Альтервитальная Цивилизация

КОНЕЦ ЭРЫ ПРОМЕТЕЯ

Одним из первых достижений homo sapients после своего появления на дереве эволюции (и спуска на землю с реального, не эволюционного дерева) было укрощения огня. С той поры и по сей день процесс горения играет фундаментальную роль в человеческой цивилизации. В древности Огонь казался настолько естественным спутником человека, что почитался одной из четырех стихий, к коим относили также землю, воздух и воду. В переводе на современный научный язык речь шла о четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазме – классификация, находящаяся в полном согласии с современной нам физикой. До появления человека вещество в состоянии плазмы на поверхности земли и в воздухе никогда не поддерживалось длительное время (молния – вспышка, длящаяся доли секунды; языки пламени, видимые при извержении некоторых вулканов, исчезают вместе с окончанием извержения; лесной пожар завершается после того, как пламя пожрет все, что может сжечь). Устойчиво горящее пламя на земле появилось одновременно с человеком. Единственным веществом в состоянии плазмы, существовавшим неопределенно длительное время, был неугасимый огонь, зазженный, хранимый и почитаемый нашими предками. Вот уж воистину великое изобретение! Зададимся, однако, на первый взгляд странным вопросом: а нужно ли вообще горения цивилизации? Или начиная с достижения ею некоторого минимального – хотя и очень высокого по нынешним меркам – уровня значение процесса горения будет уменьшаться, может быть даже сведено к величине близкой к нулю? Ведь в живой природе горение не используется никогда! Никогда, “решая” ту или иную проблему, эволюция не прибегала “к услугам” пламени. Человек был первым живым существом, использовавшим пламя в какой либо форме за все три с половиной миллиарда лет существования жизни на земле. Живые организмы, сами по себе не воспламеняются – и даже будучи подозженными, не горят. Горят обозженные солнцем мертвые ветви растений, умершие деревья. Но живые организмы поджечь невозможно. Всепожирающее (как его называли в древности) пламя живые организмы уничтожает, но не поджигает. Эволюционное значение этого казалось бы тривиального факта колоссально. Ибо огонь (например, лестной пожар, возникший в результате удара молнии, или подозженная тем или иным образом трава), возвращают материю, из которой состояли умершие растения, в круговорот жизни из тупика смерти. Горение напоминает цепную реакцию в ядерной бомбе в том смысле, что, зародившись в некоей точке, процесс распространяется и приумножается, пока не достигнет области, ему не подверженной. В пламени вещество находится в особом состоянии – плазме, которое никогда и никаким образом не используется в мире живого. Чтобы растение горело, его надо не только убить, но и обезводить. Для того, чтобы дрова горели, дерево недостаточно разрубить на части – их надо еще и высушить. Горение живых деревьев возможно только после того, как масштаб энергии пламени превысит некий – очень высокий – порог, как это имеет место во время лесных пожаров. Представляющийся тривиальным факт, что ни одно живое существо – от бактерии до буйвола – при соприкосновении с другим не может быть превращено в факел (как вспыхивает бумага от поднесенной к ней спички), имел колоссальное значение для эволюции – в противном случае жизнь была бы попросту невозможна. Змея может отравить жертву плевком яда, но не может поджечь ее плевком пламени. Огнедышащие драконы, наполняющие страницы сказок многих народов ужасом – миф. In vivo огонь никогда не используется – хотя и по не вполне понятным причинам. В мире живого единственным драконом, который защищается и нападает с помощью огня (и в прямом, и в расширенном толковании этого слова) является человек. Не случайно именно с покорения пламени (не на уровне понимания механизма функционирования а всего лишь на уровне локализации его распространения) началась человеческая цивилизация – и это при том, что разработанной теории плазмы, в отличие от теории газа или твердого тела не существует по сей день. Покорение пламени было первым шагом homo sapiens, который спустился с естественной ниши своего обитания – дерева, ибо в новой среде – не в трехмерном мире ветвей, простиравшихся во все стороны и позволявших перемещаться в трех измерениях тем, кто умеет цепляться за них, а на двумерной поверхности земной тверди огонь был единственным защитником наших предков от хищников. Особенно ночью. Вот уж воистину всемирно-историческая картина: первобытные люди, впервые сгрудившиеся вокруг костра во мраке несущей неисчислимые опасности ночи. Маленький шаг homo sapiens – гигантский скачек в мире живого!! Укрощенный огонь стал спутником человека с незапамятных времен так же, как укрощенный волк. И в век каменного топора, и в век интернета пламя было и остается основным источником энергии в человеческой цивилизации (от газовой плиты и теплоэлектростанции до двигателя внутреннего сгорания и турбины). Возможно то, что под водой горение невозможно, и явилось причиной того, что цивилизация возникла не в водной среде, а на суше, ибо альтернативы пламени как источнику энергии в цивилизации даже достигшей сравнительно высокого уровня, в воде нет. Находясь под водой, разумное существо не обладающее технологиями, недоступными даже современному нам человеку (в частности, умением утилизировать энергию химических связей, как это повсеместно используется in vivo), не имело бы а) никакой защиты от хищников (подобной той, которую принес огонь нашим предкам) и б) источника энергии для приготовления пищи, изготовления орудий, плавки металлов... Рассуждения о том, чего нет и почему того, чего нет, нет, являющиеся неотъемлемой частью почти любой науки – от космологии до социологии – в отношении эволюции считаются ненаучными. Продуктивность такого методологического ограничения сомнительна. Но в данном контексте попытка представить себе, что могло бы быть альтернативой огню в развитии какой либо цивилизации если бы поддерживание его в стационарном состоянии было бы невозможным, подчеркивает уникальную и ни счем не сравнимую роль пламени в цивилизации человеческой. Только ли в человеческой или в любой? Вопрос обращенный, как бы к философам и фантастам. Но, как это ни покажется странным, имеющий колоссальное значение сегодня. Ибо стратегической альтернативы пламени (покоренному нашими сошедшими с дерева предками – вечные им память и слава!) человечество не создало и по сей день.

