Кибелли Барбоза, жизнерадостная ученая-атмосферолог лет 30, согласилась показать мне пространство. Она поправила красные наручные часы, натянула синие нитриловые перчатки и выстроила на столе перед нами ряд пластиковых пробирок. Они были набиты чем-то похожим на сушеный розмарин и гвоздику. «Здесь у нас бриофиты, – сказала она, подразумевая мхи, антоцеротовые и печеночники, то есть маленьких, не имеющих лигнина и одревесневших тканей потомков одних из первых наземных растений, – мы изучаем, как они реагируют на окружающую среду, а также как они ее изменяют». Она объяснила, что собрала эти образцы со ствола близлежащего дерева, к которому на разных его уровнях прикрепила датчики, чтобы измерить колебания температуры, влажности и интенсивности света.
«Чтобы лучше понимать, что происходит на самом деле, мы можем использовать вот такое оборудование, – говорит Барбоза, держа в руках портативное устройство серого цвета, размером и внешним видом напоминающее игровую приставку середины 1990-х годов, – это измеритель частиц. Он всасывает воздух через специальное входное отверстие, которое мы помещаем очень близко к организму, например к грибу, выделяющему споры, споры же попадают внутрь прибора, проходят через оптическую камеру и остаются на фильтре, подобном этому». Она показала мне белый диск, похожий на посыпанную корицей бумажную подставку, и продолжила: «Непосредственно перед тем, как частицы попадают в ловушку, прибор подсчитывает их и сообщает нам их размер и концентрацию в воздухе. Количество грибных спор, пыльцевых зерен и других биологических частиц в атмосфере в разное время очень важно, потому что они влияют на время дождя».
Впервые Барбоза отправилась в Амазонскую обсерваторию в 2012 году, когда получила степень магистра в области экоинженерии. В то время она хотела сравнить химический состав воздуха в городе Манаус с воздухом нетронутой среды, неподверженной человеческому влиянию. Высокая башня еще не была построена, поэтому Барбоза забралась на одну из небольших башен высотой 79 метров, чтобы взять пробы. Но даже это оказалось непростой задачей. Помимо того, что у Барбозы были проблемы с дыханием, из-за которых ей могло не хватать воздуха, она к тому же страшно боялась высоты, а маленькие башни пугающе раскачивались на ветру. Однако необходимость ежедневно подниматься на высоту для работы заставила ее преодолеть свой страх. Через несколько лет она с первой попытки взобралась на башню высотой 325 метров.
Чем больше времени Барбоза проводила в Амазонии, тем чаще она задумывалась о смене приоритетов в своих исследованиях. Что, если вместо того, чтобы просто использовать чистый воздух тропических лесов как точку отсчета, она изучит его уникальные свойства? Что именно парит там, над деревьями? Когда Барбоза писала докторскую диссертацию в Федеральном университете Параны, она заинтересовалась биоаэрозолями – крошечными частицами и капельками воздуха, полученными из живых организмов. За последнее десятилетие Барбоза, ее коллеги и другие ученые, приезжающие в обсерваторию со всего мира, составили более подробный портрет того, как парящие частицы и фрагменты жизни помогают тропическим лесам Амазонии исполнять свой танец дождя.
О том, что деревья и другие растения насыщают атмосферу водой, известно уже много веков. Растения используют лишь малую часть воды, которую они вбирают из почвы. Бóльшая часть воды, которую они поглощают, уходит в воздух через поры в листьях и других тканях – процесс, известный как транспирация. Леса и другие богатые растениями экосистемы переносят в атмосферу гораздо больше воды, чем испаряется из почвы без их помощи. Однако до недавнего времени мы не до конца понимали, насколько кардинально все невидимые газы и мельчайшие частицы, которые образуются в лесу, меняют судьбу воды, находящейся над ним.
Деревья и другие растения постоянно выделяют в воздух различные газообразные и зачастую едкие химические соединения, в том числе и для того, чтобы посылать сигналы друг другу и другим видам. Вспомните пьянящие ароматы жимолости, жасмина и сирени, привлекающие опылителей, резкий запах хвои, который, вероятно, отпугивает травоядных животных и патогенные микроорганизмы, растительный мускус свежескошенной травы, который, как считается, служит сигналом бедствия. Когда некоторые из этих соединений попадают в атмосферу, они вступают в реакцию с кислородом и солнечным светом и образуют новые молекулы, которые соединяются вместе, обеспечивая достаточно большую поверхность – место возможной конденсации водяного пара. Растения и грибы также выделяют соли, богатые калием, которые аналогичным образом косвенно стимулируют возникновение облаков.
