Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы бесплатное чтение

Анья Рёйне
Химия человека
Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Anja Røyne

MENNESKETS GRUNNSTOFFER

Byggeklossene vi og verden er laget av

Перевод опубликован с согласия Stilton Literary Agency

Перевод с норвежского Дарьи Гоголевой

Научный редактор: А. В. Спиридонов, старший научный сотрудник кафедры динамической геологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

© Anja Røyne, 2018

© Гоголева Д., перевод на русский язык, 2021

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2021

КоЛибри®

* * *

Увлекательнейший обзор самых разных тем, начиная с дыхания и заканчивая исследованиями космоса, – серьезная наука, поданная в предельно доступной для понимания форме.

Эндрю Круми, шотландский писатель, доктор физических наук

Физик Анья Рёйне объясняет, какую роль играют различные элементы в организме человека, и вместе с нами посещает самые разные места по всему миру, где можно эти элементы найти.

Publishers Weekly

Отличный образец научно-популярной литературы: Рёйне помещает новые знания в более широкий контекст – в большие актуальные дискуссии об обществе и будущем нашей планеты. Это не просто хорошо написанный рассказ о химических элементах, это книга о том, как быть человеком на Земле сегодня.

Осмунн Эйкенес, норвежский биолог, член жюри премии Браги

Это не просто ликбез по химии, это книга, в которой подробно рассматривается воздействие человека на планету и то, чему мы можем научиться у природы.

School Library Journal

Введение
Наше опасное отношение к своей планете

Мы с вами – часть жизни, когда-то зародившейся на нашей планете. Наши тела состоят из атомов, образовавшихся одновременно со Вселенной. Мои дети растут, и их тела строятся из химических элементов, содержащихся в почве, воде, горных породах, воздухе. Когда-нибудь атомы моего тела станут елями, ледниками и гранитом.

Но каждый из нас – это не просто тело. Точно так же, как и мои пальцы, важна одежда, которую я ношу, дом, в котором живу, и нож, которым режу хлеб. Не будь рудников и бульдозеров, благодаря которым производятся минеральные удобрения и продукты питания, вы, вероятно, никогда не появились бы на свет.

У каждого из окружающих нас предметов и материалов, из которых они изготовлены, своя роль в уникальном явлении, созданном людьми, – нашей цивилизации. И мне нравится цивилизация. Нравится жить в теплом доме и бывать в новых для меня местах. Я едва ли представлю свою нынешнюю жизнь без всех имеющихся в мире знаний, доступных по одному нажатию кнопки, хотя, когда я росла, на полках стояли энциклопедии, а в почтовом ящике лежали написанные от руки письма.

Каждый день появляются новые дома, новые мобильные телефоны, новые люди. Невероятно, как это все происходит. Но где взять кирпичики, из которых строятся вещи, еда и люди? Из чего все это сделано? Неужели когда-нибудь кирпичики на нашей планете кончатся и все остановится?

Мы много говорим об окружающей среде. О том, как наше потребление влияет на воду, почву и воздух. О том, что разные виды животных вымирают с той же скоростью, как и тогда, когда падение огромного метеорита уничтожило динозавров. О том, что в океане столько мусора, что когда-нибудь пластика там окажется больше, чем рыбы. Не меньше внимания мы уделяем нефти и углю, которые сжигаем на электростанциях и в автомобилях, – они вот-вот изменят климат, и многие территории на Земле в ближайшем будущем станут непригодными для жизни.

От разговоров о разрушении окружающей среды я ощущаю собственное бессилие. Где мое место в этой картине мира? Я виновата, что целые виды вымирают? Какой мир я оставлю своим детям? Что можно сделать – не только для того, чтобы облегчить себе совесть, но и на самом деле повернуть развитие мира в лучшую сторону? Я написала эту книгу, чтобы мы с вами поговорили о том, к каким последствиям – одновременно невероятным и катастрофическим – приводит появление на свет вещей, продуктов питания и в конечном итоге нас самих. Для начала поймем, о чем мы говорим, а затем примемся за поиск решений, важных для тех, кто придет после нас.

1
История мира и химических элементов в семи днях

История химических элементов начинается с появления на свет Вселенной. История долгая, почти необъятная, если сравнивать с доступным человечеству временем. Поэтому, взяв за основу рассказ о сотворении мира, я уложу свою историю в семь дней.

Миллиард лет уместится в половину суток, миллион лет – в 3/4 минуты, а тысяча лет пройдет за 0,44 секунды. Вселенная родилась 13,8 миллиона лет назад, но в нашем повествовании будем считать, что время появилось, когда стрелки часов перевалили за полночь в ночь на понедельник. Пока вы читаете эти строки, часы бьют полночь и воскресенье заканчивается^[1].

Понедельник: рождение Вселенной

В самом начале не существовало ни времени, ни пространства. Никто в мире не знает, как и почему все началось. Но сначала произошел Большой взрыв. Он выбросил энергию во все уголки новорожденной Вселенной. Вначале царил хаос, а затем молодая Вселенная оказалась под контролем известных нам законов природы^[2].

Пыль у меня дома собирается в клочья – это лишь вопрос времени; схожим образом во Вселенной стали образовываться сгустки энергии. Эти сгустки, или частицы, энергии мы называем массой: материя, вещество, осязаемое, то, что во Вселенной создает все, что теоретически можно взять и потрогать.

Мое тело, вещи и планета, на которой мы живем, – все, что нас окружает, состоит из атомов. Атомы состоят из частиц трех видов: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют атомное ядро. Если ядро избавится или, наоборот, добавит себе несколько протонов, атом станет другим химическим элементом^[3]. Изначально в атоме столько же электронов, сколько протонов, но электроны вращаются на орбитах – атомы обмениваются ими во время химических реакций.