***

Процесс покорения огня был долгим и проходил через несколько стадий, каждая из которых (ретроспективно) заслуживает присуждения Нобелевской Премии, если бы в первобытно-общинное время ее присуждали. Среди ряда открытий, сделанных на этом пути, выделим два: · Обнаружение того факта, что пламя не обязательно является всепожирающим: его можно локализовать. · Осознание того, что огонь можно поддерживать в стационарном состоянии, так чтобы он не распространялся и не затухал. Костер был первым изобретением человечества, на которое мог быть выдан современный патент. С самого начала использование огня человеком имело пять основных функций:        1) отпугивание хищников        2) огонь как источник тепла (в частности, для обогрева жилищ)        3) пламя как источник света        4) приготовление пищи (позволившее homo sapiens есть мясо и превратившее его из в основном травоядного в абсолютно всеядное существо)        5) использование пламени в технологиях (начиная, повидимому с гончарного и кузнечного дела) С тех пор и вплоть до девятнадцатого века, принципиально новых функций в использовании огня не добавлялось. И лишь с открытием двигателей внутреннего сгорания к ним добавилась шестая:        6) изменение свойств самого пламени путем контроля за составом порождающей его смеси. С появлением – а затем усовершенствованием – оружия (начиная с лука и каменного топора) первая из этих функций уже в доисторические времена перестала играть сколько нибудь существенную роль. Начиная с конца девятнадцатого века при обогреве жилищ огонь все чаще используется опосредованно: лишь при получении энергии для обогрева но не при осуществлении самого обогрева (паровое отопление). Использование пламени для освещения (факелы, свечи, лучины, газовые фонари) –было вытеснен из употребления электричеством в начале двадцатого века. Альтернатива огню в процессе приготовления пищи (электрическая плита) появилась на несколько десятилетий позднее. Однако остальные функции пламени, а именно: 2) использование горения для производства энергии (нефть, газ, торф, дрова); 5) использование пламени в технологиях, требующих высокой температуры (производство чугуна, стекла и множество других);        7) использование пламени в двигателях внутреннего сгорания – остаются жизненно важными и по сей день. Между тем сжигание в объеме является чрезвычайно грубым процессом, не только малоэффективным, но и выбрасывающим в атмосферу тепличные и другие вредные для газы. Загрязнение атмосферы к началу 21ого века приняло такие масштабы, что в обозримой перспективе оно может нарушить глобальный баланс на планете Земля. Но есть ли у человечества (если не в близкой то хотя бы в отдаленной перспективе) альтернатива огню как alter ego человечества, без которого оно не может существовать? Может ли цивилизация существовать без повсеместного использования горения? Безусловно. К такому выводу неизбежно приходишь, если сравнить человеческую цивилизацию с биоценозом. В МИРЕ ЖИВОГО ОГОНЬ НЕ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НИКОГДА. И это несмотря на то, что        - живая природа осуществляет множество самых разнообразных функций, процессов и “технологий”, которые несоизмеримо более утонченны, чем лучшие достижения человечества, и        - суммарное производство на Земле энергии в фотореакционных центрах растений и диатомах (планктоне) в водной среде на порядки больше, чем все энергозатраты цивилизации в настоящее время. В мире живого нет ни одного примера, когда использовался бы высокотемпературный синтез (при температурах в сотни и тысячи градусов). Температура тела млекопитающих и других теплокровных поддерживается выше температуры окружающей среды с помощью ферментативно контролируемых процессов без сжигания в объеме чего бы то ни было. Механическая энергия в мышце генерируется путем расщепления глюкозы с помощью “молекулярного шаттла” ATP-ADP, а вовсе не при сгорании какой либо смеси. И происходит это с коэффициентом полезного действия, намного превышающим таковой лучших двигателей внутреннего сгорания и турбин. Принципы, на которых происходит утилизациия и преобразование энергии в клетке и в человеческой цивилизации – в частности, с помощью огня – фундаментально различны. Произведем их сравнение в общих чертах.    