Странствия углерода

Мореходы из века в век вглядывались в грозное море, мучимые понятными тревогами: волновались, как пройдет плавание, вспоминали о доме и думали, смогут ли они хоть как-то есть и спать, когда суденышко начнет кидать, как тряпичную куклу. Но для океана каждый шторм – как глубокий вдох. Океанская ширь постоянно взаимодействует с атмосферой. Встретив на своем пути водную поверхность, молекулы газа могут на ней задержаться и кануть в пучину, а растворенный в океане газ, наоборот, может вступить в контакт с воздухом и улететь в атмосферу. При спокойном море этот процесс идет медленно, но едва подует свежий ветер, как дыхание океана учащается: во время шторма интенсивность газообмена выше, чем при штиле, раз в пятьдесят. И пусть наша североатлантическая экспедиция была не лишена некоторых неудобств^[221], ни один из нас не жаловался, потому что знал: новые данные и наблюдения того стоят. Возможность непосредственно изучать процессы, происходящие в океане при столь сильном ветре, бесценна, причем именно в те периоды, когда ветер достигал ураганной силы, нам удалось получить самые любопытные результаты.

Обмен всегда протекает в обоих направлениях, но если концентрация газа по одну сторону границы выше, чем по другую, океан стремится выровнять это соотношение. Сегодня мы можем составить карты для всей акватории Мирового океана, показав, как океан в тех или иных широтах «вдыхает» и «выдыхает» – и где какой процесс доминирует. Так, в северной части Северной Атлантики океан поглощает из атмосферы заметно больше углекислого газа, чем отдает, а в теплых тропических водах картина обратная. Надо еще сказать, что дыхание океана подчинено сезонному циклу, связанному с колебаниями температуры и погодных условий, а также с динамикой поверхностных вод. Словом, циркуляция углеродных пассажиров между океаном и атмосферой происходит постоянно, но в каждом уголке земного шара имеет свою специфику.

Как мы уже убедились, атомы углерода в природе распределены неравномерно. Количество этого элемента на суше (в том числе в почвах и наземных растениях) составляет примерно 2000 гигатонн, а содержание в атмосфере оценивается в 875 гигатонн. Но суммарные запасы углерода в Мировом океане несравненно выше: порядка 37 700 гигатонн^[222], то есть почти в пятьдесят раз больше, чем в атмосфере. Насколько велика вероятность, что значительная доля океанического углерода вернется в атмосферу? В краткосрочной перспективе этого можно не опасаться, поскольку океан, как мы помним, есть колоссальный многослойный механизм, в котором перемешивание крайне затруднено. Теплый, богатый светом поверхностный слой заключает в себе лишь 670 гигатонн углерода. Остальное сосредоточено в нижележащих холодных массах. Попав в глубинные слои, эти атомы во многих случаях становятся подводными пассажирами на сотни и даже тысячи лет и таким образом надолго утрачивают контакт с воздухом. А стало быть, влиять на концентрацию углерода в атмосфере – единственном резервуаре, который важен для регуляции земной температуры, – они не могут.

Итак, в силу определенных физических процессов углерод проникает в водную толщу. Важный вопрос: что приключается с ним потом? Разумеется, есть короткий цикл переработки, в ходе которого углерод поверхностного слоя поглощается морскими организмами, а затем выделяется в среду в результате их жизнедеятельности. Но это не единственный путь. Есть еще механизм транспортировки атомов углерода с поверхности на глубину. Механизм этот основан одновременно на физических и биологических процессах. Фактически мы с ним уже сталкивались: речь идет о летящих ко дну мельчайших частицах органического вещества. В совокупности они именуются «морским снегом». Существенный компонент этих хлопьев – фекалии зоопланктона, падающие из верхних слоев водной толщи. С точки зрения океанских пассажиров фекалии вообще можно считать своеобразным VIP-каналом, посредством которого можно обойти стандартные ограничения и ускоренным порядком прибыть в следующую точку маршрута.