Протоны, нейтроны и электроны образовались в раскаленной мешанине энергии и массы, которую представляла из себя юная Вселенная. Протоны и нейтроны склеились и стали ядрами атомов таких химических элементов, как водород, гелий и литий. У этих наиболее мелких и легких элементов в ядрах соответственно один, два и три протона. Сегодня водород – важнейший кирпичик для воды и тех органических молекул, из которых состоят живые существа. Ваши тела примерно на 10 % состоят из водорода – таким образом, род мы ведем прямо от рождения Вселенной.

Через 16 секунд после полуночи Вселенная более или менее остыла: электроны прикрепились к атомным ядрам и связь не распадалась в то же мгновение. А значит, и свет впервые стал свободно перемещаться по Вселенной и ему не препятствовали раскаленные электроны. Вот так почти сразу после полуночи во Вселенной появился видимый свет, хоть и смотреть на него было некому.

В течение следующих 12 часов распределенная по Вселенной масса продолжила образовывать сгустки. Из атомов образовались огромные облака, и еще до трех часов утра скопления этих облаков превратились в первые галактики. Одна из них станет Млечным Путем, домом человечества. Сегодня Млечный Путь – одна из более чем двух триллионов галактик Вселенной.

В шесть часов утра некоторые облака атомов так увеличились в размерах, что под их собственным весом произошел коллапс – они сжались в объеме и уплотнились. Так появились первые звезды^[4]. В одной из них – значительно более крупном по сравнению с нашим Солнцем сгустке материи – оказались атомы водорода: они превратятся в кислород, который вы только что вдохнули.

Вес окружающих атомов с огромной силой притянул друг к другу атомы водорода. Из-за этого от ядер оторвались первые электроны. Затем давление стало столь мощным, что ядра водорода слились в одно целое, образовав атомы гелия. Из-за слияния выделилось огромное количество энергии, нагревшее скопление атомов. Так оно стало светящейся звездой. Сегодня на Солнце протекает тот же самый процесс. Когда вы смотрите в окно, вам в глаза попадает свет, идущий от атомных ядер, сливающихся в недрах Солнца.

Постепенно большинство ядер водорода превратились в гелий, и количество высвобождаемой в недрах звезды энергии сократилось. У центра звезды не было силы сопротивляться давлению окружающей материи. Произошел коллапс. Так начался новый этап жизни звезды. Из-за коллапса атомы гелия оказались так близко друг к другу, что вновь стали сливаться. Три ядра гелия (по два протона в каждом) стали одним ядром углерода с шестью протонами. Затем ядро углерода соединилось с еще одним ядром гелия – образовалось ядро с восемью протонами. Это кислород, чей атом вместе с ядром в данный момент движется к вашему мозгу в красном кровяном тельце^[5].

Внутри звезды продолжился процесс слияния атомных ядер – образовывались все более и более тяжелые элементы. Ваши тела на 86 % состоит из углерода, азота и кислорода, появившихся на данном этапе. На Земле для образования подобных химических элементов слишком низкое давление – можно с уверенностью утверждать, что эти кирпичики нашего тела родом со звезд. Все мы – звездные существа. Кроме того, на этом этапе появились железо для нашей крови, фосфор для скелета и ДНК, алюминий для мобильных телефонов и компоненты соли, которой вы посыпаете еду (она состоит из натрия и хлора).

Через пару минут нашей истории длиной в неделю жизнь звезды оборвется столь зрелищным взрывом, что он получит название «сверхновая звезда». Во время взрыва образовались еще более тяжелые, чем железо, элементы, среди прочего – никель, медь и цинк. Электрические провода в вашем доме изготовлены из материалов родом со сверхновой.

То, что осталось после взрыва и не разбросало по Вселенной, притянулось друг к другу и схлопнулось: превратилось в нейтронную звезду. В ней все атомные ядра слились в огромный сгусток размером с крупный город (с диаметром примерно 10 километров), фактически став огромным атомным ядром, хотя химическим элементом мы его не называем. В нашей собственной Галактике существует около миллиарда нейтронных звезд, но, так как по сравнению с другими звездами они мелкие и холодные, увидеть их не так просто.

Когда я размышляю о том, сколько во Вселенной места и насколько малы нейтронные звезды, произошедшее далее кажется мне почти невероятным. Тем не менее нам известно, что, по всей видимости, случилось. В первые дни существования Вселенной нейтронные звезды иногда сталкивались. При столкновении образовывались золото, серебро, платина, уран и целый ряд других элементов, настолько тяжелых, что образуются они лишь в подобного рода экстремальных условиях. Новые элементы разбросало по Вселенной – они смешались с облаками пыли и атомов.

Так в первый из семи дней возникли химические элементы. Во Вселенной они образуются и по сей день. Звезды все время рождаются и умирают, взрываются и сталкиваются. Но на Земле атомные ядра вполне стабильны. На нашей планете химические элементы возникают и разрушаются лишь во время радиоактивных процессов, когда делятся нестабильные ядра урана и других тяжелых химических элементов. Протекающие внутри звезд процессы почти невозможно воссоздать даже в научных лабораториях. Комбинируя химические элементы, мы создаем материалы – тут наши возможности практически безграничны; но, если говорить о самих химических элементах, нам остается довольствоваться тем, что есть.

Вторник – четверг: звезды рождаются и умирают

Следующие три дня Вселенная шла по тому же пути. Звезды рождались – звезды умирали. От сверхновых по Вселенной расходились ударные волны и облака материи. Так как внутри звезд водород и гелий, сливаясь, образовывали новые химические элементы, общее количество азота и гелия во Вселенной сокращалось, а количество тяжелых элементов росло.

Пятница: образование Солнечной системы

В пятницу, в четыре часа дня, неподалеку от нас умерла звезда. Ударная волна от сверхновой сжала пыль и газ, содержавшиеся в облаке, – там же был и кислород, который вы только что вдохнули. Запустилась цепная реакция: сгустки материи стали настолько тяжелыми, что притянули к себе пыль и газ, находившиеся поблизости от них, а чем больше и тяжелее они становились, тем больше собирали из окружавшего их пространства. Без пятнадцати пять облако стало звездой, вокруг которой вращалось несколько планет. Эта звезда – Солнце, центр Солнечной системы^[6].

