Как таинственные моллюски могут спасти планету

Ныряя среди скальных островов залива Нгермид в Тихом океане, биофизик Пенсильванского университета Элисон Суини задерживается у кораллового рифа, чтобы сфотографировать гигантских моллюсков. Они выглядывают из своих раковин, переливаясь голубым, пурпурным, зеленым, золотым. Это тридакны — крупные двустворчатые моллюски, чьи яркие «улыбки» виднеются там и тут на коралловых рифах залива Нгермид (он более известен как залив Никко, но местные власти пытаются возродить его исконное название).

Суини и еще трое ученых из ее команды, работающие в лаборатории Международного центра изучения коралловых рифов Республики Палау, в этот день наблюдают за моллюсками в их естественной среде обитания, примерно в миле от берега. Мы продвигаемся сквозь бирюзовые воды между островами; над нами — летучие мыши, дремлющие на деревьях вниз головой, под нами — бесконечные кораллы.

Некоторые кораллы совсем побелели: в заливе Нгермид высокая температура и кислотность воды естественным образом создали условия, схожие с предполагаемым эффектом от влияния глобального потепления на Мировой океан. Но даже моллюски, обитающие на этих побелевших кораллах, выделяются яркими оттенками — как полевые цветы в белоснежной пустыне. Суини приближает к ним объектив камеры. Они испуганно прячутся в свои гофрированные раковины. Подобно застенчивым сказочным существам, они невольно притягивают взгляды своим мерцающим свечением.

Именно это свечение привлекло внимание Суини к гигантским моллюскам и к Палау — крошечной республике, состоящей из 328 островов между Филиппинами и островом Гуам. Эти пропитанные солнцем воды стали домом для семи из двенадцати существующих в мире видов гигантских моллюсков, начиная от легендарной гигантской тридакны (чей вес доходит до 250 килограмм, а длина — до 1,2 метра) и заканчивая тридакной сквамоза с ее элегантной гофрированной раковиной. Суини впервые приехала на архипелаг в 2009 году, будучи постдокторантом Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и изучая светящуюся фауну. Свечение для живых существ, будь то бабочка голубой морфо или кальмар, — как правило, визуальный сигнал, которым они привлекают партнеров или отпугивают хищников. Но свечение гигантских моллюсков — не сигнал. Тогда что же?

Cвечение гигантских моллюсков — не сигнал партнеру или хищнику. Тогда что же?

В последующие годы Суини и ее коллеги обнаружили, что мерцание моллюсков — по сути, побочный эффект от работы солнечной батареи. Гигантские моллюски достигают своих объемов благодаря исключительной способности выращивать собственные фотосинтезирующие водоросли на вертикальных фермах, расположенных прямо на поверхности их тел. Суини и другие ученые считают, что эта способность может стать ключом к созданию альтернативных источников энергии в условиях глобального потепления.

Плавая в водах залива, я жду, когда Суини и ее команда закончат работу. Жаркое солнце Палау садится за скалы, и в наступающих сумерках летучие мыши просыпаются, расправляют крылья и взлетают. Суини возвращается последней: она всегда с неохотой покидает места обитания моллюсков.

…Летучие мыши и моллюски окружают нас и на следующий день, на этот раз на суше. И те и другие изображены на старейшем бае — традиционном палауском здании для собраний. Такие здания с выкрашенными яркими деревянными балками и высокими соломенными крышами когда-то были в каждой деревне. Но это, расположенное на самом большом острове Палау, Бабельдоль, — один из последних сохранившихся традиционных баев. Изображения летучих мышей, которые в культуре Палау считаются символами смирения, украшают каждый из входов в здание, напоминая, что даже представители власти должны склонить голову и выказать уважение, когда заходят в бай. Изображения гигантских моллюсков «символизируют силу и упорство», объясняет Эльза Шугар, сотрудница местного управления исторического и культурного наследия.

