Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Решения

Человечество без остановки вываливает огромные количества углекислого газа в небо — его нерегулируемый, невидимый поток представляет собой изменение, равного которому не было за миллионы лет истории до появления человека, т.е. в прямом смысле слова глобальное. Это не ложная тревога. Увеличивающееся количество CO₂ реально, и оно имеет последствия. Те, кто отрицает это, — люди невежественные либо алчные или одновременно и те и те.

Что же делать отдельно взятому человеку? Вести углеродно-нейтральный образ жизни в наше время довольно сложно, поскольку выбросы углерода пронизывают все наше общество и препятствуют многим нашим лучшим намерениям. Вы бы хотели построить гигантскую ветряную турбину для получения экологически чистой энергии? Но весьма вероятно, что в процессе строительства вам придется вырубить гектары зеленых массивов и вылить тонны испускающего CO₂ бетона для фундамента. Предпочли бы водить электромобиль? Но электричество, скорее всего, вырабатывается на электростанции, которая использует ископаемое топливо. Общественный транспорт, органическое земледелие, переработка алюминия, использование многоразовых подгузников вполне достойные способы уменьшить потребление энергии, но они все еще зависят некоторым образом от топлива, основанного на углероде. Независимо от того, где вы живете — в городе, на ферме да практически где угодно между ними, — в любом случае вы, по всей вероятности, производите парниковые газы.

Ученым свойственно быть оптимистами. Невзирая на глобальные изменения, которые могут привести к непреднамеренной катастрофе, мы ищем решения и видим возможности. Один такой оптимист — знакомый нам Питер Келемен. Он работает в уже упоминавшейся заслуженно уважаемой Обсерватории Земли Ламонт — Доэрти, принадлежащей Колумбийскому университету. Расположенная на знаменитых базальтовых утесах в районе Палисейдс-парк неподалеку от реки Гудзон, на противоположном берегу от главного манхэттенского кампуса Колумбийского университета и к северу от него, эта обсерватория — настоящий оазис исследований горных пород, океанов и атмосферы.

Отринув непосредственное соседство с прекрасными каменными образованиями, Келемен направил свой взор на тысячу километров вдаль, в сторону величественной гористой местности Султаната Оман на Аравийском полуострове. Там, на выжженной солнцем территории, которая нагревается до 60 °C бо́льшую часть года, он изучает одни из самых странных горных пород Земли под названием офиолиты — это огромные куски земной мантии, которые должны находиться на глубине десятков километров, но каким-то образом оказались на высоте 3000-метровых пиков.

На первый взгляд Питер Келемен кажется беззаботным человеком. У него мягкая борода с проседью. Старому другу или новому знакомому он непринужденно улыбается, пожимая руку, тон его речи успокаивающий и уравновешенный. Он производит впечатление обычного парня, с которым вы хотели бы вместе прогуляться. Но это первое впечатление может оказаться обманчивым.

Проводить геологические исследования в Омане — занятие не для рядового специалиста. Культура Омана до определенной степени гостеприимна, но полевую геологию местные жители могут воспринять как экспансию. Когда иностранцы копают их земли, это уже вызывает недовольство. А Келемен хочет не просто отбить молотком несколько камней из придорожных обнажений. Он желает пробурить глубокие скважины и поднять километровую колонку породы — это уже критический геологический акт проникновения. Поэтому понятно, что возникают задержки и трудности. Разрешения министров по управлению земельными ресурсами, водными ресурсами и горными работами должны быть требуемым образом представлены и одобрены. Нужно пользоваться услугами местных буровых компаний Омана и платить соответствующие налоги. И поскольку никто никогда не пытался бурить в этих офиолитовых массивах, могут применяться новые правила и законы; по-видимому, никто из властей до конца не знает точно, какие.

