Чилийский вулкан Иррупутунку отличается от вулкана Поас по нескольким показателям. В его кратере не озеро, а источники опасных газовых выбросов. А чтобы от безопасного туристического центра добраться до кратера для отбора газовых проб, нужно не спуститься вниз, а подняться на высоту 5163 метра, почти исключительно пешком. Однако оба этих вулкана объединяет нечто очень важное для наших поисков границ жизни: это чрезвычайно негостеприимная среда. По этой причине в одно прекрасное утро в марте 2022 года я вела грузовик недалеко от границы между Чили и Боливией, продвигаясь в сторону Иррупутунку.

Мы с коллегами[38] проснулись рано утром в городке Пика и вышли в темноту, нагруженные инструментами для отбора проб, респираторами, едой, водой и баллончиками с кислородом на случай чрезвычайных обстоятельств. Скоро вдали показался вулкан с поднимавшимся из кратера облаком яркого белого дыма. Не было видно никакой растительности, что резко контрастировало с роскошными тропическими лесами, окружающими Поас. Единственное здание в окрестностях – пост карабинеров, куда мы зашли для предъявления пропуска. Нас попросили зайти и на обратном пути: так они узнают, что мы не погибли на вулкане.

Мы оставили двух людей у подножия вулкана для измерений концентрации газов на расстоянии. Но чтобы узнать, есть ли в вулкане живые микробы, шестерым из нас предстояло подняться наверх и добраться до кратера. Мы решили подняться как можно выше по каменистому склону вулкана на грузовиках, чтобы поберечь легкие для последних этапов восхождения. Я попеременно то давила на педаль газа, чтобы переехать через небольшие валуны, то медленно сползала в размытые канавы, пока вдруг резко не затормозила (дорожные знаки там отсутствуют), чтобы не сорваться с вертикального склона – в стиле Хитрого Койота из известного мультфильма. Потрясенные, мы выбрались из грузовика, чтобы посмотреть, куда чуть было не свалились. Дорогу пересекала траншея с высокими краями, уходившая вдаль с обеих сторон, – явно дело человеческих рук. И словно этого было недостаточно, чтобы нас остановить, на другой стороне высился непреодолимый вал.

Подобно многим вулканам в Андах, Иррупутунку располагается на государственной границе, и эту траншею вырыли, чтобы люди не могли свободно перемещаться между Чили и Боливией. Я поняла, что мы чуть было не воткнулись в “пограничную стену”, такую же периодически строят и разрушают на границе между США и Мексикой. Нам пришлось оставить грузовик и дальше продвигаться пешком, что медленнее и опаснее. Это сильно затруднило нашу работу, но я все время думала о людях, для которых преодоление пограничной стены намного важнее, поскольку они идут на это в поисках лучшей жизни.

Мы начали восхождение на вулкан. Через каждые три-четыре шага я сгибалась пополам, ловя ртом воздух, как выброшенная на берег рыба, а потом снова двигалась дальше. Мы карабкались по гигантским насыпям гальки, но избегали крутых склонов и обходились без веревок и каких-либо специальных технических навыков. Требовалась только сила легких, но немалая. Казалось, мы поднимаемся уже целую вечность, когда наконец мы увидели белый дым, вздымавшийся над расщелиной на вершине горы. Мы добрались до кратера вулкана.

Кратер имел форму полумесяца и был покрыт толстым слоем ярко-желтой минеральной серы, которую здесь добывали несколько десятилетий назад. Рядом все еще виднелись остатки старых каменных платформ, а в одной из стенок кратера зияла широкая брешь, по-видимому, прорубленная шахтерами. Через нее можно было пройти прямо в пасть вулкана.