Люди населяют острова Палау не менее 3 400 лет, и все эти годы гигантские моллюски были для них основным продуктом питания, частью повседневной жизни и даже объектом поклонения. Древнейшие из обнаруженных на островах орудий труда сделаны из толстых раковин гигантских моллюсков: лезвия топоров, рыболовные крючки, весла, пестики. Археологи предполагают, что первые островитяне истощили популяцию гигантских моллюсков на окрестных отмелях, но впоследствии постарались ее восстановить. Так, древний закон об охране природы Палау, известный как Бул, запрещал рыбную ловлю в периоды нереста или в случаях, когда популяция вида заметно уменьшалась.

Легенды дохристианского периода, который продолжался на островах до XVIII века, повествуют о гигантском моллюске, который зародился в пустынном море и все увеличивался — до тех пор, пока не произвел на свет Латмайкайк, богиню, ставшую матерью древних людей.

По местным легендам, в пустынном море зародился моллюск, который произвел на свет мать древних людей.

В первые две недели жизни гигантские моллюски перемещаются по морю вместе с течениями. В этот период моллюск находит и поглощает фотосинтезирующие водоросли, которые позже станут для него самовоспроизводящимися источниками энергии. После этого моллюск строит раковину и ищет для своей «плантации» место под солнцем. Выбрав хорошо освещенный участок в неглубокой лагуне или на рифе, он прикрепляется к нему вертикально, створкой раковины кверху. Солнечные лучи запускают процесс фотосинтеза, микроводоросли на теле моллюска начинают стремительно размножаться. В этом симбиозе моллюск и его водоросли проведут всю жизнь.

Микроводоросли-зооксантеллы щедро обеспечивают моллюсков всеми необходимыми питательными веществами. Взамен «хозяева» предоставляют им безопасную жилплощадь и ежедневную точно рассчитанную дозу солнечного света. Эти переплетенные жизненные циклы вызывали у ученых целый ряд вопросов. В частности, как моллюскам удается не перегреваться на жарком экваториальном солнце? Как они распределяют свет равномерно между миллионами микроводорослей, так что хватает даже тем, что растут на самых темных участках их тела? И самое важное: как им удается быть такими живучими в этих теплых тропических водах с повышенной кислотностью?

Я плаваю в заливе с Амандой Холт и Джинг Цай, учеными из команды Суини. Они ищут моллюсков. Найти огромную отливающую синим гигантскую тридакну — большая удача. Гигантские моллюски — любимое блюдо жителей Палау и других тихоокеанских островов: моллюсков едят сырыми, поливая лимонным соком, варят из них суп на кокосовом молоке, обжаривают как начинку для острых блинчиков, готовят множеством других способов. Мода на деликатесные сашими из гигантских тридакн, которые считаются афродизиаком, привела к исчезновению этого вида моллюсков в Китае, на Тайване и в других местах их обитания. В Палау дикие моллюски выжили только благодаря суровому законодательству о защите морской среды вкупе с развитой аквакультурой. Центр марикультуры Палау выращивает сотни тысяч гигантских моллюсков в год, обеспечивая ими рестораны и океанариумы и тем самым защищая дикую популяцию. Но учитывая, что остальные страны успели уничтожить собственных моллюсков, воды Палау становятся постоянной мишенью для иностранных браконьеров.

В этот день нам удалось обнаружить только одну гигантскую тридакну. А вот относительно небольшие тридакны кроцея встречались нам повсюду. На одном только рифе я насчитала штук двадцать: бархатисто-черные с голубыми пятнами, темно-бирюзовые с яркой полоской, желто-зеленые, как кожа ящерицы, коричневые с темно-золотыми прожилками. Это буйство красок, казалось бы, не должно существовать в водах залива Нгермид с их высокой температурой и низким уровнем pH. Подобно кораллам гигантские моллюски под действием жары склонны к выцветанию: в стрессовых условиях они отторгают свои водоросли, тускнеют и в конце концов погибают. Но дикие моллюски залива Нгермид прекрасно себя чувствуют даже в условиях, схожих с теми, которые предвещают Мировому океану глобальное потепление.
Биолог Йимнанг Голбуу, руководитель Международного центра изучения коралловых рифов на острове Корор, объясняет: все дело в том, что залив Нгермид естественным образом изолирован от внешних экосистем. Благодаря этому местные моллюски имели возможность адаптироваться к суровым внешним условиям. И мы, по мнению Голбуу, должны прислушиваться к природе и учиться у нее.

