Общее собрание Российской академии наук, которое состоялось в конце апреля этого года, ознаменовалось важным событием: в торжественной обстановке была вручена высшая награда РАН — Большая золотая медаль им. М.В. Ломоносова — академику Иосифу Исаевичу Гительзону за обоснование и развитие экологического направления в биофизике. Мы попросили нового лауреата рассказать, какими исследованиями он занимается.
— Иосиф Исаевич, вы основоположник научного направления «биофизика надорганизменных систем». Что это такое?
— Скажем так: один из основоположников. Биология различает уровни организации живой материи. Живая материя — самое сложно организованное вещество в природе. В этой сложности самое простое — то, из каких молекул и как построены живые организмы, то есть какова их молекулярная организация. Выше идут клетки, это универсальная живая структура. Вся жизнь — клеточная, кроме вирусов. Еще выше находятся организмы, которые построены из множества клеток. Классическая биофизика и занимается в основном этими уровнями.
Но есть еще более сложные уровни организации жизни — сомножества организмов. Это популяции. Дальше организмы одного вида вступают в различные отношения с другими видами. Кто-то кого-то ест, кто-то с кем-то конкурирует. Это уже создает экологические системы из взаимоотношений разных видов организмов. И, наконец, над всем этим есть общее, единое — это биосфера Земли. Мы — человечество — входим в эту систему. Это не абстрактное понятие, а реальность, потому что из биосферы мы получаем питание, кислород, то есть мы привязаны к ней жесткой связью обмена веществ. В биосферу мы отдаем все свои выделения, которые кто-то должен взять, чтобы снова образовались пища и чистая вода, которую мы потом опять используем, и т.д. Биосфера объединяет всю жизнь на нашей планете.
— Вы стали заниматься этим направлением, чтобы решить какую-то определенную задачу?
— Мы идем от биофизики, то есть используем мощь физических методов, идей для исследования биологических систем, но не нижних уровней, где физика уже очень многое сделала. Естественно, что я, принадлежа к биофизике, буду говорить о том, что внесла физика в науку о жизни в XX в. Был открыт молекулярный механизм наследственности, знаменитая двойная спираль из нуклеиновых кислот. Это сделано физическими методами.
То, что делаем мы, — это попытка применить физические методы к исследованию высших форм организации жизни, то есть экологических систем. Что-то удается на этом пути, но основная задача еще не решена: почему биосфера так устойчива? Она существует уже четвертый миллиард лет, изменяясь при этом, но жизнь на Земле сохраняется непрерывно. Что поддерживает ее равновесное состояние? Как это устроено? Вот мы дышим здесь, а где-то в тысячах километров от нас водоросли потребляют нашу углекислоту. При этом ее концентрация в атмосфере планеты остается почти постоянной, потому что между процессами в биосфере поддерживается динамическое равновесие.
Как работает этот механизм динамического равновесия? От него зависит жизнь на планете, в том числе и наша — человеческая. Высказываются опасения, что если уровень углекислого газа в атмосфере будет продолжать подниматься, то произойдет очень сильное потепление. Это спорный вопрос, но в любом случае ясно, что при всех колебаниях этого уровня будут изменяться условия жизни на Земле. На вулкане Мауна-Лоа на Гавайских островах есть обсерватория. Поскольку этот остров находится далеко в океане, на него меньше всего влияет мировая промышленность, поэтому в атмосфере нет местных загрязнений. Там меряют концентрацию углекислоты в атмосфере уже десятилетия. Она растет понемногу, но неуклонно. И это доказательство того, что биосфера находится не в равновесном состоянии. Подъемы эти невелики, непосредственно людям они еще не страшны. Человек может дышать при гораздо большей концентрации диоксида углерода. Но это влияет на атмосферу, ее температуру, а дальше запускается много процессов.
Поэтому очень важно понять, как организована биосфера и почему она в основном поддерживает равновесие. Хотя, конечно, есть колебания: скажем, в каменноугольный период была совсем другая концентрация многих веществ, прежде всего углекислоты. А жизнь сохранилась и продолжает существовать.
