Экспедиционные работы не в последнюю очередь нравятся мне потому, что, какими бы учеными степенями ты ни обладал и каким бы умным себя ни считал, природа найдет способ уложить тебя на обе лопатки. Это учит смирению. Я помнила об этом в марте 2021 года, когда мы с коллегами бурили вечную мерзлоту – почву, которая не оттаивает никогда, даже летом. Зоны вечной мерзлоты есть в Арктике, в Антарктике и на больших высотах и находятся под верхним активным слоем почвы, который оттаивает каждое лето. Раньше я уже работала с образцами из зон вечной мерзлоты, которые привозили для меня другие люди, но никогда не бурила сама. И насколько мне известно, никто прежде не пытался обнаружить обитателей земных недр в зоне вечной мерзлоты в Ню-Олесунне, на Шпицбергене. Так что меня ожидало еще одно приключение.

Летом 2019 года, когда оттаяли верхние активные слои почвы, я присоединилась к Татьяне Вишнивецкой из Университета Теннесси и Андрею Абрамову из Института физико-химических и биологических проблем почвоведения в России для проведения разведывательных работ. Таяние вечной мерзлоты из-за глобального потепления – процесс более сложный, чем просто превращение замерзшей почвы в жидкую грязь. Почва над вечной мерзлотой оттаивает каждое лето, это нормально. Истинная вечная мерзлота находится глубже, под активным поверхностным слоем, оставаясь в замерзшем состоянии круглый год, и поэтому активность микробов там слабая. Нас интересовало, какое количество парниковых газов выделяется в атмосферу при таянии вечной мерзлоты в результате климатических изменений. В Ню-Олесунне активный слой достаточно толстый, около двух метров. Лежащий под ним слой вечной мерзлоты – рай для обитателей земных глубин: там нет солнечного света, нет подвижных конкурентов, но и еды почти нет, поскольку она находится в замороженном состоянии. К несчастью для нас, эта среда надежно защищена и от назойливых ученых. В отличие от субдукционных зон, здесь нет природных источников, выносящих микробов из глубин на поверхность. Выбора нет: для получения образцов приходится бурить вечную мерзлоту.

Сначала Татьяна, Андрей и я прибыли туда летом, чтобы попытаться предвосхитить возможные проблемы, которые могли ожидать нас при бурении зимой под слоем снега, например наличие камней. И действительно, мы нашли камни, много камней – достаточно, чтобы остановить даже мощный буровой инструмент. Поэтому летом мы отыскали место, где камней было меньше всего, и пометили его. А вернулись туда в марте 2021 года, после долгого карантина в Осло из-за пандемии COVID-19, готовые к буровым работам.

К счастью, мой коллега Андрей – не только специалист по вечной мерзлоте, но и опытный бурильщик. Он использует отлично работающий буровой инструмент советских времен. Четырехтактный двигатель Briggs & Stratton вращает буровую головку, закрепленную на керноотборнике с металлическими зубьями. Кроме того, устройство оснащено рядом шкивов, которые оказывают на вращающийся керноотборник восходящее или нисходящее давление. Если все идет нормально, вы можете последовательно накрутить столько буровых штанг, сколько пожелаете, и это позволит вам глубже внедриться в вечную мерзлоту. Однако, что ожидаемо, в полевых реалиях все не так просто.

Сложность работы связана не только с наличием камней, но и с холодом. В процессе бурения скважина нагревается от трения, и вода в почве оттаивает. И если бур не вращать постоянно, эта вода вморозит его в землю, как палочку в мороженое. Спрашивается, почему бы не дождаться лета, когда будет теплее, и не поработать лопатами? Во-первых, хотя летом поверхность почвы теплее, более глубокие слои все равно заморожены, и проблема не исчезает. Но более серьезное основание для проведения работ зимой заключается в том, что тащить тяжелый бур по хрупкой арктической растительности – задача не из легких. Зимой, когда появляется защитный слой снега, ученые перевозят оборудование на снегоходах и санях.

В 2021 году, когда я наконец научилась управлять снегоходом, мы на санях перевезли массивный бур, керноотборники и буровые штанги к месту бурения. Все вокруг было белым. Искрящийся белый снег шуршал под гусеницами наших машин, вдали сверкали ослепительно белые вершины, белоснежные ледники покрывали долины, а айсберги белыми пятнами рассыпались по темно-синему фьорду. Это было потрясающе. К счастью, поблизости не оказалось белых медведей – мы бы не заметили их на этом фоне.