Все планеты вращаются вокруг звезды. Чем ближе к звезде расположена планета, тем сильнее ее нагревает излучение – результат протекающих в недрах звезды реакций. В Солнечной системе ближайшие к Солнцу планеты очень горячие. Сегодня температура на их поверхности превышает четыре сотни градусов. На самых отдаленных планетах холодно. Солнечные лучи не разогревают их выше нуля градусов. Самые далекие планеты – замерзшие миры, где температура примерно 200 градусов ниже нуля.

Но одна планета расположена в самой подходящей точке. В пригодной для жизни области космоса температура на планете настолько низкая, что вода не кипит, и настолько высокая, что не превращается в лед^[7]. Это планета Земля – она и станет нашим домом.

Правда, вначале Земля была раскаленной, даже жидкой. С ней регулярно сталкивались крупные и мелкие метеориты. Один из них обрушился на Землю с такой силой, что материя, оторвавшаяся в результате столкновения, образовала на орбите сгусток – так появилась Луна^[8].

По мере того как Земля постепенно остывала в холодном космосе, тяжелые элементы, такие как железо, золото и уран, оседали ближе к центру жидкого шара^[9]. Легкие элементы (кремний и главные компоненты наших тел – углерод, кислород, водород и азот), напротив, остались на поверхности и постепенно образовали прочную кору из породы, содержащей кремний, а с внешней стороны оказалась газовая атмосфера.

В первичной атмосфере образовались молекулы – группы атомов, в которых два атома водорода соединились с одним атомом кислорода. Это вода. В половине седьмого вечера температура упала настолько, что молекулы воды сбились в капли. Когда капли увеличились и в размере, и по весу, на поверхность пролился дождь – появился первый теплый океан^[10].

В глубине океана произошло поистине волшебное событие. Углерод, водород и кислород, сцепившись друг с другом, образовали крупные молекулы – в них также содержалось небольшое количество серы, азота и фосфора. В какой-то момент молекулы приобрели структуру, давшую им возможность создавать собственные копии, объединяя расположенные поблизости от них химические элементы по той же схеме. Это основа жизни. Когда эти молекулы из сложной химической системы превратились в живой организм? Жизнь появилась сразу, в одной точке, или же захватила планету после целого ряда попыток? На данный момент у ученых нет ответа на этот вопрос, но мы сами – доказательство того, что жизни улыбнулась удача.

Металлами, осевшими в центр планеты, человечество не воспользуется никогда. Просто они залегают слишком близко к центру Земли. К счастью, около 10 часов вечера в пятницу произошло событие, которое окажет решающее воздействие на то, как люди выстроят общество. Остаток вечера Землю обстреливали метеориты. Ученые точно не знают почему. Возможно, устанавливались орбиты крупных планет и это влияло на движение материи в Солнечной системе. В любом случае металл из этих метеоритов усеивал всю земную кору и не оседал к центру, поскольку земная кора стала крепче. Из этого металла сегодня мы делаем автомобили и вилки.

Примерно за полчаса до перехода от пятницы к субботе земная кора стала трескаться и двигаться^[11]. Кора нашей планеты по-прежнему состоит из плит, перемещающихся по океану вязкой расплавленной породы. Снаружи, на поверхности, так холодно, что, когда расплавленная порода вырывается на поверхность через трещины между плитами, она застывает и становится земной корой. Поэтому плиты, перемещаясь относительно друг друга, постоянно меняют форму. Когда сталкиваются континенты, расположенные на двух плитах, образуются горные цепи – прямо сейчас таким образом формируются Гималаи: Индия поджимает Азию с юга. Во многих местах плита с тонким океанским дном проскальзывает под толстую земную кору континента, расположенного на другой плите. Сегодня это происходит вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки. Где-то литосферные плиты трутся друг о друга, двигаясь плечо к плечу. Иногда они застревают, а в итоге, проскальзывая, вызывают крупные землетрясения. Разрушается порода, и в коренной породе возникают крупные системы трещин, или разломы.

Совместное движение литосферных плит сейчас носит название «тектоника плит». Из всех планет Солнечной системы только у Земли столь активная поверхность^[12]. Сложно сказать, почему движется именно кора Земли, но без этого движения наша планета оказалась бы мертвой. Благодаря тектонике литосферных плит вещество Земли находится в постоянном движении: на поверхности оказывается то, что унесли в океан воды и ветры, и то, что было похоронено на морском дне миллионы лет. В земной коре возникают разломы, через которые из глубин выносятся химические элементы^[13]. Сегодня из оставшихся разломов такого рода мы извлекаем золото и иные металлы.

Суббота: начинается жизнь

Земная кора подвергалась метеоритной бомбардировке примерно до ночи субботы, до 00:45^[14]. Затем обстановка на планете стала спокойнее. До половины шестого утра на Земле появилось магнитное поле – невидимый щит, защищающий Землю от наиболее мощных и опасных излучений Солнца^[15]. Не будь подобной защиты, чтобы выжить, нам пришлось бы находиться в подземных пещерах.

Примерно в то же время возникли первые одноклеточные организмы.

По сути, живые организмы – это не что иное, как мелкие механизмы, создающие собственные копии с помощью энергии окружающей среды. Разумеется, у них бывают и дополнительные функции – фиксировать то, что происходит вокруг, двигаться или общаться. Наши тела черпают энергию из потребляемой нами пищи, и исследователи полагают, что самые первые живые создания брали необходимую энергию из химических соединений в глубинах океана^[16]. По-прежнему существуют целые экосистемы, живущие в кромешной темноте – там, где раздвигаются литосферные плиты. Там сквозь напоминающие трубу структуры, расположенные на дне океана, вырывается поток обогащенной минералами воды – химические соединения этих минералов содержат энергию, необходимую живущим там существам.

