Углеродная жизнь: Углеродная жизнь

Содержание

Углеродная нейтральность — не панацея, а стимул к развитию экономики

Мы также практически игнорируем роль магнитосферы в этом цикле. При этом точно знаем, что CO2 поддерживает глобальные температуры в определенных пределах, обеспечивая сохранение жизни на планете. Поиск ответов на такие вопросы, как причины изменения климата, физика углеродного следа, перспективы водорода как нового энергоресурса и, возможно, как полезного ископаемого, а также генезис и исчерпаемость углеводородов — это важнейшая задача, стоящая в большей мере перед наукой, а не перед обществом.

Неопределенности в климатических прогнозах и приписывание наблюдаемого среднего потепления поверхности Земли прямому воздействию парникового эффекта — это чрезвычайное упрощение. Количественная оценка указывает, что, вероятно, наиболее ответственными за крупномасштабные изменения температуры в течение последнего столетия являются естественные процессы (солнечная радиация и стратосферные вулканические аэрозоли), и, в меньшей степени, антропогенное воздействие. Обсуждение причин потепления находится в активной динамике.

Не сомневаюсь в том, что мы обязаны существенно сократить загрязнение природы объектами энергетики. В то же время безапелляционное утверждение, будто именно их выбросы в окружающую среду являются превалирующей причиной возможного изменения климата, весьма спорно с научной точки зрения. Обществу предлагается нехитрый и безальтернативный набор инструментариев, которые позволят спасти планету: интенсификация энергоперехода и создание водородной экономики. Звучат и все более настойчивые призывы снизить инвестиции в добычу углеводородов, поскольку это приведет к сокращению их предложения на рынке и падению спроса. Но на самом деле такой подход ведет лишь к росту цен на энергоносители в связи с угрозой дефицита сырья.

Чтобы сделать эволюционный шаг и совершить технологический прорыв в области энергии потока (воздуха, воды, света) и тем более водородной энергетике, человечеству необходимо затратить огромное количество дополнительной энергии на создание технологий и их реализацию на практике. Без углеводородов сегодня это сделать невозможно.

В то же время развитие нефтегазовой отрасли — крупнейшего сектора глобального народного хозяйства и, без преувеличения, его фундамента, происходит вне парадигмы рыночных отношений, что представляет угрозу для энергобезопасности ряда государств. Нефть, газ и продукты их переработки — основа международной торговли. Неслучайно лидеры многих ведущих мировых держав, представляющие интересы наиболее ликвидных секторов экономики, наряду с финансистами и производителями оружия, традиционно лоббировали и интересы нефтегазовых корпораций. Однако сейчас ситуация изменилась. Так называемая четвертая промышленная революция привела к появлению принципиально иных элит, состоящих из людей нового поколения, в частности создателей IT-компаний и виртуальных торговых площадок. Зачастую они используют свой капитал не для производства товаров конечного потребления и насыщения рынка, а для инвестиций в продукцию, которая еще не создана или существует в виде опытных образцов.

Большая часть нового истеблишмента имеет интересы и в возобновляемой энергетике, поскольку это перспективное направление, как получающее щедрые госдотации. Однако пропагандируя альтернативную энергетику, ее адепты зачастую игнорируют элементарные законы физики. Такие, например, как удельная теплота сгорания водорода или способность его молекул проникать через кристаллическую решетку практически любой стали.

Для России действительно открывается возможность решить давно назревшую задачу по существенному снижению доли потребления углеводородов, в том числе, за счет повышения эффективности их применения. Здесь скрыт колоссальный потенциал. Ведь КПД использования углеводородных ресурсов в теплофикационном цикле сегодня составляет: уголь — 20-26% при возможных 45-55%; нефтепродукты — 24-30 % при возможных 50-70 %; природный газ — 26-32 % при возможных 70-78%.

Ученые Санкт-Петербургского горного университета проводят научные исследования, направленные на достижение углеродного нейтралитета к 2050 году за счет энергоперехода с учетом фактического положения дел в экономике и фокусом на энергоэффективность. Это крайне актуально, поскольку Россия нуждается в реализации наименее затратного и наиболее доступного способа декарбонизации, максимально позитивного для обеспечения конкурентоспособности нашей экономики. Эмпирические данные, анализ и расчеты показывают, что за счет воплощения на должном уровне соответствующих мероприятий, потенциал снижения доли потребления углеводородных ресурсов до 2050 года составляет 45-55%.

Наши исследования показали, что энергопереход к углеродной нейтральности до 2050 года должен базироваться на использовании углеродонейтральных ресурсов — газа, атомной и гидроэнергии с небольшим ростом доли возобновляемых источников, как локальных энергоресурсов. Не менее важно для отечественной и мировой экономики — формирование нового образа жизни потребительско-урбанистической цивилизации, основанное на глобальном энерго- и теплосбережении. Наша страна имеет для этого огромнейший резерв. Так, энергопотребление жилого фонда возможно (и необходимо) снизить с 400 до 50 кВт*ч на м2 в год. Следует стимулировать и когенерацию в теплофикационном цикле ТЭЦ, повысить КПД использования углеводородов в генерации более чем в 2 раза.

Для претворения в жизнь нового экономического уклада правительству необходимо создавать мотивацию, в том числе путем принятия новых норм и правил определения эффективности существующих и создаваемых объектов, используя в качестве эквивалента не деньги, а энергию (джоули). Правительству следует уделять этому направлению повышенное внимание, так как это — фундамент, без которого невозможно построить по-настоящему новую экономику, создать новую среду и обеспечить развитие нашей страны в целом.

Белок на углеродной нанотрубке стал одновременно молекулярным прожектором и элементом памяти

11 марта, 2022 13:03

Источник:

Индикатор

Российские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали полноценный биоэлектронный фотоэлемент на основе всего одной молекулы светящегося белка, соединенного с углеродной нанотрубкой. Такая система способна менять свои электронные свойства под действием света и в зависимости от того, как прикрепить белок, она может либо служить прожектором, либо хранить информацию. Исследование открывает перспективы для создания экологически чистых элементов электроники, запоминающих устройств и солнечных батарей. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Внешний вид микрочипа с биооптоэлектронным транзистором. Источник: пресс служба МИЭТ

Оптоэлектронные устройства, которые способны хранить и передавать информацию, воспринимая свет различных длин волн, лежат в основе лазеров, светодиодов и некоторых запоминающих приборов. Среди них большой научный интерес вызывают системы, содержащие помимо электронных элементов биомолекулы, например белки. Такие гибридные системы дешевле, экологичнее и при этом сохраняют необходимые оптические свойства. Их можно использовать в качестве компонентов для молекулярной электроники, светоизлучающих диодов (LED), новейших лазеров и оптических транзисторов.

Ученые из Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) с коллегами из Кардиффского университета (Великобритания), Университета Аалто (Финляндия) и Нови-Садского университета (Сербия) модифицировали углеродные нанотрубки зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ). «Мостиком» между ними служили молекулы фенилазида, которые под действием света обеспечивают ковалентную сшивку с атомами углерода в нанотрубке, то есть реакцию с образованием общих электронных пар между атомами разных компонентов.

ЗФБ представляет собой «бочонок» из складчатой аминокислотной цепи, внутри которого располагается молекула флуорофора. Последний под действием излучения приобретает дополнительную энергию, претерпевает электронные перестройки, а затем возвращается в исходное состояние, отдавая избыток энергии в виде собственного излучения. Возможен и другой вариант — выделение тепла, но от этого его и защищает «бочонок», обеспечивая длительное сохранение флуоресцентных свойств.

Исследователи изучили структуру полученных соединений и выяснили, что можно контролировать тип формируемого оптоэлектронного элемента за счет белка. Эта система может обмениваться с внешней средой не только энергией, но и носителями заряда. Именно на этом свойстве авторы работы и построили новые наноустройства.

«Углеродная нанотрубка является незаменимым объектом при создании биоподобных сенсорных конструкций, позволяя фиксировать малейшие изменения в структуре и заряд единичных биомолекул, связанных с ней», — рассказывает Никита Некрасов, аспирант Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».

Углеродные нанотрубки богаты свободными электронами, которые по фенилазидному мостику могут мигрировать на ЗФБ и обратно. Ученые по-разному присоединяли белок — как бы размещая «бочонок» стоя или на боку — и наблюдали, как будет себя вести фотоэлемент. Оказалось, что, если присоединить белок к углеродной нанотрубке его гидрофобной частью («боком»), то есть той, которая отталкивает от себя воду, то вся система начинает работать как прожектор, управляющий проводимостью нанотрубки. Это происходит потому, что при включении и выключении возбуждающего света нанотрубка и белок активно обмениваются электронами. В случае же, когда белок присоединили к нанотрубке более гидрофильной частью («дном») — той, что активно взаимодействует с водой, — то в области между нанотрубкой и белком происходит захват заряда, поэтому устройство приобретает способность хранить информацию десятки минут. При этом благодаря защитной белковой оболочке элемент сохранял стабильность в течение длительного времени.

