ОСНОВНОЙ И ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК

В двух предыдущих главах я указывал на то, что энергия, производимая с помощью катаболизма углеводов и жиров, переводится на хранение в виде высокоэнергетических фосфатных связей с эффективностью 45 процентов. Хоть это и высокий показатель эффективности, гораздо более высокий, чем у многих полезных изобретений человека, все равно очевидно, что больше половины энергии, получаемой при расщеплении пищевых продуктов, теряется. (Ну, не то чтобы она совсем уж прямо терялась, даже в тепловой форме она помогает человеку, как теплокровному созданию, поддерживать температуру тела на должном уровне.)

Более того, энергия теряется и при использовании ее из АТФ. Так, если АТФ используется для образования сахарофосфата или пептидной связи, то тратятся все 8 килокалорий, тогда как для реакции необходимо только 4, то есть эффективность снижается еще в два раза.

В целом получается, что лишь процентов 10 от энергетического содержания пищи уходит действительно на уменьшение энтропии. А пустая трата оставшихся 90 процентов – это вклад живого существа в общее увеличение энтропии, неизбежно следующее из второго закона термодинамики.

Из этого можно сделать вывод, что из десяти килограммов переваренной пищи получится один килограмм живой ткани. Теперь предположим, что один вид живых существ («потребитель») получает пищу путем поедания другого живого существа («производителя»). Если потребителю необходимо лишь поддерживать свою клеточную массу на протяжении жизни, то получается, что производитель должен поддерживать свою клеточную массу на уровне в десять раз большем.

Если же и потребитель, в свою очередь, служит пищей для третьего типа организмов (назовем его потребитель‑2), то выходит, что клеточная масса потребителя тоже должна десятикратно превышать клеточную массу потребителя‑2. Можно ввести еще потребителя‑3, ‑4 и так далее.

Поясню на примере: допустим, львы живут за счет поедания зебр. Если популяции обоих видов стабильны, то на каждый килограмм массы львов должно приходиться по десять килограммов массы зебр. А поскольку зебры живут за счет поедания травы, то на каждый килограмм массы зебр должно приходиться по десять килограммов массы травы.

Это пример простейшей пищевой цепочки – и каждая пищевая цепочка непременно имеет пирамидальную форму. Много звеньев в ней быть не может, поскольку с каждым шагом вверх приходится делить на 10, и в итоге мы очень быстро доходим до крайне малых значений, даже начиная с вполне внушительных. Те немногие виды живых существ, что венчают пирамиду, – это должны быть сильные и крупные существа, способные поедать других хищников и не поедаемые сами, в свою очередь, уже никем, – находятся действительно в завидном положении, но их не может быть много. Белый медведь, живущий за счет поедания морских котиков, или кашалот, питающийся гигантскими кальмарами, или косатка, охотящаяся на других дельфинов, – все это, так сказать, «дорогие» и «энергоемкие» формы жизни. Земля таких много не вынесет.

Улучшить свое положение в этом отношении представители «высшего» вида могут, сократив число звеньев в цепочке. Если бы лев мог научиться есть сразу траву, а не зебр, то тем самым он увеличил бы свой пищевой запас вдесятеро. Количество львов в мире могло бы удесятериться без ухудшения качества жизни каждого из них – или при сохранении сегодняшнего количества каждый лев мог бы стать вдесятеро крупнее.

Для львов это, конечно, нереально, но не случайно крупнейшие на Земле животные – слоны, бегемоты и носороги – травоядны.

По правде говоря, на Земле существовали когда‑то и хищники размером куда больше слона. Масса тираннозавра, крупнейшего из когда‑либо существовавших наземных хищников, была как минимум вдвое больше, чем у современного слона. Но и травоядные животные того периода, составлявшие рацион тираннозавра, были куда крупнее современных. И самые крупные из древних гигантских рептилий мезозойской эпохи – брахиозавры и бронтозавры – были все же травоядными.

Океан, куда более богатый жизнью, чем суша, дает возможность существовать самым крупным хищникам. Кашалот по размерам и массе не уступает самым крупным из динозавров – а ведь он хищник, употребляющий в пищу других хищников (гигантских кальмаров), размером не слишком уступающих ему самому. Однако самый крупный из китов, голубой кит, масса которого может достигать 150 тонн, самое крупное животное изо всех, когда‑либо существовавших на Земле, тоже устранил из пищевой цепочки несколько звеньев и питается крошечными креветкообразными рачками и прочим планктоном, процеживая ради этой пищи тонны воды через китовый ус.

