Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

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.

В процессе человеческой эволюции мы превратились в маньяков, одержимых стремлением контролировать весь окружающий мир. Тысячелетиями мы выращивали и отбирали животных и растения, расчищали землю, создавали новые материалы, строили здания. Мы повернули русла рек, чтобы контролировать распределение воды на континентах, построили стены, чтобы сдерживать море. Мы сконструировали машины для перевозки пищи, материалов и нас самих во все уголки планеты. И разумеется, не следует удивляться, что на протяжении нескольких коротких десятилетий мы пришли также к тому, чтобы самим программировать микроорганизмы. Как будет показано далее, современные ученые пытаются перемещать, совершенствовать или блокировать гены с целью заставить микроорганизмы работать на нас без необходимости возиться с естественным отбором. Мы станем творцами микробиотического метаболизма и будем конструировать микроорганизмы для выполнения наших приказов. У нас есть соответствующие возможности, но эти возможности, судя по всему, не сопровождаются пониманием потенциальных сокрушительных последствий таких действий для эволюции микробиотической жизни, не говоря уже о нашей роли в изменении вектора развития планеты.

Более двух десятилетий я работал в правительственной национальной лаборатории, финансируемой в первую очередь министерством энергетики и его дочерними агентствами. Национальные лаборатории были задуманы и разработаны с намерением воплощать в жизнь перспективные идеи в физике и химии; многие справедливо связывают их с разработкой и изготовлением атомного оружия, что и было их изначальной целью. Тем не менее национальные лаборатории также часто оснащены мощными компьютерами и другими приборами, такими как высокоэнергетические коллайдеры, предназначенные для выяснения природы материи, и невероятно мощными микроскопами; там инженеры работают совместно с учеными над развитием технологий, ведущих к новым открытиям.