Каков механизм этого равновесия? Чтобы получить ответ на какой-то вопрос, ученый должен поставить эксперимент, задать этот вопрос природе. Как задается вопрос? Мы что-то меняем и смотрим ответ. Слава богу, что биосфера такая большая и ей нельзя так задать вопрос. И это очень хорошо, что мы не можем ее произвольно менять, хотя все же делаем это своими неразумными действиями — массой всяких выбросов, на которые нет потребителя, и пр. Экспериментировать на биосфере, скажем так, аморально. Она одна, а мы все в ней живем, мы все от нее зависим.
— Что же делать ученому, если он не может воспользоваться экспериментом в природе?
— Строить математические и физические модели своего объекта. Вот этим мы и занимаемся. Замкнутые системы круговорота веществ для жизнеобеспечения людей — и есть модели биосферы В.И. Вернадского, в которой живущие в ней люди участвуют не только своим обменом веществ, но и своим разумом, потому что они ею управляют. Из нее они получают пищу, туда выдают выделения. Это и есть наш модельный объект, замкнутая экологическая система (ЗЭС) жизнеобеспечения человека. Тут мы вольны что-то менять, смотреть ответ.
Наша фундаментальнейшая задача — понять механизм, обеспечивающий устойчивость большой земной биосферы, которой «управляет» человечество. Оно пока еще довольно хаотично это делает, поэтому мы наблюдаем такие разрушительные последствия. Ноосфера, как называл В.И. Вернадский современный этап эволюции биосферы («ноос» — «разум» на классическом греческом языке), — это переход к такой ситуации, когда человек своими действиями вмешивается в круговорот в масштабах всей биосферы. Но пока эти вмешательства трудно назвать разумными, они скорее стихийные. Сейчас мы, например, расточительно пользуемся изделиями из химически синтезированных пластических материалов, используя их одноразово. А дальше куда их деть? Один раз использовали и выбросили в природу. Но, оказывается, в природе на них потребителей нет, поэтому пластики копятся в почве, попадают в реки. Реки несут в моря, моря — в океаны, и там теперь плавают целые мусорные острова. В наших исследованиях водородного биосинтеза мы разработали технологию и проект микробиологического производства биопластика, который разрушается в природе. То есть его можно один раз использовать и выбросить. В природе его всегда ждут бактерии, которые его съедят и скажут спасибо. Причем спасибо не виртуальное. Они вернут нам чистую воду.
— Кого-то из производителей заинтересовало изобретение биопластика, который разрушается?
— Абстрактно — да. Но дальше надо, чтобы кто-то занимался производством, а это миллионнотонное производство. В год в мире выпускается около 180 млн т разных пластиков, но не более 10% из них подвергается разложению. Мы не все пластики химического синтеза можем заменить биологическими. Но бытовые, которых так много и которые составляют большую долю отходов, можем.
— Многие страны сейчас запрещают использование пластика.
— Да, это началось. Но запретить — это самое простое. А что дальше? Тогда надо вернуться к стеклу, а стекло — еще более трудноразрушаемый материал. Тоже будет загрязнение. Поэтому очень важно производство биодеградируемых материалов. Но пока мои разговоры с теми, кто мог бы вложить средства, не привели к успеху. Я им говорю: «Если вы вложитесь в производство таких биодеградируемых, биоразрушаемых пластиков, вы будете архимиллиардером — новым Дюпоном, который создал когда-то промышленную химию». Но знаете, что мне отвечают? И это уже несколько производственников. Они говорят: «А когда пойдет возврат? Когда я получу обратно деньги?» Я честно говорю: «Через восемь-десять лет, не раньше». Ответ: «На водке я сделаю это за восемь месяцев». Вот и все. Остается надеяться, что в России подрастет поколение более дальновидных инвесторов.