То же самое можно сказать и про человека. Никакой человеческий гений не в силах преодолеть законы термодинамики. Да, человек может повысить запасы продовольствия за счет включения тех видов живых существ, которых он ранее не ел. Он может вырубить леса и засеять высвобождающиеся площади съедобными злаками, уничтожив при этом все растения, пытающиеся конкурировать со злаками, и всех насекомых, пытающихся конкурировать с самим человеком в деле поедания этих злаков (ну, насколько получится, конечно). Он может выращивать животных специально на пищу, вытесняя дикие виды животных и истребляя хищников. Тем не менее никуда не деться от того факта, что запасы продовольствия человечества должны десятикратно превышать по массе массу самого человечества.

Обстоятельства могут вынудить человека и к сокращению пищевой цепочки. Если он питается травоядными животными, то на каждый килограмм массы человека должно приходиться сто килограммов массы растений. Если же человек питается непосредственно растительной пищей, то на каждый килограмм его массы достаточно будет и десяти килограммов массы растений. По мере роста плотности населения, как показывает диета азиатов уже сейчас, человеку, независимо от собственного желания, придется перейти на растительную пищу.

Если бы звенья пищевой цепочки были ограничены только живыми существами, то жизнь на Земле продлилась бы недолго. Невозможно было бы долго поддерживать огромный процент теряемой при каждом приеме пищи энергии. Тот факт, что жизнь никак не прекращается вот уже самое меньшее миллиард лет, свидетельствует только о том, что на каком‑то этапе в пищевую цепочку должна поступать энергия извне, из источника, не имеющего отношения к живым организмам, причем в количестве достаточном для возмещения потерь.

Возможными источниками поступления большого количества энергии из неодушевленного пространства являются: 1) солнечное излучение; 2) ветер; 3) течение воды; 4) приливы; 5) внутреннее тепло Земли и 6) ядерная реакция.

Энергия приливов доступна лишь на небольшой территории, как, впрочем, и энергия течения воды. Энергия ветра, хоть и не ограничена пространственными рамками, зато крайне ненадежна. Внутреннее тепло Земли то не чувствуется почти совсем, то вдруг прорывается в виде бедствий – землетрясений и извержений вулканов. Что же касается ядерной энергии (в виде естественной радиоактивности, космического излучения и так далее), то она слишком тонко распределена. Ни один из этих источников нельзя рассматривать как достаточно (но не катастрофически) мощный, достаточно распространенный и достаточно надежный для того, чтобы положиться на него как на энергетическую основу всего живого.

Остается только солнечное излучение.

К этому выводу можно прийти не только методом исключения. Даже самый поверхностный взгляд на мир приводит нас к убеждению, что именно солнечное излучение является первичным источником энергии жизни. Пищевая цепочка, так или иначе, заканчивается зелеными растениями. Они являются «первичным производителем». И на суше, и в море, если проследить пищевую цепочку донизу, она закончится тем, что животные поедают растения. В море растения – это в первую очередь одноклеточные водоросли, общий вес которых, несмотря на то что каждая из них крошечна, во много раз больше, чем общий вес всех многоклеточных на планете.

Существуют растения, не являющиеся зелеными. Это грибы[10]. Они могут расти только на органических материалах и с точки зрения энергии относятся скорее к животным, чем к растениям. Так что и они получают энергию из когда‑то живого источника, а не из неживой материи.

Очень достойно со стороны растений никого не есть в том смысле, в каком это делают животные и грибы. Растения могут жить и развиваться при полном отсутствии органических веществ. Однако между собой они конкурируют за свет точно так же, как животные – за пищу. Некоторые растения могут жить в тени, но ни одно не может существовать в полной темноте дольше, чем животное обходиться без пищи.

Каждый, кто видел, как растения в тропических дождевых лесах тянутся к солнцу, вытягивая во все стороны широкие листья навстречу свету, наблюдал борьбу за выживание, не менее жестокую и бескомпромиссную, чем у животных. Не важно, что здесь все происходит медленно и молча, не важно, что бой идет за невесомые солнечные лучи, а не за живые организмы.

Да и не обязательно ехать в тропики, чтобы стать свидетелем такой борьбы. Ее можно наблюдать и на лужайке в деревне, где широкие листья одуванчика ловят солнечные лучи, безжалостно перехватывая их и обрекая хилую травку на смерть в тени.

