Дмитрий Шабанов: Диета без фосфора?

История показывает, что со временем относительная важность ресурсов меняется. Может, надо думать не о сбережении нынешних ресурсов, а об ускорении перехода к фазе, когда они уже не нужны?

В своей прошлой колонке я не стал обосновывать утверждение, что в ближайшем будущем человечеству придётся менять отношения со средой. Честно сказать, эта идея кажется мне неким "общим местом". Но даже дискуссия на сайте (интересная - посмотрите!) показала, что многие мысли надо обсуждать со всей основательностью.

Здесь я обсужу одно простое утверждение. Многие разумные люди, вовлечённые в технологический прогресс, считают разговоры об исчерпании невозобновимых ресурсов недалёкими. История показывает, что по мере развития человечества относительная важность ресурсов меняется. Может, надо беспокоиться не о сбережении нынешних ресурсов, а об ускоренном переходе к фазе, когда они уже не понадобятся?

С частичной правотой такого подхода нельзя не согласиться, но, чтобы избежать ловушки неверного понимания, важно тщательно обсудить детали. Давайте разбираться не торопясь.

Специфика нашего вида состоит в том, что для его современного состояния критично важны невозобновимые ресурсы.

На Землю льётся поток солнечной энергии; на поверхности нашей планеты этот поток многократно преобразуется и, в конечном счёте, покидает её в виде теплового, низкоэнергетичного излучения. Этот поток преобразуется живым веществом, атмосферой и гидросферой Земли, запуская по всей её поверхности круговороты веществ. Увы, полностью замкнуть круговорот вещества невозможно: в любом случае какая-то доля веществ рассеивается. Куда попадает вещество, "потерявшееся", к примеру, в какой-нибудь подмосковной дубраве? Воды дождей и рек снесут его к морю, где оно захоронится в осадочных породах.

Поэтому кроме солнечного потока энергии для жизни на нашей планете важен иной поток, который мы назвали хтоническим. Это рассеивание материнской, исконной энергии Земли. Эта энергия движет континенты, вздымает горы, вызывает извержения вулканов. Хтонические силы поднимают осадочные породы со дна океанов, подставляют их под разрушающее действие живых организмов, воды и воздуха и тем самым пополняют убыль необходимых для жизни элементов на земной поверхности.

Пока понятно? Так вот, все виды, кроме нашего, встроены в какие-то ячейки этого круговорота. Активность процессов в каждой ячейке ограничена входящими в неё потоками энергии и вещества.

Мы (фанфары!) вышли за пределы, которыми ограничен любой другой вид. Мы используем не только солнечную энергию, которая изливается на Землю сейчас, но и ту, которая поступала в геологическом прошлом. Мы сейчас живем в первую очередь благодаря энергии горючих ископаемых. И надо признать, что надолго законсервировать такую ситуацию не получится.

В 1956 году американский геофизик Кинг Хабберт описал динамику нефтедобычи. Когда-то нефть использовали совсем мало. Потом она стала "кровью" экономики, и её добыча стала расти. Разведывались новые запасы, расширялась добыча в известных месторождениях. Со временем разведанные запасы начнут сокращаться. Повышение цен на нефть будет вызывать разработку всё более сложных месторождений, но рано или поздно нефтедобыча сойдёт на нет.

Раз какой-то процесс растёт в начале своей истории и снижается в конце, значит, где-то посередине у него есть максимум. Хабберт предположил (в общем, произвольно), что кривая нефтедобычи должна описываться кривой Гаусса. Для территории США пик Хабберта был пройден в 1971 году, а для мира в целом - как кажется, в 2006-м. Неуверенность в датировке пика связана и с влиянием кризиса, и с тем, что реальная кривая нефтедобычи всё-таки имеет значительно более сложную форму, чем гауссиана.

Означает ли "конец нефти" крах экономики? Вероятно, нет. Конечно, рост цен на нефть может вызвать многие экономические пертурбации, но можно надеяться, что разрушить цивилизацию они не смогут.

С другой стороны, подумайте: ещё пару веков назад нефть не считалась стратегическим сырьём. Мы знаем, что технологическое развитие является ускоряющимся. Стоит ли думать, что через век нефть будет так важна для нас, как и сегодня?

Приведу аналогию. Россия вошла в роль главного поставщика газа в Европу, для которого газовый вентиль - более серьёзное оружие, чем танки и ракеты. Но одной из угроз для роли газового монополиста оказываются технологии получения сланцевого газа. Крупнейшие запасы этого сырья находятся в Украине и Польше. Чем жёстче Россия будет исполнять соло на трубе, тем весомее окажутся стимулы для развития сланцевой энергетики у её юго-западных соседей.

А теперь представьте себе, что наконец-то окажутся правдивыми очередные сообщения об успешной (и энергетически выгодной!) реализации технологии холодного термоядерного синтеза! Как это отразится на нефтяной энергетике? Так ли важно трепетно держаться именно за те ресурсы, которые мы используем сегодня?

А какие из ресурсов являются незаменимыми? Ну, например, технологические металлы (в соответствии со взглядами Джона Лифтона). Чтобы сделать самолёт, нужен титан и рений. Для аккумуляторов - литий и лантан. Для ПК - германий, галлий, индий, европий и много чего ещё. Для топливной ячейки водородного автомобиля - платина и палладий. Почему эти металлы дорожают? Потому что их запас, доступный для человечества, чрезвычайно ограничен. Конечно, в ядре Земли их много, но для извлечения не хватит ни энергии, ни технологий, ни поверхностного запаса технологических металлов.