Говорю об этом с горьким чувством сожаления потому, что загрязнение суши и Мирового океана миллионами тонн неразрушаемых химических пластиков ежегодно возрастает, а ведь работы по технологии биосинтеза водородными бактериями мы вели еще в 1970–1990-е гг., и тогда уже лабораторией профессора Ф.Я. Сидько были разработаны варианты биотехнологий производства белка, перспективные для преодоления его дефицита, составляющего сегодня 1 млн т. В 1990-е гг. крайний дефицит средств прервал эти исследования. Удалось лишь сохранить направление работ на производство теми же водородными бактериями биодеградируемых полимерных материалов для реконструктивной хирургии благодаря незаурядной активности, поддерживаемой мегагрантами, профессора Т.Г. Воловой и работе ее лаборатории совместно с Сибирским федеральным университетом. Таким образом, научный потенциал пока сохранен, остается поддержать его материально, чтобы реанимировать направление технологии водородного биосинтеза белка и биополимеров. И тут нам не надо никого догонять, лидирующую позицию на научном фронте пока удается поддерживать.
Позволю себе поделиться своей оптимистической надеждой успеть принять участие в развертывании этой работы и успеть увидеть ее доведение до промышленности.
— Я прочитала, что методы, которые вы развиваете, послужили основой научных проектов. В частности, биолюминесценция Мирового океана. Что это такое?
— Этим вопросом вы обращаете меня ко второму направлению нашей работы по применению биофизических методов к исследованию экосистем, включая биосферу.
Повторюсь: первое направление, о котором мы говорили раньше, — это физическое моделирование экосистем — развитие «Биоса-3» (профессор А.А. Тихомиров) и параллельно — математическое моделирование (директор Института биофизики СО РАН академик А.Г. Дегерменджи) и лаборатория теоретической биофизики (профессор С.И. Барцев).
Второе направление — это использование возможностей, открываемых физическими методами для слежения за проявлениями жизни больших природных экосистем, вплоть до Мирового океана в целом. В этом направлении со мной многие годы работали профессор Л.А. Левин и профессор А.П. Шевырногов.
Есть такое явление — биолюминесценция. Это излучение света живыми организмами. Такие организмы есть не только в море, но и на Земле — светляки, например. Плавая в море, вы, наверное, видели вспышки. Вот это и есть биолюминесценция. Это основной голос жизни моря. Как говорил замечательный океанолог членкорреспондент РАН В.Г. Богоров: «Море светится — море живет».
Там не говорят, не производят звуков, не кричат. Голосом обладают дельфины, киты, но это млекопитающие, которые пришли с суши в море. Морские животные почти все немые. А вот светиться они могут, по крайней мере многие из них. И световой сигнал — это очень мощный способ отпугнуть хищника или привлечь партнера. Эволюция выработала и еще более сложные способы использования биолюминесценции. Бактерии излучают свет, чтобы их проглотили, потому что им гораздо лучше жить в кишечнике рыб. Там есть пища, защита, и они светят, привлекая рыб, чтобы их съели.
Чтобы изучать жизнь моря, очень важно научиться регистрировать биолюминесценцию — свечение морских организмов, по нему можно увидеть очень многое в жизни моря. Мы довольно хорошо научились ее регистрировать — от поверхности до максимальных глубин. У нас был прибор в великолепном титановом корпусе, который выдерживал давление в полторы тысячи атмосфер, то есть до максимальной глубины океана. Мы сделали несколько записей, но потом трос оборвался. И теперь этот уникальный прибор лежит вблизи самой большой глубины океана — в Идзу-Бонинской впадине в Тихом океане.
С ним ничего не будет, титан не разлагается в морской воде, это не железо и не сталь. Он пролежит столетия, тысячелетия. Я думаю, что когда-нибудь его найдут потомки и скажут: «Оказывается, наши первобытные предки и наукой занимались, а не только воевали». Вот в этом, может быть, когда-нибудь будет его польза. Но пока не получилось его повторить, это слишком дорого в сегодняшних условиях.