Но солнечный свет – нематериален, пусть даже он и несет какую‑то энергию, а растение ведь состоит из материи и должно хранить энергию в виде материальных химических веществ. Откуда же берется материя?

Все растения растут на какой‑то почве, так что логичнее всего предположить, что материал для построения растения именно из нее и берется. В 60‑х годах XVII века фламандский химик по имени Ян Баптист ван Гельмонт решил проверить это предположение. Он посадил иву и выращивал ее в горшке на протяжении пяти лет. Дерево росло и набрало 150 фунтов веса, а вес почвы, в которой оно росло, уменьшился при этом разве что на пару унций. Тогда ван Гельмонт решил, что растение строится не за счет почвы, а за счет воды, которой его поливают и без которой любое растение, сколь плодородной ни была бы почва, неизбежно погибает.

С современной точки зрения ван Гельмонт был прав. Почва состоит по большей части из глинозема и прочих веществ, не играющих большой роли в обмене веществ. По большей части почва выполняет чисто механическую функцию – служит твердым, но проницаемым основанием, на котором растение может располагаться и в котором удерживается необходимая растению вода.

Вода необходима растению, и не только потому, что она составляет большую часть самого растения (как и представителей прочих форм жизни), но и потому, что в ней растворяются небольшие количества неорганических веществ, необходимых растению, которые оно не может впитать иначе, кроме как в виде раствора. Удобрения используются как раз для того, чтобы восполнить запас этих необходимых растению веществ, истощенный предыдущими поколениями растений.

В принципе возможно выращивать растения и при отсутствии почвы, в одном лишь растворе необходимых неорганических веществ. Это называется «гидропоникой», и реальность гидропоники доказывает правоту ван Гельмонта в его утверждении о том, что вода нужнее, чем почва. Вот в чем ван Гельмонт был не прав – так это в том, что вода – это все, что нужно растению, поскольку одной лишь воды, и даже воды с добавлением неорганических веществ недостаточно, чтобы поддерживать жизнь. Химикам XVIII века, взявшимся за тщательное изучение органических веществ, это было уже ясно.

Органической характеристикой живой ткани является углерод. Углерода, присутствующего в растворимой форме в плодородной почве, недостаточно, чтобы обеспечить потребность постоянно увеличивающего свои размеры растения в углероде. При гидропонике питательная смесь может быть вообще полностью лишенной углерода, а растение все равно будет откуда‑то брать этот элемент. Откуда? Раз ни в почве, ни в воде его нет, то остается только воздух.

Именно ван Гельмонту принадлежит честь открытия существования различных газов, и именно он впервые описал свойства того газа, который мы сейчас называем углекислым. На протяжении следующего за его открытиями столетия исследования различных газов проводились все активнее, и в 1727 году английский физиолог Стивен Гейлс, проявлявший большой интерес к газам, обнаружил, что ответ на вопрос, мучивший ван Гельмонта, кроется в открытом самим же ван Гельмонтом углекислом газе.

Но ведь углекислый газ составляет лишь 0,03 процента в атмосфере, так что остается только удивляться, как вещество, присутствующее в столь малой концентрации, может служить источником углерода для множества окружающих нас организмов. Что ж, все равно углекислого газа оказывается достаточно, если учесть, что атмосфера огромна и общая масса ее невероятно велика, как ни тяжело это представить людям, мыслящим аллегориями типа «легкий как воздух». Общий вес углекислого газа, содержащегося в атмосфере, составляет, хотите верьте, хотите нет, 4 х 10¹⁴ килограммов. В океане его растворено еще в пятьдесят раз больше, либо в виде углекислоты, либо в виде иона бикарбоната, так что общая масса углерода, доступного для потребления живыми формами на суше и в море, составляет 2 x 10¹⁶ килограммов.

Подсчитано, что общая масса углерода, связанного в составе живых существ, – около 2,5 x 10¹⁴ килограммов; так что суммарный запас углерода, содержащегося в море и в воздухе, примерно в восемьдесят раз превышает количество углерода, заключенного в живых тканях. Как я уже сказал в начале главы, масса доступной пищи должна быть вдесятеро больше массы ее потребителя, и если считать углекислоту основной пищей для всего живого на Земле, то ее хватит на все живое на нашей планете.