Сегодня почти все земные живые существа получают энергию от Солнца – или напрямую, посредством фотосинтеза, или употребляя в пищу молекулы, хранящие в себе солнечную энергию. В процессе фотосинтеза энергия солнечного света расходуется на то, чтобы расщепить диоксид углерода и воду на углерод, водород и кислород. Затем атомы объединяются и строят новые комбинации – таким образом, появляются богатые энергией молекулы, известные нам как углеводы, белки и жиры. Судя по всему, фотосинтез возник у живущих в океане бактерий – в субботу, примерно в 15:00. Сегодня в этом процессе задействованы все зеленые растения, деревья и синезеленые водоросли. Во всем, что содержится в этих организмах, есть капелька солнечной энергии.

Когда диоксид углерода и вода превращаются в растительный материал, остаются атомы кислорода. Организмы, осуществляющие фотосинтез, выбрасывают атомы кислорода в форме молекул: в них атомы кислорода связаны друг с другом попарно. Молекулы кислорода имеют ярко выраженное свойство вступать в реакции с другими соединениями: нам это известно по огню – это не что иное, как кислород, вступающий в реакцию с углеродом и прочими горючими веществами и высвобождающий энергию в форме тепла, – поэтому мы не нашли бы молекул кислорода ни в океане, ни в атмосфере, если бы их постоянно не воспроизводил тот или иной источник. Кислород – жизненно необходимый для нас газ – непрерывно образуется в результате фотосинтеза. Однако изначально в атмосфере Земли молекул кислорода не было. Первым организмам кислород для выживания тоже не требовался.

До начала процесса фотосинтеза в Мировом океане было растворено огромное количество железа. Сейчас уже такого нет. В настоящее время при контакте с водой поверхность железа быстро становится красной, грубой и легко ломается. Этот красный материал, ржавчина, – химическое соединение железа и кислорода. Пока в воздухе и воде есть кислород, незащищенное железо всегда заржавеет.

После обеда в субботу, между 15:00 и 18:45, заржавели океаны. Весь кислород, образованный на первых этапах фотосинтеза, вступил в реакцию с железом – он осел на дно в виде ржавчины. Постепенно ржавчина преобразовалась в толстый слой слоистой породы. Сегодня мы выкапываем эту красную породу, отделяем кислород в больших печах и используем железо для изготовления ножей и рельсов.

Когда основная масса железа заржавела, в океане начал накапливаться кислород. Для большинства первых появившихся на планете созданий кислород – смертельный яд. Таким образом, фотосинтез привел к одному из самых массовых истреблений видов за всю историю нашей планеты^[17]. Однако были существа, сумевшие извлечь из кислорода пользу. Они воспользовались имеющимся в окружающей среде кислородом для высвобождения солнечной энергии из организмов, которых они употребляли в пищу. Так они получали энергию, необходимую для поддерживания собственных жизненных процессов – самостоятельно заниматься фотосинтезом им уже было не нужно.

В то время как огромное количество форм жизни сдались под натиском ядовитого кислорода, пользовавшиеся им организмы приобрели огромное преимущество. Мы – их потомки. Энергия, которую вы тратите на чтение этой книги, движение глаз и преобразование текста в информацию в мозге, – результат химических реакций, во время которых в клетках тела кислород и углеводы превращаются в диоксид углерода и воду.

Постепенно океанская вода насыщалась кислородом, и он стал подниматься из океана в атмосферу. Как следствие, на Земле произошли значительные перемены. Наша планета непрерывно излучает в космос тепло, и температура на ее поверхности сильно зависит от того, какое количество этого излучения удерживают газы в атмосфере. Мы зовем это явление парниковым эффектом. Раньше атмосфера была богата метаном – он вбирает большое количество теплового излучения, а потому поверхность Земли не остывала^[18]. Когда из-за кислорода метан в атмосфере стал расщепляться, парниковый эффект ослаб, и планета погрузилась в глобальный ледниковый период. До самого вечера субботы, до 21:15, огромная часть биоразнообразия, появившегося в океане, погибла от холода^[19].

В высших слоях атмосферы молекулы кислорода столкнулись со светом Солнца, несущим огромные запасы энергии – два атома кислорода оторвались друг от друга. Когда одиночные атомы сталкивались с пролетавшими мимо молекулами кислорода, образовывался озон – молекула, состоящая из трех атомов кислорода. Озоновый слой оказался эффективной ловушкой для наиболее насыщенной энергией части солнечного света. Достигнув земной поверхности, этот свет способен уничтожить наиболее уязвимые органические молекулы. Сегодня благодаря озоновому слою мы находимся под отрытым небом, не нанося серьезных повреждений глазам и коже.

Когда появился озоновый слой, живые организмы смогли выжить на поверхности воды – и даже на суше^[20]. Здесь для фотосинтеза было еще больше солнечного света – резко выросло производство органического материала и кислорода. Первые формы жизни, оказавшиеся на суше, – это ковер из бактерий и водорослей, покрывших плоскую, золотистую поверхность и заложивших основы того, что станет плодородной почвой планеты.

Воскресенье: живая Земля

Организмы с клеточным ядром, от которых мы произошли, появились ранним воскресным утром в половину четвертого^[21]. В пять часов утра одноклеточные организмы начали столь тесно сотрудничать, что уже рассматриваются не как самостоятельные единицы, а как живые существа, состоящие из нескольких клеток^[22]. Однако, прежде чем жизнь закипела в том виде, в каком мы ее знаем, прошло много времени. После обеда, в 17:25, после того как на Земле закончился еще один глобальный ледниковый период, продлившийся с 15:15 до 16:15, появились особые виды животных и растений, выстроившие в океане сложные экосистемы^[23]. Когда геологи изучают окаменевшее океанское дно, относящееся к последующему периоду, они находят окаменевшие останки огромного количества различных видов, таких как головоногие и трилобиты, напоминающие мокриц.