«Наша разработка позволит создать мощные и компактные устройства для хранения и передачи информации, управляемые светом. Кроме того, оба компонента наших элементов являются биоразлагаемыми и не несут вреда окружающей среде, поэтому могут стать основой экологически чистых солнечных батарей», — рассказывает Иван Бобринецкий, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» «МИЭТ».

Теги

Инженерные науки, Спецпроект

Все новости

6 октября, 2022

В России научились очищать синтетические алмазы от дефектов при помощи лазеров

Российские ученые разработали подход, позволяющий использовать лазеры для очистки искусственных алма…

30 сентября, 2022

Российские ученые впервые показали возможность динамического разупорядочения в структурах боратов

Динамическое разупорядочивание – состояние кристалла, в котором под воздействием температуры жестк. ..

Версия для печати

«Нашим предкам много раз просто повезло»

О самозарождении мышей из ила, любви к котикам и нелюбви к обезьянкам, азотной жизни в ядрах газовых гигантов, властолюбивых РНК, «завихрениях в голове» и нашем космическом (в прямом и переносном смысле) везении — в интервью с Михаилом Никитиным, дебютная книга которого «Происхождение жизни: от туманности до клетки», вышедшая недавно в издательской серии Primus фонда «Эволюция», вошла в лонг-лист премии «Просветитель» 2016 года.

— Расскажите об истории идей происхождения жизни. Как они развивались со временем?

— В древности были два основных варианта. Первый — что тот или иной бог эту жизнь однажды сотворил и с тех пор живые организмы размножаются и производят себе подобных. Второй — идеи, связанные с философией и наблюдением, характерные для древних греков. Например, что жизнь возникает постоянно на наших глазах (Аристотель писал про самозарождение мышей из речного ила при разливах Нила в Египте). Другие философы утверждали, что вопрос о происхождении жизни ставить нельзя, ведь жизнь, Земля и Солнце существуют вечно и начала у них никогда не было.

Так было примерно до Нового времени, когда первые ученые стали экспериментировать с самозарождением мух в гниющем мясе, мышей в грязной одежде с зерном и показали, что в наше время самозарождения жизни не происходит — если кувшин накрыть марлей, мухи туда попасть не могут, и никакие червячки в мясе не заводятся.

К XIX веку первыми научными экспериментами, как ни парадоксально, укрепилась идея религиозная, что жизнь сотворена Богом, и это было сделано один раз.

Окончательно это закрепил Луи Пастер, показавший, что даже микробы не зарождаются сами в запаянной колбе с прокипяченным бульоном.

— А что было потом?

— Ученым это не понравилось, и они стали искать пути, как бы в этом месте обойтись без бога. Здесь надо отметить достижения уже в начале XX века российского академика Опарина и англичанина Холдейна, которые независимо друг от друга догадались, что самозарождению жизни сейчас мешает кислородная атмосфера. Все живые молекулы в кислородных условиях неустойчивы, и рано или поздно они превратятся в углекислый газ и воду. Но кислородная атмосфера была не всегда. Кислород — продукт жизни (конкретно — растений и цианобактерий). До появления жизни, скорее всего, в атмосфере Земли кислорода не было. На безжизненных планетах — Венере, Марсе — мы тоже не видим кислорода в атмосфере, там преобладает углекислый газ и азот. С именами Опарина и Холдейна была связана важная идея, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно получаться органические вещества, необходимые для клеток, и они не разрушались, пока из них как-то случайно не сложились первые живые организмы. Эти гипотезы опубликовали примерно 90 лет назад, в 20-е годы XX века, но почему-то экспериментально проверять это сразу не стали. Только в 50-е годы был проведен знаменитый опыт Миллера – Юри. Они взяли смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, сероводород, синильная кислота), запаяли в герметичную стеклянную установку и несколько дней пропускали там электрические разряды, имитируя грозы. Затем они проверяли, что получилось: получались некоторые аминокислоты, некоторые простые сахара, азотистые основания, входящие в состав ДНК, — это подтвердило идеи Опарина и Холдейна.

— И что же дальше?

— Дальше было открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, и за следующие 10–15 лет ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предыдущую историю развития биологии. Стало понятно, что самая простенькая клетка — очень сложная штука, и возникнуть полностью случайно она, наверное, может, но для этого всего возраста Вселенной не хватит, потому что вероятность слишком маленькая. Если взять клетку средней свободно живущей бактерии, то у нее в геноме несколько мегабайт информации, кодирующей несколько тысяч видов белков. Из этих белков строятся «наномашины», состоящие из нескольких десятков разных белковых молекул — например, рибосома, которая собирает новые белки, «наномашина» для копирования ДНК — репликативная вилка. Еще у клетки есть мембрана, которая отделяет ее от внешней среды, и, чтобы из внешней среды получать нужные вещества, в мембране есть транспортные белки, которые работают как система насосов. Из этой системы никаких компонентов выкинуть нельзя, чтобы она не потеряла жизнеспособность. Даже самая простая самостоятельная клетка очень сложна. Вирусы проще, но они не могут жить вне клеток, на которых они паразитируют.

Новые открытия создали проблемы для понимания происхождения жизни: клетка оказалась сложнее, чем считалось во времена Опарина.

И известная цитата астронома Фреда Хойла, что вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки Боинга-747 от торнадо на мусорной свалке, математически верна.

Биологам на тот момент было понятно, что способ возникновения сложных систем, который не требует большого времени и везения — эволюция по Дарвину, путем случайных мутаций и естественного отбора. Эволюция привела жизнь от бактериальных клеток к животным, растениям и человеку разумному. Возник соблазн попробовать продолжить эту тенденцию в прошлое: возможно, клетки тоже развились путем дарвиновской эволюции из чего-то более простого. Чтобы дарвиновская эволюция шла, ее объекты должны уметь создавать собственные копии. Клетки делятся, многоклеточные размножаются. Надо было найти что-то более простое, чем клетка, и более самостоятельное, чем вирус. И в конце 70-х годов несколькими учеными была опубликована одновременно и независимо идея мира РНК.

— Расскажите, пожалуйста, о концепции РНК-мира.

— В живой клетке есть три самых важных типа молекул, без которых она не работает. Это полимерные молекулы, они похожи на нитки бус из отдельных звеньев: белки, состоящие из аминокислот, ДНК, которая состоит из азотистых оснований, и РНК — рибонуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК, но немножко отличается от нее. ДНК сделана, чтобы хранить наследственную информацию, и делает это хорошо. ДНК очень устойчива. Белки выполняют всю «грязную работу»: ускоряют все нужные клетке химические реакции, выполняют транспортные функции, защитные, они же образуют что-то вроде скелета клетки. Белки все делают, а последовательность белков хранится в ДНК. Поначалу (до 60-х годов) считалось, что РНК — посредник между ДНК и белками. РНК образует прежде всего временные копии участков ДНК (генов), необходимые в белковом синтезе. Информация в ДНК переписывается на РНК, которая потом используется в построении белков.

Позже были найдены вирусы, у которых наследственная информация хранится в РНК (то есть РНК у них заменяет ДНК), а потом были открыты такие замечательные штуки, как рибозимы, которые могут заменять белки, вызывая ускорение химических реакций, то есть работать ферментами. Возникла идея, что в древние времена был вариант жизни, использующий лишь один тип полимерных молекул из трех современных. Эта идея развивалась, искали способы получать искусственные рибозимы разной ферментативной активности. Их наоткрывали сотни, и это считалось подтверждением реальности мира РНК. Было открыто, что рибосома — машинка, собирающая белки, — в своем активном центре содержит рибозим. То есть сборка белков происходит полностью под контролем РНК, которая не уступила белкам все функции, а кое за чем главным по-прежнему следит в клетках единолично.

— А мог бы и дальше существовать мир без ДНК, основанный только на РНК?

— Скорее всего, мог бы, но недолго. Жизнь, не использующая белки, использующая РНК, могла жить только в определенных необычных местообитаниях, например, как я этого в книге касаюсь, в горячих источниках около вулканов. Она не могла заселять моря и океаны, была ограничена в расселении по планете, и любое резкое изменение условий ее могло бы погубить. Жизнь в РНК-мире была довольно уязвима, и нам очень повезло, что она довольно быстро прошла все необходимые шаги: завела белки, завела ДНК, оделась клеточными оболочками и могла уже существовать в самых разных условиях. Сейчас идея мира РНК считается не предположением, а хорошо подтвержденной теорией.