В 70‑х годах XVIII века английский унитарианский священник Джозеф Пристли продвинулся еще на шаг дальше. Он посадил растение под герметичным куполом, оно какое‑то время росло, пока не исчерпало весь углекислый газ, содержащийся в замкнутом объеме, а затем прекратило рост, несмотря на обилие воды и солнечного света. Помещенная под такой же герметичный купол мышь быстро расходовала весь содержащийся в замкнутом объеме кислород и умирала. А вот мышь вместе с растением под одним куполом могли прожить гораздо дольше, чем каждое из этих существ по отдельности. Из этих наблюдений Пристли сделал вывод, что растение наверняка не только потребляет углекислый газ (это если оперировать сегодняшними терминами – Пристли выражался несколько по‑другому), но и выделяет кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом каждое существо из такой пары помогает удовлетворить потребности другого.

Теперь оставалось только отметить подобную же связь и на уровне всей планеты – что и сделал голландский физик Ян Ингенхауз. В своей вышедшей в 1779 году книге он отметил, что животный и растительный мир на Земле находится в равновесии. Растения поглощают воду и углекислый газ и с помощью света (Ингенхауз оказался также и первым, кто недвусмысленно подчеркнул необходимость света) производят из них свои собственные ткани и выделяют кислород. Поскольку свет является важнейшим условием процесса формирования тканей из углекислоты и воды, то этот процесс был назван фотосинтезом, что по‑гречески означает «сборка с помощью света».

С другой стороны, продолжал Ингенхауз, животные, поедая растения и вдыхая кислород, снова превращают их в углекислый газ и воду.

По мере развития химии питательных процессов становилось ясно, что принятым среди растений способом хранения энергии является крахмал. Представим эмпирическую формулу крахмала как С_бН₁₀О₆. Тогда представления Ингенхауза можно выразить так:

6СO₂ + 5H₂O ↔ С₆Н₁₀О₅ + 6O₂.

При таком раскладе цикл может продолжаться вечно. Углерод, водород и кислород будут постоянно перемещаться от растений к животным и обратно, с суши в море и обратно – такое циклическое перемещение было названо «углеродный цикл». Другие элементы тоже используются циклическим образом. Растения извлекают из земли азот, серу, фосфор и другие неорганические элементы и встраивают их в состав своих тканей. Животные съедают растения и переводят эти элементы в собственные ткани, а извергая всю жизнь отходы и в конце концов умирая с последующим разложением тел, – возвращают их в почву.

И на всех этапах цикла используется безвозвратно только одно – энергия солнечного излучения. И его потребляется гораздо больше, чем хватило бы для запуска процесса уменьшения энтропии, так что в целом энтропия опять увеличивается, как это происходит всегда и как требует второй закон термодинамики.

В 1819 году двое французских химиков, Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенемэ Каванту, выделили из растений вещество зеленого цвета. Они назвали выделенный продукт «хлорофиллом», от греческого «зеленый лист» – понятней некуда.

Однако прошло еще сто лет, прежде чем было установлено строение хлорофилла. Начиная с 1910 года немецкие химики Рихард Вильштеттер и Ганс Фишер провели ряд экспериментов по расщеплению молекулы хлорофилла на фрагменты и изучению их свойств, в результате чего было составлено представление и о самой молекуле хлорофилла. Оказалось, что по основе строения хлорофилл очень похож на гем, являющийся частью гемоглобина, каталазы и цитохромов. Основные отличия хлорофилла от гема заключаются, во‑первых, в том, что посреди молекулы, там, где у гема – железо, у хлорофилла – магний, а во‑вторых, в том, что к хлорофиллу крепится еще и длинная углеводная молекула, принадлежащая к классу каротеноидов.

Своим цветом молекула хлорофилла обязана тому факту, что она поглощает свет некоторых волн видимой части спектра, в частности длинные волны красного и оранжевого участков спектра, а большую часть остальных – отражает. Если из солнечного света вычесть красный и оранжевый цвета, то получится зеленый – что мы и наблюдаем.

Поглощая свет, хлорофилл повышает свое энергетическое содержание. В главе 11 я уже описывал механизм, с помощью которого молекула хлора расщепляется светом на более энергетически насыщенные атомы хлора. Конечно, процессы, в которых участвует хлорофилл, не так просты, но принцип тот же – хлорофилл получает дополнительную энергию за счет поглощения света.

Получив энергию, хлорофилл теперь может ее потратить и вернуться в «естественное состояние», произведя при этом некую энергоемкую реакцию, определяющую весь процесс фотосинтеза.

Так что же это за «определяющая реакция»? Ответ на этот вопрос тоже стал возможен только с появлением технологий изотопного маркирования.

