При низких значениях ΔG жизнь не обязательно тягостна. В таких условиях тоже есть способы избавиться от стресса. До сих пор я говорила лишь об одном источнике энергии для жизни – о дыхании. Однако брожение тоже позволяет затащить вагончики американских горок на холм, как и дыхание. Только холм этот гораздо ниже. Подобно дыханию, брожение представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, но вместо окисления одной молекулы для восстановления другой в данном случае происходит распад одной молекулы на несколько – одни более восстановленные, другие более окисленные. При дыхании пища полностью окисляется до диоксида углерода, отдавая всю запасенную энергию, а после брожения все еще остаются богатые энергией химические соединения, такие как ацетат или этанол. Брожение отъедает один кусок пирога, а остальное убирает обратно в холодильник, чтобы другие могли потом доесть. Очень даже вежливо. Поскольку при брожении остается еда, это один из самых низкоэнергетических процессов для поддержания жизни.

Многие обитатели земных недр умеют осуществлять реакции брожения, но нам лучше всего известны процессы, происходящие в бескислородных условиях в нашем, верхнем мире, например в желудке у коров или в пивных ферментерах. При брожении сложные органические вещества распадаются на более мелкие, так что даже такие нежные существа, как мы, способны их переваривать, и именно так производят пиво, вино, йогурт, инжеру, кимчи, хлеб, натто, сыр, квашеную капусту и шоколад. Уже тысячи лет люди используют способность микробов к брожению для приготовления вкусных, питательных и алкогольных продуктов, которые хорошо хранятся.

Как и в нашем примере из предыдущей главы про химические реакции и водителей такси, эти взаимоотношения тоже можно рассматривать с точки зрения микробов. Возможно, они эволюционировали для того, чтобы мы, люди, имели больше продуктов питания и поддерживали процесс брожения, помещая микробов в специальные емкости с их любимой пищей, где им хорошо. Многие, кто начинал печь хлеб ради удовольствия, замечали, что стали выпекать все больше и больше, просто чтобы использовать закваску, даже если нет необходимости в еще одной буханке. Чья это инициатива? Микробов или пекарей?

Величина ΔG в реакциях ферментации чрезвычайно низкая⁶, так почему же иногда не слишком выгодные в энергетическом плане процессы оказываются такими успешными? Секрет в том, что даже с низким значением ΔG все равно можно забираться на высокие горки. Нужно только учесть фактор времени. Трюк в том, что реакции с низким энергетическим выходом нужно осуществлять очень быстро, что в нашем, верхнем мире и достигается в ферментерах. Давайте рассмотрим понятный пример. В сельдерее намного меньше калорий, чем в гамбургере или конфете. Если заменить вашу обычную высококалорийную пищу эквивалентным по массе количеством сельдерея (скажем, двадцатью стеблями), вы скоро умрете от голода. Но если вы будете съедать гору сельдерея, например двести пятьдесят стеблей, тогда в термодинамическом плане вы будете в порядке, хотя и в плохом настроении. Подобно человеку, питающемуся исключительно сельдереем, бродильщики сжигают огромное количество субстрата. Микробы, которых мы используем для производства пищевых продуктов, характеризуются низкой энергией, но высокой мощностью, поскольку мощность определяется скоростью передачи энергии.

Но обитатели земных недр не живут в пивных чанах и не получают ячменный солод лопатами. Каким количеством энергии они располагают в своем подземном мире? Правильно ли будет сказать, что эти микробы служат “закваской” земных недр и быстро растут, хотя и получают энергию малыми порциями? Мы уже знаем, как вычислять ΔG, так что для расчета мощности нужно лишь понять, насколько быстро протекают реакции. Чтобы проделать эти вычисления для обитателей земных глубин, можно воспользоваться приятной особенностью морских отложений: они часто осаждаются на дно с постоянной скоростью. Если положить керн ила горизонтально, можно измерить его длину и пересчитать в показатель времени. Определив изменение концентрации химических веществ, таких как сульфаты, вдоль керна, мы поймем, как быстро они расходуются[47]. Умножив эту скорость на ΔG, мы получим мощность, которой могут обладать обитатели земных глубин.

И результат выйдет невероятно скромным. Даже самые нетребовательные лабораторные культуры потребляют в тысячи раз большую мощность, чем имеется в распоряжении обитателей земных глубин⁷. И поэтому изучение жизни под поверхностью Земли сильно изменило наши представления о том, сколько энергии нужно для существования. Вывод такой: хотя глубокие слои океанских отложений представляют собой одну из самых обширных экосистем Земли, живущие здесь микробы вряд ли по-настоящему растут. В их распоряжении имеется 0,00001 % мощности, поддерживающей рост всех других клеток на Земле, так что даже одно-единственное клеточное деление становится невозможным[48].

Никогда не думала, что посвящу свою жизнь изучению гигантской экосистемы, в которой никто не растет. Но как раз этим я и занимаюсь! Страшно интересно изучать что-то совершенно непохожее на наш обычный мир. В частности, из экспериментов с E. coli мы знаем, что микроорганизмы дышат кислородом, пока он не заканчивается, потом приступают к нитратам, а когда исчерпаны и они, переключаются на брожение. Кроме того, клетки E. coli сначала поглощают лучшую еду, используя так называемую катаболическую репрессию, поскольку не желают потреблять низкоэнергетическую пищу, пока не закончилась более интересная. Именно так энергетика микроорганизмов представлена в большинстве учебников. Но благодаря обитателям земных глубин мы понимаем, что способы дыхания и питания E. coli – не универсальные правила в мире микробов, а лишь один из возможных вариантов. Обитатели земных недр игнорируют эти правила и начинают прямо с низкоэнергетической пищи, что позволяет им конкурировать с другими за счет сверхъестественной способности подчинять себе термодинамику и время.

И все же в биологии есть универсальные законы. Просто они гораздо менее строгие, чем подсказывает наша интуиция. Не отступая от этих универсальных законов, живые организмы придумали неожиданные способы изменять свое термодинамическое пространство, незнакомые нам по нашему повседневному опыту.

Одно из самых странных следствий термодинамических особенностей обитателей подземного мира заключается в том, что, согласно приведенным выше расчетам, большинство клеток в гигантском пространстве под поверхностью океанского дна вообще не растут. И это смелое утверждение. Почему организм предпочитает жить там, где не способен расти?

Как дарвиновская эволюция может происходить в таких условиях, где организмы не производят потомства, а следовательно, где невозможен естественный отбор? Чтобы ответить на эти вопросы, надо перестать отрицать, что некоторые живые существа способны жить очень-очень долго. Как микробы, которые падают настолько глубоко в термодинамическую пропасть, что выныривают с противоположной стороны и обращают вспять свой метаболизм, так и мы вынуждены будем примириться с противоречиями дарвиновской эволюции, чтобы понять смысл длительного отсутствия роста. Чтобы узнать, как работает эволюция в подземном мире, нужно пересмотреть часть наших предположений о продолжительности жизни, о которых, возможно, вы и не подозревали. Можете ли вы вообразить себе мир, где жизнь длится миллионы лет?