«Цивилизованное» человечество экскременты не жалует. Недаром викторианский Лондон был готов заплатить огромные деньги лучшим инженерам того времени, чтобы они избавили город от этой напасти. Понятное дело, никому не хочется, чтобы нечистоты скапливались прямо возле дома, – не только из-за риска инфекционных заболеваний, но и потому, что куча никогда не перестанет расти^[223]. И тем не менее к людям, которые занимались тяжелым физическим трудом по сбору и вывозу пахучего «сокровища» (золотарям-ассенизаторам в Британии, чистильщикам выгребных ям в Австралии, неприкасаемым в Индии), общество традиционно относилось с презрением. От носителей этих грязных профессий брезгливо отворачивались, а выполнять свою работу они могли только под покровом ночи. В океане, разумеется, не место подобным предрассудкам. Более того, в современной океанологии сбор экскрементов – вовсе не маргинальное занятие, а важнейший вид деятельности, позволяющий отслеживать странствия углерода в гидросфере. Ученые «фекального профиля» – авторитетные, уважаемые специалисты, энтузиасты своего дела, которые вносят неоценимый вклад в наше понимание биологической структуры океана. И поверьте, изучать фекалии еще и увлекательно само по себе. Специалисты по фекалиям

Профессор Стефани Хенсон – ведущий научный сотрудник Национального океанографического центра в британском Саутгемптоне. Мы сидим у нее в кабинете и обсуждаем «выделительное поведение» сальп. Эти существа широко распространены в морях по всему миру. У них студенистое полупрозрачное тельце длиной несколько сантиметров, напоминающее по форме бочонок. Обитают они в поверхностных водах океана и кормятся фитопланктоном. «Для животных такого размера испражнения у них просто гигантские, – говорит Стефани. – Солидные такие лепешки. А главное, утилизируются океаном они совсем не так, как мелкие фекальные шарики криля». Плотные фекальные комочки, выделяемые крилем, по мере их падения сквозь водную толщу попадают на обед к океанским «мусорщикам». Экскременты сальп – другое дело. Особым спросом они не пользуются, а потому имеют все шансы беспрепятственно достичь морского дна. Удивительно, что маленькие желеобразные сальпы вообще производят сколько-нибудь заметные выделения. Но речь сейчас не об этом. Степень привлекательности экскрементов для прожорливых водных обитателей – вот что важно, ведь продукты жизнедеятельности содержат не только питательные вещества, но и углерод. Если на фекалии так и не нашлось охотников, углерод благополучно прибудет в морские глубины и вряд ли скоро вернется в атмосферу. То же касается любого другого биологического мусора, проникающего из верхних слоев: недоеденного зоопланктона, просроченного фитопланктона, выброшенного бактериями клейкого шлака, – все эти остатки заключают в себе питательные вещества, но непременно в углеродной «упаковке».

Для подсчета углеродного баланса принципиально, сколько углерода попадает в океан из воздуха и на какой срок этот углерод теряет контакт с атмосферой. Как уже говорилось, в верхних слоях океана идет сравнительно быстрая переработка биохимического материала: растворенные в воде атомы переходят в ткани одних организмов посредством других организмов, а спустя несколько дней, месяцев или лет возвращаются в воду. В основном атомы циркулируют вблизи поверхности и могут вернуться в атмосферу в любой момент. Но вместе с тем часть вещества непрерывно просачивается в глубинные слои. Возглавляемая Стефани группа специалистов как раз и призвана оценить величину этой «утечки», что является задачей нетривиальной (как обычно и бывает, когда величина оттока несопоставима с масштабом системы). Вообще все прикладные исследования в океанологии можно разделить на две категории: невероятно простые и пугающе сложные. Сбор фекалий пока относится к первой, но может скоро перейти во вторую.