Как видно из формулы, приведенной в этой главе, в реакцию фотосинтеза должно входить соединение воды и углекислоты. В состав обеих этих молекул входит кислород, так что логично предположить, что производимый растениями молекулярный кислород должен включать в себя атомы из обоих этих веществ. В конце концов, фотосинтез ведь должен представлять собой реакцию, обратную дыханию. Если при дыхании кислород объединяется с органическими веществами для образования и углекислоты, и воды, то при фотосинтезе углекислый газ и вода должны расщепляться для образования кислорода, верно ведь?

Но голые рассуждения, не подтвержденные экспериментальными свидетельствами, могут оказаться очень обманчивыми. И вот американские биохимики Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен решили получить такие свидетельства, устроив эксперимент с использованием тяжелого, но нерадиоактивного изотопа кислорода О¹⁸. Большая часть всех атомов кислорода, 99,76 процента, принадлежит к самому распространенному изотопу, О¹⁶, так что вещество с необычно большим содержанием О¹⁸всегда заметно отличимо в масс‑спектрографе.

В 1938 году Рубен и Кеймен изготовили некоторое количество воды с содержанием О¹⁸ и стали поливать этой водой растения. В производимом растениями кислороде О¹⁸ оказалось столько же, сколько и в употребленной ими воде. С другой стороны, если же растениям подавался углекислый газ с содержанием О¹⁸, то лишь крайне малый процент этого О¹⁸попадал в состав производимого растениями кислорода. Вывод ясен – вода, и только она, в процессе фотосинтеза расщепляется, и только из расщепленной молекулы воды образуется кислород. А молекула углекислого газа остается нерасщепленной и интегрируется в таком виде в состав формируемых в процессе фотосинтеза органических тканей.

Таким образом были установлены общие очертания реакции фотосинтеза. Хлорофилл поглощает солнечный свет и использует полученную таким образом энергию для энергоемкой реакции расщепления воды на водород и кислород (рис. 73). Эта реакция называется «фотолиз», или «фотохимическая диссоциация» воды.

Получаемый таким образом водород может использоваться двумя различными способами. Половина атомов водорода направляется в дыхательную цепочку, как и водород, получаемый в результате обычной дегидрогенизации. В принципе фотолиз воды можно рассматривать и как катализируемую хлорофиллом дегидрогенизацию воды. После этого водород снова объединяется с кислородом на заключительном этапе цитохромоксидазы и опять образуется молекула воды. По ходу этих реакций формируется три молекулы АТФ; таким образом энергия солнечного излучения преобразуется в химическую энергию АТФ, а поскольку кислород, полученный одновременно с пущенным в дыхательную цепочку водородом, при образовании воды снова потребляется, то в этой цепочке реакций выделения кислорода не происходит.

Оставшаяся половина атомов водорода вступает в соединение с углекислотой с образованием углеводов (вот здесь‑то и высвобождается кислород, который больше растению ни для чего в дальнейшем не пригодится и потому выпускается в атмосферу). Это энергоемкая реакция, и она проходит за счет АТФ, образованных в процессе фотолиза и реакции формирования воды.

Так энергия солнечного излучения, будучи переведенной в химическую энергию АТФ, используется для образования углеводов (а в конечном итоге–и жиров и прочих составляющих тканей), за счет чего существуют все формы жизни на Земле – и растительные, и животные.

^{Рис. 73. Фотосинтез}

Теперь осталось только установить, как именно водород соединяется с углекислотой. Это оказалось непростой задачей. Исследователи пытались использовать углекислый газ, содержащий необычный изотоп, но через короткий промежуток времени этот изотоп обнаруживался уже во всех составляющих тканей. Тогда ученые решили выделить хлоропласта (клетки растения, содержащие хлорофилл) отдельно и проверить на них, но изолированный хлорофилл вообще отказывался проявлять какие бы то ни было фотосинтетические свойства, так что и эксперименты с упрощенной системой, оказавшие такую неоценимую помощь при работе с реакциями, катализируемыми ферментами, в данном случае ни к чему не привели.

Надеяться оставалось только на радиоактивные изотопы. К сожалению, единственным известным в 30‑х годах XX века радиоактивным изотопом углерода был С¹¹, столь нестабильный, что за полчаса почти весь уже переставал существовать, и при этом очень дорогой.

Но вот в 1940 году Рубен и Кеймен открыли С¹⁴, радиоактивный изотоп углерода, оказавшийся, ко всеобщему изумлению, сравнительно стабильным, а потому – удобным для практического применения. Вообще, можно сказать, что С¹⁴ – это самый полезный изо всех изотопов.

