Углерод

В последние два десятилетия слово «углерод» регулярно всплывает в публичных дискуссиях: оковы, когда-то державшие его в плену школьных учебников, ослабли, а потом и вовсе рассыпались в прах. Что такое углерод? Химический элемент с небольшим атомным радиусом, расположенный в правом верхнем углу периодической системы и обозначаемый символом C. Углерод не слишком распространен в природе: на его долю приходится всего 0,025 % массы земной коры. И тем не менее дебаты вокруг него ведутся столь бурные, как будто это самая настоящая валюта: сформировалась даже целая углеродная индустрия со своими бюджетами, бухгалтерией и рынками. Ни один другой элемент не привлекает такого внимания общества. Никому и в голову не приходит рассуждать о международных лимитах выброса аргона или проблемах избыточного использования калия. Другое дело – углерод. Этот скромный элемент – настоящий мастер перевоплощений, который благодаря своей гибкости и многоликости служит одним из главных строительных кирпичиков всего живого. Оседлав океаническую машину, он кружит по планете во множестве обличий как непременный участник всех важнейших биологических и физических процессов. Люди далеко не сразу осознали уникальную значимость углерода – слишком уж непохожи его модификации и трудно догадаться, что все это разные маски одного и того же элемента. И пожалуй, немудрено, что первые серьезные подступы к этому открытию носили характер довольно экстравагантных экспериментов. Бриллианты не навсегда

В 1770-х годах Париж был не самым веселым местом на свете. При всем могуществе и богатстве французского государства деньги и власть принадлежали почти исключительно королю и аристократии. Крайне запутанная система податей, построенная по регрессивному принципу, больнее всего ударяла по простому народу, а львиную долю доходов казны пожирал расточительный двор. Цены на хлеб росли, население голодало. Вступивший на престол в 1774 году Людовик XVI и его супруга Мария-Антуанетта начали свое правление с того, что попытались облегчить положение крестьян, но реформы застряли на полдороге. Среди бедноты все сильнее зрело возмущение против сословных привилегий. Тем временем дворянство продолжало жить своей жизнью, вволю предаваясь любимым развлечениям. Просвещенная знать проявляла интерес к наукам. Как раз тогда Французская академия наук – основанная Людовиком XIV организация с четким иерархическим укладом – озаботилась разрешением загадки, над которой исследователи бились еще с прошлого столетия: почему алмазы при нагревании «испаряются»? Казалось бы, алмаз – драгоценный камень редкостной красоты, отличающийся исключительной твердостью, и нет в природе минерала, которым можно его поцарапать. Разве он может бесследно исчезнуть? Решив во что бы то ни стало докопаться до истины, ученые мужи принялись ломать голову над природой алмаза. Академия учредила специальную рабочую группу, в состав которой вошел молодой Антуан Лавуазье – выдающийся естествоиспытатель, заложивший основы подлинно научного анализа веществ и признанный сегодня отцом современной химии.

Избранный метод имел научное обоснование, хотя при желании его можно было расценить как издевательскую насмешку в адрес обнищавшего народа. План состоял в следующем: Лавуазье и его коллеги приобретут изрядное количество алмазов, а затем – добросовестно, со всей академической строгостью и тщательностью – их сожгут. Заинтересованные в исходе опытов ювелиры и знатные особы вызвались добровольно предоставить драгоценное сырье. Некоторые даже присутствовали на экспериментах лично, наблюдая, как их состояние в буквальном смысле сгорает у них на глазах. Воспламенять образцы ученые решили при помощи пучка сфокусированных солнечных лучей, для чего раздобыли необыкновенно большую линзу диаметром 80 сантиметров. Дождавшись ясной погоды, приступили к делу. Алмазы помещали в фарфоровую чашку и «поджаривали» в разных условиях: как в вакууме, так и в присутствии воздуха или кислорода. Опыты производились под стеклянным колоколом, что позволяло определять состав получившегося газа^[211]. Поэтапно анализируя сделанные наблюдения, Лавуазье установил, что исчезновение алмаза объясняется именно его сгоранием, а не испарением, причем продукт сгорания неотличим от газа, образуемого при сжигании равного количества древесного угля. Вывод напрашивался сам собой: баснословно дорогой камень и обычный уголь состоят из одного и того же элемента. А значит, углерод может принимать совершенно различный облик. В наши дни это известно каждому школьнику: атомы углерода способны встраиваться в невероятно прочную кристаллическую структуру, образуя алмаз, между тем как другая, слоистая форма организации тех же атомов дает графит – темно-серое вещество с резко непохожими свойствами. Похоже, Лавуазье и сам не вполне поверил в результаты своих опытов. Во всяком случае, вскоре он переключился на другие проекты, а этот до логического завершения так и не довел^[212]. Но французский ученый нащупал главное. Он понял, что углерод – настоящий хамелеон по части модификаций: может соединяться с кислородом и превращаться в диоксид углерода (углекислый газ)^[213], а может существовать в свободном состоянии в виде самого твердого на свете или, наоборот, очень мягкого вещества. В дальнейшем человечеству предстояло открыть и целый ряд других ипостасей этого удивительного элемента.

