Зеленая революция

Человек, принципиально отвергающий генетические манипуляции с животными и растениями, может содрогнуться от мысли, что люди подобным образом вторгаются в эволюцию. Однако, по мнению многих ученых, между лабораторными экспериментами, которые также преследуют цель изменить свойства биологических организмов, и биогенетикой, которая напрямую осуществляет изменения в ДНК, нет четкой грани. Это касается даже опытов перепрограммирования отдельных сегментов, не говоря уже о встраивании в геном чужеродных генов. Человек вторгается в биологическую эволюцию не первый день. И критики биогенетических манипуляций должны считаться с тем, что мы несем ответственность не только за то, что делаем, но и за то, что не сделали, хотя могли бы. Учитывая потребность растущего населения Земли в ресурсах, нельзя скоропалительно отвечать на вопрос, какой выбор этически оправдан: использование биогенетических методов или отказ от них.

На новую ступень биотехнологию вывела синтетическая биология. Она занимается созданием новых организмов. Правда, создание сложного живого существа в лаборатории — пока еще научная фантастика. В данный момент ученые работают над пересадкой синтетически созданных генов в имеющееся живое существо, наделяя его таким образом новыми свойствами или способностями. Наука тем самым становится настоящим демиургом, создателем жизни. Она не только, как зеленая генная инженерия, изменяет сочетания уже имеющихся генов, но и создает новые формы жизни. Эти существа, как и все остальные, подвержены мутациям, но, как нас уверяют, «в них должна быть заложена определенная „сопротивляемость к мутациям“» [178] . Синтетическая биология находится пока в экспериментальной стадии. Пока не совсем ясны ее этические, общественные и политические последствия. Критики говорят об опасности биотерроризма, о праве на владение живыми организмами, некоторые отвергают отрасль полностью. В 2007 г. Евросоюз запустил проект SYNBIOSAFE (Safety and Ethical Aspects of Synthetic Biology), занимающийся вопросами, связанными с этическими аспектами и безопасностью синтетической биологии [179] .

178

См. http://de.wikipedia.org/wiki/Synthetische_Biologie.

179

См. http://www.synbiosafe.eu/.

Искусственный фотосинтез

Утверждение, что на ограниченной планете не может быть неограниченного роста, стало почти общим местом. Но Земля ограничена лишь размерами. С термодинамической точки зрения она представляет собой открытую систему [180] . Источником всей земной жизни в конечном счете является постоянный приток энергии Солнца. Количества энергии, которое за 1 час поступает на Землю в виде солнечного света, достаточно для удовлетворения почти годовой потребности человечества. Солнечный свет — источник постоянного обновления органической жизни на планете. В начале всех биологических созидательных процессов стоит фотосинтез: преобразование солнечного света и воды в богатые энергией углеродные соединения. Фотосинтез состоит из двух этапов. Солнечный свет дает энергию для расщепления воды на составные элементы — кислород и водород. Затем из водорода и абсорбируемого из воздуха углекислого газа образуются сложные углеводородные соединения. Процесс имеет дневную и ночную фазы. Днем солнечный свет и вода преобразуются в богатые энергией химические соединения, ночью растения забирают из воздуха углекислый газ, создавая из него молекулы сахара. Благодаря фотосинтезу не только образуются питательные вещества для растений и микроорганизмов; одновременно воздух очищается от углекислого газа и обогащается кислородом. Так что без фотосинтеза жизнь человека на Земле невозможна.

180

См. Raymond Fismer et al.: «Die Thermodynamik und das Weltgesetz der Entropie». В: Jan Robert Bloch, Willfried Maier (Hrsg.), «Wachstum der Grenzen». (с. 295 и далее).