Внутри кратера из черных зловещих дыр били мощные струи газа. Они достигали высоты десятиэтажного здания, хотя из-за масштаба окружающего пространства оценивать что-либо было трудно. Гигантские валуны размером с дом раскачивались на краях кратера, грозя рухнуть на дно, но мне они казались не крупнее коров, поскольку сравнивать было не с чем. Все вокруг представало в искаженных пропорциях, и все казалось враждебным. Земля вокруг газовых воронок (их называют фумаролами) была ярко-оранжевого цвета, как тухлая яичница. Перекрикивая оглушительный грохот струй, мой коллега Мартен де Мур сообщил, что разные цвета указывают на различную температуру газов. Он воткнул в одно такое пятно толстый железный прут, чтобы измерить температуру. Там было 408 °C – достаточно горячо, чтобы выжечь все остатки еды, налипшие на вашу духовку.

Кроме жары и грохота, кратер встретил нас плотным облаком дыма. Настолько плотным, что мы поняли одну неприятную вещь: некоторые из наших лучших респираторов – с черными резиновыми ремнями и внушительными металлическими баллонами – абсолютно бесполезны. В тот миг, когда я оказалась в кратере, газ как ножом пронзил мои легкие и обжег нос. Я завопила от боли и бросилась вон, скинув респиратор и жадно глотая воздух. Мне повезло, что я смогла так быстро выбраться, поскольку вулканические газы не просто причиняют боль – они ядовиты. Кроме диоксида углерода, вызывающего удушье, они содержат летучие соединения тяжелых металлов и сильнейшие кислоты вроде плавиковой, которая в достаточно высокой концентрации растворяет кости.

Один из коллег привез более эффективный респиратор, поскольку должен был провести в этом ядовитом пространстве несколько часов, отбирая газовые пробы в большие стеклянные колбы. Когда он сделал перерыв и вышел из кратера, свою маску он дал мне, и я приняла ее с благодарностью. Глядя, как он протирает маску от слюны и соплей, прежде чем протянуть мне, я вспомнила, как два последних года разворачивала новую маску KN95 каждый раз, когда шла в магазин. Было странно и радостно, что мои страхи заболеть COVID-19 отступили перед более серьезной угрозой испытать на себе действие кислоты, способной разъедать кости. Я надела громоздкий респиратор и подтянула толстые резиновые ремни.

И шагнула в дымящийся кратер, как на поверхность Луны. Я ступала осторожно, чтобы не продавить тонкую коросту и не провалиться в бурлящую под ней раскаленную массу. Все вокруг меня было ярко-желтым, в туманных парах от фумарол и с рассеянными тут и там оранжевыми и черными пятнами. Стены кратера возвышались, как стены собора, опирающиеся на столбы пара. Я пробиралась сквозь густые пары, будто плыла под водой.

Я оглядела кратер, обдумывая, откуда взять образцы. Как я рассказывала в предыдущей главе, экстремофилы способны жить в таких условиях, в которых любое животное погибнет за секунды. Но даже экстремофилы не могут существовать при 408 °C. Насколько нам известно, жизнь пока еще не научилась преодолевать сожжение. Поэтому я миновала зловещие черные дыры и направилась к ярко-желтым кристаллам серы. Вблизи они были прекрасны: тоненькие желтые иголки сверкали в солнечном свете, как драгоценные камни. Они оказались мягкими и хрупкими, и я соскребла их ложкой. Труднее всего было оградить кристаллы в ложке от газовых струй, которые вырывались из-под земли, как пар из прорвавшихся труб. Заполнив бесценным веществом необходимое количество стерильных пластиковых контейнеров, я вылезла из кратера и отдала коллеге его классную маску, чтобы он мог закончить отбор газовых проб. А я тем временем приятно вздремнула в тени скалы, подальше от дыма.

Когда сбор образцов был завершен, мы начали спускаться обратно, периодически проверяя, не вошли ли в зону досягаемости для радиосвязи, чтобы подать сигнал о нашем возвращении тем, кто остался внизу. Вскоре мы добрались до насыпи, которую старательно обходили утром во время подъема. Она напоминала покрытую щебнем парковку, наклоненную под углом 70⁰. Мы поглядели вниз, и мой коллега Якопо Пазотти повернулся ко мне, улыбнулся и спросил: “Хочешь увидеть, как быстрее всего спуститься с вулкана?”