В то же время тропические леса и другие районы с густой растительностью выделяют смесь более крупных биологических аэрозолей: сложный микс организмов и органических образований – целых и фрагментированных, живых, мертвых или тех, что находятся где-то посередине, включая вирусы, микробы, водоросли и пыльцу, споры грибов, мхов и папоротников, фрагменты листьев и коры, ворсинки меха и перьев, кусочки чешуек панциря насекомых[72]. Это летающее скопление жизни и ее остатков способно засеять облака и кристаллы льда, значительно увеличивая вероятность дождя и скорость круговорота воды. Над тропическими лесами Амазонии биоаэрозоли составляют более 80 % всех частиц, находящихся в воздухе: они гораздо более многочисленны и важны для выпадения осадков, чем пыль и сажа.
Вместе тропический лес и его воздушная среда создают мощную систему обратной связи. Чем чаще идут дожди, тем больше растет лес. Чем больше растет лес, тем больше воды, частиц, засевающих облака, и ледяных ядер он поднимает в воздух. Чем быстрее образуются и разбухают облака, тем чаще идут дожди. 20 миллиардов тонн воды, которые ежедневно выделяются из леса в атмосферу, даже превышают объем, сбрасываемый самой рекой Амазонкой. Основываясь на этих данных, ученые назвали тропический лес Амазонии «биогеохимическим реактором», который поддерживает и стабилизирует сам себя, генерируя около половины осадков, выпадающих на его полог.
Воздушная река, создаваемая амазонскими тропическими лесами, кишащая микробами, спорами и биологическими продуктами выделения, не стоит на месте. Часть ее с помощью воздушных потоков переносится в отдаленные города, фермы и экосистемы, особенно в южной части континента, включая регионы, которые в противном случае могли бы быть более засушливыми. Благодаря сложным цепным реакциям в атмосфере Амазония поставляет осадки и в регионы Северной Америки, включая Средний Запад, Тихоокеанский Северо-Запад и Канаду. Другие леса по всему миру похожим образом работают на пользу планеты.
С 1970 года люди уничтожили по меньшей мере 18 % тропических лесов Амазонии – территорию, превышающую площадь Франции, – в основном для того, чтобы расчистить место под животноводческие фермы. Из-за взаимосвязи почвы, тепла и влаги в воздухе небольшая вырубка лесов может временно увеличить количество осадков на отдельных участках оголенной земли, но регулярное и масштабное уничтожение задерживает наступление влажного сезона, сокращает его продолжительность и значительно уменьшает общее количество осадков. Ученые установили, что вырубка лесов в Амазонии, вероятно, усугубила некоторые из самых сильных засух в Южной Америке, включая нехватку воды в Сан-Паулу. Исследователи подсчитали: если уничтожить Амазонию, снежный покров в Сьерра-Неваде может сократиться на 50 %, что приведет к катастрофическим последствиям для сельского хозяйства в Калифорнийской долине и, соответственно, для продовольственного снабжения США.
В последние годы своей жизни, вплоть до смерти в декабре 2021 года известный американский эколог Томас Лавджой в паре с бразильским ученым в области земных систем и нобелевским лауреатом Карлосом Нобре написал пару эссе, в которых предупредил, что тропические леса Амазонии стремительно приближаются к точке невозврата. Они предположили, что если люди уничтожат от 20 до 25 % Амазонии, то количество осадков значительно уменьшится. В сочетании с изменением климата и пожарами, вызванными деятельностью человека, последующая засуха превратит огромные участки пышного леса в деградирующий засушливый ландшафт, покрытый кустарниками, высвободит миллиарды тонн парниковых газов, серьезно подорвет способность леса накапливать углерод и изменит погодные условия во всем мире до неузнаваемости. «Не стоит выяснять, где находится точка невозврата, путем ее достижения», – пишут они. По их мнению, необходимо не только прекратить вырубку лесов, но и восстановить значительные участки Амазонии, чтобы «сохранить ее значение для Южной Америки и здоровья планеты».
Когда несколько миллиардов лет назад на Земле появилась жизнь, она изменила не только погоду. Задолго до того, как над континентами выросли первые леса, до того, как из моря выползло какое-либо сложное существо, микробы первыми начали процесс преобразования атмосферы, который был гораздо более изощренным, чем засеивание облаков. Постепенно жизнь изменила химический состав всей атмосферы. Жизнь создала воздух, которым мы дышим сегодня.
На заре истории Земли атмосфера, скорее всего, состояла из углекислого газа, азота, водяного пара, метана и следов аммиака, а свободного кислорода (O2) почти не было. Для наших глаз небо, вероятно, выглядело мутно-оранжевым, по крайней мере периодически, из-за дымки углеводородов, образовывавшихся при реакции ультрафиолетового света с метаном, который сам по себе в основном вырабатывали микробы, адаптированные к бескислородной среде. Сегодня кислород составляет 21 % атмосферы, а в ясный день небо кажется безграничным сводом голубого цвета. Обогащение кислородом Земли было процессом длительным, мозаичным и прерывистым – это была продолжительная революция, которая заняла почти два миллиарда лет и была вызвана множеством накладывающихся друг на друга геологических и биологических процессов. Хотя ученые до сих пор спорят о точной хронологии, механизмах и многих деталях этой трансформации планеты, они согласны с тем, что без живых организмов это было бы невозможно.