«Прислушиваться к природе» — главный принцип нарастающего слияния биологии и материаловедения. Когда Суини, будучи магистром биологии в родном Иллинойсе, начала изучать физику, она обнаружила, что рассмотрение жизни сквозь призму ее физических структур дает приятное ощущение упорядоченности. Двадцать лет спустя, став первым биологом, нанятым факультетом физики и астрономии Пенсильванского университета, она по-прежнему восхищается безупречной эффективностью живых существ, будь то острота зрения кальмара или способность моллюсков превращать солнечный свет в энергию. Сегодня новое поколение инженеров-строителей активно изучает экосистемы в поисках продвинутых инженерных решений, а материаловеды рассматривают биологию как источник эффективно работающих моделей. «Эволюция, — говорит Суини, — настолько мудрее человека!»

…В 15 тысячах километров от Палау я посещаю еще один эпицентр исследований гигантских моллюсков. Здесь, в Филадельфии, в Академии естественных наук, находится старейшая малакологическая коллекция Северной Америки. На верхнем этаже, в 13,5 тысячи алюминиевых шкафчиков, хранятся более 10 миллионов экспонатов — от раковин гигантских тридакн до крошечных морских улиток диаметром 0,01 миллиметра. Пятьсот гигантских моллюсков занимают нижние полки, специально укрепленные, чтобы выдержать их вес.

Исследование моллюсков невозможно без изучения их раковин. Биохимик Мишель Гэннон способна по раковине восстановить биографию каждого моллюска. В поперечном сечении видны годовые кольца, позволяющие определить не только возраст моллюска, но даже ежедневные циклы смены дня и ночи. Еще больше информации дает изучение химического состава раковин. Все они состоят из карбоната кальция, CaCO₃ — одна молекула кальция, одна углерода, три кислорода, — но различаются количеством изотопов кислорода в зависимости от температуры воды, интенсивности испарения и других условий. Измеряя пропорции изотопов, Гэннон может детально рассказать про малейшие изменения в окружающей моллюска среде. Она способна даже подсчитать количество солнечного света, которое конкретный моллюск получал каждый день (в солнечные дни моллюски растут на порядок быстрее, чем в облачные, выяснила она).

На следующий день Суини и Шу Янг, профессор материаловедения и технологии материалов, встречают меня в пенсильванской лаборатории исследования структуры материи. Янг начинала научную карьеру с изучения возможностей использования света в телекоммуникациях. Последние 14 лет она работает в Пенсильванском университете, вместе с двадцатью коллегами создавая материалы на основе природных форм в лабораторных условиях. Они имитировали присущую листьям лотоса способность к самоочищению, клеящие свойства лап геккона и соцветий репейника, водоотталкивающие пигменты крыльев бабочек. Теперь ученые моделируют способность гигантских моллюсков к фотосинтезу.

В лаборатории имитировали присущую листьям лотоса способность к самоочищению, клеящие свойства лап геккона и соцветий репейника, водоотталкивающие пигменты крыльев бабочек.

Они начали с исследования природы свечения. Радужное сияние гигантских моллюсков, павлиньих перьев или крыльев бабочек — не пигмент, а физический эффект, возникающий, когда крошечные решетчатые структуры на поверхности взаимодействуют со светом. Ученые называют эти решетки фотонными кристаллами. Если Янг и ее коллегам удастся их воссоздать, областей применения можно найти множество — от волоконной оптики до более эффективных фотоэлементов.

