Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
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.
11
Это данные на год написания книги, сейчас уже около 6 х 109 г (Примеч. пер.)
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.