Необходимый инструментарий уже спущен вниз, в бетонный док возле здания океанографического центра: все готово для очередной вылазки в морские глубины. Стандартная ловушка для морского снега имеет вид желтой пластиковой воронки с обращенным вверх раструбом. Высота конструкции – не меньше метра. Напоминает гигантский дорожный конус, только перевернутый. Горлышко воронки воткнуто в поворотный круг. Корин Пебоди – сотрудница, входящая в упомянутую научную группу, – объясняет мне устройство механизма. В нижней части поворотного круга закреплены расположенные по периметру бутылки для сбора проб, куда налит насыщенный солевой раствор с добавлением консерванта. Система запрограммирована таким образом, что с периодичностью в две-четыре недели круг поворачивается, подставляя под горлышко воронки новую бутылку. Комплекс вывешивается на требуемой глубине и надежно улавливает все частицы, попадающие в разверстую желтую пасть. Удерживается на месте он с помощью полых стеклянных сфер, прикрепленных сверху для плавучести, и с помощью груза, располагаемого на дне (примерно в 2000 метрах от ловушки) в качестве якоря. Отбор проб ведется, как правило, на глубинах 500–3000 метров. Океан там удивительно спокоен, и высокой плотности раствора в бутылках хватает, чтобы жидкость из них не вымывалась (а это исключительно важно, ведь в ходе сбора проб «рабочая» бутылка остается открытой, чтобы в нее могло поступать взвешенное осадочное вещество из воронки). Каждую такую ловушку можно оставить в океане на целый год: бутылки будут автоматически двигаться по кругу согласно заданному графику и поочередно наполняться. Сами бутылки по сравнению с воронкой крошечные – наверное, с кухонную мельницу для специй. По словам Корин, обычно при использовании ловушки на глубине 3 километров за пару недель набирается всего 1–2 сантиметра материала. Заглядывая в широкий раструб, я думаю о том, как же скуден на этих глубинах морской снегопад, раз улов даже за несколько недель получается таким небогатым. Похоже, объемы утечки из верхних слоев невелики. Задача Корин – взвешивать и сортировать все, что попало в бутылки, анализировать состав и концентрацию вещества. Кто-то скажет: странный способ изучать океан – вылавливать ничтожные по размерам частицы, рассеянные в самых несерьезных количествах, и восстанавливать по ним картину длительных глубоководных процессов. Но Корин считает свою работу потрясающе интересной.

Мы поднимаемся в лабораторию, и Корин показывает мне свои последние находки. На первом предметном стекле подготовлена для исследования плотная буроватая субстанция. Я трогаю ее пипеткой, и она дрожит, точно желе. Это остатки мертвого фитопланктона, которые медленно оседали сквозь водную толщу в виде множества микроскопических клочков, а потом приземлились в пробоотборник и образовали хлопьевидный сгусток. Однако желеобразную консистенцию это не объясняет. Порывшись где-то в дальнем шкафу, Корин извлекает на свет небольшую склянку. Сначала она кажется мне пустой, но, присмотревшись, я замечаю внутри раковину – совершенно прозрачную. Это и впрямь брюхоногий моллюск, а точнее – свободно плавающая морская улитка из отряда крылоногих (птеропод). Как рассказывает Корин, некоторые представители данной группы (особенно текосоматы, поэтично именуемые «морскими бабочками») используют для добывания пищи особые ловчие сети из слизи. Если улитку потревожить, она попросту сбрасывает свой студенистый невод, и тот продолжает дрейфовать уже отдельно от хозяйки, захватывая взвешенные в воде кусочки пищи и склеивая их вместе. Загадочный микропрепарат на стекле – это, собственно, и есть улиточья сеть, которая встретила на своем пути миллионы крохотных частиц и спрессовала их в более крупные агрегаты – хлопья морского снега. Ясно, что большие комочки оседают на дно быстрее, так что присутствие в воде таких природных «гелей» ускоряет процесс просачивания вещества в глубинные слои.

Второй микропрепарат выглядит куда менее эффектно: он лишь слегка припорошен студенистыми лоскутками фитопланктона. Вообще «экспорт» углерода из верхних слоев океана протекает с переменной интенсивностью, варьируясь в зависимости от сезона и географии. Обитатели спокойных сумрачных глубин только по этим скромным «передачам» и могут почувствовать смену времен года, ведь медленный ручеек оседающих на дно частиц есть производная от доступности питательных веществ и света на поверхности. Тому же ритму подчиняется и поток фекалий: квадратные брусочки сальп, аккуратные гранулы птеропод, длинные колбаски копепод и широчайшая палитра форм и фактур, производимых всеми прочими видами зоопланктона.