Бабочки и павлины используют это свечение для привлечения партнеров. Моллюски — для привлечения солнца. Команда Суини обнаружила, что под мантией моллюска микроводоросли сгруппированы в колонны, и иридоциты (клетки, обеспечивающие свечение) покрывают каждую такую колонну, как ряды солнечных батарей. Иридоциты впитывают концентрированный солнечный свет, а потом рассеивают его наилучшим для запуска фотосинтеза образом. Синие и красные световые волны они направляют на колонны водорослей, а остальные отражают, благодаря чему и водоросли оказываются «сытыми», и моллюски не сгорают под ярким тропическим солнцем. «Это продуманная и очень дешевая самоорганизация», — говорит Янг.
Годами она пыталась воссоздать фотонные кристаллы с использованием разных материалов — как правило, дорогих. Наконец Янг выяснила, что имитировать светорассеивающие свойства моллюсков способны наночастицы кремнезема и что процесс получается вполне бюджетным.

Стивен Мэйфилд, директор Калифорнийского центра биотехнологии водорослей в Сан-Диего, утверждает, что единственная проблема получения биотоплива с помощью водорослей — связанные с этим расходы. «Мы уже доказали, что можем выращивать такие водоросли и превращать их в топливо, — говорит он. — Причина, по которой этот способ не получает широкого распространения, — общество не стремится инвестировать прямо сейчас в то, что окупится в долгосрочной перспективе» (особенно в условиях, когда субсидии на ископаемое топливо позволяют ему оставаться дешевым).

Майкл Паулин, британский архитектор, известный своими работами по привнесению «биологического» дизайна в строительство зданий и промышленных объектов, говорит, что так везде. Инвесторы не спешат авансом вкладываться в новые разработки, и пока им не приходится платить за выбросы в атмосферу, у них нет никаких финансовых стимулов задумываться о преимуществах, которые низкоуглеродная энергетика обеспечит нашей планете.

Суини и Янг верят: биореакторы, работающие по принципу гигантских моллюсков, могут стать и более дешевой, и более эффективной альтернативой существующим способам получения биотоплива. Другой вопрос — удастся ли им такой биореактор построить. Пока что ученым не удалось «убедить» водоросли формировать в лабораторных условиях такие же идеальные структуры, как на теле моллюсков; и никто не берется сказать, сколько времени может занять решение этой проблемы.

Пока что ученым не удалось «убедить» водоросли формировать в лабораторных условиях такие же идеальные структуры, как на теле моллюсков.

…Изображение гигантского моллюска украшает бицепс одного из докторантов Суини, Линкольна Рема. Он вырос в палауской семье в Техасе и в детстве часто ездил на острова на каникулы. Получив степень по биологии, он приехал в Палау, чтобы работать в центре изучения коралловых рифов. Именно там он заинтересовался исследованиями Суини о светящихся моллюсках.

Нырнув, Рем устанавливает рядом с каждым моллюском цветовую палитру, чтобы позднее внести информацию об их оттенках в компьютер. За последние три года он пополнил базу данных более 800 фотографиями гигантских моллюсков. Его коллеги написали код, который ранжирует их по оттенкам с помощью цветовой палитры; Цай, специалист по машинному обучению, придумал алгоритм, который анализирует каждый пиксель, позволяя различать оттенки и яркость отдельных клеток.

В лаборатории центра исследований коралловых рифов они проводят эксперименты на моллюсках: измеряют скорость, с которой те поглощают и отдают свет и тепло, сравнивают влияние разных типов света, выясняют, с помощью каких клеток происходят эти процессы. Неоднократно повторенные, эксперименты многое прояснили в работе этих двустворчатых биореакторов. Похоже, иридоциты не только поглощают свет и рассеивают его по поверхности водорослей, выбирая оптимальную для фотосинтеза длину волны. Они еще способны абсорбировать возникающие в результате фотосинтеза излишки тепла и отдавать их наружу — опять-таки с помощью света (а фотосинтез настолько увеличивает температуру тела моллюска, что она может оказаться на несколько градусов выше температуры окружающей воды).