После Второй мировой войны американские биохимики А. Бенсон и Мельвин Кальвин попытались исследовать фотосинтез с помощью С¹⁴. Они взяли взвесь одноклеточных водорослей и обработали ее углекислотой с содержанием С¹⁴. Через небольшой промежуток времени они убили клетки в надежде на то, что С¹⁴ успел использоваться лишь на ранних этапах внутриклеточных реакций. Затем содержимое убитых клеток было сегментировано с помощью технологии бумажной хроматографии (см. главу 16). Осталось только посмотреть, какие участки бумаги проявляют радиоактивность, и определить, какое вещество на них отложилось.

Всего полторы минуты спустя различных радиоактивных веществ оказалось уже не менее пятнадцати, тогда Бенсон и Кальвин еще больше сократили временной промежуток. Через пять секунд после обработки радиоактивной углекислотой радиоактивных веществ на бумаге оказалось пять, впрочем, наибольшую радиоактивность проявляли два из них. Оба оказались разновидностями фосфоглицериновой кислоты, в состав которой входят три атома углерода.

Проведя множество подобных экспериментов, Бенсон и Кальвин разработали логическую схему происходящего. Углекислота, попадая в клетку, соединяется с рибулозо‑1,5‑дифосфатом. (Этот сахар, содержащий пять атомов углерода и две фосфатные группы, называют еще «углекислотной ловушкой».)

Получив углекислый газ, рибулозо‑1,5‑дифосфат превращается в соединение из шести атомов углерода и вскоре распадается на две молекулы по три атома углерода в каждой – это и есть обнаруживаемые при бумажной хроматографии фосфоглицериновые кислоты. Это энергоемкий шаг, и именно при нем используются АТФ, образованные путем фотолиза и реакции формирования воды. Затем эти трехуглеродные сахара преобразуются в крахмал посредством ряда реакций, которые уже хорошо изучены и не требуют дальнейшего приложения энергии.

Наверное, самым примечательным свойством фотосинтеза является тот факт, что в качестве источника энергии при нем применяются красный и оранжевый цвета. Фотохимические реакции, производимые человеком в лаборатории, обычно задействуют гораздо более энергетически насыщенное излучение синей, фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра. Способность хлорофилла использовать длинноволновое излучение очень важна, так как его в солнечном свете содержится гораздо больше, чем ультрафиолета. Кроме того, более длинные волны света лучше проникают сквозь атмосферную пыль, чем коротковолновое излучение, так что длинноволновой свет можно назвать более надежным источником энергии.

Фотосинтез имеет необычно высокую эффективность для фотохимической реакции. Отто Варбург и Дин Берк в 1950 году выдвинули предположение, что на участие в фотосинтезе одной молекулы углекислоты требуется затратить всего четыре кванта красного света. Для перевода одного моля углекислоты в углевод требуется 115 килокалорий, а если Варбург и Берк правы, то для аналогичной реакции, используя красный свет, потребуется всего 175 килокалорий. Таким образом, получили феноменальную эффективность фотосинтеза, равную ¹¹⁵/₁₇₅^,то есть около 65 процентов.

Итак, как и предположил сто лет назад Майер (см. главу 4), вся жизнь играет в потоках солнечной энергии. Сама солнечная энергия выделяется в процессе превращения водорода в гелий в условиях невообразимо высоких температуры и давления солнечного ядра. Процесс образования энергии сопровождается соответствующей потерей массы.

Атом водорода при превращении в гелий теряет менее 1 процента собственной массы, но размеры Солнца огромны, и количество атомов, подвергающихся подобной метаморфозе, столь велико, что Солнце теряет по 4 200 000 тонн массы каждую секунду. Высвобождаемая в результате этого энергия имеет объем около 8 х 10²¹ (восемь секситиллионов) килокалорий в секунду.

Высвобождение энергии за счет потери массы в условиях солнечного ядра является спонтанной реакцией и сопровождается масштабным увеличением энтропии. Во всех остальных звездах происходит то же самое – на одних медленнее, чем в Солнце, на других гораздо быстрее.

Получается, что во вселенских масштабах главным процессом является возрастание энтропии путем звездного излучения. Каким образом Вселенная набрала столько энергии, чтобы терпеть подобное возрастание энтропии на протяжении миллиардов лет своего существования и чем все это закончится (в конце главы 5 я упоминал, например, теорию «тепловой смерти Вселенной») – пусть решают астрономы. Биологи же и биохимики вполне могут принять исходящий от Солнца поток энергии за постоянную величину – по крайней мере, на протяжении существования жизни на Земле (вероятно, пару миллиардов лет) и еще на несколько миллиардов лет вперед.