Может, когда человечество исчерпает запасы платины и палладия, оно разработает катализаторы, ну, скажем, из кремния? Через двадцать минут после того, как написал предыдущее предложение, нашёл почти идеальное подтверждение высказанной идее. Итак, будем надеяться, что нынешние критичные потребности в технологичных металлах со временем ослабнут. Однако, вероятно, на смену им придут новые.

Но здесь я хочу подробнее всего обсудить одну чрезвычайно важную технологию.

Эта технология бесспорно критична. Потребности в необходимых для неё элементах должны быть обеспечены любой ценой, их замена невозможна. Потребление этих элементов нельзя сократить ниже некоего уровня. Вы поняли, о чём я говорю? О самой жизни, точнее - тех биологических процессах, которые лежат в основе нашего существования.

Для жизнедеятельности каждой клетки необходим определённый набор элементов-биогенов. Их список велик, но очевидно, что они различаются по критичности. Самый критичный - фосфор.

Фосфор совершенно необходим для каждой клетки. Так, основой ДНК является цепочка моносахаридных остатков, соединённых остатками фосфорной кислоты.

Сравним оборот этого элемента в естественном лесу и на поле. В лесу есть некий запас фосфора. Поедая друг друга, организмы передают друг другу его атомы. Когда они отмирают, фосфор поступает в почву, откуда быстро возвращается в состав живого вещества. Вытекающая из лесу в сильный дождь вода уносит какое-то количество фосфора, но оно очень невелико и компенсируется поступлением фосфора из разрушающихся горных пород.

В поле ситуация совсем иная. Урожай, в котором накоплено значительное количество фосфора, изымают и увозят невесть куда. Если убыль фосфора не компенсировать, плодородие поля катастрофично упадёт. Что делать? Вносить удобрения. Сплошь и рядом фосфор вносят в количестве, намного превышающем изъятие, потому что избыток этого элемента подстегивает рост растений. Откуда берут фосфор для удобрений? Изымают из фосфорсодержащих горных пород. При первом же дожде значительная часть внесенного фосфора вымывается с поля, сносится в реки (вызывая там цветение воды), и, в конечном итоге, попадает в океан. Итак, на оборот фосфора влияют чуть ли не все процессы в биосфере.

В качестве курьёза скажу, что не так давно в озере Моно в Калифорнии была найдена гамма-протеобактерия из семейства Halomonadaceae, которая вместо атомов фосфора использует (в том числе при построении ДНК) мышьяк! Это озеро отравлено огромными количествами мышьяка, но жизнь, как оказывается, может приспособиться даже к такой среде. Однако для нас (и для тех организмов, которые мы едим) мышьяк - сильнейший яд. Нам нужен фосфор.

Человечество многократно ускорило перемещение фосфора в осадочные породы. Пока этот процесс компенсируется его избыточным изъятием из месторождений фосфорсодержащих пород. Но надолго ли их хватит?

По этому поводу ценные данные приведены в статье Алексея Гилярова, пересказывающего, в свою очередь, редакционную статью журнала Nature.

Мы уже прошли пик добычи фосфорных удобрений. Их производство уменьшается, в разработку идут бедные, неудобные для использования, загрязнённые источники фосфора. На сколько-то десятилетий их хватит. А потом?

А что будет потом, на самом деле не знает никто. Тот фосфор, который мы рассеяли по биосфере и который упокоился на дне океана, стал для нас недоступным. Чтобы его поднять и концентрировать, нужны колоссальные затраты энергии - которых нет и, в общем, не предвидится.

Как измерить доступность фосфора в планетарных масштабах? Планетарная доступность фосфора = (Количество атомов фосфора в круговороте в экосистемах + количество концентрированных атомов фосфора в доступных для разработки породах) / количество рассеянных атомов фосфора в океанских отложениях. Очевидно, что с каждым годом (что там годом - с каждым днём, с каждым часом!) доступность фосфора снижается. Нашей активности по разработке фосфатных месторождений и рассеянию этого элемента противодействуют лишь немногие процессы. Среди них - вынос фосфора на сушу с помётом рыбоядных птиц. Крупнейшие запасы такого разложившегося помёта были накоплены в Южной Америке. Этот продукт называют гуано (вы без труда подберёте близкий по звучанию и по смыслу русский термин). Так вот, южноамериканские запасы гуано подорваны - человек использовал их намного быстрее, чем они восстанавливались.

Главный процесс, который мог бы повысить планетарную доступность фосфора, - подъём донных осадочных пород на дневную поверхность с последующей их эрозией и разработкой. В этом процессе задействованы колоссальные хтонические энергии. Тем не менее он на порядки слабее человеческой деятельности! За год мы рассеиваем фосфор, сконцентрированный хтоническими силами за огромные промежутки времени.

Те меры, о которых мы можем помыслить, не повышают доступность фосфора, а лишь замедляют скорость её снижения. Так, можно экономнее расходовать фосфорные удобрения. На самом деле благотворное воздействие окажет даже просто их значительное подорожание. Оно уже началось, и понятно, что фосфорные удобрения будут только расти в цене. Ещё не до такой степени, чтобы продавать золотишко и закупать суперфосфат, но уже настолько, чтобы всерьёз думать об экономии.

Возможно, когда-нибудь вода, вытекающая из районов земледелия, будет фильтроваться через мощные заросли каких-нибудь водорослей, может быть, даже генетически модифицированных. Водорослевая биомасса будет связывать фосфор и иные биогены, а затем её будут изымать и использовать в качестве удобрений. Но даже эта мера лишь замедлит снижение планетарной доступности фосфора, а не обратит его вспять!

Как обеспечить неистощающее развитие человечества на фоне непрерывного снижения доступности фосфора? Я не знаю, и предполагаю, что этого не знает никто.

Но думать об этом надо уже сейчас.