В книге я несколько глав посвящаю ее современному развитию (в 2000-е годы ее довольно сильно дополнили).

— Также в книге вы рассказываете об уравнении Дрейка, которое рассчитывает вероятность контакта с внеземной разумной жизнью. Это уравнение было создано еще в 60-х. Как изменилось его понимание теперь, с открытием экзопланет и другими достижениями астрономии?

— Дрейк считал (и его оценка была взята полностью с потолка), что примерно половина звезд в нашей Галактике имеет планеты, и в каждой планетной системе есть одна планета, пригодная для жизни. Первая оценка сейчас полностью подтверждена, а вот со второй частью гораздо хуже. Подавляющее большинство экзопланет, которые астрономы понаоткрывали за последние 15 лет, находятся очень близко к своим звездам. Они очень горячие — еще горячее, чем Венера и Меркурий в нашей Солнечной системе, поэтому для жизни непригодны. С поиском пригодных для жизни планет есть куча технических сложностей. Они должны быть не слишком горячие и не слишком холодные, не слишком маленькие, чтобы они могли удержать воду и атмосферу, но и не слишком большие, чтобы превращаться в газовые гиганты типа Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна. Планеты, которые близки к звезде и горячи, искать намного проще. Если же планета далекая от звезды и холодная, открыть ее легче, когда она массивная, сильно тяжелее Земли. С современными приборами технически очень трудно найти планеты, похожие на нашу, даже если они есть. С расстояния в 100 световых лет в Солнечной системе мы смогли бы обнаружить только Венеру и Землю. Следующее поколение телескопов должно это исправить.

— Вы говорите о планетах, где могли бы существовать углеродные формы жизни. А что если подумать о вариантах, где вместо углерода находятся другие атомы, например кремний? Какие условия для таких форм подходят? Возможно ли существование таких форм жизни на уже известных нам планетах — может быть, не в Солнечной системе, а на экзопланетах?

— Жизнь, не основанная на углероде, мне кажется нереальной. Мне кажется более вероятной жизнь, которая не будет использовать воду, но вот от углерода уйти практически некуда. Все химические элементы, которые использует наша жизнь, не случайны. Они в ходят в первую десятку самых распространенных элементов во Вселенной: водород, гелий, углерод, кислород, азот, неон, магний, кремний, сера и железо. Из этой десятки наша жизнь использует семь, кроме инертных газов (гелий, неон) и кремния, который и в условиях Земли, и в условиях метеоритов, и в условиях известных планет Солнечной системы образует устойчивые связи с кислородом: кремензем и силикаты.

Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных камней — соединения кремния с кислородом. Они очень устойчивы, а для жизни нужны вещества, которые входили бы в обмен веществ. У кремния таких соединений в присутствии кислорода и воды не бывает. И в метеоритах, и в космической пыли, которую астрономы наблюдают в далеких туманностях, кремний содержится в виде тех же устойчивых соединений, как и на Земле: силикаты, кварц, иногда карбид кремния (но он еще более устойчивый). А углерод может образовывать и устойчивые соединения, и с достаточной реакционной способностью (как, например, сахара). Поэтому кремний в качестве химической основы жизни подходит очень плохо.

По химии в качестве альтернативы углерода мог бы подойти бор, соседний элемент по Периодической таблице, но бор подводит ядерная физика: его ядро недостаточно устойчиво, поэтому его во Вселенной в миллионы раз меньше, чем углерода. Бора просто нет столько.

Еще углерод в принципе можно заменить азотом, но для этого нужны сверхвысокие давления — в сотни тысяч атмосфер. При этих давлениях азот образует сложные разветвленные молекулы подобно углероду в наших условиях, но такие условиях бывают только в недрах каких-нибудь планет-гигантов.

— То есть теоретически там возможно возникновение подобных форм жизни?

— Теоретически, но проблема в том, что углерод там тоже есть — в виде метана. Скорее всего, углерод этой жизнью тоже будет на каких-то правах использоваться. Таких мест во Вселенной, где бы углерода не было, а другие элементы, подходящие для создания жизни, были — их просто нет. Поэтому жизнь совсем без углерода я представить себе не могу. Наша углеродная жизнь использует в очень важных местах азот. Без азота невозможны ни белки, ни ДНК, но все-таки углерода по массе больше. В недрах газовых гигантов можно представить себе жизнь, где будет главным элементом азот, но, скорее всего, на вторых ролях углерод там все равно будет. И критичное отличие от Земли там не температура, а давление, которое должно быть очень высоким — таким, какое в лаборатории мы можем получить на специальном прессе с алмазным столиком в очень-очень маленьком объеме.

— Расскажите, пожалуйста, как вы относитесь к парадоксу Ферми? Как вы объясняете то, что мы не можем «засечь» другие формы жизни, если за время существования Вселенной они могли возникнуть?

— Как я писал в своей книге, мне кажется, что не все стадии возникновения разумных существ были закономерными и неизбежными. В биологической эволюции есть труднообъяснимая стадия, когда произошел переход от прокариотических клеток к клеткам с ядром, как животные и растения.

— То есть этого перехода могло не произойти и жизнь бы не развивалась по тому направлению?

— По тем деталям этого перехода, которые мы можем установить, это выглядит как довольно-таки случайный и маловероятный процесс, в котором много раз нашим предкам просто повезло. Я допускаю, что во Вселенной есть миллионы планет, населенных чем-то вроде наших бактерий, но клетки с ядром там не появились, поэтому многоклеточных животных и растений не возникло тоже. Это первая причина.

Вторая причина, почему мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной (или, по крайней мере, в нашей Галактике точно) — часть этапов развития жизни требует очень большого времени, которое зависит от внешних по отношению к этой жизни факторов (строения и состояния планеты). Для появления клеток с ядром нужно было, чтобы сначала в окружении возник кислород.

Чтобы появился фотосинтез с выделением кислорода и кислородная атмосфера, микробам понадобилось полтора миллиарда лет, когда они довольствовались примитивными вариантами фотосинтеза, в которых нет выделения кислорода, но затрачиваются относительно дефицитные вещества вроде сероводорода или солей железа. И только когда все соединения серы и железа из древнего океана потратили и осадили в виде будущих железных руд, им за недостатком ресурсов пришлось переходить на более сложный, кислородный вариант фотосинтеза. Нашим предкам снова очень повезло: если бы наша планета была больше или более богата железом, у них бы это заняло не 1,5 миллиарда лет, а 3 или 4, и к моменту появления животных светимость Солнца возросла бы, потому что Солнце стало бы старым, и было бы глобальное потепление, глобальная засуха и превращение Земли в подобие Венеры, и разумная жизнь просто не успела бы возникнуть.

— А в чем, на ваш взгляд, эволюционный смысл возникновения сознания и разума?

— Биологи считают, что разум — это побочный продукт способности к обману сородичей и распознавания обмана с их стороны — то, чем занимаются обезьяны очень активно. Это называется теорией макиавеллевского интеллекта. У физиков есть своя идея, что человек или любое другое разумное существо — инструмент Вселенной для познания самой себя. У них еще такая шутка на эту тему была: раз в 15 миллиардов лет физики собираются вместе и строят большой адронный коллайдер. Так что ответ зависит от плоскости, в которой вопрос рассматривать.

— Вы пишете, что занимаетесь преподаванием в Летней экологической школе. Возможно, вам удавалось сталкиваться с лженаучными взглядами у детей, переубеждать их. Кому больше свойственны заблуждения, детям или взрослым?

— У взрослых я видел лженаучные взгляды в разы чаще, чем у детей. Взрослые окончили школу давно и программу, по большей части, забыли. Всякие заблуждения, связанные с гомеопатией или памятью воды, явно растут из того, что люди забыли школьную химию. Если привлекать возрастную психологию, известно, что людям пожилого возраста менее интересно, как устроен мир на самом деле, и более интересно, как «должно быть». И они более склонны свое желаемое выдавать за действительное. К тому же они учились в другие времена. Есть мнение, что советское образование было лучшим в мире.

В чем-то оно действительно таким было, если СССР при гораздо меньших ресурсах, чем США, первым запустил человека в космос.

Но при этом в конце перестройки, году в 1989-м, вся страна прилипла к телевизорам с Кашпировским и Аланом Чумаком, которые «заряжали воду» и делали другие странные вещи. Видимо, заложенная, в том числе советской школой, привычка подчиняться авторитетам сыграла очень плохую шутку, когда эти авторитеты резко поменялись. Та же привычка, как мне кажется, повела людей в МММ и другие финансовые пирамиды.

— Не может ли быть связано с привычкой следовать за авторитетами и то, что эволюция до сих пор подвергается сомнению в некоторых кругах?