1. В человеческой цивилизации ( “ЧЦ” ) при сжигании топлива – будь то в паровозная топка, котел тепловой электростанции или двигатель внутреннего сгорания –в атмосферу выбрасывается ряд побочных продуктов, необратимо загрязняющих воздух. В живой природе ( “ЖП” ) системы генерирующие энергию не загрязняют атмосферу вообще. При биосинтезе (превращении энергии солнечной радиации в энергию химических связей) поглощается углекислый газ и выделяется кислород. А утилизация энергии либо происходит анаэробно, либо сопровождается поглощением кислорода с выделением углекислого газа . В ЖП процессы генерации и утилизации энергии сопряженны друг с другом в биоценозе. Они поддерживают окружающую среду в (квази)стационарном состоянии в масштабах планеты на протяжении миллиардов лет.    2. Сжигание топлива в объеме, повсеместно используемое в ЧЦ, имеет сравнительно низкий КПД. Эффективность использования молекулярных механизмов контроля в ЖП намного выше.    3. Функции, ради которых осуществляется сжигание топлива а ЧЦ, примитивны по сравнению с механизмами утилизации энергии в ЖП. Паровоз, двигающийся по рельсам, может либо ехать, либо стоять. То же касается автомобиля – с точностью до поворотов руля. Это разумеется, не идет ни в какой сравнение с многообразием движений (антилопы, львицы, рыбы, воробья, осьминога, человека, инфузории туфельки…), обеспечиваемых их мышцами.    4. Автомобиль и самолет, использующие сжигание топлива в объеме, будучи дозаправленными, могут ехать неограниченно долго, не снижая скорости. Перелетные птицы, горения не использующие, также способны покрыть гигантские расстояния, в частности, перелетая через море или океан, “без дозаправки” горючим, каковым в мире живого является еда.    5. Автомобили могут использоваться несколько лет и даже десятилетий прежде чему будут отправлены на свалку. То же можно сказать и о мышцах млекопитающих. При этом последним ни ремонт, ни запчасти не требуется, горение в них не используется и свалок отслуживших свой срок мышц в природе нет.    6. Творения рук человеческих (в которых используется сжигание в объеме) имеют преимущество в скорости. Ни один гипард не догонит гоночный автомобиль так же как ни один орел за Боингом не угонится. Внесем однако поправку: антилопа проиграет гонки на автостраде Феррари и Мерседесу. А по полной бугров, кустов и деревьев местности? Кто победит в перемещении по лесу: джип или олень? Кто победит в полете между деревьями: сова или вертолет? Состязание в движении по прямой, характерное для спортивных состязаний, в природе бывает исключительно редко. Умение петлять, менять скорость и уклоняться от курса, а также совершать множество контролируемых движений тела, в ЖП являются не менее важными характеристиками. Почему главной характеристикой современных автомобилей (в отличие от живых организмов) является его мощность? Не потому ли, что на другие движения кроме как по прямой или плавной кривой они попросту неспособны?! Антилопа может совершать мгновенные маневры по местности любого рельефа, меняя направление буквально одним прыжком. Кузнечик прыгает с листа на лист, горный козел – с камня на камень на почти вертикальном утесе. Даже лучшие вездеходы не способны этого делать. Так что даже в отношнении скорости – без уточнения в какой среде и при каких условиях - говорить о победе человека над живой природой немного самонадеянно. Не говоря уже о других параметрах перемещений в пространстве.    7. Механизмы генерации и утилизации энергии, использующие сгорание топлива в ЧЦ, примитивны по сравнению с происходящим в ЖП. В двигателе внутреннего сгорания энергия газа двигает поршень, осуществляя его одномерное перемещение. То же можно сказать о турбине и паровом котле. При этом, если в двигателях используется горение, то цикл трикарбоновых кислот (анаэробное фосфорилирование), гликолиз (аэробное фосфорилирование) и хемиосмозис (получении энергии в энзиматически контролируемой цепи электронного транспорта, происходящего в мембранах), равно как и функционирование мышц, являются многостадийными и тонко регулируемыми процессами, в которых контроль осуществляется за каждой молекулой. Все вышесказанное приводит к однозначному выводу: повсеместное использование огня отражает сравнительно низкий уровень цивилизации. Важность горения по мере развития технологий будет уменьшаться. Повсеместное внедрение нанотехнологий уже в силу своего масштаба (диаметр двойной спирали ДНК =2 нм, диаметр атома водорода 0.1нм) постепенно сотрет грань между функционированием механизмов и химическими процессами. Уменьшение