В воскресенье вечером, в 18:05, на сушу выползли первые животные. Начался процесс по преобразованию ковра из водорослей и породы в плодородный слой земли, в который пустили корни первые наземные растения, – это случилось примерно через минуту после половины седьмого. Благодаря корням растений, цеплявшимся за землю, воду, а позже и за стволы деревьев, мешавшим ветру сдувать рыхлые материалы, поверхность земли перестала быть ровной и скучной, появилось некоторое разнообразие – реки, долины, болота и озера^[24].

Жизнь на земле перенесла несколько тяжелых ударов. Извержения вулканов, падения метеоритов и смена солнечной активности – все это способствовало значительным изменениям температуры, уровня Мирового океана и количества кислорода в атмосфере и океане. 85 % видов, возникших после первого расцвета сложных живых организмов, вымерли во время глобального ледникового периода в 6:36^[25]. Жизнь возродилась, но в 19:28 трилобиты задохнулись из-за нехватки кислорода на дне океана – они исчезли вместе с 80 % всех видов, обитавших в то время в океане^[26].

Наиболее масштабное до сегодняшних дней массовое вымирание видов случилось в воскресенье вечером, в 20:56, когда в Сибири произошли мощнейшие извержения вулканов – в атмосферу выбросило диоксид углерода, что привело к повышению температуры и окислению Мирового океана, – сегодня нам эта проблема хорошо знакома. Окаменелости, сохранившиеся со времен сразу после вымирания, свидетельствуют о катастрофе, оставившей после себя пустынный ландшафт – ни лесов на суше, ни коралловых рифов в океане^[27].

Однако через пару минут в лесах и океанах вновь закипела жизнь, возникало все больше видов. Хорошие времена закончились в 21:34, когда очередное глобальное потепление уничтожило минимум три четверти всех обитавших на Земле видов. Среди выживших были и появившиеся чуть ранее половины десятого млекопитающие и динозавры^[28]. Может быть, именно благодаря уничтожению конкурентов динозавры получили шанс стать следующими хозяевами Земли. Когда динозаврам в 23:12 пришлось сдаться, судя по всему, климат на Земле был настолько неблагоприятным, что падение огромного метеорита туда, где сегодня расположена Мексика, оказалось последним гвоздем в крышку гроба многих живших на Земле видов.

Теперь, когда опасность оказаться съеденными динозаврами миновала, млекопитающие рассеялись и заняли огромное количество экологических ниш. Поначалу климат был теплее, чем сегодня, но примерно в 23:25 температура начала падать^[29]. В 23:43 огромную часть темных, пышных джунглей сменили травянистые равнины^[30]. Именно эти травы заложат основу для земледелия ближе к полуночи. Некоторые млекопитающие в результате развития уже стали теми, кого сегодня мы знаем как обезьян, а без пятнадцати полночь от остальных обезьян отделились человекообразные обезьяны, к которым относятся гориллы, шимпанзе и люди.

От человекообразных обезьян люди отделились за пять минут до полуночи – в этой точке мы находимся сейчас. Две минуты назад наши предки пользовались первыми каменными орудиями труда, чтобы разрубить кости животных и добраться до питательного костного мозга^[31].

Одну минуту 20 секунд назад температура земного шара заметно снизилась и планета вошла в цикл ледниковых периодов и межледниковий – он не закончился и по сей день^[32]. Для первобытных людей, живших в то время, принципиально было овладение огнем. Однако, судя по всему, костер вошел в повседневную жизнь не раньше, чем за 13 секунд до полуночи.

Огонь обогревал людей, защищал от хищников, и благодаря ему они получили возможность видеть друг друга и окружающий мир после захода солнца. Готовя еду на костре, люди пользовались накопленной в дровах солнечной энергией – она расщепляла пищу, и их челюстям и пищеварительной системе уже не надо было выполнять всю работу. Освободившуюся благодаря этому энергию можно было потратить на другую деятельность, что, вероятно, оказалось решающим фактором для развития наших способностей к мыслительной деятельности и коммуникации.

Наш вид Homo sapiens появился в Африке девять секунд назад. Долгое время мы были лишь одним из видов людей. Нам известны неандертальцы – они жили в Европе и на Среднем Востоке до появления Homo sapiens. Неандертальцы бок о бок жили с нашим видом – закончилось это полторы секунды назад, когда либо они не выдержали конкуренции, либо их истребили наши предки. Лишь последние полсекунды Homo sapiens является единственным живущим на Земле видом человека.

За секунду до полуночи у Homo sapiens появился язык, а с ним и способность рассказывать друг другу истории, планировать будущее и вести торговлю между группами людей. С помощью новых технологий, таких как лук и стрелы, нитка и иголка, рыболовные крючки, лодки и масляные лампы, они вышли за пределы Африки и заняли весь мир^[33].

Первобытные люди жили кочевыми племенами. Члены племени совместно охотились и собирали дикие съедобные растения, а также заботились о детях, стариках или больных, внося вклад в общее дело. Мы быстро приближаемся к полуночи, и общество становится все более и более узнаваемым для современных людей.

Полсекунды до полуночи: наша цивилизация

Трудно по-настоящему ощутить промежуток времени, длящийся меньше секунды. Поэтому сменим масштаб. Рассмотрим последние полсекунды мировой истории как 500-метровую дистанцию – мы только-только подошли к финишной черте. Каждый метр соответствует тысячной доле секунды, или 23 реальным годам. Если бы мы пользовались подобным масштабом для описания истории Вселенной, дистанция составила бы более 600 тысяч километров – это почти как от Земли до Луны плюс почти весь обратный путь. 500-метровая дистанция началась 11,5 тысячи лет назад, в те времена, когда люди впервые стали жить на одном месте в течение длительного времени.