По словам Стефани, до глубины 150 метров доходит, как правило, лишь порядка 10 % органического углерода, генерируемого в верхнем («перемешанном») слое океана. А морского дна достигает не более 1 %: остальное уничтожается детритоедами, не успев завершить движение вниз. Ловчие сети морских улиток и фекалии планктона становятся пищей для разнообразных потребителей, но сам углерод при этом никуда не исчезает: разрушая сложные углеродные соединения, прожорливые морские обитатели преобразуют их в углекислый газ. Мы с вами, кстати, делаем то же самое (что и объясняет, почему потребляем мы кислород, а выдыхаем углекислый газ). Перейдя в неорганическую форму, углерод растворяется в океане и уже не тонет. С этого момента он будет путешествовать сквозь водную толщу в вагоне другого класса.

В целом углеродные «утечки», связанные с циркуляцией океанских экосистем, крайне незначительны. Не случайно ловушки для морского снега, которые Национальный океанографический центр размещает на глубине 3 километров, дают столь мизерный урожай. Однако со временем углеродные пассажиры, несмотря на их низкую плотность, накапливаются, причем по всей акватории Мирового океана. Тоненькой, но непрерывной струйкой просачиваются они из верхнего слоя и летят, кружась, в мрачную бездну, пока не опустятся на дно. А что потом?

Даже достигнув океанских недр, эти органические частицы в большинстве своем окажутся съедены, ведь в придонных слоях имеется собственное голодное население. Морские огурцы, крабы, крошечные рыбешки – все те странные существа, которых видеокамеры Эдриана Гловера зафиксировали на равнинах тихоокеанской зоны Кларион-Клиппертон, – кормятся жалкими крохами, перепадающими им сверху. Пища на больших глубинах в таком дефиците, что морские обитатели не брезгуют практически ничем. Тот углерод, что будет ими переварен в составе биомассы, вернется в воду в виде растворенного углекислого газа. Потом эти молекулы на долгие, долгие годы попадут в плен термохалинной циркуляции – медленного океанического конвейера, отвечающего за перемещение водных масс за счет различий в плотности. Углеродные пассажиры будут странствовать по планете в морских глубинах, пока не наткнутся на зону апвеллинга. До их возврата на поверхность могут пройти сотни и даже тысячи лет, и в течение всего этого срока углерод будет изолирован от атмосферы и надводных экосистем.

Но, помимо этой бесконечной круговерти, природа предусмотрела для углерода и другой сценарий. Речь идет о процессе, растянутом на целые геологические эры: по меркам нашей жизни это примерно то же самое, что запереть склад на замок и выбросить ключ. Если значительный объем мертвых остатков фито- или зоопланктона скапливается вблизи речного устья, то их очень скоро накрывают илистые наносы (поставляемые речным стоком частицы выветрившихся материковых пород). Органика попадает в душную среду, почти лишенную кислорода. Большинство форм жизни в таких условиях существовать не могут, а стало быть, и охотников до питательного утильсырья тут нет. Смешанные с илом углеродные деликатесы постепенно осаждаются и уплотняются под весом нарастающих сверху слоев и в конечном счете превращаются в горную породу – происходит захоронение углерода. Судьба эта уготована немногочисленным углеродным пассажирам (лишь крошечной доле той малой толики, что достигает морского дна), но выбывают из биосферы они почти навечно. Формирование таких обогащенных органикой отложений продолжается по всей Земле уже сотни миллионов лет. В мощных пластах осадочных пород аккумулировано огромное количество энергии, некогда поглощенной фитопланктоном на поверхности океана, затем мало-помалу вошедшей в органические структуры и, наконец, погребенной на морском дне^[224]. В основном эти залежи так и остаются неприкосновенным запасом. Но бывают и исключения.