Поначалу казалось, что все идет хорошо. Хотя камни иногда мешали, Андрей мастерски вытаскивал керн за керном, часто с бешеной силой пробиваясь прямо через крупные булыжники. Солнце светило, бур не испытывал избыточного давления, керны не примерзали к почве, и я в конце концов научилась использовать массивный ключ, чтобы откручивать головку бура и выдавливать каждую ценнейшую секцию керна. Идеальная сцена для театрального провала.

Колонковые трубы и буровые штанги, которые присоединяют по мере углубления скважины, заканчиваются металлическими винтами, вставляющимися в головку бура. В тот день мы радостно и беззаботно продолжали бурить, как вдруг винт развалился, штанга отсоединилась и половина винта застряла глубоко в головке бура.

К счастью, нам удалось извлечь обломок, выбив его замерзшей отверткой и замерзшим молотком. Остаток дня мы пытались понять, что произошло. Создавалось впечатление, что металл разрушился сам, даже без особенной нагрузки. Вероятно, мороз был слишком сильным – и металл не выдержал. Мы целыми днями находились на улице при температуре –28 °C, что могло ослабить металл. Обычно бурильные головки выдерживают экстремальный холод, но нам, похоже, достался не самый качественный сплав. Нам ничего не оставалось, как зажевать замороженные бутерброды и попробовать еще раз.

Мы взяли другую колонковую трубу. Она извлекла один керн и сломалась. Мы взяли третью. И она сломалась. Потом еще и еще. Трубы заканчивались. Мы подобрали одну буровую штангу, которая извлекла керн и не сломалась. Но нам все еще нужна была колонковая труба с функциональным винтом. И тогда моя аспирантка Кейти Сайпс связалась с нами по радио из лаборатории и сообщила: “Не знаю, поможет ли это, но я умею варить”. Сварка помогла решить проблему. Наша буровая установка снова работала.

Следующий день мы начали с надеждой на успех в новом месте – на красивом суровом полуострове Квадехукен, находящемся от Ню-Олесунна примерно в получасе езды на снегоходе. Здесь нам удалось пробурить коренную породу, пройдя злосчастную отметку в два метра, за которой начиналась вечная мерзлота. Успех! Когда мы прошли отметку в два метра, я заплясала от радости. В этом была цель нашей экспедиции, и мы ее достигли. Однако мы бурили в неглубоком соленом озере, и керны выходили сырые, что страшно разочаровывает, когда хочешь отобрать замороженный материал. Но мне сказали, что технически это все равно образцы вечной мерзлоты, поскольку они находятся при температуре ниже температуры замерзания воды. Ну, что поделать, не я устанавливаю правила.

Но для собственного удовлетворения нам хотелось получить образцы льда, твердые как камень, которые выглядели бы как вечная мерзлота нашей мечты. И поэтому мы вернулись поближе к башне Амундсена – Нобиле, где исследования климатических изменений проводятся под руководством Национального исследовательского совета Италии. Здесь колонковые трубы и буровые штанги не ломались достаточно долго, так что мы сумели получить желаемый результат – слой льда, сверкавшего как алмаз, с твердой замерзшей почвой под ним. Уровень льда находился точно на глубине двух метров, где и должен был находиться в соответствии с предыдущими данными. Невзирая на все трудности и благодаря находчивости и бодрости духа членов нашего коллектива, а также замечательной поддержке исследований в Ню-Олесунне, мы вернулись домой с морозильной камерой, полной образцов.