Задержки означают, что исследования студентов находятся в подвешенном состоянии, экспедиции откладываются, а поездки планируются, однако потом отменяются. Принимая во внимание подобные бюрократические препятствия, многие ученые сдались бы. Но Питер Келемен настойчив, решителен, и у него есть то, что внешнему миру кажется бесконечным запасом терпения и спокойствия. В итоге после нескольких лет отсрочек Проект бурения в Омане[32] был запущен и приносит результаты исторического значения{119}.

Исследование Келемена подтвердило кое-что из того, что мы уже знали. Офиолиты гор Омана представляют собой «неожиданный» блок земной мантии, который выдвинуло на лежащую выше базальтовую океаническую кору силами сходящихся литосферных плит. Этим мантийным породам, богатым магнием и кальцием, но практически лишенным кремния, химически некомфортно находиться в прямом контакте с атмосферой Земли. Особенно быстро они «реагируют» на углекислый газ, образуя изящные взаимопересекающиеся белые жилы карбонатов магния и кальция.

Келемен с коллегами обнаружил поистине необыкновенную скорость образования этих карбонатных минералов. Офиолит буквально высасывает углекислый газ из воздуха, создавая новые карбонаты с поразительной проворностью. Вы можете чуть ли не воочию наблюдать, как образуются и растут кристаллы в поверхностных водоемах, когда насыщенные минеральными компонентами подземные воды просачиваются из обнажений. В отличие от многих минералообразующих процессов, которые протекают быстро только при высоких температурах глубоких недр Земли, эти происходят при комнатной температуре (которая, впрочем, в среднем по Оману намного выше, чем в вашей гостиной). Кроме того, новые минералы занимают значительно больший объем, чем старые. Возможно, расширением толщ можно объяснить, почему горы Омана все еще растут вверх на несколько миллиметров в год, несмотря на то что там почти нет местной сейсмической активности.

Келемен тут же делает вывод: углекислый газ потребляется горными породами в режиме реального времени. А в Омане объемы офиолитов огромны — их достаточно, чтобы поглотить весь углекислый газ, выработанный человечеством за сотни лет. В наши дни правительство Омана не хочет заниматься всякими там схемами связывания углекислого газа. Основа экономики страны — нефть, а не связывание углерода. Но камни никуда не денутся, и эта перспектива решения углеродного кризиса Земли ждет своего часа. Питер Келемен — терпеливый оптимист.

КОДА — Известное, неизвестное и непознаваемое

Из всей гаммы разнообразных проблем в многогранной науке об углероде нет вопроса более насущного для нашего будущего, нежели роль углерода как элемента циклов. Мы в состоянии измерить углерод в атмосфере с точностью, недостижимой для других резервуаров. С той же степенью достоверности нам удается регистрировать колебания содержания шестого элемента и его недавно начавшийся тревожный рост. Ведущие роли углекислого газа и метана как парниковых газов и неизбежное потепление в планетарном масштабе, которое должно последовать за увеличением их содержания, — неоспоримы. Хорошо, если призывы отдельных людей и международные соглашения, направленные на снижение последствий и замедление этих изменений, найдут отклик в каждом гражданине мира. Ощущение срочности уже должно поистине пропитывать нашу жизнь.

И все же, несмотря на постоянно пополняющуюся таблицу угрожающих данных по углероду, несмотря на рост доказательств быстрых изменений и их потенциальных последствий, мы еще многого не знаем{120}. Джесси Аусубел, руководивший созданием и развитием Обсерватории глубинного углерода со стороны фонда Слоуна, подчеркивает предрасположенность ученых погружаться в безопасную науку. «Мы склонны заполнять конференции, журналы и радиоволны тем, что нам известно, — сетует он. — Мы гораздо реже исследуем и расширяем границы наших знаний».

Легко понять, почему научные работники, чья карьера зависит от получения грантов и публикации статей, стремятся исследовать проблемы и проводить эксперименты на безопасных и надежных окраинах известного, а не изучать природу и степень нашего незнания. Но уже от одной только четкой формулировки того, чего мы не знаем, — по ходу прочерчивания границ на карте знаний и планирования экспедиций для изучения этих «великих незнакомцев» — у любого истинного ученого должен участиться пульс.