Когда люди перешли от кочевого образа жизни к оседлому, у них впервые появилась возможность владеть большим количеством вещей, чем они в состоянии перенести к следующему месту жительства. Сразу же стало актуально изготовление специальных орудий, каждое из которых эффективнее всего справлялось с одной задачей. У людей тоже появилась специализация. Вместо того чтобы делать всё, многие получили возможность тратить больше времени на то, что они умели лучше всего. Группе в целом было выгодно, чтобы несколько человек посвятили себя изготовлению одежды или инструментов, в то время как остальные охотились или собирали растения.

Вероятно, земледелие возникло как побочный эффект оседлого образа жизни. Собиратели приносили домой те растения, которые им больше нравились. В мусоре, оставшемся после сбора и приготовления пищи, были в том числе и зерна – тем самым сложились благоприятные условия для того, чтобы неподалеку от поселения появились всходы. В свою очередь, людям стало легче собирать урожай именно с этих растений. Так как люди чаще собирали урожай с тех экземпляров, которые им больше подходили, например с более крупными зернами, постепенно именно эти виды стали первыми сельскохозяйственными культурами. Со временем люди поняли, что собираемый вблизи поселения урожай можно увеличить, если расчистить, поливать и распахивать землю. За 315 метров до финиша люди стали земледельцами.

Благодаря земледелию у людей появился стабильный и предсказуемый источник пищи – в результате выросло население. Однако были и недостатки. Земледелие – тяжелая и однообразная работа, и у земледельцев, судя по всему, стало меньше свободного времени, чем у их предков-кочевников. Пища также стала более однообразной, следствием чего стало неправильное питание, а когда выдавался неурожай, наступал голод.

Хотя, возможно, люди вели более здоровый образ жизни, а кроме того, были счастливее до того, как занялись земледелием, именно оно заложило основы тому, что мы зовем цивилизацией. Благодаря выращиванию и хранению продуктов питания появилась возможность и необходимость в организации общества с иерархией и специализацией. За 200 метров до финиша люди стали объединяться в первые царства – появились и письменный язык, и деньги, и религии. Одомашнив животных, таких как быки и лошади, люди приобрели дополнительный источник физической силы, благодаря чему появилась возможность расчистить и распахать более крупные территории, а значит, прокормить больше людей. С помощью домашних животных люди получили возможность за более короткое время преодолевать значительные расстояния, поэтому возросла эффективность обмена товарами и знаниями.

Именно в обществах со специализацией люди разработали сложные технологии, необходимые для добычи и применения металлов. За 200 метров до финиша люди производили инструменты из бронзы, а за 140 метров – из железа^[34]. За 88 метров до цели, примерно во время появления на свет Христа, началось производство стали^[35]. За 22 метра до финиша человечество прошло через то, что называется научной революцией, – тогда появились новые и системные методы для изучения законов природы.

До этого момента человеческая деятельность была в той или иной форме связана с солнечным светом, каждый день достигающим поверхности Земли. Хранящаяся в растительном материале солнечная энергия сжигалась для производства тепла – или же ее поглощали люди или животные, используя как мышечную силу. Кроме того, мельницы работали на гидроэнергии, а, значит, люди пользовались энергией той воды, которую Солнце подняло из океана на возвышенности, а корабли приводил в движение ветер: он дует из-за разницы температур, которая возникает, когда солнечные лучи достигают земной поверхности^[36].

За 11 метров до финиша люди всерьез взялись за ископаемые источники энергии – энергию Солнца, копившуюся в земле миллионы лет. Когда дневной солнечный свет дополняет, во-первых, уголь, а также нефть и газ, почти любая промышленность работает, не опасаясь нехватки топлива из-за вырубки близлежащих лесов. Промышленная революция изменила человеческий мир^[37].

За три метра до финиша появились антибиотики, что подарило нам медицину, способную вылечить болезни в обществе, где детская смерть перестала быть обыденным событием, а рождение ребенка не подвергало жизнь женщины смертельной опасности^[38].

За два метра до финиша человечество побывало в космосе^[39].

Затем часы пробили полночь, и мы оказались в сегодняшнем дне. Мы живем в мире открытых возможностей. Благодаря нашим уникальным способностям мы справимся с любой возникшей проблемой.

Человечество и будущее

Когда люди стали вести оседлый образ жизни, их было не так уж много. Возможно, всего около пары миллионов. С переходом к аграрному обществу их количество выросло до 10 миллионов. С этого момента численность населения ровно и неуклонно росла. Когда люди научились пользоваться бронзой и железом, население выросло в 10 раз, до 100 миллионов. С тех пор население Земли удваивалось множество раз. Перед самым рождением Христа численность населения составила 200 миллионов. В XIII веке, когда в Норвегии строились мачтовые церкви^[40], количество живущих в мире людей составило 400 миллионов. Цифра 800 миллионов была достигнута во время промышленной революции, в самом конце XVIII века. В конце XIX века население вновь удвоилось, до 1,6 миллиарда. В 1960-е мы преодолели отметку 3,2 миллиарда, а в 2005 году – 6,4 миллиарда. Если темпы роста населения сохранятся, следующее удвоение численности населения – до 12,8 миллиарда – завершится в 2068 году. Однако сегодняшнее развитие указывает на то, что численность населения стабилизируется или начнет сокращаться до того, как мы достигнем цифры 11 миллиардов. На момент написания этого текста мировое население прошло отметку 7,6 миллиарда^[41].

Через тысячу лет мы пройдем еще 40 метров. Это безумно мало с перспективы истории, но все же больше, чем мы себе представляем, планируя будущее. По мере роста населения мы потребляем все большее количество ресурсов планеты. Всегда ли у нас в достаточном количестве будут химические элементы для самих себя и изготовления вещей? Будет ли у нас энергия, необходимая для добычи химических элементов из земной коры? Оглянутся ли люди через тысячу лет на столь же невероятную историю развития, как и мы?

Из всех животных только люди обладают уникальной способностью добывать металлы и пользоваться ими, а началось все с золота. Золото мы связываем с силой, богатством – и сказками. И такие истории сами по себе являются важнейшими кирпичиками нашей цивилизации. Начнем с него.