И лишь с помощью столь глобального увеличения вселенской энтропии, выражаемого в выработке солнечной энергии, жизни на Земле удается немного понижать энтропию в пределах своей компетенции.

Стоит упомянуть о том, что подавляющая часть солнечной энергии теряется в космосе и бесконечно летит по межзвездному пространству в неизвестном направлении. Земле достается лишь мизерная часть. Хотя «мизерной» ее можно назвать лишь по сравнению с общим количеством солнечного излучения, абсолютные же цифры остаются поражающими воображение – 2 x 10¹³ (двадцать триллионов) килокалорий в секунду.

Но и это – лишь потенциально доступная в идеальном случае величина. Около половины этой энергии сразу же отражается облаками, океанами и полярными льдами. Из того, что остается, часть рассеивается атмосферой, а часть – бесполезно тратится на нагревание океанской воды или песков в пустынях.

На поверхность растений попадает лишь 3 процента от общего количества солнечной энергии, направленной на Землю. И из этого объема две трети поглощается, не доходя до хлорофилла. Наконец, две трети энергии, достигающей хлорофилла, преобразуется в высокоэнергетические фосфатные связи.

Получается, что путем фотосинтеза на Земле ежесекундно производится 3 х 10¹¹ килокалорий высокоэнергетических фосфатных связей.

Принимая энергопотери едока при поедании пищи за 90 процентов, мы видим, что 3 x 10¹¹ килокалорий, производимых растениями, могут служить источником энергии для животного мира, использующего 3 х 10¹⁰ килокалорий в секунду. Подсчитано, что на суше обитает около одной восьмой всех животных на Земле, потребляя при этом 4 x 10⁹ килокалорий в секунду.

Население Земли составляет сейчас около 2,3 x 10⁹ человек[11], и если взять среднедневную норму потребления энергии человеком за 2000 килокалорий, то получится, что на все человечество тратится 53 000 000 килокалорий в секунду. Пока что человек составляет, таким образом, уже более 1 процента от всего животного мира Земли.

Если количество людей возрастет в восемьдесят раз, то это будет предел, больше которого растительный мир не сможет прокормить. И то только при условии, что все остальные животные на Земле, конкуренты человека за пищу, будут уничтожены и все растения будут служить пищей одному лишь человеку. Человечество может избежать этой ловушки, начав использовать и морские растения, – тогда оно может расти до уровня в 650 раз больше сегодняшнего, но это опять же идеальный случай – если все морские животные тоже будут уничтожены и человек научится питаться непосредственно планктоном.

Получается, что максимальное количество людей, которое может прокормить Земля, – 1,5 x 10¹², то есть полтора триллиона.

На каждого человека в таких условиях будет приходиться лишь по сотне квадратных метров территории. На каждом гектаре будет находиться по сто человек – везде, даже в Гренландии, Антарктиде и пустыне Сахара. Для сравнения, сейчас даже на Род‑Айленде, являющемся самым густонаселенным штатом США, плотность населения – три человека на гектар.

Звучит ужасно. Однако еще ужаснее, что если темпы роста человечества сохранятся (удваивание каждые шестьдесят лет), то максимально возможный уровень будет достигнут уже через 550 лет, в 2500 году.

С другой стороны, одни виды животных, таких как коровы, свиньи, куры или рыба, вряд ли захотим полностью уничтожить, так как наличие их мяса в рационе крайне желательно, а другие виды, такие как крысы или насекомые, вряд ли сможем, так что придется сойтись на той цифре, что максимальная масса людей на планете может составлять не более одной десятой от общей массы живых существ. В таком свете ситуация выглядит еще хуже.

Да, тогда максимальное количество людей на планете не сможет превысить 150 000 000 000, и плотность населения не превысит показателя в 10 человек на гектар. Пространства будет чуть больше, а еда – чуть разнообразнее. Однако времени до такого положения нам осталось еще меньше – всего 350 лет, до 2300 года.

Данные расчеты приведены, конечно, без поправок на то, что при достижении некоего угрожающего положения дел будут приняты меры по ограничению рождаемости в глобальном масштабе или, может быть, разразится мировая ядерная война. (Я бы предпочел первое, но иногда вероятность второго кажется слишком большой.)