Каковы границы познания? На какие вопросы легко ответить, на какие — тяжело и почему? Отходя от темы изменения климата и обозревая весь маховик глубинного углеродного цикла Земли за миллиарды лет, Аусубел перечисляет три присущие природе характеристики, которые вычленяют известное, неизвестное и непознаваемое.

«Глубокое время» — первое препятствие к знанию, оно очень хорошо знакомо ученым, изучающим планеты. История блекнет, буквально выветривается у нас из-под ног. Благодаря бесчисленным полевым экспедициям, которые принесли образцы со всего земного шара, и расширяющимся аналитическим возможностям исследовать эти образцы до отдельных составляющих их атомов и молекул, мы можем быть уверены в наших знаниях о том, как менялись близповерхностные условия Земли по крайней мере за последние десятки или даже сотни миллионов лет. Большинство минералов, образовавшихся за этот скромный с геологической точки зрения промежуток времени, сохранились до наших дней. Они содержат крошечные включения воздуха и воды, которые рассказывают многое о недавней эволюции внешних слоев Земли — атмосферы и океанов.

Но свидетельства более глубокого прошлого — 4 млрд лет назад и больше — практически потеряны для нас. А ведь это крайне важный этап для понимания образования Земли и происхождения жизни. Все минеральные запасы тех изначальных гадейских времен сводятся, как уже говорилось выше, к нескольким зернам размером с песчинку. Не сохранилось ни дуновения древней атмосферы Земли, ни капли океанов. Чтобы сделать необходимые математические вычисления, нам придется довольствоваться умозаключениями и геохимической теорией. И все равно условия на Земле в начале ее существования остаются практически неизвестными, а возможно, так и останутся вовсе непознаваемыми.

Вторым препятствием к получению знаний является глубина. Глубочайшие шахты Земли проникают в недра не более чем на 3 км, самые глубокие скважины едва ли доходят до 13 км. Заглянуть в зоны, лежащие ниже, нам удается только благодаря вулканам, которые извергают на поверхность глыбы мантийных пород и минералы, в частности алмазы, ряд которых образовался на глубине более 800 км. Эти глубинные породы указывают на природу и интенсивность циркулирования углерода между мантией, земной корой, океанами и воздухом. Но нижняя часть земного радиуса, составляющего почти 6400 км, навсегда останется недоступной — за пределами возможностей любой мыслимой технологии отбора образцов.

Мы можем, конечно, собирать подсказки о глубоких недрах по крохам. Сейсмические волны дают информацию о плотности и составе глубинных пород, а также о зонах плавления и движении. Магниторазведка отражает динамику расплавленного внешнего ядра Земли, в то время как эксперименты с синтетическими породами и минералами воспроизводят диапазон экстремальных температур и давлений вплоть до тех, что в самом центре Земли.

Мы также в состоянии представить себе технологии будущего, которые позволят немного раздвинуть удручающие границы того, что сейчас, по сути, непознаваемо. Мой любимый футуристический инструмент — «абсорбционная нейтринная спектроскопия», основанная на астрономических количествах субатомных частиц, которые разлетаются от Солнца. Большинство солнечных нейтрино проходят Землю насквозь, но теоретики утверждают, что нейтрино определенных энергий должны избирательно поглощаться разными химическими элементами. Если бы мы смогли измерить энергию нейтрино (чего, по крайней мере пока, мы сделать не силах), тогда нам удалось бы смоделировать подробное трехмерное, как в компьютерной томографии, изображение глубоких недр.