Гигантским моллюскам эта способность избавляться от излишков тепла дала возможность выжить в условиях залива Нгермид. Человечеству она может указать путь к новым технологиям охлаждения без использования ископаемого топлива, которые найдут применение и в строительстве электростанций, и в проектировании офисных зданий, и в автомобилестроении.

…Перед тем как покинуть Палау, я еще раз сталкиваюсь с гигантскими моллюсками и летучими мышами — на этот раз в меню местного ресторана. Суп из летучих мышей — его хит (при подаче в тарелке плавает летучая мышь целиком). Говорят, американцы любят заказывать этот суп, фотографировать его для инстаграма и оставлять нетронутым.

Я так и не смогла заставить себя заказать этот суп или другие деликатесы — например, суп, пирог и сашими из гигантских моллюсков. Одно дело, когда все это едят жители Палау, которых такая пища поддерживала на протяжении тысяч лет. И совсем другое — чужаки из того самого мира, который угрожает Палау: толпами туристов на коралловых рифах, браконьерством, изменениями климата, вызванными сжиганием ископаемого топлива в других, гораздо более крупных странах.

Палау с его 20 тысячами жителей — одно из самых маленьких по численности населения государств в мире, зато его ежегодно посещает 160 тысяч туристов. Но гораздо больший вред, чем иностранные туристы (которые обеспечивают более половины ВВП республики), наносят непрошеные гости из-за рубежа: огромные траулеры и крошечные лодки браконьеров, которые рыскают в водах Палау в поисках гигантских моллюсков, голубого тунца, акул и других морских обитателей.

Жители Палау, верные древнему природоохранному закону Бул, пытаются бороться. В 2015 году президент Томми Ременгесау — младший подписал закон о Национальном морском заповеднике Палау, запрещающий промысел на 80% территории экономической водной зоны страны, а оставшиеся 20% отдающий местным рыбакам. В 2016-м республика получила грант от Японии в размере $6,6 миллиона на масштабную реконструкцию Выставочного центра марикультуры Палау. Строящийся у южной оконечности острова Малакал новый филиал позволит увеличить производство гигантских моллюсков в пять раз — до более чем миллиона особей в год. Он также даст возможность проводить более масштабные исследования.

В прошлом году республика изменила иммиграционную политику: теперь каждый въезжающий в страну подписывает обязательство вести себя экологически ответственно. Обязательство обращено к детям острова: «Дети Палау, как ваш гость я обязуюсь сохранять и защищать ваш прекрасный уникальный островной дом. Клянусь вести себя доброжелательно и разумно и действовать с осторожностью. Я не возьму ничего из того, что мне не принадлежит. Я не причиню вреда ничему из того, что не причинило вреда мне. Если я и оставлю после себя следы, то только те, которые смоет вода».

«Дети Палау, как ваш гость я обязуюсь сохранять и защищать ваш прекрасный уникальный островной дом».

Эта клятва трогает сердца, но не решает главной проблемы Палау, которая заключается не в отдельных «я», а в коллективном «мы»: во все возрастающих показателях выброса в атмосферу продуктов сгорания топлива, которые ведут к глобальному потеплению, подъему уровня Мирового океана и разрушительным ураганам.

Ф. Умайч Сенгебау, министр природных ресурсов, окружающей среды и туризма Палау, рассказал мне, что в прежние времена островитяне называли гигантских моллюсков «пищей шторма»: они выручали, когда погода не позволяла заниматься рыбной ловлей. Теперь, когда Палау сталкивается с последствиями климатических изменений, гигантские моллюски тоже становятся «пищей шторма», но в другом смысле. Они — не только кладезь белка, постоянный источник дохода для рыбаков и приманка для туристов, но и прототип для альтернативной энергетики и других низкоуглеродных технологий.

Возможно, свечение гигантских моллюсков — действительно какой-то сигнал для нас.