Как мы сегодня знаем, важнейшая черта атомов углерода – умение сцепляться друг с другом в длинные нити, имеющие вместе с тем достаточно вакантных мест, чтобы к углеродному скелету могли примкнуть другие элементы и даже целые их гроздья. Каждый атом углерода может одновременно образовывать связи с четырьмя другими атомами и за счет этого создавать бесчисленное множество пространственных структур: линейных и разветвленных цепочек, замысловатых колец и их комбинаций. В этот каркас могут встраиваться атомы других элементов, например кислорода и азота, – количество вариантов «сборки» поистине неисчерпаемо. Ни один другой элемент не способен порождать такое многообразие молекулярных соединений, столь разных по величине и конфигурации. Из-за высокой химической активности «чистый» углерод встречается в природе сравнительно редко. В атмосфере и гидросфере мы обычно находим его в паре с кислородом – в виде вещества, известного как диоксид углерода или углекислый газ.

Упомянутые соединения – органические молекулы – обладают еще одной принципиальной особенностью: чтобы изъять углерод из окружающей среды, где он существует в виде углекислого газа, и встроить его в это буйство молекулярных форм, необходимо заплатить «дань». Средством оплаты служит энергия. Без нее никакую углеродную конструкцию не собрать. Важнейшая роль тут принадлежит растениям: аккумулируя солнечную энергию, они расходуют ее на строительство сложных органических соединений на основе углерода. Этот процесс носит название фотосинтеза. Вполне естественно, что когда дело доходит до распада любых подобных структур и атомы углерода возвращаются в стабильную форму углекислого газа, то происходит обратный процесс: высвобождение энергии. Таким образом, любая сложная органическая молекула – хитроумный конгломерат, нанизанный на углеродную нитку, – является хранилищем сырья (питательных веществ) и энергии. Оба этих ресурса жизненно необходимы для биологических мини-фабрик, которые мы именуем клетками.

Атомы углерода повсюду. Прямо сейчас, когда я пишу эти строки, концентрация углекислого газа в окружающем меня воздухе составляет где-то 419 частиц на миллион^[214]. Что касается земной тверди, то в горных породах углерода не особенно много, зато в почве он присутствует в огромных количествах. Когда по той или иной причине органика накапливается, не разлагаясь (как в торфяном болоте), со временем могут образоваться поистине колоссальные залежи сложных углеродных соединений. Молекулы, построенные на углеродном скелете, – основа всей живой материи, недаром человеческое тело примерно на 18,5 % состоит из углерода. При таких количествах углерода нам как будто не может грозить его дефицит. А если вдруг возник избыток, так ведь живые организмы не обязаны его использовать. Откуда же тогда столько разговоров об углеродном балансе?

Углерод действительно чрезвычайно важен для жизни и вплетен во все биологические ткани, но вместе с тем существенно влияет и на физические процессы. Чтобы лучше понять, о чем идет речь, нам потребуется предельно широкий ракурс. Давайте мысленно поднимемся над Землей, и ее атмосферой, и Луной – и взглянем на Солнечную систему из далекого космоса.

Из этого черного безмолвия нам будет удобно наблюдать за тем, как неторопливо вращаются шестерни космического механизма. Центральный герой спектакля – Солнце, в котором сосредоточено 99,86 % всей массы Солнечной системы. Планеты вращаются вокруг этого плотно сбитого тяжеловеса, удерживаясь на своих орбитах силой взаимного притяжения. Любуясь грандиозной картиной, мы непременно обратим внимание на разительный контраст между небесными телами и практически полной пустотой между ними. Каждая из планет, танцующих вокруг звезды, есть своеобразный сгусток вещества – сферический мир, населенный триллионами и триллионами атомов. Природа располагает эти частицы в определенном порядке, соответствующем твердому, жидкому и газообразному состоянию, складывая из них горы, вулканы, атмосферные покровы… Но каждая планета остается одиноким странником в космической ночи. А Солнце прорезает эту тьму светом, несущим энергию. Достигнув небесного тела, лучистая энергия может быть усвоена и преобразована в тепло или энергию химических связей, что активизирует все планетарные процессы. Вместе с тем часть солнечной радиации может уходить обратно в космос, преимущественно в форме инфракрасного излучения. Каждая планета – своего рода энергетическая ванна, которая наполняется потоком, льющимся из «крана» (Солнца). Инфракрасный свет распространяется во все стороны и утекает в космическое пространство, действуя как сливное отверстие. А значит, мы вправе задаться вопросом: каково количество энергии в этом резервуаре, или ванне? Если условия на интересующей нас планете стабильны, приток энергии уравновешен оттоком. Другими словами, уровень ванны остается постоянным, несмотря на непрекращающиеся процессы энергообмена. Учитывая, что основная масса энергии удерживается в форме тепла, за обобщенную меру количества энергии на планете можно принять температуру. Заполненная до краев планетарная ванна будет иметь более высокую температуру, чем полупустая. И тут в дело вступает еще одна уникальная особенность углерода.