— Все лжеученые пытаются внешние атрибуты авторитета себе обеспечить и доверие получают за счет этого. Но по поводу теории эволюции я не стал бы так беспокоиться: от неверия в нее еще никто не умер. А вот всякие лженаучные заблуждения медицинского толка гораздо хуже.

Антипрививочники, отрицание СПИДа, память воды, шарлатанские методы лечения рака — это приводит людей к гибели здесь и сейчас, причем в случае с антипрививочниками, как ни прискорбно, страдают не сами заблуждающиеся, а их дети.

— Это действительно грустно.Ваша книга и курсы лекций охватывают широкую сферу науки — от астрономии до молекулярной биологии. Скажите, в каких науках заблуждения более распространены, а о каких читатели осведомлены больше?

— Во-первых, есть области науки, которые привлекают внимание психически нездоровых людей, пытающихся опровергнуть общепринятые теории. В физике особенно популярно опровержение теории относительности (пытаются возродить эфир). Люди из каких-то своих мозговых завихрений начинают опровергать Эйнштейна. Если вы поищете в сети, например в сообществе Science+freaks в «Живом журнале», вы найдете сотни примеров.

— К нам в редакцию минут двадцать назад звонил один из таких представителей.

— Да-да, мне тоже на электронную почту периодически пишут. Затем — в лингвистике, в эволюции языков, их родстве. Возникают лженаучные теории, что все языки произошли от русского, или все языки произошли от украинского, или от иврита — смотря какие завихрения в голове. Естественно, пытаются опровергать теорию эволюции, и теория эволюции и этология (наука о поведении животных) объясняют, почему это хочется опровергнуть.

У всех животных есть инстинктивные механизмы, которые вызывают отвращение и враждебное отношение к тем, кто на них похож, но не совсем, то есть к близким видам.

— Наверное, чтобы предотвратить скрещивание?

— Да, верно. Поэтому людям в среднем не нравятся обезьяны — по крайней мере, нравятся гораздо меньше, чем кошечки и собачки. И обезьяны сторонятся обезьян другого вида. Поэтому какая-нибудь рысь, забредшая в деревню, не устоит от соблазна разорвать домашнюю кошку — не чтобы съесть, а просто так. Этот же инстинктивный механизм участвует в ксенофобии у людей, когда речь идет о носителях других языков. Скажем, для среднего русского человека какой-нибудь китайский — как птичье чириканье, не вызывает особых эмоций. А в языке индоевропейской группы, скажем немецком или таджикском, могут угадываться какие-то сходные сочетания звуков или даже корни. А близкий язык (скажем, болгарский для нас или французский для испанца) будет казаться смешным и неправильным. Это инстинктивное неодобрение к относительно похожим видам заставляет людей внутренне отвергать идею о происхождении от обезьян. Вся остальная часть теории эволюции таких эмоциональных отторжений обычно не вызывает, но этим отторжением теория эволюции и подтверждается!

— Эволюция же происходит не только в природе, но и среди идей. Как развивается научная популяризация в нашей стране в последние годы?

— Эволюция идей, мемов у Докинза по-моему, довольно спекулятивна. Для эволюции нужно, чтобы организмы производили копии, которые борются за ограниченные ресурсы. Для идей такой ресурс — емкость человеческих мозгов, где они обитают, но говорить о саморазмножении идей я бы поостерегся.

— Хорошо, как научно-популярная литература изменяется за последние годы?

— Если брать промежутки времени лет в 30–40, мы увидим движение по кругу. Научпоп за последние 10 лет по стилю сильно копирует научпоп западный, потому что сейчас его много перевели. Там есть тенденция все максимально упрощать, как совсем «для дебилов». Выкладывая черновые отрывки своей книги, я получил несколько комментариев в духе «вы знаете, то, что вы пишете, похоже на советский научпоп». Я над этим подумал, согласился и решил, что это хорошо.

Моя книга отличается от среднего научпопа большей плотностью информации, и среднему читателю придется лезть в Google — не за тем, так за другим.

Я старался все максимально облегчить, но в объеме одной книги все комментарии и пояснения не поместятся — а если впихнуть, это будет нечитаемо. Комментаторы в блоге говорили, что это вносит приятное разнообразие, а работа мозгом по пониманию более сложного текста приносит удовольствие. Я в детстве читал много советского научпопа из родительской библиотеки — там был Маковецкий, Яков Перельман. Возможно, я их в чем-то неосознанно копировал. А вот Кирилла Юрьевича Еськова по стилю я копировал уже осознанно — это наш палеонтолог, который в 2000-м выпустил научно-популярную книгу «История Земли и жизни на ней» (правда, тогда научпоп не был развит, и она вышла под грифом «учебники для дополнительного образования»). В этой книге говорится о развитии биосферы Земли как цельной системы, без акцента на конкретных вымерших видах. Других книг подобной направленности на русском языке нет, да и на английском, в принципе, тоже. Она была принята читателями довольно благосклонно, в том числе далекими от биологии. Я как-то сослался на нее в споре на форуме по военной истории, и там книгу приняли на ура, хотя она была не по их специальности.

— А ваша книга больше рассчитана на подготовленного читателя, который уже интересуется биологией?

— Я очень хочу, чтобы она дошла до читателей, далеких от биологии. Книга выросла из курса лекций, который был отработан на школьниках, интересующихся биологией. Мне очень хотелось охватить условную аудиторию GeekTimes. Там больше программистов — очень умная аудитория, но которая читает научпоп, связанный с биологией, редко и от случая к случаю. В научпопе сейчас проблема: каждую новую научно-популярную книгу читают те же люди, которые читали три-пять предыдущих. Мне бы хотелось разомкнуть эту замкнутую «тусовку», подключив туда новых людей. В этом цель не только этой книги, но и ее рекламы.

Почему карбон? — Сеть блогов Scientific American

Роберт Хейзен — один из пяти экспертов-спикеров в круизе, посвященном 175-летию Scientific American, в Америку в марте 2020 года. здесь.

Оглянитесь вокруг. Углерод повсюду: в бумаге каждой книги, в чернилах на ее страницах и в клее, который ее скрепляет; в подошвах и коже вашей обуви, синтетических волокнах и ярких красках вашей одежды, а также в тефлоновых молниях и лентах на липучке, которые их застегивают; в каждом кусочке еды, который вы едите, в пиве и выпивке, в газированной воде и игристом вине; в коврах на полу, краске на стенах и плитке на потолке; в топливе от природного газа до бензина и свечного воска; из прочного дерева и полированного мрамора; в каждом клее и каждой смазке; в свинце карандашей и бриллианте колец; в аспирине и никотине, кодеине и кофеине и во всех других наркотиках, которые вы когда-либо принимали; в каждом пластике, от продуктовых пакетов до велосипедных шлемов, от дешевой мебели до дизайнерских солнцезащитных очков. От вашей первой детской одежды до гроба с шелковой подкладкой вас окружают атомы углерода.

Углерод дает жизнь: ваша кожа и волосы, кровь и кости, мышцы и сухожилия зависят от углерода. Кора, лист, корень и цветок; фрукты и орехи; пыльца и нектар; пчела и бабочка; Доберман и динозавр — все содержат необходимый углерод. Каждая клетка вашего тела — по сути, каждая часть каждой клетки — опирается на прочный углеродный остов. Углерод материнского молока становится углеродом бьющегося сердца ее ребенка. Углерод — это химическая сущность глаз, рук, губ и мозга вашего возлюбленного. Когда вы дышите, вы выдыхаете углерод; когда вы целуетесь, атомы углерода обнимаются.

Вам было бы проще перечислить все, к чему вы прикасаетесь, что не содержит углерода — алюминиевые банки в холодильнике, кремниевые микрочипы в вашем iPhone, золотые пломбы в зубах и прочие странности, — чем перечислять даже 10 процентов углеродосодержащих предметов. в твоей жизни. Мы живем на углеродной планете, и мы — углеродная жизнь.

Каждый химический элемент особенный, но некоторые элементы более особенные, чем другие. Из всех разнообразных обитателей периодической таблицы углерод, шестой элемент, уникален по своему влиянию на нашу жизнь. Углерод — это не просто статический элемент «материала». Углерод обеспечивает наиболее важную химическую связь в огромном пространстве и времени — ключ к пониманию космической эволюции. В течение почти 14 миллиардов лет Вселенная развивалась, усложнялась и становилась все более богатой, с кажущимся бесконечным увлекательным и причудливым поведением.

Углерод лежит в основе этой эволюции, определяя появление планет, жизни и нас. И больше, чем любой другой ингредиент, углерод способствовал быстрому появлению новых технологий, от паровых двигателей промышленной революции до нашего современного «пластикового века», даже несмотря на то, что он ускоряет беспрецедентные изменения в окружающей среде и климате в планетарном масштабе.