И прежде чем я успела ответить, он нырнул за край. Я охнула, когда он приземлился на почти вертикальную насыпь на пятки, как на лыжи. И потом проделал то же самое еще и еще раз, подскакивая, как Тигра, пока почти совсем не скрылся из виду. Тогда и я подумала: “Наверное, я тоже так могу”. И спрыгнула с вулкана, как будто это был надувной замок. Временами я неслась так быстро, что теряла контроль над ситуацией, скользя на пятой точке в надежде, что мне удастся не врезаться в приближавшиеся булыжники.

К счастью, мои образцы были хорошо упакованы в рюкзаке, так что по возвращении в лабораторию мы благополучно приступили к длительному и трудному анализу. Нашли ли мы наконец место с настолько неблагоприятными условиями, что там не выживают даже обитатели земных недр? Вроде бы да, поскольку наши попытки выделить из образцов ДНК не увенчались успехом. Это может означать, что организмам, которые попытались бы поселиться в вулкане Иррупутунку, не хватало бы энергии, чтобы компенсировать расходы на выживание. Но не исключено, что это не конец истории. И если бы я собрала более объемные образцы или если бы мы выделяли ДНК другим способом, возможно, мы сумели бы обнаружить живую биомассу. Впрочем, термодинамика постулирует, что предельные условия для жизни должны существовать. И быть может, мы нашли их на Иррупутунку.

Изучение вулканов – не единственный способ искать такие границы. Сила термодинамики в том, что она предсказывает, где и когда живые организмы ограничены в энергии и активности – даже обитатели земных недр, которые функционируют за пределами человеческих возможностей.

Как термодинамика определяет _{границы жизни?}

“Термо” означает “тепло”, а тепло – это форма энергии, тогда как “динамика” означает “движение” или “изменение”. Таким образом, термодинамика занимается вопросами превращения энергии, а это важнейшая функция жизни в нашем понимании. Для деления клеток необходимо копировать ДНК, предварительно развернув двойную спираль, а это химическая реакция. Бактериальная клетка перемещается в чашке Петри за счет целого каскада химических реакций. Почти все, что делает клетка – микробная или человеческая, – это результат химических реакций. Для осуществления химических реакций любой живой клетке нужна энергия. И каждая клетка получает эту энергию из других химических реакций.

Функции жизни можно свести к следующему: жизнь перемешивает химические вещества, выделяющие тепло или энергию (как маленькие грелки для рук, которые греют, когда их встряхивают), и потом использует энергию от этих химических реакций для чудесных, ужасных или будничных дел. А термодинамика определяет законы переноса энергии между этими химическими реакциями.

Одна из важнейших химических реакций, обеспечивающих энергию для жизни, – это дыхание. У тех из нас, кто на древе жизни располагается на ветви животных, слово “дыхание” вызывает сильные эмоции, поскольку без дыхания мы не проживем и нескольких минут. Но что такое дыхание на самом деле? Вообще говоря, дыхание не сводится к затягиванию воздуха в легкие. Легкие тут ни при чем. Приравнивать дыхание к заполнению легких воздухом – все равно что приравнивать ужин в ресторане к заказу блюд у официанта. Чтобы поужинать, сделать заказ действительно придется, но суть ужина заключается в еде. Аналогично суть дыхания – не заполнение легких кислородом, а химические реакции с участием этого кислорода.