Основная жизнь в море существует не на больших глубинах. Конечно, очень интересно получить сигнал жизни с такой глубины и изучать ее по этим сигналам. В океане очень важны верхние 150 м, потому что основная жизнь сосредоточена в этом тонком слое. Причина в том, что сюда проникает солнечный свет и это обеспечивает возможность синтезировать новую биомассу. Ниже 150 м остается уже слабое солнечное свечение, его недостаточно для фотосинтеза. Поэтому очень важен верхний слой. Основные наши приборы — зондирующие биолюминометры — построены именно для него. Зондирование выполняется очень быстро. Прозондировать верхние 150 м зонд может за одну-две минуты. Он в режиме онлайн приносит данные о распределении жизни в этом слое. Таким образом мы решаем множество разных задач для биологов, показываем, как распределена жизнь, где слои жизни, где пустые слои. Наш прибор мы напрямую соединяем с их приборами, и тогда они своими орудиями лова могут захватывать материал прицельно из гущи жизни, из пустот, сравнивать и изучать. Поэтому мы с нашей техникой всегда желанные гости на научном корабле. Но сейчас наш научный флот, как говорят моряки, обсох. К сожалению.
— Плохо дело с научным флотом?
— У нас был великолепный научный флот, десятки научных кораблей. Сейчас один-два — благодаря титаническим усилиям академика Р.И. Нигматуллина, многие годы директора, а сейчас научного руководителя Института океанологии РАН — выходят в море только недалеко, в Арктику. А раньше наши корабли ходили по всему миру и несли флаг нашей академии наук и, конечно, флаг родной страны. И когда мы заходили в разные порты, в некоторых из них наш флаг видели, может быть, в первый раз. Была такая традиция на корабле — день открытых дверей. Корабль открыт для посещений. И везде, где мы бывали, толпы местных жителей шли к нам на корабль, выстраивались длинные очереди. И знаете, что самое главное? Начинали уважать страну, потому что из нее пришел большой корабль, который не занимается ни торговлей, ни военными делами, никому не грозит и не ищет выгод, а представляет только науку. Умная, вызывающая уважение страна. Таковы были отзывы многих посетивших наш научный корабль туземцев тех далеких стран. Когда приходили во второй раз в то же место, нас уже встречали друзья. Надеюсь, это восстановится, потому что это разумно. К сожалению, сейчас нет этой очень важной гуманитарной функции научного флота.
— А какую еще информацию вы получаете из морских глубин?
— За годы экспедиций на научно-экспедиционных судах академии наук, начиная со знаменитого «Витязя», на судах рыболовного флота, гидрографической службы мы собрали огромный массив данных о биолюминесценции моря, создана первая карта биолюминесцентного поля Мирового океана, определен ряд его основных закономерностей, разработаны методы биолюминесценции моря вертикальным зондированием и на ходу корабля, предложен экспресс-метод обнаружения экстремальных состояний планктонных экосистем с помощью мобильных измерений биолюминесценции.
Предвидим еще множество возможных применений для изучения жизни моря посредством измерения биолюминесценции, ведь это его световой язык. Тут еще масса задач, потому что мерить мы научились хорошо, описывать тоже, но понимать этот язык еще почти не умеем. Мы регистрируем импульсы. Выходишь ночью в темноте на нос корабля и видишь вспышки. Ты стоишь, они тебе что-то кричат, а ты их не понимаешь. Мучительная ситуация.
— Как в фильме «Солярис». Как войти в контакт с Океаном...
— Как будто вы приезжаете в страну, языка которой не знаете. Надо изучить язык, и тогда откроется все самое интересное в этой стране. Понять световой язык морских организмов — это огромная биологическая задача. Только изучив его, можно сказать, что мы научились понимать язык жизни моря.
— Но хотя бы часть пути уже пройдена в решении этой задачи?
— Пройдена регистрация. Мы научились записывать, а понимать — практически еще очень ограниченно. Ну как может идти научная работа, если наши корабли перестали ходить? Мы теперь исключены из этого процесса.
— А совместные международные проекты?
— Вероятно, они есть, но, поскольку мы сейчас со своей аппаратурой не ходим на кораблях, я просто этого не знаю. Вот когда ходили, мы участвовали в разных международных проектах, на наших кораблях работали группы ученых, особенно из той страны, куда мы заходили. Мы иногда там собирали группу. Были австралийцы, новозеландцы, индонезийцы, американцы...
— Было бы интересно получить картину экосистемы всего Мирового океана.
— Будем надеяться, что работы восстановятся.
Беседовала Ольга Беленицкая
