Диета без фосфора? Колонка в КомпьютерреOnline #42

У своїй минулій колонці я не став обґрунтовувати твердження, що в найближчому майбутньому людству доведеться змінювати відносини із середовищем. Чесно кажучи, ця ідея здається мені якимось «загальним місцем». Але навіть дискусія на сайті показала, що багато думок треба обговорювати з усією ґрунтовністю.

Тут я обговорю одне просте твердження. Багато розумних людей, залучених до технологічного прогресу, вважають розмови про вичерпання невідновних ресурсів недалекими. Історія показує, що в міру розвитку людства відносна важливість ресурсів змінюється. Може, треба турбуватися не про збереження нинішніх ресурсів, а про прискорений перехід до фази, коли вони вже не знадобляться?

З частковою слушністю такого підходу не можна не погодитися, але, щоб уникнути пастки невірного розуміння, важливо ретельно обговорити деталі. Давайте розбиратися не поспішаючи.

Специфіка нашого виду полягає в тому, що для його сучасного стану критично важливі невідновні ресурси.

На Землю ллється потік сонячної енергії; на поверхні нашої планети цей потік багаторазово перетворюється і, зрештою, покидає її у вигляді теплового, низькоенергетичного випромінювання. Цей потік перетворюється живою речовиною, атмосферою та гідросферою Землі, запускаючи по всій її поверхні кругообіги речовин. На жаль, повністю замкнути кругообіг речовини неможливо: у будь-якому разі якась частка речовин розсіюється. Куди потрапляє речовина, що «загубилася», наприклад, у якійсь підмосковній діброві? Води дощів і річок знесуть її до моря, де вона поховається в осадових породах.

Тому крім сонячного потоку енергії для життя на нашій планеті важливий інший потік, який ми назвали хтонічним. Це розсіювання материнської, споконвічної енергії Землі. Ця енергія рухає континенти, здіймає гори, викликає виверження вулканів. Хтонічні сили піднімають осадові породи з дна океанів, підставляють їх під руйнівну дію живих організмів, води й повітря й тим самим поповнюють убуток необхідних для життя елементів на земній поверхні.

Поки зрозуміло? Так ось, усі види, крім нашого, вбудовані в якісь комірки цього кругообігу. Активність процесів у кожній комірці обмежена вхідними в неї потоками енергії та речовини.

Ми (фанфари!) вийшли за межі, якими обмежений будь-який інший вид. Ми використовуємо не лише сонячну енергію, яка ллється на Землю зараз, але й ту, яка надходила в геологічному минулому. Ми зараз живемо насамперед завдяки енергії горючих копалин. І треба визнати, що надовго законсервувати таку ситуацію не вийде.

У 1956 році американський геофізик Кінг Хабберт описав динаміку нафтовидобутку. Колись нафту використовували зовсім мало. Потім вона стала «кров'ю» економіки, і її видобуток став зростати. Розвідувалися нові запаси, розширювався видобуток у відомих родовищах. З часом розвідані запаси почнуть скорочуватися. Підвищення цін на нафту викликатиме розробку все складніших родовищ, але рано чи пізно нафтовидобуток зійде нанівець.

Раз якийсь процес зростає на початку своєї історії й знижується наприкінці, отже, десь посередині в нього є максимум. Хабберт припустив (загалом, довільно), що крива нафтовидобутку має описуватися кривою Гаусса. Для території США пік Хабберта був пройдений у 1971 році, а для світу в цілому - як здається, у 2006-му. Невпевненість у датуванні піку пов'язана і з впливом кризи, і з тим, що реальна крива нафтовидобутку все-таки має значно складнішу форму, ніж гаусіана.

Чи означає «кінець нафти» крах економіки? Імовірно, ні. Звісно, зростання цін на нафту може викликати багато економічних пертурбацій, але можна сподіватися, що зруйнувати цивілізацію вони не зможуть.

З іншого боку, подумайте: ще пару століть тому нафта не вважалася стратегічною сировиною. Ми знаємо, що технологічний розвиток є прискорюваним. Чи варто думати, що через століття нафта буде така важлива для нас, як і сьогодні?

Наведу аналогію. Росія увійшла в роль головного постачальника газу до Європи, для якого газовий вентиль - серйозніша зброя, ніж танки й ракети. Але однією із загроз для ролі газового монополіста виявляються технології отримання сланцевого газу. Найбільші запаси цієї сировини розташовані в Україні та Польщі. Чим жорсткіше Росія виконуватиме соло на трубі, тим вагомішими виявляться стимули для розвитку сланцевої енергетики в її південно-західних сусідів.

А тепер уявіть собі, що нарешті виявляться правдивими чергові повідомлення про успішну (і енергетично вигідну!) реалізацію технології холодного термоядерного синтезу! Як це відіб'ється на нафтовій енергетиці? Чи так важливо трепетно триматися саме за ті ресурси, які ми використовуємо сьогодні?

А які з ресурсів є незамінними? Ну, наприклад, технологічні метали (відповідно до поглядів Джона Ліфтона). Щоб зробити літак, потрібні титан і реній. Для акумуляторів - літій і лантан. Для ПК - германій, галій, індій, європій і багато чого ще. Для паливної комірки водневого автомобіля - платина й паладій. Чому ці метали дорожчають? Тому що їхній запас, доступний для людства, надзвичайно обмежений. Звісно, у ядрі Землі їх багато, але для видобування не вистачить ні енергії, ні технологій, ні поверхневого запасу технологічних металів.

Може, коли людство вичерпає запаси платини й паладію, воно розробить каталізатори, ну, скажімо, з кремнію? Через двадцять хвилин після того, як написав попереднє речення, знайшов майже ідеальне підтвердження висловленої ідеї. Отже, сподіватимемося, що нинішні критичні потреби в технологічних металах з часом послабнуть. Однак, імовірно, на зміну їм прийдуть нові.

