Во время аспирантуры в Беркли Уотербери увлекся цианобактериями, микроорганизмами, про которые было известно, что они обитают в пресной воде. Эти организмы, которых чаще называют синезелеными водорослями, обладают свойствами, больше похожими на свойства растений, чем на свойства бактерий. Главным из этих необычных свойств является способность использовать фотосинтез – превращать углекислый газ и воду в кислород и углеводы. Но в 1970-х гг. главным образом считалось, что цианобактерии заселяют лишь небольшие пресноводные водоемы и не играют большой роли в процессе производства кислорода на Земле. Их обсуждали только в узком академическом кругу, а в основных учебниках по океанографии о них вообще не упоминалось.

После защиты докторской диссертации Уотербери устроился на работу научным сотрудником в Океанографический институт. В то время основной задачей в этой области было изучение океанических бактерий, о которых мало что было известно. Полевая работа была обычной частью исследований, и в августе 1977 г. Уотербери отправился на научно-исследовательском судне Atlantis II в Аравийское море – регион океана между Индией и Саудовской Аравией, известный очень высоким содержанием неорганических питательных веществ и богатый морскими обитателями. Задачей его группы был анализ проб из океана с использованием новой технологии: эпилюминесцентной микроскопии. С помощью этой новой методики планировалось определить типовые уровни содержания известных бактерий в океане.

Принципы эпилюминесцентной микроскопии простые. К пробе воды добавляются флюоресцентные метки, состоящие из строительных блоков ДНК. Эти метки прикрепляются к соответствующим частям ДНК бактерий, как фрагменты пазла, подходящие друг к другу. Под микроскопом, при облучении синим светом, благодаря прикрепленным меткам эти бактерии начинают флюоресцировать зеленым цветом. Если подходящие бактерии отсутствуют, метки не будут активированы и в микроскоп ничего не будет видно.

Прежде чем добавить метки ДНК к пробам воды из Аравийского моря, Уотербери сделал то, чему учат на всех занятиях по естествознанию, и это – обязательный этап при любом эксперименте, на любом уровне науки, от опытов в классе средней школы до лабораторных исследований, за которые дают Нобелевскую премию: он установил строгий контроль, чтобы гарантировать достоверность результатов. Ученые знают, что контрольные группы – основа всех открытий. Чтобы найти что-то аномальное, нужно уметь видеть и доказывать существование того, что считается нормальным. Поэтому, перед тем как добавлять метки ДНК, Уотербери проанализировал образец воды из Аравийского моря под новым эпилюминесцентным микроскопом, чтобы иметь исходные данные для сравнения.

Уотербери предположил, что не увидит ничего необычного в воде Аравийского моря, но был поражен. Синий свет эпилюминесцентного микроскопа прошел сквозь воду, и в окуляре вспыхнуло ярко-оранжевое флюоресцентное свечение. Уотербери раньше изучал цианобактерии и понял, что этот оранжевый свет был естественной флюоресценцией фикоэритрина, фотосинтетического пигмента, который совместно с хлорофиллом запускает важнейшую реакцию распада двуокиси углерода на кислород и углерод, делающую возможной жизнь на нашей планете. Прежде никому не было известно, что цианобактерии могут существовать в глубоководных соленых водоемах, поэтому это была колоссальная находка.

Открытие существования цианобактерий в Аравийском море было только началом, но Уотербери знал, что, для того чтобы детально изучить морские цианобактерии, ему придется выращивать бактериальные культуры. Он пытался в течение нескольких месяцев, всякий раз используя новую среду и разные питательные вещества, чтобы добиться репликации цианобактерий. Но всякий раз происходило одно и то же – в течение суток все клетки погибали. Без культивирования изучать морские цианобактерии было бы невозможно. Чтобы добиться успеха, Уотербери пришлось вернуться к базовой биологии окружающей среды.