Существует ли жизнь в вечной мерзлоте? Когда вода превращается в лед, образуются крохотные кристаллы, которые убивают бактерий, проделывая в клетках дыры. Мы пользуемся этим антимикробным средством, когда замораживаем продукты в домашних морозилках. Но вдруг микробы из вечной мерзлоты немного отличаются от тех, что портят свиную рульку? Проблема еще серьезней, чем появление крохотных ледяных кинжалов, заключается в том, что для жизни нужна жидкая вода – всем без исключения, даже обитателям земных недр. Поэтому может показаться, что вечная мерзлота – смертельная ловушка для микробов. Однако важно понимать, что даже в замерзшей как камень почве вечной мерзлоты все еще есть очень небольшое количество жидкой воды. Соленая вода замерзает при гораздо более низкой температуре, чем пресная. Вот почему мы посыпаем тротуары солью перед снегопадом. Когда почва замерзает, чистая вода превращается в кристаллы льда, вытесняя всю соль. Но оставшаяся соленая вода может находиться в жидкой форме всю зиму или столько, сколько продержится вечная мерзлота. А там, где есть жидкая вода, в ней почти всегда кто-нибудь живет – по крайней мере, на Земле.

В настоящее время у нас уже есть доказательства присутствия микроорганизмов в вечной мерзлоте, даже в самых древних ее зонах, как в Сибири, где почва остается замерзшей уже как минимум 1,1 миллиона лет. И ДНК этих микробов остается в целости, а не разваливается на куски, как части разлагающегося тела. ДНК находится внутри клеток, значит, они тоже должны быть целыми, иначе бы все из них вытекло¹. По-видимому, эти клетки даже обладают протон-движущей силой – важнейшей характеристикой жизни в нашем понимании, как я объясняла в предыдущих главах. Строение этих микробов не позволяет предположить, что они просто попали сюда и умерли, поскольку у них есть гены, обеспечивающие им выживание в тоненьких протоках рассола внутри вечной мерзлоты². Меня восхищают организмы, способные жить в микроскопическом пространстве соленой воды от сотен до миллионов лет, – это еще одни кандидаты в члены клуба хронофилов.

Как и для многих обитателей нашей планеты, условия жизни этих микробов тоже быстро меняются. В 1998 году Юлия Бойке из Института Альфреда Вегенера в Германии организовала неподалеку от Ню-Олесунна станцию Байелва, благодаря которой у нас есть набор данных о высоте снежного покрова, температуре и влажности в зоне вечной мерзлоты за один из самых продолжительных сроков. Результаты Бойке и других ученых со всего мира показывают, что в условиях климатических изменений вечная мерзлота разогревается и тает. Изменения климата, вызванные накоплением парниковых газов в атмосфере, сказывались бы гораздо сильнее, если бы не океанический фитопланктон, который безостановочно впитывает все это наше безобразие[68]. В конечном итоге весь избыточный углерод просочится в подповерхностный слой, где в дело вступят хемолитоавтотрофы. Но это может произойти еще только через миллионы или сотни миллионов лет. А вечная мерзлота изменяется прямо на наших глазах.

Значительная часть углерода на планете удерживается в вечной мерзлоте, и когда она тает, метаболическая активность подземных микробов может усиливаться, в результате чего углерод из почвы будет превращаться в метан и углекислый газ, а эти молекулы способствуют глобальному потеплению. Почти каждое лето оттаивают новые участки вечной мерзлоты, поэтому каждый год просыпаются новые слои микробов. И мы пока еще мало о них знаем, чтобы понимать, что они при этом делают. В настоящее время около 1600 миллиардов тонн углерода заключено в постоянно замерзшей почве в Сибири, Гренландии, Канаде, Антарктике, на Аляске, в высокогорной местности на более низких широтах и даже под водой³. Это количество примерно вдвое превышает содержание углерода в атмосфере, так что превращение всего этого углерода в газ привело бы к катастрофическим последствиям⁴.

К счастью, система гораздо сложнее. Последствия таяния вечной мерзлоты плохо предсказуемы, как и последствия многих других аспектов климатических изменений. Возможные сценарии колеблются от очень неприятных (весь углерод из почвы превратится в метан, мощно подстегнув дальнейшее потепление) до нейтральных (метан и диоксид углерода будут выделяться в некотором количестве, но потребляющие их микробы сумеют держать под контролем их выброс в атмосферу) и даже радужных (таяние вечной мерзлоты приведет к снижению уровня диоксида углерода в атмосфере за счет усиления активности хемолитоавтотрофов или стимуляции роста растений). Возможно, нам не придется испытать на себе эффект неконтролируемой положительной обратной связи между вечной мерзлотой и атмосферой. Скорее всего, единого ответа на вопрос о последствиях не существует, и последствия будут разными в зависимости от широты, высоты над уровнем моря, количества осадков и годовых колебаний температуры. И мы не получим ответ, даже если будем упорно размышлять над проблемой или полагаться исключительно на лабораторные эксперименты. Нам нужно продолжать анализировать то, что происходит в реальном мире.