Але тут я хочу найдетальніше обговорити одну надзвичайно важливу технологію.

Ця технологія безперечно критична. Потреби в необхідних для неї елементах мають бути забезпечені будь-якою ціною, їхня заміна неможлива. Споживання цих елементів не можна скоротити нижче за певний рівень. Ви зрозуміли, про що я говорю? Про саме життя, точніше - ті біологічні процеси, які лежать в основі нашого існування.

Для життєдіяльності кожної клітини необхідний певний набір елементів-біогенів. Їхній список великий, але очевидно, що вони різняться за критичністю. Найкритичніший - фосфор.

Фосфор абсолютно необхідний для кожної клітини. Так, основою ДНК є ланцюжок моносахаридних залишків, з'єднаних залишками фосфорної кислоти.

Порівняймо оборот цього елемента в природному лісі й на полі. У лісі є певний запас фосфору. Поїдаючи одне одного, організми передають одне одному його атоми. Коли вони відмирають, фосфор надходить у ґрунт, звідки швидко повертається до складу живої речовини. Вода, що витікає з лісу в сильний дощ, забирає якусь кількість фосфору, але вона дуже невелика й компенсується надходженням фосфору з гірських порід, що руйнуються.

На полі ситуація зовсім інша. Урожай, у якому накопичено значну кількість фосфору, вилучають і вивозять казна-куди. Якщо убуток фосфору не компенсувати, родючість поля катастрофічно впаде. Що робити? Вносити добрива. Суцільно й поруч фосфор вносять у кількості, що набагато перевищує вилучення, тому що надлишок цього елемента підстьобує ріст рослин. Звідки беруть фосфор для добрив? Вилучають із фосфоровмісних гірських порід. При першому ж дощі значна частина внесеного фосфору вимивається з поля, зноситься в річки (викликаючи там цвітіння води), і, зрештою, потрапляє в океан. Отже, на оборот фосфору впливають чи не всі процеси в біосфері.

Як курйоз скажу, що не так давно в озері Моно в Каліфорнії була знайдена гамма-протеобактерія з родини Halomonadaceae, яка замість атомів фосфору використовує (у тому числі при побудові ДНК) миш'як! Це озеро отруєне величезними кількостями миш'яку, але життя, як виявляється, може пристосуватися навіть до такого середовища. Однак для нас (і для тих організмів, які ми їмо) миш'як - найсильніша отрута. Нам потрібен фосфор.

Людство багаторазово прискорило переміщення фосфору в осадові породи. Поки цей процес компенсується його надмірним вилученням із родовищ фосфоровмісних порід. Але чи надовго їх вистачить?

З цього приводу цінні дані наведені у статті Олексія Гілярова, що переказує, у свою чергу, редакційну статтю журналу Nature.

Ми вже пройшли пік видобутку фосфорних добрив. Їхнє виробництво зменшується, у розробку йдуть бідні, незручні для використання, забруднені джерела фосфору. На якісь десятиліття їх вистачить. А потім?

А що буде потім, насправді не знає ніхто. Той фосфор, який ми розсіяли по біосфері й який спочив на дні океану, став для нас недоступним. Щоб його підняти й концентрувати, потрібні колосальні витрати енергії - яких немає і, загалом, не передбачається.

Як виміряти доступність фосфору в планетарних масштабах? Планетарна доступність фосфору = (Кількість атомів фосфору в кругообігу в екосистемах + кількість концентрованих атомів фосфору в доступних для розробки породах) / кількість розсіяних атомів фосфору в океанських відкладеннях. Очевидно, що з кожним роком (що там роком - з кожним днем, з кожною годиною!) доступність фосфору знижується. Нашій активності з розробки фосфатних родовищ і розсіювання цього елемента протидіють лише небагато процесів. Серед них - винесення фосфору на сушу з послідом рибоїдних птахів. Найбільші запаси такого розкладеного посліду були накопичені в Південній Америці. Цей продукт називають гуано (ви без труднощів підберете близький за звучанням і за змістом український термін). Так ось, південноамериканські запаси гуано підірвані - людина використала їх набагато швидше, ніж вони відновлювалися.

Головний процес, який міг би підвищити планетарну доступність фосфору, - підняття донних осадових порід на денну поверхню з подальшою їх ерозією та розробкою. У цьому процесі задіяні колосальні хтонічні енергії. Тим не менш він на порядки слабший за людську діяльність! За рік ми розсіюємо фосфор, сконцентрований хтонічними силами за величезні проміжки часу.

Ті заходи, про які ми можемо помислити, не підвищують доступність фосфору, а лише сповільнюють швидкість її зниження. Так, можна ощадливіше витрачати фосфорні добрива. Насправді сприятливий вплив справить навіть просто їх значне подорожчання. Воно вже почалося, і зрозуміло, що фосфорні добрива тільки зростатимуть у ціні. Ще не до такої міри, щоб продавати золотце й закуповувати суперфосфат, але вже настільки, щоб всерйоз думати про економію.

Можливо, колись вода, що витікає з районів землеробства, буде фільтруватися через потужні зарості якихось водоростей, можливо, навіть генетично модифікованих. Водоростева біомаса зв'язуватиме фосфор та інші біогени, а потім її вилучатимуть і використовуватимуть як добрива. Але навіть цей захід лише сповільнить зниження планетарної доступності фосфору, а не оберне його назад!

Як забезпечити невиснажливий розвиток людства на тлі безперервного зниження доступності фосфору? Я не знаю, і припускаю, що цього не знає ніхто.

Але думати про це треба вже зараз.