Океанические и пресноводные организмы ведут себя совершенно по-разному. Обычно мы думаем, что океанские существа выносливы и хорошо приспосабливаются, а океан – суровое и дикое место. Пресноводные водоемы, наоборот, кажутся спокойными и идиллическими, там нет акул, скатов и смертельных медуз. Такова человеческая точка зрения. С точки зрения бактерий – все наоборот.

Среды обитания пресноводных и морских бактерий разительно отличаются. Во внутренних пресноводных водоемах температура, а также количество питательных веществ и минералов могут сильно колебаться. Кроме того, летом и зимой в пресноводной среде создаются очень разные условия жизни, и в зависимости от сезона там часто обитают очень разные виды. По сравнению с этими водоемами обстановка в океане исключительно стабильна. Перепады температур намного меньше, чем во внутренних водоемах, а состав питательных веществ в микроокружении гораздо более постоянный. Бактерии, процветающие в пресноводной среде, – то, что ученые-океанологи называют «эвтрофы», – это организмы, способные жить в условиях изобилия питательных веществ и при сильных колебаниях температуры. Для морских бактерий, «олиготрофов», требуются более низкие уровни основных питательных веществ. Так что, хотя нам это кажется контринтуитивным, морские бактерии более чувствительны, более уязвимы, чем их пресноводные родичи.

В том беспокойном году Уотербери начал это понимать. Он тщательно отмывал все колбы для культур и пробирки, следя за тем, чтобы в них не оставалось даже микроскопического количества кальция или иного вещества. Затем он калибровал питательную среду, чтобы она точно соответствовала тем наноколичествам питательных веществ, которые он измерял в океанской воде. Наконец, через год кропотливой работы, и к радости Уотербери, цианобактерии из океана впервые начали расти за пределами своей естественной среды обитания. Открытие вида Synechococcus официально состоялось.

Остались следующие вопросы: сколько этих бактерий и какова их среда обитания? С дальнего конца деревянной пристани в Вудс-Холе Уотербери набрал в несколько банок соленой воды, немного мутной, но в остальном ничем не примечательной. Он поместил образец под эпилюминесцентный микроскоп и увидел изобилие цианобактерий.

В следующие десять лет наблюдался взрывной рост количества исследований цианобактерий. Почти в каждом уголке океана на Земле были выявлены сотни различных видов. Теперь мы знаем, что синезеленые водоросли населяют любой водоем с температурой выше 5 ℃, обычно во внушительных количествах, настолько внушительных, что Уотербери называет их «эти зверюшки».

Сегодня считается, что кислородом в нашей атмосфере мы обязаны главным образом цианобактериям, так как численность их огромна, а среда обитания разнообразна. Они выделяют его в ходе фотосинтеза – процесса, используемого растениями, водорослями и цианобактериями для превращения поглощаемого ими солнечного света в энергию. Первичной молекулой, улавливающей солнечный свет, является хлорофилл, молекула, которая использует энергию фотонов света для реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием глюкозы и кислорода. В ходе этой реакции фотосинтеза также выделяется энергия, которая помогает цианобактериям преобразовывать углекислый газ из атмосферы в питательный углерод, который сначала потребляется низшими формами жизни, а затем передается по пищевой цепочке. Этот процесс делает цианобактерии источником большой доли производимых питательных веществ на нашей планете. Они также ответственны за большую часть нефти, природного газа и угля на Земле, потому что все они образовались из отложений (мертвых цианобактерий), скапливавшихся на дне океана в течение миллионов лет. Группа цианобактерий и правда является самым многочисленным видом на Земле и одним из важнейших для жизни.

Мы склонны ассоциировать процесс фотосинтеза с растениями, но почти наверняка первыми его начали использовать цианобактерии. Считается, что миллионы лет назад предки цианобактерий слились с более крупными клетками в процессе, называемом эндосимбиозом, эволюционировали и превратились в содержащие хлорофилл хлоропласты, благодаря которым более крупные клетки смогли осуществлять фотосинтез. Впоследствии эти клетки, содержащие хлоропласты, объединились друг с другом и стали предшественниками современных растений и водорослей.