К физическим преградам «глубокого времени» и пространства Аусубел добавляет третье препятствие исследованию неизвестного: проблему понимания и интегрирования отдельных драматических событий в истории Земли. Развивающиеся системы подвергаются внезапным разрушительным процессам, которые необратимо отделяют прошлое от будущего. Такими сингулярностями стали катастрофическое столкновение с Тейей, в результате которого образовалась Луна, когда Земле было всего 50 млн лет, появление жизни несколько сотен миллионов лет спустя и недавнее развитие технологий. Другие, пока не распознанные, менее драматичные критические моменты могли в прошлом и также смогут в будущем привести Землю к дальнейшему развитию по одному из двух еще неизвестных расходящихся путей. Подобные точки бифуркации в силу их природы сложно предсказывать хоть с какой-нибудь определенностью; между тем они способны представлять собой неотвратимую угрозу для человеческого вида.

Из того ряда признаков, которые, как предполагает Джесси Аусубел, препятствуют открытию неизведанной Земли, три вышеописанных — «глубокое время», глубина недр и случайные единичные катастрофические события — свойственны физической природе нашего планетарного дома. Другие, не менее пугающие, препятствия касаются социального аспекта науки, а также человеческой природы. Наука ограничена тем, что́ мы можем узнать, поскольку мы, люди, ограничены своими способами постижения мира.

Наша ограниченность возникает из-за того, что мы недальновидны, наши умы полны предрассудков и «зашорены». Возможно, вы уже заметили, что я минералог. Я рассматриваю почти все грани истории Земли — вулканы, глубокие недра, происхождение жизни, даже Большой взрыв — с искаженной, минералогической точки зрения.

Это относится ко всем нам как в науке, так и в любой другой человеческой деятельности. Пытаясь осмыслить сложность и хаос, мы видим мир в обманчивых, но обнадеживающе простых метафорах. Континенты на дрейфующих плитах на самом деле не сталкиваются. Разнообразие жизни в кембрийский период не было взрывным. И развитие биосферы включает в себя не только выживание сильнейших. Все это упрощения во времени и пространстве, низводящие сложные физические, химические и биологические процессы до обманчивых фраз, которые удобны в повседневной жизни.

Для нас существует вызов даже больший, чем борьба с нашими индивидуальными предрассудками, — это проблема интеграции знаний. Земля, космос, жизнь — любая научная область требует широко интегрированного взгляда. Каждая значимая для человечества тема включает в себя и физический, и химический, и геологический, и биологический аспекты. Подумайте о самых животрепещущих наших опасениях: ухудшение окружающей среды, сокращение минеральных ресурсов, распространение инфекционных заболеваний, изменение климата, увеличение спроса на энергию, опасные ядерные отходы; вспомните о страдающих от нехватки воды, о голодающих. Подход ко всем этим проблемам требует комплексного междисциплинарного планирования, а решения должны подкрепляться полным набором научных свидетельств, свободных от множества политических, экономических, этических и религиозных ограничений.

Углеродоведение ничуть не лучше — это такая же смесь концепций и догм ото всех ветвей исследований. Вызов для нас состоит в интегрировании многих частей углеродной истории в единое целое. Так что, возможно, когда мы стремимся понять границы знания — природу непознаваемого, нам следует поместить наши собственные человеческие ограничения в самое начало списка препятствий.

ЧАСТЬ III — ОГОНЬ

ИНТРОДУКЦИЯ — Материальный мир

Земли и Воздуха недостаточно. Общество требует изобилия всевозможных материальных благ: еды и одежды, домов и фабрик, машин и самолетов, телевизоров и смартфонов. Нам нужны вещи, и отнюдь не только самые необходимые: мощные спортивные двигатели, изысканное вино, удобные стулья, упругие бамперы, мягкое нижнее белье, надежные компьютеры, вкусные кексы, прочные рюкзаки, легкие кроссовки, разноцветные воздушные шары, поляризационные солнечные очки, пушистые подушки и добротные матрацы. Привередливые потребители требуют новинок: застежек-липучек, пластырей Band-Aid, самоклеящейся бумаги для заметок, суперклея, жидких гаечных ключей, гигиенического бальзама для губ ChapStick, тефлона, жевательных Мишек Гамми — все это продукты изобретательной углеродной химии.

[32] Oman Drilling Project. — Прим. ред.