Процесс фотосинтеза протекает не только в наземных растениях, но и в водорослях, бактериях и морских микробах. В 1 л морской воды живет примерно 100 млн таких одноклеточных. Это самый мелкий из известных организмов, освоивших процесс фотосинтеза. Из солнечного света, воды и углекислого газа они производят примерно четверть кислорода, которым мы дышим [181] . Эта гигантская солнечная электростанция, состоящая из живых организмов, ежегодно преобразует примерно 1350 ТВт солнечной энергии в биомассу. Человечеству же требуется примерно 16 ТВт энергии в год. Какой бы внушительной ни казалась эта цифра, по сравнению с потенциалом солнечного излучения она не так уж и велика. «Так что искусственный фотосинтез способен несколько ослабить нашу обеспокоенность по поводу энергии» [182] . В конечном счете ископаемые энергоносители тоже не что иное, как конденсированная солнечная энергия. За миллионы лет они образовались из растительных веществ.

181

Hanno Charisius, «Das gr"une Wunder».Следующие примеры взяты из этой статьи.

182

Там же.

Искусственный фотосинтез — собирательное понятие для целого ряда методов преобразования солнечной энергии в такие энергоносители, как метан, этанол и водород. В отличие от солнечного электричества они используются в химической промышленности как основное сырье, кроме того, их легко хранить. Метан можно транспортировать по газопроводам; для этанола можно использовать инфраструктуры, созданные для жидких видов топлива; энергетическая плотность водорода в три раза выше, чем у бензина. Его можно использовать либо как непосредственный источник энергии, либо преобразовывать в электричество при помощи топливных элементов. В этом направлении работает уже множество исследовательских проектов по всему миру. Соответствующая программа разработана в Великобритании, несколько японских групп проектируют солнечные батареи нового образца, Министерство энергетики США за 5 лет инвестировало в калифорнийский Центр искусственного фотосинтеза 122 млн долларов [183] .

183

Suddeutsche Zeitung от 23 июля 2011 г.: www.sueddeutsche.de/wissen/energiegewinnung-sprit-aus-licht-1.11.24182.

В Массачусетском технологическом институте группа исследователей под руководством Дэниэла Ночеры создала искусственный лист, который обладает способностью расщеплять воду на водород и кислород. Лист размером с игральную карту состоит из кремния; катализатором для ускорения фотохимического процесса служит фосфат кобальта. Расход электричества при электролизе очень невелик. Если нанести катализатор на оборотную сторону обычной солнечной батареи и поместить плоский модуль в сосуд с водой, то дополнительный источник электричества для выделения водорода не нужен. В дальнейшем Ночера намерен создать такую автономную систему, при помощи которой энергию, необходимую в домохозяйстве, можно было бы получать самостоятельно из солнечного света и нескольких литров воды. Эта технология представляет интерес прежде всего для сельской местности, где еще не все дома подключены к федеральной системе электроснабжения. До коммерческого использования открытия Ночеры пока далеко, но то же самое можно было сказать и о первых фотогальванических установках.

Бременская стартап-компания Sunfire разработала метод производства синтетического топлива из углекислого газа и воды. При помощи электролиза воду расщепляют на кислород и водород. Водород вступает в реакцию с CO₂ и в несколько этапов преобразуется в бензин, дизель, керосин или метан. Углекислый газ поступает из воздуха через фильтр. При высокотемпературном паровом электролизе КПД процесса достигает 70 %. Эта часть использованной электроэнергии как тепловой эквивалент аккумулируется в топливе. Именно поэтому данный метод наиболее подходит для хранения избыточной ветровой и солнечной энергии. В 2010 г. была введена в строй первая опытная лабораторная установка, а уже к 2016 г. планируется ввести в строй первые допромышленные образцы. Особый интерес этот метод представляет для самолетостроения и грузового автомобильного транспорта, где из-за невысокой энергоемкости электробатарей невозможно использовать электромоторы [184] .

184

См. веб-сайт компании: http://www.sunfire.de.

