Жизнь углеродная: Углеродная жизнь | Наука и жизнь

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.

Ученые исследовали свойства лезвийных гибридов из графена и углеродной нанотрубки


11 мая, 2022 12:40


Источник:

Научная Россия


Российские ученые с помощью методов компьютерного моделирования провели исследование того, как сильные электрические поля влияют на характеристики лезвийных гибридов: тонкая углеродная трубка (1D-компонент) с присоединенным длинным листом графена (2D-компонент), выступающим в качестве лезвия атомарной толщины. Получающиеся в итоге квази-1D-структуры не только сочетают в себе свойства обоих компонентов, но и обнаруживают синергетический эффект. Он заключается в значительном улучшении некоторых характеристик, что делает подобные гибриды перспективными при создании новейших опто- и наноэлектронных устройств. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanotechnology.


Поделиться


Атомистическая модель соединения графена и трубки в составе лезвийного гибрида. Источник: Slepchenkov & Glukhova / Nanotechnology, 2022


В последние десятилетия углеродные нанотрубки (УНТ) и графен привлекают особое внимание исследователей во всем мире. Все дело в их уникальных физических характеристиках: высокой электро- и теплопроводности, отличной подвижности носителей зарядов, прозрачности, прочности и гибкости. Соединение двухмерной и одномерной углеродных наноструктур позволяет не только объединить их полезные свойства, но и получить новые, что важно при применении гибридов в качестве компонентной базы электронных и оптических устройств нового поколения.


«Например, такие гибридные структуры оказываются прочнее, чем просто графен — УНТ служит своего рода ребром жесткости, — а также эффективнее в качестве полевых транзисторов и фотоэлементов. Однако, прежде чем перейти к стадии массового синтеза подобных гибридов, необходимо провести прогностическое компьютерное моделирование (in silico), которое позволит выявить оптимальные  геометрические и электронные характеристики, обеспечивающие стабильную и эффективную работу гибрида в составе наноустройств», —  рассказывает Михаил Слепченков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ. 


Именно в ходе таких виртуальных экспериментов сотрудники Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского (Саратов) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) изучили, как на гибридные структуры из УНТ и графена влияет сильное электрическое поле. Оно необходимо для работы полевых холодных катодов, в которых под его действием происходит эмиссия электронов, и в результате получается электрический ток. Источником электронов в данном случае выступает лезвийный гибрид. Атомарная толщина графена обеспечивает большие токи, а контакт листа с трубкой предотвращает разрушение структуры. В совокупности все это гарантирует стабильную работу катода и повышенную долгосрочность.

С помощью молекулярно-динамического моделирования и квантово-механических методов исследователи выяснили, как ведет себя лезвийный гибрид при наложении сильного электрического поля напряженностью 1–10 В/нм и выше. Оказалось, что уже при 1,5 В/нм в атомной структуре гибрида появляются первые дефекты, а с повышением напряженности поля происходит полный отрыв лезвия-графена от нанотрубки. Это происходит потому, что механическая сила электрического поля заставляет лист вибрировать, а трубку деформирует, вынуждая ее сжиматься и растягиваться с определенной периодичностью. В определенный момент происходит разрушение лезвийного гибрида.


«Вектор дальнейших исследований ориентирован на изучение физических свойств пленок на основе графен-нанотрубных квази-1D-гибридных структур. Предполагается, что такие изделия будут представлять собой регулярно расположенные лезвийные гибриды. Предстоит провести прогностическое in silico исследование с позиции выявления оптимального расстояния между наноструктурами для обеспечения максимально возможного электрического тока», — подводит итог руководитель проекта по гранту РНФ Ольга Глухова, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета.

Теги

Инженерные науки, Спецпроект

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 точки 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

    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 90 244 го 90 245 века люди извлекали ископаемый углерод для сжигания энергии.