Вот несколько размышлений об углероде — самом важном элементе в космосе.

АЛМАЗЫ!

Среди всех разнообразных форм углеродсодержащих минералов, находящихся под высоким давлением, включая кристаллические формы, как известные, так и еще не открытые, алмаз всегда будет занимать почетное место. Бриллиант занимает идеальную нишу между редким и редким: его достаточно много, чтобы им мог владеть почти каждый, но он достаточно редок, чтобы покупать крупные камни, достойные освещения в печати, за миллионы долларов. Были добыты сотни миллионов драгоценных камней, достаточно больших для кольца или ожерелья, но сотни миллионов потребителей хотят иметь один или несколько драгоценных камней. Привлекательность бриллиантов распространяется на их научную ценность; чем больше мы изучаем эти почти чистые фрагменты углерода из недр Земли, тем больше мы узнаем об истории и динамике нашей планеты.

Алмазы давно ценятся за их редкость, красоту и совершенство, но растущее научное сообщество находит новые причины ценить бриллианты выше всех других драгоценных камней. Это новое поколение искателей бриллиантов не жаждет безупречных камней дорогих обручальных колец и теннисных браслетов. Напротив, превыше всего они ценят несовершенства в виде мельчайших минеральных включений — неприглядных черных, красных, зеленых и коричневых минеральных пятнышек и микроскопических очагов глубинной жидкости и газа. Эти дефекты, обычно срезанные и отброшенные в сторону при огранке драгоценных камней, часто представляют собой нетронутые фрагменты недр Земли — кусочки и кусочки, которые возникли давным-давно, далеко под освещенной солнцем поверхностью нашей планеты, где они были пойманы и герметично запечатаны по мере роста алмазы поглотили их.

Истории, которые они рассказывают! Алмазы и их включения могут раскрыть, насколько глубоко, как давно и в какой среде росли алмазы. Рассмотрим секреты, которые сейчас раскрывают самые большие в мире камни. Среди богатой истории бриллиантов выделяются гигантские драгоценные камни: 603-каратный Lesotho Promise, обнаруженный в 2006 году и рекламируемый как величайшая находка нового века; легендарный бриллиант Кох-и-Нур весом 793 карата, найденный столетия назад в Индии, теперь находится в короне британской королевы-матери; Constellation весом 813 карат, проданный на аукционе в 2016 году за рекордную сумму в 63 миллиона долларов; и самое крупное сокровище из всех, алмаз Куллинан весом 3106 карат, который был обнаружен в 1905 на руднике Premier No. 2 в Южной Африке как уцелевший фрагмент того, что, должно быть, было гораздо большим камнем. Оказывается, всех этих гигантов объединяет общее, неожиданное происхождение.

На протяжении веков считалось, что такие великолепные драгоценные камни являются просто большими версиями более распространенных камней меньшего размера. Не так. Намеки на другой генезис исходят из оптических исследований. Большинство алмазов, хотя и обладают потрясающей прозрачностью для видимого света, поглощают длины волн инфракрасного и ультрафиолетового света из-за наличия примесей в атомном масштабе. Атомы азота являются наиболее распространенными нарушителями. В алмазах «типа I» азот обычно заменяет примерно один из каждых 1000 атомов углерода. Когда эти атомы азота собираются в маленькие кластеры, они могут придавать драгоценным камням желтый или коричневый цвет. Остальные алмазы, менее двух процентов от всех добытых драгоценных камней, относятся к «типу II». Отличающиеся своей беспрецедентной прозрачностью как для видимого, так и для ультрафиолетового света, алмазы типа II не содержат заметных примесей азота, они, как правило, крупнее и оптически совершеннее — характеристики, которые заставили некоторых ученых постулировать более медленную и глубокую среду кристаллизации. Тем не менее, точное происхождение алмазов типа II оставалось загадкой.

В 2016 году международная группа ученых во главе с Геммологическим институтом Америки в Нью-Йорке (GIA) сделала широко известное открытие, которое показало, что алмазы типа II, в том числе многие из крупнейших драгоценных камней Земли, содержат отчетливый и любопытный набор включений: серебристые вкрапления металлического железа и никеля, сильно отличающиеся от обычных оксидных и силикатных минеральных включений их меньших собратьев.

Это исследование является триумфом как с социологической, так и с научной точек зрения. Владельцы шахт, огранщики и коллекционеры ревностно охраняют свои сокровища; чем больше бриллиант, тем труднее получить доступ для научных исследований. Выиграть возможность даже беглого исследования включений в одном или двух крупных бриллиантах было бы неожиданным удовольствием для большинства ученых. Те, кто пытался, кто мельком видел серебристые включения в больших камнях, ошибочно принимали их за обычный минерал графит — результат, не особо заслуживающий внимания. GIA, объединившись с другими экспертами по бриллиантам из США, Европы и Африки, заложила основу для исследований более масштабного масштаба. Некоммерческой организации GIA в Нью-Йорке поручено сертифицировать бриллианты всех видов: взвешивать их, классифицировать, определять страны их происхождения и постоянно разрабатывать новые тесты для отсеивания следующего поколения искусных синтетических подделок или незаконных «конфликтных бриллиантов».

Сертификация GIA является универсальным стандартом качества для бриллиантов. Благодаря своим многочисленным контактам в рудниках и музеях они смогли собрать и детально изучить удивительную коллекцию драгоценных камней и фрагментов огранки из 53 крупных алмазов типа II. Они даже повторно обрезали и отполировали пять фрагментов, чтобы подвергнуть серебристые включения тщательному исследованию передовых аналитических инструментов.

Первым сюрпризом стали уроки композиции. Богатые металлом включения не содержат кислорода, самого распространенного химического элемента в мантии, но они богаты углеродом и серой — контрольными примесями, которые показывают, что металл должен был находиться в расплавленном состоянии, когда формировались алмазы. Примечательно, что металлические включения указывают на глубокие области нашей планеты, близкие по составу к недоступному ядру Земли, с его океаном плотного жидкого железа и никеля, окружающим внутреннюю сферу диаметром 1520 миль из еще более плотного кристаллического сплава железа и никеля.

Вывод: крупные алмазы растут на сотни миль под поверхностью в изолированных мантийных карманах жидкости, богатой металлами. Алмазы легко растут в такой среде, потому что металлическое железо обладает необычной способностью поглощать большое количество атомов углерода. При достаточном давлении и температуре алмазы зарождаются и растут, при этом подвижные атомы углерода легко проходят через расплав металла, добавляя слой за слоем потенциально гигантские кристаллы. Для ученых не является полной неожиданностью тот факт, что некоторые алмазы образуются именно таким образом с участием металлов; Металлические растворители использовались для выращивания крупных кристаллов в производстве синтетических алмазов с начала 19 века. 50-е годы. Но никто не осознавал, что природа научилась тому же трюку миллиарды лет назад.

Вывод о том, что крупные бриллианты имеют свое особое происхождение, выходит далеко за рамки поиска причудливых драгоценных камней. Эта характерная популяция алмазов Типа II демонстрирует ранее не задокументированную неоднородность мантии. Можно подумать, что высокие температуры мантии в сочетании с перемешиванием конвекцией в течение миллиардов лет превратили мантию в однородную смесь. Теперь, благодаря большим бриллиантам и их явным включениям, у нас есть четкие доказательства того, что мантия больше похожа на фруктовый пирог, с некоторыми относительно однородными областями, но с завихрениями новизны и множеством фруктов и орехов (читай, металла и бриллиантов).0005

Более того, эти локальные вариации мантийных пород и минералов указывают на глубокие регионы с совершенно разными химическими средами. Мы долгое время предполагали, что мантия состоит почти исключительно из богатых кислородом минералов. Это то, что мы обычно видим в вулканических породах, называемых кимберлитами, которые выносят свои сокровища алмазных драгоценных камней на поверхность и содержат самые богатые алмазные рудники в мире. Но металлические включения указывают на другие зоны мантии, лишенные кислорода, — регионы, где могут происходить различные химические процессы.

Как и во многих аспектах эволюции Земли, чем ближе мы смотрим и чем больше данных собираем, тем сложнее и увлекательнее становится история.

УГЛЕРОД И ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Нам не следует скрывать углерод и его роль в изменении климата. Четыре факта бесспорны.

Факт первый: Углекислый газ и метан являются сильными парниковыми газами. Их молекулы улавливают солнечное излучение, уменьшая количество энергии, излучаемой в космос. Более высокие концентрации углекислого газа и метана в атмосфере означают, что больше солнечной энергии улавливается.

Факт второй: Количество углекислого газа и метана в атмосфере Земли быстро увеличивается.

Факт третий: Человеческая деятельность, прежде всего ежегодное сжигание миллиардов тонн топлива, богатого углеродом, вызывает почти все изменения в составе атмосферы.