Интенсивность поступления лучистой энергии зависит от размера планеты и ее расстояния от светила. Так как оба параметра фиксированы, то норма притока энергии, льющейся из солнечного крана, неизменна. Скорость оттока, напротив, может меняться в зависимости от характера атмосферы, окружающей ту или иную планету. Если атмосфера препятствует утечке тепла, то сливное отверстие оказывается сравнительно небольшим – в итоге энергетическая ванна успевает довольно заметно наполниться, прежде чем исходящий поток сравняется с входящим^[215]. Иначе говоря, планета нагревается. Эффективно задерживать тепловую энергию способны далеко не все газообразные вещества. Лучше всего с этим справляются водяной пар и углекислый газ^[216].

Атмосфера соседней с нами Венеры более чем на 96 % состоит из углекислого газа, так что сливное отверстие планетарной ванны здесь крошечное. А потому Венера неуклонно накапливала тепловую энергию, все более нагреваясь, пока не раскалилась до нынешней температуры 464 °C, когда излучаемое тепло наконец пришло в равновесие с теплом, поступающим от Солнца. Так выглядит парниковый эффект в его крайнем проявлении: канал для отвода энергии в космос почти полностью заблокирован.

У нас на Земле картина принципиально иная, хотя на начальном этапе существования обе планеты были почти близнецами. Без атмосферы (или при отсутствии в ее составе углекислого газа) тепловая энергия с поверхности нашей планеты могла бы беспрепятственно улетучиваться в космос и средняя температура составляла бы порядка –18 °C, а вовсе не 15 °C, как сегодня^[217]. Так что умеренный парниковый эффект нам просто необходим, поскольку предохраняет Землю от остывания. В противном случае она была бы необитаемой ледяной пустыней. Чтобы ограничить отток тепла и создать на планете комфортную для нас температуру, всего-то и понадобилось, что немного водяного пара (0,2–4 % от суммарного объема атмосферы) и углекислого газа (0,04 %). И вот тут мы подходим к самому неприятному. Дело в том, что сливное отверстие планетарной ванны очень чутко реагирует на количество углекислого газа в атмосфере^[218]. Даже минимальное увеличение концентрации существенно усиливает «подогрев» поверхности. Вот почему так важно контролировать уровень углерода в атмосфере: от этого напрямую зависит температура Земли.

Атмосфера – далеко не единственный резервуар углерода. Запасы этого химического элемента присутствуют также в океане, в почвах, в живых организмах. Словом, углерода вокруг нас полно. Углерод многолик и вездесущ. Он претерпевает бесконечные метаморфозы: постоянно кочует между экосистемами суши и океана, переходит из диоксида углерода в сахара, а оттуда в белки и снова в углекислый газ. Но для температуры на нашей планете существенно лишь одно: содержание этого элемента в атмосфере. Потому-то так и важен пресловутый углеродный баланс. Количество атомов углерода на Земле фиксировано, и только строго определенная часть общей массы участвует в геохимическом круговороте, циркулируя между живой материей, океаном, атмосферой и сушей. А значит, единственный способ понять, сколько этих частиц присутствует в данный момент в атмосфере с высокой вероятностью там остаться, – вести учет количества всех прочих атомов углерода. Куда и с какой скоростью они мигрируют? Когда ожидается их возвращение в атмосферу в виде углекислого газа? Их текущая дислокация – вопрос далеко не праздный, если нас волнует состояние того самого резервуара, который определяет планетарную температуру. Где же обитают эти атомы? Думаю, вы не удивитесь, узнав, что львиная их доля находится в океане и путешествует в качестве пассажиров сквозь водную толщу.

Но прежде внутрь этой жидкой машины надо как-то проникнуть. И если мы хотим зафиксировать процесс перехода атомов углерода из атмосферы в океан, то должны обратить самое пристальное внимание на границу раздела двух сред. Иногда газообмен между океаном и атмосферой протекает мерно и упорядоченно. А иногда случаются драматические события, в результате которых углеродные пассажиры лавиной врываются в океан, так что этот поток почти невозможно отследить.