Американский физик Фриман Дайсон, известный своим нестандартным мышлением, видит ключ к развитию сельских регионов во всем мире в сочетании солнечной энергии, фотосинтеза и Интернета: солнечная энергия дает необходимое электричество, фотосинтез поставляет энергию для транспорта, Интернет призван покончить с изоляцией деревенских общин, открыв им доступ к информации и рынкам [185] .

Второе главное направление исследований в области фотосинтеза касается способности природных организмов преобразовывать солнечный свет и углекислый газ в углеродные соединения. Выращенные в биореакторах водоросли и бактерии способны впитывать углекислый газ и создавать из него вещества, из которых можно синтезировать биодизель и этанол. Один пример: «Перспективный метод, при помощи которого из углекислого газа… можно производить бутанол, разработали ученые Калифорнийского университета. Джеймс Льяо и его коллеги культивировали генно-модифицированный вариант бактерии ralstonia eutropha, насыщая воду углекислым газом. При подаче электричества из обычной солнечной батареи углекислый газ вступает в реакцию с водой, образуя муравьиную кислоту. Микробы поглощают муравьиную кислоту, преобразовывая ее в бутанол. Для синтеза биотоплива можно использовать алкоголь, имеющий относительно высокую энергетическую плотность. Правда, процесс еще недостаточно эффективен, но движется в нужном направлении, поскольку в будущем таким способом можно будет аккумулировать солнечное электричество в углеводородах» [186] . Подобные методы уже можно применять в промышленных масштабах. Лидируют в производстве топлива при помощи биологических организмов американские военные. И дело вовсе не в заботе о климате, скорее их интересует возможность достижения независимости от импорта нефти и сокращения длинных транспортных цепочек. Уже прошли первые пробные полеты на биокеросине [187] .

185

См. Freeman J. Dyson, «Die Sonne, das Genom und das Internet. Wissenschaftliche Innovation und die Technologien der Zukunft», Frankfurt am Main 2000.

186

Сообщение отдела науки во Frankfurter Allgemeine Zeitung от 18 апреля 2012 г.

187

Charisius, «Das gr"une Wunder».

Третье направление — оптимизация протекающего в растениях фотосинтеза с целью стимуляции их роста и повышения урожайности. Оптимизация природы означает в данном случае более эффективное использование солнечной энергии для производства питательных веществ, поскольку количество солнечной энергии, впитываемой растениями и преобразуемой в углеродные соединения, в значительной степени определяет скорость роста и размеры листьев, корней, плодов и семян. Как правило, зеленые растения используют от силы 3 % поступающего солнечного света. Скорость фотосинтеза зависит от вида растений. Например, у кукурузы, пшена, сахарного тростника, китайского камыша есть специальный клеточный аппарат для преобразования солнечного света в водород и создания сахаристых веществ при участии CO₂, благодаря чему в этих растениях фотосинтез протекает намного быстрее, чем, скажем, в рисе, у которого подобный механизм не развит, хотя и заложен генетически. Если при помощи целенаправленных генетических модификаций его удастся запустить, урожайность риса можно будет значительно повысить. Над этим работает филиппинский международный исследовательский консорциум, координируемый Международным институтом исследования риса (International Rice Research Institute, IRRI) [188] . Финансирует проект Фонд Билла и Мелинды Гейтсов. С немецкой стороны в этом объединении участвует Институт эволюционной и молекулярной биологии растений при Университете Дюссельдорфа. Развитие у риса механизма высокоэффективного фотосинтеза (фотосинтез-С4) не только повысит его урожайность примерно на 50 %, но и позволит существенно понизить потребление воды в процессе выращивания.

188

В общественном Международном институте исследования риса хранится крупнейший в мире банк генетического материала риса, насчитывающий 110 000 сортов со всего мира. Институт на урегулированных договорами условиях бесплатно предоставляет семена ученым и фермерам. Разъяснения см. на сайте института: http://irri.org/index.php?option=com_k2&view=item&id=11 579&Itemid=100 028&lang=en.