Факт четвертый: Земля нагревается уже более века.

Почти каждый ученый, исследовавший эти убедительные и неопровержимые факты, приходит к одному и тому же недвусмысленному выводу. Человеческая деятельность вызывает нагревание Земли. Этот вывод не является вопросом мнения или предположения. Это не обусловлено политикой или экономикой. Это не уловка для исследователей, чтобы получить больше финансирования или экологов, чтобы упиваться гиперболическим освещением в прессе.

Кое-что о Земле правда, и это одна из них.

УГЛЕРОД И СИМФОНИЯ

Химия углерода пронизывает нашу жизнь. Почти каждый объект, который мы видим, каждый материальный товар, который мы покупаем, каждый кусок пищи, который мы потребляем, основан на шестом элементе. Углерод влияет на любую деятельность — работу и спорт, сон и бодрствование, рождение и смерть.

А что насчет других занятий? Что с музыкой? Симфонический оркестр — каждая секция, каждый инструмент — поет песню углерода. Струнная секция — скрипки и альты, виолончели и басы — почти полностью состоят из углеродных соединений: деревянная дека, гриф, звуковая стойка, колки и струнодержатель; струны из кишок, бант из конского волоса и пластиковый упор для подбородка. Струнные инструменты также зависят от скользкой смазки для колков и липкой канифоли для смычка.

Секция деревянных духовых инструментов? Название выдает игру — деревянные корпуса гобоев, кларнетов и фаготов. Бамбук дает тростник; пробковая подкладка их элегантных сочлененных тел. Даже металлические флейты полагаются на смазочное масло и воздухонепроницаемые кожаные подушечки для их потрясающего набора клавиш.

Ударная секция играет буйством углерода: барабанные палочки из ясеня и барабанные пластины из телячьей кожи, ксилофоны из тикового дерева и клавиши пианино из черного дерева, кастаньеты и тамбурины, деревянные доски и клаве, маракасы и маримбы, барабаны конга и барабаны бонго.

Фортепиано почти такие же, с деревянной рамой, молоточками с войлочной подкладкой и резиновыми упорами, все спрятано в изогнутом корпусе, элегантно отделанном красками на основе углерода, морилками и лаком. А когда-то 88 клавиш каждого рояля были покрыты прочным шпоном из слоновой кости — дорогое украшение, из-за которого ежегодно убивали тысячи слонов. Одного бивня хватило на 45 клавиатур; тонкие пластины, три прямоугольника на ключ, были тщательно вырезаны, а затем выставлены на солнце в течение нескольких недель, чтобы добиться желаемого «белого» оттенка ключа. Сегодня прочные пластмассы — полимеры цвета слоновой кости, имитирующие запрещенный биоматериал на основе углерода, — представляют собой безопасный синтетический заменитель.

Ах, скажете вы, а что насчет медных духовых? Конечно, трубы и валторны, тромбоны и тубы не нуждаются в углероде. Посеребренные мундштуки, медные свинцовые трубы, стальные клапаны, латунные трубки, U-образные настроечные ползунки и раструбы изготовлены из цельного металла. Но если не смазывать клапаны или направляющие, через неделю все, что у вас останется, — это бесполезный кусок замороженного металла.

Без углерода была бы тишина.

ЖИЗНЬ: ПОЧЕМУ УГЛЕРОД?

Углерод является элементом кристаллов, циклов и вещества. Углерод, входящий в состав множества твердых, жидких и газообразных форм, играет бесчисленные химические роли, затрагивающие все аспекты нашей жизни. Но как насчет живых организмов, структура и функции которых намного сложнее, чем у любого неодушевленного материала природы или промышленности? Какой элемент даст жизненную искру жизни?

Чтобы химический элемент сыграл центральную роль в происхождении жизни, он должен соответствовать нескольким основным ожиданиям. Без сомнения, любой элемент, необходимый для жизни, должен быть в разумных количествах и широко доступен в земной коре, океанах или атмосфере. Элемент должен иметь потенциал для множества химических реакций; он не может быть настолько инертным, чтобы просто сидеть и ничего не делать. С другой стороны, основной элемент жизни не может быть слишком реактивным; он не может загореться или взорваться при малейшей химической провокации. И даже если элемент находится в золотой середине химической реакции, в идеальном царстве между взрывоопасным и мертвым, он должен проделать больше, чем один химический трюк. Он должен уметь формировать прочные и стабильные структурные мембраны и волокна — кирпичи и раствор жизни. Он должен иметь возможность хранить, копировать и интерпретировать информацию.

И этот особый элемент в сочетании с другими вездесущими элементарными строительными материалами должен найти способ использовать энергию из комбинаций других химических веществ или, возможно, обильного солнечного света. Умные комбинации элементов должны хранить эту энергию в удобной химической форме, такой как батарея, а затем высвобождать контролируемые импульсы энергии, когда и где это необходимо. Существенным элементом жизни является многозадачность.

В этом ограниченном контексте рассмотрите множество элементарных альтернатив. Наиболее распространенными элементами в космосе являются водород и гелий, занимающие первое и второе место в таблице Менделеева — весь верхний ряд, — но они никогда не станут основой биосферы. Водород, который может прочно связываться только с одним другим атомом за раз, не проходит тест на универсальность. Водород немаловажен, заметьте. Он помогает формировать многие молекулы жизни посредством «водородных связей» — своего рода молекулярного клея — и играет жизненно важную роль вместе с кислородом в воде, среде всех известных форм жизни. Но элемент один не может обеспечить универсальную химическую основу для жизни.

Гелий, второй элемент в таблице Менделеева, совершенно бесполезен — невероятно инертный, высокомерный «благородный газ», отказывающийся связываться ни с чем, даже с самим собой.

Просматривая периодическую таблицу элементов, элементов с третьего по пятый (литий, бериллий и бор) слишком мало для создания биосферы. При концентрациях в несколько атомов на миллион в земной коре и еще меньше в океанах и атмосфере их можно смело вычеркивать из списка предполагаемых живительных ингредиентов.

Углерод, элемент 6, химический герой биологии; мы вернемся к этому.

Седьмой элемент, азот, представляет собой интересный случай. Азот, распространенный в приповерхностной среде, составляет около 80 процентов атмосферы. Он связывается сам с собой попарно как N ₂, нереакционноспособная молекула, которая составляет большую часть газа, которым мы дышим. Азот также связывается со многими другими элементами, в том числе с водородом, кислородом и углеродом, образуя множество интересных химических веществ, имеющих отношение к биохимии. Белки состоят из длинных цепочек аминокислот, каждая из которых содержит по крайней мере один атом азота. Жизненно важные генетические молекулы ДНК и РНК также включают азот в свои структурные единицы, так называемые «основания», определяющие генетический алфавит — A, T, G и C. Но азот, который на три электрона меньше магического числа 10, оказывается слишком жадным к электронам — его химические реакции слишком энергичны, а возникающие в результате связи слишком негибки, чтобы играть многогранную роль ведущего актера. Как следствие, мы можем исключить азот из числа конкурентов.

Почему не кислород? В конце концов, атом за атомом кислорода является самым распространенным элементом в земной коре и мантии, представляя более половины атомов в большинстве горных пород и минералов. В группе минералов полевого шпата, на долю которых приходится до 60 объемных процентов разнообразных континентов Земли и океанской коры, количество кислорода превосходит количество других атомов в восемь-пять раз. Вездесущая группа пироксенов представляет собой смесь кислорода три к двум с обычными металлическими элементами, такими как магний, железо и кальций. А кварц, самый распространенный минерал большинства песчаных пляжей, — это SiO 9.0111 2 . Удивительно думать, что, когда вы лежите на пляже, греясь на солнце, две трети того, что удерживает вас, — это атомы кислорода.

Как следствие, атом кислорода в земной коре примерно в тысячу раз более концентрирован, чем углерод. Но кислород, несмотря на его подавляющее изобилие, химически скучен. У изолированного атома кислорода всего восемь электронов, на два электрона меньше, чем ему нужно, поэтому он вступает в неразборчивые связи практически с любым атомом, который восполнит дефицит. Действительно, кислород абсолютно необходим для всех видов биологически важных химических веществ — сахаров, оснований, аминокислот и, конечно же, воды. Тем не менее, кислород не может образовывать необходимые цепи, кольца и геометрию разветвлений, которые так важны в сложной архитектуре жизни. И поэтому мы можем вычеркнуть избыток кислорода из короткого списка наиболее важных атомных строительных блоков жизни.

Фтор, занимающий девятую позицию в таблице Менделеева, гораздо хуже, так как ему не хватает всего одного электрона до желаемого дополнения, равного 10. Фтор жадно поглощает электроны практически из любого другого элемента. Активный фтор разъедает металл, травит стекло и взрывается при контакте с водой. Вдохните легкое, полное газообразного фтора, и вы умрете ужасной смертью в агонии, когда ваши легкие покроются волдырями от химических ожогов.