Несмотря на весь наш технический прогресс, мы можем только восхищаться тем, как цианобактерии, а затем и растения овладели фотосинтезом. Люди рано поняли, как сжигать углерод, но мы до сих пор не можем производить его самостоятельно из углекислого газа и света. Если бы фотосинтез можно было смоделировать искусственно, это стало бы золотым ключом к решению наших энергетических проблем; это также решило бы проблему глобального потепления, позволив вывести углекислый газ из атмосферы.

Теперь, оглядываясь назад, мы знаем, что взрывное развитие жизни в кембрийский период, около 500 млн лет назад, в значительной степени подхлестнуло повышение концентрации кислорода в атмосфере, который производили цианобактерии^{21}. Без этих маленьких существ не было бы сейчас ни высших животных форм жизни, ни большинства растительных форм жизни.

Наши легкие развились, чтобы использовать кислород и эффективно управлять нашими метаболическими реакциями. Мы аэробные существа, и если легкие – наш самый важный орган, то кислород – самый важный газ в атмосфере. Анаэробные организмы существуют, но их развитие сдерживается неэффективным методом производства энергии. С кислородом открылись возможности мира. Почти каждое живое существо на Земле зависит от того или иного способа извлечения кислорода, а Джон Уотербери и другие, занимавшиеся океаническими бактериями, помогли нам понять, откуда взялась вся эта жизнь.

Благодаря появлению нового газа в атмосфере Земли, последние 500 млн лет существования нашей планеты радикально отличаются от первых 4 млрд. Первый период был отмечен отсутствием жизни, второй – ее изобилием. Момент появления кислорода и жизни не случаен. Кислород – это жизненная сила, источник бесконечных возможностей жизни.

Вместе с повышением содержания кислорода, производимого цианобактериями, примерно в это же время начала расцветать растительная жизнь. Сначала она возникла в океане, а затем неотвратимо эти растительные формы проникли на выжженный оранжевый массив суши, где в то время не было совершенно ничего, кроме скал. Сначала скалы колонизировали невысокие мхи, затем постепенно там обосновался и более продвинутый растительный мир. Деревья появились позже и повысили концентрацию кислорода еще больше.

Животный мир в насыщенном кислородом океане становился все более сложным. Чем больше растений, тем больше кислорода, а с ним появились черви, двустворчатые моллюски и медузы, использующие примитивные жабры или простую диффузию для извлечения кислорода из океана. В конце концов, за десятки миллионов лет живые существа вышли на землю, заселенную растениями. Насекомые, пауки и черви первыми воспользовались зарождающимся зеленым ландшафтом. Но они не смогли бы совершить этот удивительный переход, не обладая хотя бы какой-то способностью использовать кислород.

У червей нет функционирующей дыхательной системы. Они получают кислород из окружающей их влажной почвы, позволяя ему проникать сквозь кожу в кровь. Высушите червяка, и он задохнется. У пауков и насекомых есть дыхательная система, но это просто длинная трубка, проходящая через их тело, которая позволяет кислороду распространяться по окружающим тканям. У всех этих видов нет мышечной системы, которая содействовала бы более эффективному использованию кислорода, и нет способа значительно увеличить снабжение кислородом, когда это требуется. Эти примитивные системы ограничивает отсутствие эффективности. Поэтому тело и мозг этих существ не могут вырасти до больших размеров. Их сдерживает отсутствие легких.

Черви и пауки выползали из моря, а жизнь в океане развивалась гораздо быстрее, чем на суше. Существа увеличивались в размерах, и у них развивались более сложные органы. Появились позвоночные животные с эндоскелетом и кожным покровом, а также рыбы со знакомыми нам органами, такими как мозг, печень, сердце и пищеварительный тракт. Эти сложные позвоночные начали заселять множество различных водных ниш, от самых высоко расположенных рек до самых глубоких океанских впадин. Девонский период, длившийся с 420 до 359 млн лет назад, известен как эпоха рыб из-за взрывного роста количества видов и количества мест их обитания^{22}.