И все же не стоит унывать. Будущее человечества можно представить не только в темных тонах. С точки зрения некоего внеземного наблюдателя локальное уменьшение уровня энтропии на Земле, на фоне глобального ее увеличения в процессе солнечного излучения окажется незамеченным, как если бы капля воды поднималась вверх по Ниагарскому водопаду.

Но масштабы – это еще не все. Жизнь достигла таких высот сложности, каких с помощью грубой солнечной энергии достигнуть было крайне маловероятно. И вершина жизни – человеческий разум – получил возможность, равной которой никогда еще не предоставлялось и значение которой не поддается какой бы то ни было строгой оценке.

Человек обязан подчиняться законам термодинамики и всегда будет обязан им подчиняться, но это не значит, что он полностью беззащитен перед ними. Раз уж в законах нельзя найти лазейку, то можно попытаться использовать их себе на пользу!

Получив власть над энергией атома, человек совершил достижение, сравнимое с овладением огнем (с описания которого я и начал эту книгу). Овладение огнем избавило человека от непосредственной зависимости от солнечного света и тепла, а овладение атомной энергией сделало его независимым и от самого Солнца.

Точнее, даже несмотря на наличие водородных реакторов, человек все еще сохраняет некоторую зависимость от Солнца в плане получения биологической энергии – создания питательных веществ в процессе фотосинтеза. Но недалек тот день, когда человек окончательно изучит фотосинтез, и тогда, используя энергию водородных реакторов, вещество Вселенной в качестве сырья, искусственно созданный фермент – вместо хлорофилла, человек научится сам производить пищу в любых количествах, независимо как от Солнца, так и от растений.

Тогда весь мир, все планеты всех звезд станут ему домом.

По крайней мере, те, которые останутся к тому времени свободными.

[1]Количественное выражение усилия, задействованного в толкающем или тянущем движении, можно использовать в качестве грубого определения термина «сила». Вообще же «сила» имеет строгое научное определение, до которого мы доберемся позже, а пока нам хватит и интуитивного понимания этого слова.

[2]На самом деле, конечно, горячая камера не остывает, а холодная – не нагревается, потому что горячую постоянно подогревает огонь, а холодная так же постоянно охлаждается, будучи омываемой холодной водой. Тем не менее часть тепловой энергии пара не переводится в работу, поскольку тратится на поддержание температуры пара, а часть теплового дефицита конденсатора таким же образом уходит на поддержание его в холодном состоянии. Таким образом, мы видим, что машина не производит всего того количества работы, которое от нее можно было бы ожидать, исходя из разности температур по формуле Карно.

[3]В 1961 году этот порядок был несколько изменен: атомный вес углерода был принят за 12,00000, а атомный вес остальных атомов – пересчитан с учетом нововведения. Поэтому атомный вес кислорода сейчас составляет 15,9994.

[4]Что, собственно, представляет собой сам «заряд», до сих пор неизвестно, но оставим этот вопрос философам. Чем бы заряд ни являлся по сути, мы точно знаем, что он имеет измеряемые свойства отталкивания и притяжения и четко определимые свойства. Физикам этого достаточно.

[5]В англоязычной, соответственно – международной, терминологии имя русского ученого Менделеева опускается. Так что западному читателю таблица Менделеева известна просто как безымянная периодическая таблица элементов. (Примеч. пер.)

[6]Имеется в виду – на год написания книги. Сейчас уже можно смело заменить цифру 103 на 109. (Примеч. пер.)

[7]Поскольку валентность кислорода – 2, то и координационная связь до обретения четкого представления об электронном строении атомов рассматривалась как двойная:

Именно благодаря этому представлению считалось, что валентность фосфора (как и азота) равна пяти.

[8]Нуклеиновые кислоты не играют большой роли в вопросах энергообмена и поэтому не являются предметом рассмотрения данной книги. Однако в принципе нуклеиновые кислоты – важнейшее вещество для жизни как таковой, и даже можно сказать, что именно нуклеиновые кислоты и представляют собой жизнь. В частности, они управляют снижающим энтропию процессом синтеза особых белков; подробнее я рассматриваю их, например, в последней трети моей книги «Источники жизни».

[9]В главе 20 я называл цифру 650 килокалорий – но пусть это вас не смущает, так как там речь шла о реакциях с использованием двух молекул молочной кислоты. Прочие подробности описаны мной в уже упоминавшейся книге «Источники жизни».

[10]Ввиду вышеописанных соображений современная биология не считает грибы растениями, выделяя их в отдельное царство, наряду с растениями и животными. (Примеч. пер.)