И так далее. Элементы 10 и 18, неон и аргон, являются инертными газами, поэтому не рассматривайте их в дальнейшем. Натрий, магний и алюминий (элементы с 11 по 13) слишком охотно отдают электроны, а фосфор, сера и хлор (элементы с 15 по 17) слишком охотно их принимают. И по мере того, как мы углубляемся в периодическую таблицу, элементы становятся менее распространенными, а возможности для основной химии жизни истощаются.

Исключение можно найти в распространенном элементе кремнии, который находится в середине третьей строки периодической таблицы. Кремний — элемент 14, занимающий значительное место сразу после углерода. Элементы, находящиеся в одном столбце периодической таблицы, часто обладают сходными свойствами, так что, возможно, кремний является жизнеспособной биологической резервной копией углерода? Писатели-фантасты не раз ухватывались за этот вариант.

Я хорошо помню эпизод из первого сезона классического Star Trek 9Телевизионное шоу 0004 — оригинальное с Уильямом Шатнером в роли капитана Джеймса Т. Кирка и Леонардом Нимоем в роли мистера Спока, в котором экипаж Enterprise обнаруживает расу разумных и потенциально опасных форм жизни на основе кремния, имеющих форму камней. Концепция шоу была забавной, особенно с удовлетворительным мирным разрешением, когда камни и люди научились ладить. Но минералогическая предпосылка была ошибочной; кремний — это биологический тупик. У кремния на поверхности Земли есть только одно связующее требование — найти четыре атома кислорода и сделать кристалл. После образования эти кремний-кислородные связи становятся слишком прочными и слишком негибкими для интересной химии. Вы просто не можете построить биосферу на одном единственном элементе, таком как кремний.

Продолжайте, но тщетно будете искать еще один многообещающий элементальный вариант. Правда, ваш взгляд может упасть на железо, элемент 26, четвертый по распространенности элемент в земной коре после кислорода, кремния и магния. Почему не железо? Железо любит связываться, и оно гибко в своем выборе. Связь с кислородом? Конечно, образуют красную ржавчину с ионными связями. Связь с серой? Конечно, сделайте золотой, блестящий металлический пирит (метко названный «золотом дураков») с ковалентными связями. Железо связывается с мышьяком и сурьмой, с хлором и фтором, с азотом и фосфором, даже с углеродом в различных минералах карбида железа. И если под рукой нет других элементов, железо счастливо связывается само с собой в металлическом железе. Такой разнообразный портфель облигаций может показаться идеальным для основного элемента жизни. Но у железа есть недостаток. Он легко образует минералы с большими кристаллами, но избегает образования маленьких молекул. Жизнь требует огромного разнообразия молекул, с цепочками, кольцами, ответвлениями и клетками — трюки, которые железо редко применяет.

Итак, у нас остался углерод, самый универсальный, самый адаптируемый, самый полезный элемент из всех. Углерод – элемент жизни.

CODA

Какова наша роль в эволюционной схеме вещей, в великой углеродной симфонии? Люди одновременно и обычные, и уникальные. С одной стороны, мы всего лишь еще один эволюционный шаг в четырехмиллиардной истории, которая, вероятно, будет продолжаться еще долго после того, как наша родословная вымрет или превратится в какой-нибудь новый вид. Некоторые утверждают, что только мы способны радикально изменить климат и окружающую среду Земли, но фотосинтезирующие микробы, производящие кислород, и последовавшие за ними разнообразные зеленые растения изменили приповерхностную среду Земли гораздо более глубоким образом, чем любые действия человека.

Другие указывают на глобальное влияние человечества на континенты через строительство городов, дорог, шахт и ферм, но деревья и травы намного превосходят наше влияние на ландшафт. Некоторые говорят, что наш вид уникален в своем потенциале «разрушить планету», но повторяющиеся катастрофические удары астероидов и взрывные извержения мегавулканов имели гораздо более разрушительные последствия, чем любое оружие, изобретенное людьми.

В то же время наш человеческий вид обладает беспрецедентными способностями. Мы уникальны в истории жизни в нашем технологическом мастерстве, позволяющем адаптировать и изменять нашу среду в масштабах от локального до глобального. Мы уникальны в своем изобретательском использовании других видов животных, растений и микробов. Мы уникальны в нашем бурном желании и способности исследовать за пределами нашего мира, возможно, в конечном итоге колонизировать другие планеты и луны. И мы уникальны в своем влиянии на углеродный цикл Земли — цикл, который глубоко влияет на каждый аспект нашей планеты — землю, воздух, огонь и воду.

Люди уникальны среди форм жизни из-за бешеного темпа изменений, которые мы вносим. Мы изменяем планету со скоростью, намного превышающей скорость любого предшествующего вида — со скоростью, превышающей только внезапные катаклизмы извергающихся вулканов и падающих с неба камней. Микробам потребовались сотни миллионов лет, чтобы насытить кислородом атмосферу, и, возможно, еще миллиард лет, чтобы насытить кислородом океаны. Многоклеточной жизни потребовались десятки миллионов лет, чтобы колонизировать землю после первых предварительных вторжений.

Эти изменения были глубокими, но они произошли в течение геологических временных масштабов, которые позволили жизни и горным породам постепенно эволюционировать вместе. Экосистемы Земли удивительно устойчивы, но им нужны поколения для смены, развития и перезагрузки в ответ на новые условия окружающей среды. Если люди представляют уникальную угрозу для Земли, как опасаются некоторые ученые, то именно беспрецедентная скорость изменения окружающей среды несет в себе наибольший риск повреждения биосферы.

Тем не менее, камни и разнообразные микробы, живущие среди них, прекрасно справятся с любой травмой, которую мы можем причинить нашему дому и, непреднамеренно, нашему собственному виду. Земля будет продолжаться, жизнь будет продолжаться, и мощный процесс эволюции путем естественного отбора обеспечит, чтобы новые существа продолжали населять каждую нишу на планете.

Великая вечная симфония углерода объединяет все стихийные сущности — землю, воздух, огонь, воду. Ничто не существует изолированно; все являются неотъемлемыми частями целого. Земля выращивает твердые кристаллы углерода — прочные фундаментные камни как суши, так и океанов. Воздух содержит молекулы углерода, которые охватывают всех нас, вечно вращаясь, защищая и поддерживая жизнь. Огонь, рожденный углеродом, наполняет мир энергией, обеспечивая непревзойденное молекулярное разнообразие материального и живого мира. Вода, которая породила углеродную жизнь, питает эту жизнь по мере ее эволюции и излучается во все уголки земного шара. В крещендо изысканной гармонии и сложного контрапункта каждая сущность углерода воспевает и воспевается другими.

Люди научились навязывать свои собственные неотложные темы и постоянно ускоряющиеся темпы этой древней партитуре. Мы лишаем землю ее полезных ископаемых. Мы наполняем воздух своими отходами. Мы используем огонь, чтобы удовлетворить наши желания и потребности. Мы эксплуатируем изобилующую живой водной сферой, часто не заботясь о том, какие виды живут, а какие умирают.

Каждый из нас должен отступить от безотлагательного желания увидеть наш драгоценный планетарный дом как уникальное, но уязвимое жилище. Если мы будем мудры, если мы сможем умерить наши желания новым чувством благоговения и удивления, если мы сможем научиться лелеять наш восторженно прекрасный, богатый углеродом мир так, как он того заслуживает, тогда мы можем надеяться оставить непревзойденное, бесценное наследие. для наших детей, их детей и всех будущих поколений.

Это эссе взято из: Symphony in C: Carbon and the Evolution of (почти) всего (W.W. Norton & Co., New York, 2019) Роберта М. Хейзена.

Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Роберт М. Хейзен, доктор философии, старший научный сотрудник Геофизической лаборатории Института Карнеги и профессор наук о Земле Кларенса Робинсона в Университете Джорджа Мейсона. Он является исполнительным директором Deep Carbon Observatory.

Важность углерода для жизни

FutureLearn использует куки-файлы для повышения удобства пользования веб-сайтом. Все файлы cookie, кроме строго необходимых, в настоящее время отключены для этого браузера. Включите JavaScript, чтобы применить настройки файлов cookie для всех необязательных файлов cookie. Вы можете ознакомиться с политикой FutureLearn в отношении файлов cookie здесь.

Почему углерод важен для планеты? Подробнее читайте в этой статье доктора Тима Доэни-Адамса.