2
Золото и зеленые леса

Больше 10 лет я ношу на пальце золотое кольцо. Все, кто его видит, знают, что это значит. Кольцо на пальце – признанный символ любви и наличия обязательств.

За несколько лет до того, как мы с мужем обменялись кольцами, мы целое лето ездили по Европе на поезде. Сначала сели на ночной поезд до Копенгагена, а потом поехали на восток: по Германии, Чехии, Словакии и Венгрии – в Румынию. Там мы добрались до области под названием Трансильвания, известной как родина Дракулы.

Мы словно попали в другой мир. Вампиров не встретили, зато в автобусах видели сотрудников парков с косами. Лошади и телеги на дорогах встречались так же часто, как автомобили. Бедные и ветхие районы соседствовали с блекнущими историческими знаниями, свидетельствующими о богатом, но неизвестном мне прошлом.

Если бы я заранее почитала об этом месте, я бы знала, что богатство Трансильвании строилось на золоте. Тогда я побывала бы там, где расположено крупнейшее в Европе месторождение золота, древний город Розия-Монтана – его вот-вот похоронит производимый им же рудниковый шлам. Богатство земных недр никогда не достается нам бесплатно.

Как земная кора оказала нам услугу

12 миллионов лет назад на нынешней территории Трансильвании было огромное количество активных вулканов. Горячая расплавленная порода под давлением поднималась наверх, а затем прорывалась на поверхность земной коры – образовались облака пепла и потоки лавы. Глубоко под землей коренную породу^[42] нагревала раскаленная магма. В результате вода, запертая в кристаллах породы, вырвалась наружу. И эта вода просочилась сквозь породу. Сначала в виде мелких капель, а затем сквозь трещины и отверстия, пробитые магмой в породе, медленно потекли мелкие ручейки^[43].

Из породы высвободилась не только вода. В породе, сквозь которую она текла, содержалось и небольшое количество золота. Как правило, вода никак на золото не воздействует: золотые слитки на затонувших пиратских кораблях сотни лет сохраняют сияющий блеск. Но в экстремальных условиях, когда вода нагревалась до нескольких сотен градусов и в огромных количествах содержала хлор и серу, даже стойкому золоту пришлось сдаться. Атомы золота один за другим прикреплялись к атомам серы, вода выносила их наверх.

По мере того как вода текла к поверхности, давление снижалось. Это напоминает пар, выходящий через открытый клапан скороварки, – в какой-то момент давление настолько снизилось, что вода закипела. Атомы серы отпустили золото и образовали связи с водяным паром. Одинокие атомы золота вновь потянулись друг к другу – остался слой блестящего металла. За тысячи и миллионы лет под румынскими вулканами образовались огромные запасы золота^[44].

В какой-то момент активность вулканов остановилась. Земная кора остыла, и следующие миллионы лет поверхность породы разрушалась под воздействием погодных условий, воды и ветра. Меняли форму речные долины, появлялись и исчезали холмы и даже горы.

Потом пришли люди.

Первое золото

Вероятно, это случилось около 10 тысяч лет назад^[45]. Теплым солнечным днем в мелкой речушке играет ребенок. Внезапно на одном необычном камне, лежащем на дне, блеснула вспышка солнца. Девочка подняла его, удивившись тому, какой он тяжелый. Когда она стукнула им о другой камень, к собственному удивлению, она увидела, что на золотистом камне появилась отметина. Этот камешек не был похож на все то, с чем она играла раньше.

Когда другие дети увидели, что нашла маленькая девочка, вскоре они и сами стали находить золотистые комочки на дне реки. Изучив новый материал, взрослые обнаружили, что можно расплющить его до тонкой пластинки или придать другую сложную форму. Красивые предметы вызвали интерес соседей – они были готовы обменять его на другие товары. По мере того как все больше и больше людей видели золото, они обнаруживали все больше мест, где золото можно было извлечь из русла реки. Так металл вошел в жизнь людей.

Золото в речной гальке

Независимо от того, как все началось, ученые полагают, что золото – первый металл, который человечество стало добывать и использовать^[46]. Хотя золото – редкий элемент, по сравнению с другими металлами его исключительно просто найти и воспользоваться, так как в природе оно встречается в металлической форме.

У золота, как и у всех прочих химических элементов, в атомном ядре содержится определенное число протонов. Эта цифра определяет поведение химического элемента, поскольку управляет отношениями химического элемента с электронами, которые вращаются вокруг атомного ядра. Любая химическая реакция подразумевает обмен электронами между атомами. Одни химические элементы отчаянно пытаются отдать один или несколько электронов, в то время как другие постоянно ищут дополнительные электроны, которые можно забрать. Золото довольствуется тем, что у него есть. Поэтому оно так хорошо себя чувствует с другими атомами золота и ему легко остаться чистым металлом. Из-за этого золото редко участвует в химических реакциях, так что золоту не очень-то интересен такой механизм, как наше тело. Мы носим золотые украшения, а вот у себя внутри мы, возможно, обнаружим лишь крохотные частицы, попавшие туда по ошибке.

Так как в природе золото встречается в металлической форме, его возможно просто поднять с земли или, что случается чаще, с речного дна. Золото попадает в реки, когда разрушается порода, содержащая золото. Самородки золота отрываются и движутся по течению реки вместе с галькой и камнями. Кстати, говорить о золотых самородках не совсем верно: хотя иногда мы находим довольно крупные кусочки, по большей части золото в реках и породах остается в виде мелких частичек, смешанных с породой. Поскольку золото тяжелое, золотые зернышки отделяются от гальки с помощью силы тяготения, промывочного лотка и правильной техники. Вероятно, именно так началась первая крупномасштабная добыча золота^[47]. Может быть, случилось это не так уж далеко от Розии-Монтаны. Добычу золота, которое природа вымыла с месторождений под Розией-Монтаной, можно было наладить за 5000 лет до н. э.^[48].