Нельзя забывать, что рис служит основой питания примерно половины населения Земли. В настоящее время 1 га рисового поля в Азии кормит около 27 человек. К 2050 г. риса с 1 га предположительно должно хватать на 43 человека. Потребность в земле и воде растет вместе с населением. Рис относится к злакам, требующим интенсивного орошения. Около 30 % всей пресной воды на Земле идет на выращивание риса [189] . Ожидаемые последствия изменения климата повлекут за собой дополнительную нагрузку на сельское хозяйство. Повышение урожайности и засухо- и жароустойчивости риса имеет важнейшее значение для продовольственной безопасности в Азии. Ответ на вопрос, какие методы и пути напрямую ведут к этой цели, должна дать практика. В своей книге «Фактор пять» Эрнст Ульрих фон Вайцзеккер рассказывает о новом сорте риса, который получил название «Закаленный» (Hardy) и, как утверждается, дает высокие урожаи даже в условиях засухи. Ученые из Института биоинформатики в Вирджинии встроили в рис ген кардаминопсиса, который отвечает за высокоэффективное использование воды, вследствие чего у растений активизировался процесс фотосинтеза и сократилась потребность в воде. В итоге новый сорт риса в засуху дал на 50 % больше урожая [190] .

189

Вайцзеккер и др. Фактор пять. Формула устойчивого роста.

190

См. сообщение в Welt от 11 сентября 2007 г.: http://www.welt.de/welt_print/article1174263/Wissenschaft-kompakt.html.

Рост биопроизводства при помощи фотосинтеза повышает и потенциал биомассы в качестве энергоносителя и сырья, дополнительный эффект — очищение атмосферы от CO₂. Шансы и риски, связанные с этими процессами, должны всесторонне обсудить политики, ученые, промышленники и представители гражданского общества.

CO 2 : убийца климата как сырье

Двуокись углерода, химическое соединение углерода и кислорода, — это газ, который не горит, не имеет цвета и запаха. Он возникает в процессе клеточного дыхания живых существ и при брожении органической материи. В этом смысле углекислый газ является естественной составной частью воздуха. В атмосфере углекислый газ абсорбирует часть отражаемого Землей солнечного излучения и тем самым способствует созданию знаменитого парникового эффекта, который поднимает среднюю температуру на Земле с –18 до +15 °C, благодаря чему только и возможна органическая жизнь. Свою репутацию убийцы климата он приобрел лишь с момента начала сжигания угля и нефти в промышленных масштабах, в результате чего в атмосфере стало накапливаться дополнительное количество углекислого газа. Если в атмосфере повышается концентрация абсорбентов тепла, то парниковый эффект усиливается. Средняя температура поверхности Земли повышается. Природные явления, такие как циклические колебания солнечного излучения, могут усилить или ослабить этот эффект, тем не менее в долгосрочной перспективе он оказывает влияние на климат Земли. С начала индустриализации концентрация CO₂ в атмосфере повысилась с 280 до 380 ppm, с 1880 по 2010 г. средняя температура поверхности Земли выросла на 0,9 °C, причем скорость увеличения этого показателя растет. 2000–2009-е гг. стали с большим отрывом самым теплым десятилетием с начала измерений, на втором месте — 1990-е гг. Если тенденция продолжится, ситуация может выйти из-под контроля, поскольку глобальное потепление не линейный и не равномерный процесс. Если температура повысится на 2 °C, может начаться экспоненциальный рост. Ученые говорят о переломных моментах в процессе изменения климата. Сюда относится, например, высвобождение гигантских масс метана вследствие таяния вечномерзлых грунтов в Канаде и России или таяние льдов в Заполярье и на Гималаях. Тогда Земля начнет абсорбировать больше солнечного тепла. Кроме того, исчезновение ледяного покрова Гренландии или Антарктиды грозит повышением уровня моря на несколько метров [191] .

191

О переломных моментах в истории климата Земли см. Spiegel Online: http://www.spiegel.de/flash/0,5532,17184,00.html.