Жизнь на Земле была бы невозможна без углерода. Отчасти это связано со способностью углерода легко образовывать связи с другими атомами, придавая гибкость форме и функциям, которые могут принимать биомолекулы, такие как ДНК и РНК, которые необходимы для определяющих характеристик жизни: роста и репликации. Таким образом, молекулы углерода востребованы всеми организмами, что приводит к сложным углеродным циклам во всех живых системах.

Когда организм поглощает органические (углеродсодержащие) молекулы из окружающей среды, он может использовать их для:

энергия : при расщеплении молекул углерода высвобождается энергия, которая может управлять различными клеточными процессами (см. гликолиз на этапе 1.9)
производство : потребляемые молекулы углерода реструктурируются с образованием полезных биомолекул для процветания и роста организма

Глобальный углеродный цикл

Углерод обнаруживается и обменивается между глобальными резервуарами: атмосферой, океаном, биомассой наземных растений и почвой. Баланс углерода между этими резервуарами важен для жизни. Например, если бы в атмосфере не было углекислого газа, фотосинтезирующие организмы, такие как растения, не имели бы источника углерода и вымерли бы. В долгосрочной перспективе обмен углеродом между различными резервуарами уравновешивается, поэтому этого не происходит. Однако было показано, что изменения в атмосферном углероде в геологических временных масштабах вызывают (и управляются) изменениями глобальных температур.

Углерод в атмосфере обычно находится в форме двуокиси углерода (CO ₂) или метана (CH ₄). CO ₂ может поглощаться наземными и океаническими фотосинтезирующими организмами, а также может растворяться в океане с образованием угольной кислоты. Как показано на рисунке выше, процесс фотосинтеза играет важную роль в управлении потоком углерода из атмосферы в другие резервуары.

НАПОМИНАНИЕ : фотосинтез — это процесс, осуществляемый растениями (и некоторыми другими (микро)организмами), требующий CO ₂ , воды и солнечного света. Энергия солнца используется для преобразования CO ₂ в глюкозу, которая может использоваться растением для дыхания (энергии) и/или производства биомассы.

Океан хранит примерно в 50 раз больше углерода, чем атмосфера, что делает его крупнейшим резервуаром углерода. Кроме того, углерод быстро обменивается между океаном и атмосферой для поддержания равновесия. Это означает, что изменения уровня углерода в атмосфере могут быть буферизуется океаном: он будет выделять CO ₂, если уровень в атмосфере падает, или растворять CO ₂ из атмосферы, если уровень повышается.

Почва , возможно, является домом для самых сложных биологических сообществ на планете. Бактерии, археи, грибы, простейшие, нематоды и многие макроскопические виды образуют сети обмена ресурсами и энергией, в которых ключевую роль играет углерод. Углерод поступает в почву в виде молекул, вырабатываемых фотосинтезирующими организмами, такими как растения . Растения могут выделять углерод в почву через свои корни, что известно как экссудация или разложение , когда часть растения или все растение отмирает. Высвобождаются различные молекулы углерода, от относительно простых сахаров , которые быстро потребляются почвенным сообществом, до сложных органических полимеров, таких как лигнин , которые очень трудно расщепить и на которые нацелены специализированные организмы (в первую очередь грибы).

В зависимости от почвенных условий и состава сообщества микроорганизмы будут применять различные стратегии для извлечения энергии из приобретенного ими углерода. В почвах, лишенных кислорода, таких как затопленные водой, будут преобладать анаэробные формы дыхания, что может привести к выделению метана. С другой стороны, в условиях, богатых кислородом, будет преобладать аэробное дыхание, и CO ₂ будет выбрасываться обратно в атмосферу.

Роль человека в круговороте углерода

С конца 19 90 254 го 90 255 века люди извлекали ископаемый углерод для сжигания энергии. Выброс CO ₂ в атмосферу вызывает увеличение потоков углерода из атмосферы в фотосинтезирующие организмы и океаны. Хотя это ограничивает общее увеличение содержания CO ₂ в атмосфере, этого увеличения достаточно, чтобы способствовать недавнему значительному повышению глобальной температуры, которое влияет на всю жизнь. Кроме того, растворение избытка CO ₂ подкисляет океаны, что может повлиять на океанические биосистемы . Антропогенное влияние, например, из-за методов ведения сельского хозяйства, потери среды обитания и изменения климата, означает, что около 1 миллиона видов в настоящее время находятся под угрозой исчезновения во всем мире. Поэтому нам необходимо резко ограничить выбросы CO ₂, чтобы смягчить воздействие, которое мы оказываем на нашу планету через углеродный цикл. Мы более подробно рассмотрим сохранение видов в связи с изменением климата на этапе 3.19..

Эта статья из бесплатного онлайн-ресурса

Биология жуков, мозга и зверей

Создано

Присоединяйся сейчас

Наша цель — изменить доступ к образованию.

Мы предлагаем широкий выбор курсов от ведущих университетов и учреждений культуры со всего мира. Они предоставляются поэтапно и доступны на мобильных устройствах, планшетах и компьютерах, поэтому вы можете приспособить обучение к своей жизни.

Мы считаем, что обучение должно быть приятным, социальным опытом, поэтому наши курсы дают возможность обсудить то, что вы изучаете, с другими, помогая вам делать новые открытия и формировать новые идеи.
Вы можете разблокировать новые возможности с неограниченным доступом к сотням коротких онлайн-курсов в течение года, подписавшись на наш безлимитный пакет. Развивайте свои знания в ведущих университетах и организациях.

Узнайте больше о том, как FutureLearn меняет доступ к образованию

Жизнь в мире углекислого газа

НОВОСТИ И МНЕНИЯ
21 апреля 2021 г.

Микроорганизмы, живущие в гидротермальных источниках, которые выделяют углекислый газ, представляют собой поразительный пример метаболической тонкости. Этот путь проливает свет на микробную экологию в экстремальных условиях и дает ключ к пониманию ранней жизни на Земле.

Мартина Прейнер ⁰ и
Уильям Ф. Мартин ¹

Мартина Прейнер
1. Мартина Прейнер работает в Институте молекулярной эволюции Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Дюссельдорф 40225, Германия.
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed
Google ученый
Уильям Ф. Мартин
1. Уильям Ф. Мартин работает в Институте молекулярной эволюции Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Дюссельдорф 40225, Германия.
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed
Google ученый

Немногие химические вещества попали в заголовки газет так широко, что все знают их формулу, но диоксид углерода является исключением. Это настолько важно для понимания изменения климата, что мы признаем его сокращенное название CO ₂ как угрозу нашему будущему. Однако для большинства микробов CO ₂ выглядит скорее праздником, чем угрозой. В распоряжении микробов есть инструменты — пути фиксации CO ₂, — которые позволяют им включать CO ₂ в свою клеточную массу. Эти пути необходимы для жизни, потому что все экосистемы на Земле в конечном итоге зависят от клеток, которые производят органический материал из CO ₂ . Написание Nature , Steffens и др. . ¹ раскройте ключевые детали оригинального пути, который позволяет бактериям процветать в гидротермальной среде, окруженной газами, состоящими в основном из CO ₂ .

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Природа 592 , 688-689 (2021)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00977-1

Ссылки

Steffens, L. et al. Природа 592 , 784–788 (2021).
Артикул
Google ученый
Кребс, Х. А. и Мартин, А. Ганс Кребс, Воспоминания и размышления (Кларендон, 1981).
Google ученый
Фукс, Г. Анну. Преподобный Микробиолог. 65 , 631–658 (2011).
ПабМед
Статья
Google ученый
«>
Шарон И. и Бэнфилд Дж. Ф. Science 342 , 1057–1058 (2013).
ПабМед
Статья
Google ученый
Келлер, А., Шинк, Б. и Мюллер, Н. Фронт. микробиол. 10 , 2785 (2019).
ПабМед
Статья
Google ученый
Orsi, W. D. Nature Rev. Microbiol. 16 , 671–683 (2018).
ПабМед
Статья
Google ученый
Sossi, P. A. и др. Науч. Доп. 6 , eabd1387 (2020).
ПабМед
Статья
Google ученый
Sleep, N. H., Bird, D. K. & Pope, E. C. Phil. Транс. Р. Соц. B 366 , 2857–2869 (2011).
ПабМед
Статья
Google ученый
«>
Прейнер, М. и др. Природа Эколог. Эвол. 4 , 534–542 (2020).
ПабМед
Статья
Google ученый
Баросс, Дж. А. Nature 564 , 42–43 (2018).
ПабМед
Статья
Google ученый

Скачать ссылки

Прочтите статью: Высокий уровень CO2 приводит к тому, что цикл трициклических кислот смещается в сторону автотрофии.
Энергия из воздуха
Микробы вредят метаболизму, нацеливаясь на лекарства
Просмотреть все новости и просмотры

Углеродная жизнь: Углеродная жизнь | Наука и жизнь