждый образец содержал микробы, благодаря которым появляется лед, в том числе обитающие в растениях бактерии, найденные даже в Антарктиде. Несколько лет спустя ученые из Европы и США обнаружили множество микробов в градинах. Другие исследователи проанализировали облачную воду и обнаружили в среднем десятки тысяч бактерий в каждом ее миллилитре. Используя данные о погоде столетней давности, Моррис и его коллеги нашли статистическое подтверждение тому, что биопреципитация работает по принципу петли обратной связи: чем сильнее ливень, тем чаще и интенсивнее будут бури в последующие дни и недели, предположительно потому, что сильные ливни поднимают в воздух микроскопические организмы.
Когда-то ученые считали, что зарождающие лед белки появились в первую очередь, чтобы P. syringae и подобные им организмы могли питаться растениями, и лишь во вторую очередь – как приспособление для передвижения по воздуху. Но P. syringae не всегда вредит растениям и не живет исключительно на них, она также встречается в реках и озерах. Эволюционные связи между различными ледообразующими бактериями указывают на то, что белки, образующие лед, появились по меньшей мере 1,75 миллиарда лет назад, задолго до того, как водные предшественники современных растений начали осваивать сушу. Моррис и Сэндс предполагают, что в те времена эти белки, вероятно, помогали микробам выживать в ледяной воде и во время крупных оледенений, возможно, задерживая разрушительные кристаллы льда за пределами клеток.
С течением веков океанические волны и мощные ветры выносили микробов в атмосферу, где они сталкивались с разрушающим ДНК ультрафиолетовым излучением, нехваткой пищи и угрозой обезвоживания. Бактерии с зарождающими лед белками обладали огромным преимуществом перед теми, у кого их не было: это позволяло им вернуться на поверхность земли. Более того, как предположил биолог Уильям Дональд Гамильтон, микробы, жившие достаточно долго, чтобы преодолеть большие расстояния, могли расширить ареал своего обитания и, возможно, найти более благоприятные места для жизни. У бактерий, которых сегодня ученые находят в осадках, есть особенности, проявляющие их давнюю адаптацию к жизни на большой высоте. Например, у некоторых из них вырабатываются пигменты, действующие как солнцезащитный крем, а другие способны питаться исключительно молекулами, которых можно найти в облачной воде. Одно исследование даже показало, что некоторые бактерии способны размножаться внутри облаков.
На протяжении большей части своей истории – от 2 до 3,5 миллиарда лет – Земля была исключительно планетой микробов. На протяжении этого немыслимо долгого периода на ней практически не было организмов, состоящих более чем из одной клетки. Когда на свет появились более сложные многоклеточные организмы и заселили море и сушу, они вынуждены были существовать в системе координат, заданной существами гораздо более микроскопическими и древними. Появление растений, грибов и животных значительно усложнило экосистемы Земли не только за счет появления более крупных и сложных организмов, но и за счет возникновения бесчисленных новых связей между ними и их микробными предшественниками.
Будучи связующей нитью между землей и небом и функционируя как губки и насосы, растения играют особо важную роль в круговороте воды. Для своих микробных партнеров они становятся проводниками. Везде, где слияние геологии и климата обеспечивало изобилие света, тепла и влаги, растения могли процветать. Везде, где растения процветали, они делали это только благодаря взаимодействию с грибами и микробами, в том числе с теми, которые засевали облака и вызывали дождь. В теплых и влажных районах континентов росли мягкие и зеленые листья и почки. По мере того как растения становились сильнее и выше, они поднимали в воздух невидимые сообщества по сути невесомых существ – так они попадали в воздушную среду. Вместе они вытягивали воду из почвы, поднимали ее в воздух и возвращали обратно.
Интуиция Шнелла его не подвела: деревья имели самое непосредственное отношение к облакам.
Днем после подъема на башню я посетил «Чистую лабораторию» исследовательской станции: металлическое пространство размером с классную комнату начальной школы. Здесь изучали биологические образцы, которые следовало защищать от случайного загрязнения. Лаборатория соответствовала своему названию: белая, просторная, до сияния чистая, она была обставлена длинными верстаками и полками от пола до потолка, заполненными химикатами, контейнерами для хранения и научными приборами. Большой холодильник стоял в задней части помещения рядом с ламинарным боксом – это закрытое рабочее место c притоком отфильтрованного воздуха, которое защищает образцы от загрязнения.