С незапамятных времен люди находили на планете оазисы, где из земных недр сочилась черная маслянистая жидкость. В одних местах она лилась рекой, в других была невероятно вязкой и напоминала смолу. Цивилизации бронзового века использовали ее для уплотнения зданий и обеспечения герметичности кораблей. Древние египтяне добывали ее в Мертвом море и применяли при бальзамировании тел усопших. Упоминания об этой субстанции мы находим и в «Книге Перемен» – важнейшем памятнике китайской письменности, созданном свыше 2500 лет назад. Североамериканские индейцы употребляли ее для прикрепления каменных наконечников стрел к древкам. Японцы получали из нее топливо для светильников. Удивительное природное масло находило множество полезных применений, но доступные запасы его были ограниченны, а извлечение трудоемко. В XIX веке, на фоне роста спроса на керосин, быстро заменившего китовую ворвань в качестве материала для ламп, активизировались попытки разрабатывать месторождения путем бурения. Но поворотной точкой стало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Добыча нефти после этого резко пошла вверх, и к началу XXI века из природных тайников ежесуточно выкачивалось 70 миллионов баррелей черного золота. Вся эта масса образовалась из микроскопической доли общих запасов захороненного в горных породах океанического углерода, который накапливался в течение миллионов лет. Автомобильные и авиационные бензины, сырье для производства почти всего пластика в мире, битум для дорожных покрытий, синтетические ткани, смазочные материалы, спортивное оборудование… – невероятное количество окружающих нас вещей сделано из углерода, миллионы лет назад связанного в органическом веществе живыми преобразователями солнечной энергии: фитопланктоном. Будучи замурован в отложениях на морском дне, углерод попадал как бы в ловушку и под действием высоких температур и давления мог претерпевать метаморфозы, превращаясь в нефть и газ^[225], а люди, обнаружив ценные залежи, высвобождали как сам углерод, так и запасенную в нем энергию. При сжигании ископаемого топлива длинные цепочки органических молекул снова переходили в форму углекислого газа, который затем выбрасывался прямиком в атмосферу. В итоге то, что целую вечность накапливалось в океане, за считаные десятилетия ушло обратно в воздух. Хрупкий баланс атмосферного углерода оказался нарушен.

Это возвращает нас к разговору об океанских блужданиях углерода. Представим себе картину в планетарном масштабе: вот где-то внизу вращается Земля, а на ее боках поблескивает влажная синева. Поскольку водная пленка соприкасается с атмосферой, углекислый газ постоянно мигрирует туда-сюда через границу раздела «воздух – море». В наиболее холодных регионах результирующий поток углекислого газа направлен в океан, а в тропических широтах – в атмосферу. Теплый поверхностный слой океана все время пребывает в движении: ветры обеспечивают ему постоянную встряску и заставляют водные массы активно перемешиваться. Воды этого слоя содержат большое количество растворенного углерода^[226] – мириады молекул, бесконечно толкающих и теснящих друг друга. Углеродные пассажиры странствуют по океану, оседлав течения, и разбегаются, потревоженные стаями рыб.

Из-за важности и сложности всех этих процессов мы с коллегами, собственно, и получили грант, позволивший нам оказаться в эпицентре атлантического шторма. Количественно оценить объем углерода, который поглощается океаном и может затем проникнуть в глубинные слои, на какое-то время утратив контакт с атмосферой, – задача нетривиальная. Вдобавок ко всему этот объем подвержен колебаниям в зависимости от температуры воды и других параметров системы. Потоки углерода между разными геохимическими резервуарами находятся в хрупком динамическом равновесии. Океан очень велик, а ключевые процессы, определяющие его поведение, непредсказуемы и многогранны.

Продолжив мысленное движение сквозь водную толщу вниз, мы найдем в холодных промежуточных слоях океана еще больше растворенного углерода. Находясь вдали от поверхности, эти запасы приумножаются силами микроорганизмов, которые жадно утилизируют летящие сверху хлопья морского снега и выдыхают углекислый газ. В пучинах полно растворенного углерода, совершающего вертикальные миграции по воле океанической машины: она то выталкивает его назад к поверхности, то утаскивает на глубину из-за различий в плотности воды. Перемещая водные массы на огромные расстояния, этот глобальный конвейер решает, вернется ли углерод в верхние слои океана или будет на сотни лет изолирован от атмосферы.