роли огня в повседневной жизни уже происходит. Некурящий человек, живущий в квартире с паровым отоплением и электроплитой может не видеть пламя неделями. Огонь все дальше отдаляется от потребителя. Пламя в двигателях внутреннего сгорания и производствах, использующих сжигание нефти, угля и газа, стало невидимым для тех, кто потребляет продукцию, созданную с их помощью. Эти революционные изменения произошли в двадцатом веке – до этого роль огня в быту на протяжении тысячелетий практически не менялась и каждый человек имел ежедневный контакт с пламенем, горящим в печке или камине, в лучине, свече, факеле или газовом фонаре. Постепенный переход на низкотемпературные процессы по мере развития нано- и ангстремотехнологий естественен и неизбежен. Однако имеются две области, в которых возможность отказа от использования горения не представляется очевидной. Таковыми является а) осуществление задач, которые в живой природе не ставились, как например, движение космического корабля или самолета со сверхзвуковой скоростью, и б) генерация энергии в очень больших количествах. Что касается первого то вполне возможно, в той или иной области – как например, в ракетной технике – сжигание топлива сохранится надолго или навсегда. Хотя в принципе движение звездолета может осуществляться и другими методами (например, с использованием светового давления или ядерной энергии), ответы на вопрос, что произойдет в далекой перспективе, сегодня чисто спекулятивны. С производством энергии и ее утилизацией для перемещения по земле ситуация совершенно иная. На место двигателей внутреннего сгорания (ставшими одним из главных источников загрязнения окружающей среды и потребления жидких энергоносителей) придут устройства, работающие (в широком смысле) наподобие мышцы, то есть с контролем за функционированием каждой молекулы. Что касается самого топлива, то не следует забывать, что все виды используемого в настоящее время горючего (согласно современным воззрениям) имеют органическое происхождение. То есть каждая макромолекула, входящяя в нефть (или предшественники этой молекулы) была синтезирована под воздействием квантов света, поглощенных в фотореакционных центрах растений и диатомах сотни миллионов лет назад, и каждая (подчеркиваем: КАЖДАЯ!) из них в нормальных условиях должна была участвовать в процессах метаболизма в организме. Сжигание триллинов молекул в двигателе внутреннего сгорания или топке доменной печи является, возможно, самым грубым и примитивным способом получения энергии из всех возможных. Кроме того, в обозримой перспективе ископаемому топливу так или иначе прийдет конец и сжигать будет просто нечего. Если после того, как это произойдет, человеческая цивилизация не будет разрушена или отброшена назад, она вынуждена будет перейти на новые виды энергии. Какие виды энергии будут использоваться при этом? Одним из них навсегда, несомненно, останется электричество. Однако то, что потребность в твердом и/или жидком топливе сохранится, также не вызывает сомнений. После иссякания ископаемых энергоресурсов такое топливо необходимо будет синтезировать ab initio nullum. Водород в качестве универсального горючего будущего представляется сомнительным, не только из-за трудностей долговременного хранения его в больших количествах и транспортировки, но и из за того, что само производство водорода требует (электро)энергии и стало быть проблему энергетики не решает. Схема, используемая в живой природе, в которой под воздействием поглощенных квантов света из углекислоты и воды синтезируется глюкоза, представляется одной из наиболее перспективных. Хотя бы потому, что она за более чем три миллиарда лет она доказала свою эффективность и безотходность. В любом случае, принцип контроля за каждой молекулой вместо сжигания в объеме будет доминировать повсеместно или почти повсеместно – у человечества просто нет альтернативы этому. Все вышесказанное позволяет с уверенностью утверждать, что эра Прометея подходит к концу. Использование сжигания в объеме и использование пламени сохранится в некоторых технологиях и удовольствия ради (камины, зажигалки, вечный огонь, возможно – хотя не обязательно - сверхзвуковые лайнеры и межпланетные корабли). Но в масштабах цивилизации огонь как спутник человечества, уйдет в прошлое. Так же, как ушли в прошлое брички, счеты с костяшками и срубы, построенные с помощью топора и пилы.

Юрий Магаршак 24 ноября 2004 года