Большинство современных сценариев глобального изменения климата вообще не учитывают влияние микробов, живущих в вечной мерзлоте. Дело не в том, что создатели моделей не слышали о микроорганизмах из вечной мерзлоты или считают, что они неважны. Просто модели глобальных климатических изменений пока еще не могут учитывать такие нюансы. Когда я нахожусь в Арктике под порывами ветра при температуре –50 °C, пробивая камни и разрывая хлипкие бурильные трубы, я накапливаю знания – не только о том, как обитатели земных недр выживают в таких суровых условиях, но и о том, могут ли они каким-то образом смягчить последствия климатических изменений или, напротив, поспособствуют нашей гибели. Когда модели будут готовы учитывать данные об обитателях земных глубин, мы тоже должны быть готовы предоставить им эти данные.

Микроорганизмы из вечной мерзлоты – не единственные обитатели земных недр, которые могут сыграть роль в современном климатическом кризисе. Нашими спасителями могут стать микробы из глубоких водоносных слоев и из небольших трещин в горных породах. Это не должно удивлять: значительная часть избыточных парниковых газов поступает в атмосферу от сжигания ископаемого топлива из земных недр. Поэтому одно из очевидных решений – заставить эти вредоносные газы вернуться туда, откуда они взялись, с помощью процесса, называемого “улавливание и хранение углерода” (сarbon capture and storage).

Главная загвоздка в том, что углерод вышел из-под земли в виде нефти и метана, а возвращаем мы его обратно в виде диоксида углерода. К счастью, многие типы горных пород готовы впитать в себя большие объемы углекислого газа, и некоторые страны, такие как Исландия, добиваются в этом деле значительных успехов, что раньше казалось невероятным⁵.

Для успешного улавливания и хранения углерод нужно удерживать глубоко под землей на протяжении тысячелетий или дольше, так чтобы он не мог попадать в атмосферу. Если бы недра Земли походили на пластиковый контейнер, мы бы просто закачивали туда углерод, садились и наблюдали, как стабилизируется температура атмосферы, а ледники возвращаются туда, где им полагается быть. Однако недра Земли – не полый резервуар. Кроме химических соединений в составе горных пород, которые способны взаимодействовать с закачанным диоксидом углерода, в каждой трещине и расселине живут находчивые подземные микроорганизмы. Эти микробы из земных глубин могут захватывать дополнительный углерод, поступающий в процессе улавливания и хранения, и помогать нам превращать его в твердые породы, что надолго перекроет ему доступ в атмосферу. Но они могут превратить этот углерод в породу слишком быстро, пока мы еще закачиваем его вниз, что затормозит процесс. Или станут использовать выделяющийся из горных пород водород и соединять его с диоксидом углерода с образованием метана, который будет улетучиваться и усугублять глобальное потепление, поскольку метан – более мощный парниковый газ, чем диоксид углерода. Пока мы попросту не знаем, что подземные микробы будут делать с углеродом, который мы закачиваем в недра Земли в попытках справиться с климатическими изменениями.

По некоторым предварительным данным, обитатели земных глубин не будут нашими союзниками в этом предприятии. Отдельные эксперименты с улавливанием и хранением углерода подтверждают, что подземные микроорганизмы начинают производить метан⁶. Однако другие исследования показывают, что в природных условиях обитатели земных недр участвуют в связывании диоксида углерода в виде карбонатных пород или потребляют его, примерно как это делают леса на поверхности Земли⁷. Такие микробы могли бы с радостью переварить весь лишний углерод. Если это так, нам первым делом нужно найти лучший способ улавливать углерод и перенаправлять им, а затем необходимо понять, в какой среде обитают самые правильные подземные микроорганизмы, чтобы вся затея прошла успешно. Пока мы только начинаем осознавать, что обитатели земных недр делают с подземными хранилищами углерода, но я все же надеюсь, что процесс улавливания и хранения в конечном итоге поможет нам ослабить влияние климатических изменений.