В гигантском вихре неорганического углерода кружит, кочует и движется живая материя – сложные углеродные соединения, из которых сложены кости рыб, клетки сальп и вся прочая органика, от бактерий до китов. Органический углерод по большей части сосредоточен в поверхностных водах, но, когда ткани отмирают, эти останки могут включиться в потоки морского снега, неторопливо падающего в глубину. Во время сильного шторма происходит подъем питательных веществ в верхние слои океана, и тогда организмы захватывают растворенный в воде углерод и используют его для строительства своих клеток и размножения. Так пассивные неорганические пассажиры встраиваются в молекулы бурно цветущей органики. Все эти формы жизни – собирающие солнечную жатву, растущие, движущиеся, жадно потребляющие – играют роль хранителей биологического углерода, который по мере их отмирания просачивается в морские глубины. В результате углерод медленно, но верно изымается из атмосферы^[227]. Как мы видим, «упакованный» в сложные молекулы органический углерод служит важнейшим поставщиком энергии и питательных веществ, и его потоки обеспечивают функционирование всей экосистемы океана. На глубине, куда не проникает солнечный свет, клочки органической материи являются единственным источником пищи. Словом, проследить за странствиями углерода – значит понять закономерности распределения жизни в океане. Большим подспорьем здесь могут стать новые технологии. Нужно только научиться грамотно их использовать.

Через коридор от кабинета Стефани собралась группа молодых исследователей, решивших познакомить меня со своим текущим проектом. Доктор Сари Гиринг объясняет, в чем ей видится основное назначение устройства: «С его помощью мы сможем полноценно выполнять свою работу. Ведь наша работа не в том, чтобы вести подсчет мертвого планктона. Вся суть – в анализе экосистемы океана». Всеобщее внимание приковано к черному тубусу, по габаритам сопоставимому с крикетной битой. С торца имеется небольшое отверстие, через которое внутрь прибора поступает морская вода, и присутствующие в ней взвешенные частицы фиксируются голографической камерой^[228]. Будучи способна распознавать объекты размером от 0,02 до 20 миллиметров, система подробно регистрирует геометрические параметры морского снега. Потрепанных стихией планктонных трупиков или обрывков слизистых выделений она не «видит», но дает изображения хлопьев морского снега и фекальных пеллет, что позволяет проследить метаморфозы этого потока оседающих веществ по мере его движения вглубь и потребления различными организмами. То есть речь не идет о детальном видовом определении особей, как это бывает при изучении отдельных «потерпевших». Важно составить достоверную картину того, что в целом происходит с хлопьями морского снега в процессе их падения ко дну. По словам Сари, сейчас отдел находится в поиске специалистов по машинному обучению. Необходима нейросеть для автоматического распознавания изображений, поскольку в ходе проекта будут получены немыслимые объемы данных – многие и многие терабайты. Живой человек и даже целый коллектив не в состоянии обработать такой массив. «Знаю, что Google создал систему для автоматического определения моделей автомобилей. Нам нужно нечто подобное», – поясняет Сари. Моя собеседница убеждена, что такие разработки существенно расширят наши представления об углеродном цикле, океане и планете в целом. Новые технологии, как ей кажется, внедряются в науку недостаточно активно, а все потому, что лучшие умы зачастую предпочитают делать карьеру в компаниях вроде Google, а не разгадывать тайны природы. «Вообще-то, в нашем центре уже работают несколько отличных программистов, которые ушли из банковской сферы, потому что здесь интересней, – говорит она. – Вопрос только в том, чтобы привлечь еще больше способных ребят, готовых участвовать в таких вот классных проектах и менять мир к лучшему». Напоследок Сари со вздохом добавляет: «Мы не можем платить, как в Кремниевой долине. Но потихоньку, маленькими шажками, продвигаемся вперед».

Невидимые нашему глазу дрейфующие пассажиры жизненно важны для планеты. Но они не единственные, кто бороздит синие просторы. Наряду с ними есть активные мореплаватели – люди и животные, которые по собственной воле путешествуют сквозь вселенную океана, используя ее характерные особенности в целях навигации, разведки и выживания. Теперь, когда мы в общих чертах разобрались в устройстве океанической машины, нам будет проще понять смысл таких миграций: они служат зримыми ниточками, соединяющими океан с остальным миром, и способствуют формированию не только экосистем, но и цивилизаций. Итак, настало время поговорить об океанских путешественниках.