Законы термодинамики определяют, достаточно ли клеткам энергии, полученной от дыхания, для реализации всех необходимых функций. Можно рассуждать следующим образом: дыхание – как первый спуск на американских горках. Все американские горки начинаются с того, что вагончики поднимаются на высокий холм, а потом падают с его вершины. Импульс, возникающий при этом первом падении, питает всю последующую серию подъемов и спусков, так что на траектории аттракциона вы уже никогда не поднимаетесь выше, чем в первый раз, поскольку для этого нужно больше энергии, чем у вас было изначально. Вот и энергии, которую организм получает от дыхания, должно хватать на реализацию всех клеточных функций. Клетки должны двигаться, защищаться, общаться между собой и воспроизводиться. Чем выше первый подъем, тем больше они смогут сделать.

В конце 1800-х годов физик-теоретик Джозайя Уиллард Гиббс разработал количественную теорию для описания превращений энергии, и с ее помощью можно оценить, сколько энергии мы получаем при первом падении с “американских горок” жизни. Этот параметр называется свободной энергией Гиббса ΔG (произносится “дельта Же”). Символ Δ обозначает разницу между двумя химическими состояниями (между верхней и нижней точкой американских горок), и поэтому ΔG – это количество энергии, выделяющейся в ходе химической реакции (или при первом падении на американских горках). Если величина ΔG отрицательная, есть энергия для жизни. Если она положительная, жизнь должна затратить энергию, чтобы произвести химическую реакцию. А когда ΔG равно нулю, никаких химических реакций не происходит, иными словами, это смерть. Таким образом, ΔG – чрезвычайно важный показатель для изучения жизни, поскольку он сообщает, при каких условиях, если использовать метафору, реакции кладут деньги в банк, какие реакции стоят денег и какие реакции не могут протекать, пока что-то не изменит их ΔG.

Я считаю, что свободная энергия Гиббса – ключевой параметр в разгадывании тайны жизни на Земле или даже во всей Вселенной, и поэтому мне кажется целесообразным чуть-чуть позаниматься математикой, чтобы понять суть этой величины. И даже если вы, как и я, не большой любитель математики, последуйте за мной, поскольку понимание смысла ΔG придаст вам сил.

Параметр ΔG можно выразить в виде суммы двух слагаемых. Первое слагаемое ΔG⁰ (так называемая стандартная энергия Гиббса, произносится “дельта Же ноль”) говорит о том, насколько хороши химические соединения, чтобы реагировать между собой. Вспомните о химических грелках для рук. Реагенты – это химические вещества, которые вступают в реакцию, когда вы встряхиваете грелку (в данном случае это порошок железа и кислород), а продукты – это вещества, образующиеся в результате реакции (оксид железа, или ржавчина). ΔG⁰ сообщает, какова вероятность, что взятые вами вещества будут реагировать между собой. Химические вещества в грелках для рук (порошок железа и кислород) специально подобраны для взаимодействия и поэтому характеризуются отрицательным значением ΔG⁰. Нельзя сделать грелку для рук из речного песка, поскольку в нормальных условиях он не реагирует с кислородом.

Второе слагаемое, которое нужно прибавить к ΔG⁰, чтобы получить полную энергию ΔG, показывает, сколько реагентов у вас осталось. Новый пакет с неиспользованными реагентами обладает большей потенциальной энергией, чем тот, что уже почти исчерпан. Переменная Q (коэффициент реакции) показывает, сколько исходного вещества уже превращено в продукт. В результате мы получаем уравнение для свободной энергии Гиббса в полной форме[39]:

ΔG = ΔG⁰ + RTlnQ

Правда же красиво? Даже если вы так и не думаете, вы наверняка согласитесь, что уравнение полезное. Компактного, изящного уравнения достаточно, чтобы понять, сколько есть энергии для жизни. Это действующее правило может показать, где искать новые возможности для жизни. Оно предсказывает наличие доступной энергии в фумаролах вулкана Иррупутунку, а также на спутниках Юпитера и на многих других космических телах. Если этой энергии достаточно для поддержания жизненной активности, нам остается лишь найти существ, которые ее используют, – и вуаля, мы обнаружим новые формы жизни на Земле или за ее пределами.