Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Керосиновая лампа была разработана в США Робертом Дитцем, мелким изобретателем из Бруклина, у которого была собственная фабрика по производству масляных ламп. Дитц придумал такую лампу, которая горела ярко и почти не давала дыма. Его лампы оказали на жизнь людей того времени не меньшее влияние, чем изобретенные через сорок лет лампы накаливания; однако непосредственно после их введения в производство Дитцу потребовался источник дешевого топлива. В те времена ламповое масло делалось главным образом из ворвани, особенно той, что добывалась из кашалотов. Титусвилль с успехом предоставил новый источник сырья, из которого можно было делать керосин. В совокупности с выходом на рынок керосиновых ламп Дитца это привело к мгновенному распространению таких ламп по всей стране. Возникновение новой для того времени технологии привело к снижению спроса на китовую ворвань, непреднамеренным результатом чего был полный упадок китобойного промысла во второй половине XIX века. Однако хотя можно считать, что применение керосина в качестве источника освещения спасло китов от полного истребления охотниками, у этого события были и другие, непредвиденные последствия.

К первым десятилетиям XX века нефтяная промышленность стала двигателем экономического роста для стран, в которых стремительно происходила индустриализация. Одним из побочных продуктов дистилляции керосина была высоколетучая жидкость – бензин. В то время на него не было спроса, поэтому его сжигали как отход производства. Однако в конце XIX столетия несколько конструкторов параллельно изобрели, в той или иной форме, двигатель внутреннего сгорания. В 1876 году, после более десяти лет экспериментов, немецкий инженер Николаус Отто с помощью многочисленных коллег успешно разработал двигатель внутреннего сгорания, способный работать на продуктах перегонки нефти. Бензин был настолько дешев, что очень скоро стал наиболее доступным для использования топливом. Бензиновые двигатели оказались гораздо более эффективными, нежели работавшие на угле паровые или газогенераторные, и были быстро приняты к использованию для транспортных целей. Появление новых двигателей привело к огромному спросу на отходы керосиновой промышленности, и для удовлетворения этого спроса нефтяные компании принялись вкладывать крупные суммы в инфраструктуры по очистке нефти и транспортного топлива.

Непреднамеренным и совершенно непредвиденным последствием стремительного сжигания нефти и других ископаемых видов топлива, однако, стало увеличение содержания парниковых газов, в первую очередь углекислого газа. С каждым галлоном сжигаемого бензина из выхлопной трубы автомобиля извергается около 20 фунтов углекислого газа. По дорогам всего мира ездит более миллиарда автомобилей; но это только часть проблемы. На земном шаре существуют обширные запасы угля и природного газа. Все это ископаемое сырье было произведено миллионы лет тому назад и представляет собой резервуар находящихся на хранении энергетических связей. В частности, для нефти эти запасенные энергетические связи являются производными ископаемых водорослей. Мы разработали очень эффективные способы извлечения этих видов топлива. За один год мы можем освоить запас нефти, накопленный за миллион лет; другими словами, водоросли и высшие растения фотосинтезировали на протяжении миллиона лет, чтобы создать количество топлива, которое мы сжигаем за один год.

С начала промышленной революции в середине XIX века концентрация углекислого газа в атмосфере возрастала в геометрической прогрессии – от 280 частей на миллион в 1800 году до более 400 частей на миллион в 2014 году, и в обозримом будущем никакого плато не предвидится. Продолжающееся использование ископаемых видов топлива значительно увеличивает потенциальную вероятность долгосрочного изменения глобального климата, включая потепление и закисление верхних слоев океана, таяние ледников, подъем уровня океана и увеличение частоты и силы штормов. Мы начали вырабатывать собственные отходы, оказывающие губительное влияние на планету, но не знаем легкого способа разрешить эту проблему. Удастся ли нам разработать возобновляемый углеродно-нейтральный вид топлива, который будет экологически устойчив, экономически жизнеспособен и сможет непосредственно заменить нефтепродукты, используя существующую инфраструктуру? Как мы вскоре увидим, большие надежды в деле нашего спасения возлагаются на помощь микроорганизмов. Однако непредвиденные последствия использования ископаемых видов топлива на этом не заканчиваются.

Рис. 35. Изменение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции концентрация CO2 была относительно постоянной и составляла приблизительно 280 частей на миллион по объему (то есть 0,028 %, в то время как содержание кислорода – 210 тысяч частей на миллион, или 21 %). С началом промышленной революции содержание углекислого газа в атмосфере стало возрастать почти экспоненциально и к 2014 году достигло 400 частей на миллион. В отличие от азота и кислорода углекислый газ относится к парниковым газам, то есть удерживает тепловое излучение. Даже такая относительно небольшая концентрация этого газа в земной атмосфере имеет решающее значение в контролировании климата. Кривая изменения содержания углекислого газа поразительно напоминает график роста населения Земли (см. рис. 34)

Разработка ископаемых видов топлива привела к коренному изменению применяемых нами способов выращивать, убирать, перерабатывать и транспортировать наши продукты питания. На полях, которые прежде распахивались при помощи быков или лошадей, сейчас используются машины с двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтепродуктах. Уборка пшеницы, кукурузы и других зерновых, прежде требовавшая непосильного труда людей, теперь может производиться при помощи механизмов. Зерно может перевозиться на сотни и даже тысячи миль к крупным населенным пунктам, где расположены другие двигатели внутреннего сгорания, обслуживающие центры переработки продуктов. Стоимость продуктов питания снизилась, равно как и число людей, необходимых для их производства. Одновременно стремительно возросла потребность людей в других секторах новой экономики, сначала на большей части территории Европы и Соединенных Штатов, а затем и в других странах. Новые населенные пункты вырастают, становясь крупными городами. Крупные капиталовложения в инфраструктуру, в особенности в системы доставки чистой питьевой воды и удаления сточных вод, повысили продолжительность жизни, а следовательно, теперь появилось гораздо больше ртов, которые нужно кормить.

В конце XIX столетия серьезную озабоченность вызывал тот факт, что в мире могут закончиться удобрения, абсолютно необходимые для производства продуктов питания для индустриализированного мира. Первоначальной формой удобрений, применявшихся во второй половине XIX века, было гуано – высушенный птичий помет. За тысячи лет этот материал скопился во многих местах на побережьях всего мира, и экспорт гуано из Чили, Флориды и нескольких других прибрежных регионов превратился в крупную отрасль промышленности. Однако с ростом численности населения гуано стало потребляться быстрее, чем его могли производить птицы. Стоимость гуано начала возрастать, и пришло понимание необходимости заменителя. Однако чем его можно было заменить?