Согласно греческим мифам, герою Ясону его дядя Пелий (он украл трон у отца Ясона) поставил задачу: принести домой из далекой страны золотое руно. Если он вернется домой с добычей, то получит трон. Ясон побывал у Черного моря. Там он и заполучил золотое руно, победив охранявшего его дракона^[49]. Существует множество интерпретаций того, что именно в этой истории символизирует золотое руно – скажем, королевскую власть или появление овцеводства. Однако недавно исследователи пришли к выводу, что оно, возможно, символизирует просто-напросто золотистую овечью шкуру. Оказывается, больше трех тысяч лет назад в Египте и на прилегающей к Черному морю территории крошечные частички золота отделяли от породы с помощью овечьих шкур. Поверхность частичек золота отличается от поверхности других минералов, содержащихся в породе, и благодаря этому свойству золото цепляется за определенные материалы. Лучшая из водоотталкивающих поверхностей – овечья шкура. Золотую пыль собирают через овечью шкуру, закрепленную так, что шерстинки направлены навстречу потоку и пропускают поток воды вместе с каменной пылью и песком. Этим методом пользовались долго, но после падения Рима он был предан забвению^[50].

Сегодня в мире осталось не так много мест, где золото можно добыть из речной гальки. Большую часть уже подобрали охотившиеся за богатством люди. Когда мы найдем все золото, которое откололось от гор благодаря силам природы, нам придется отправиться к источнику – к содержащей золото породе.

Шахты Розии-Монтаны

До того как я начала изучать геологию, большую часть своих познаний о горнодобывающей промышленности я черпала из журнала Donald Duck og co. Там я видела, что золото добывается из рудных жил, содержащих чистый металл. К сожалению, в реальности это не так. Породу, содержащую выгодное для добычи количество металла, называют рудой. Золотая руда, как правило, содержит большое количество белого или прозрачного минерала – кварца – с крошечными вкраплениями золота. А если погодные условия и ветер не разрушили породу, чтобы добраться до золота, людям приходится самим откалывать руду. Это тяжелый труд: атомы породы образуют очень прочные связи. Поэтому люди смогли добывать золото из прочной породы лишь с появлением подходящих железных инструментов.

Первые трансильванские шахтеры для упрощения работы применяли пожог. Метод заключается в следующем: на породе разжигают костер – он горит до тех пор, пока порода не раскалится. При нагревании порода расширяется, и содержащиеся в ней минералы расширяются в разных направлениях. В породе образуется сеть мелких и крупных трещин – благодаря им разрушить породу проще. По всей вероятности, методом пользовались еще даки – народ, живший в Трансильвании до вторжения римлян. В Норвегии пожог применяли в шахтах вплоть до конца XIX века^[51]. Хотя это полезный метод, у него есть недостатки. Обычный костер позволяет углубиться в породу не больше чем на несколько сантиметров. Для одного рудника необходимо огромное количество дров, что увеличивает нагрузку на близлежащие леса. Из-за костров рабочим тяжело дышать воздухом в глубоких штольнях.

Римляне – древние мастера горнодобывающей промышленности. Вероятно, даки брали на работу римских горных инженеров, чтобы наладить в Трансильвании горное дело. Однако даки потеряли больше, чем приобрели: римляне узнали о богатых месторождениях золота и в 106 году завоевали Дакию. Одна из причин, по которым историки предполагают, что на той территории рудники разрабатывали до прихода римлян, состоит в том, что римляне забрали у даков огромное количество обработанного золота (целых 165 тонн) – маловероятно, что его добыли методом промывки в реках. После вторжения римляне основали город Альбурнус-Майор (позже он получит имя Розия-Монтана) и направили в него лучших знатоков золотых приисков и тысячи инженеров и рабов. Всего за 50 лет они создали одни из крупнейших шахт в Римской империи^[52].

Для римлян золото из Альбурнус-Майора стало источником богатства и финансировало масштабную застройку Рима. Однако от падения Римскую империю это не спасло. Римляне ушли еще в 271 году^[53]. К тому моменту они успели проделать в горах многокилометровые тоннели – 7 километров сохранились до наших дней. С падением Римской империи многие высокоразвитые методы горнодобывающей промышленности оказались утеряны, однако деятельность в Розии-Монтане не остановилась, хотя методы упростились.

В конце XVIII века горнодобывающую промышленность Розии-Монтаны ждали новые значительные успехи. Габсбурги, долгое время контролировавшие Трансильванию, создали работающие на воде дробильные мельницы – их подпитывали расположенные высоко в горах искусственные водоемы. Раньше, для того чтобы превратить породу в пыль, горнякам приходилось пользоваться в той или иной степени ручными методами. Благодаря сотням новых дробильных мельниц золотые жилы Розии-Монтаны вновь стали источником богатств, и город процветал. Горняки приходили со всех концов Габсбургской империи. Строились церкви, трактиры, банки и казино. Многие из них существуют и сегодня^[54].

В 1867 году Габсбургская империя стала Австро-Венгрией, впоследствии распавшейся после Первой мировой войны. Трансильвания стала частью Румынии, а шахты перешли в частные руки. В частных руках добыча процветала вплоть до 1948 года, когда захватившие власть коммунисты национализировали всю промышленность, в том числе шахты Розии-Монтаны.

Открытая разработка

Тысячи лет в породе под Розией-Монтаной велась все более и более интенсивная добыча – сегодня самые богатые месторождения золота истощаются. Так устроена горнодобывающая промышленность: сначала извлекают то, что проще добыть. Римские тоннели годами шли в том направлении, где концентрация золота была выше. По мере того как в каждом камне, извлеченном из шахты, золота было все меньше, а кварца – все больше, добыча золота становилась все дороже и дороже. Когда в породе прорубили 140 километров тоннелей, добыча стала невыгодной. Поэтому в 1970-х годах коммунисты перешли от подземной добычи к открытой разработке^[55].

При открытой разработке не нужно рыть тоннели в глубь горы – достаточно попросту убрать сверху все, что закрывает интересующую вас руду. Таким образом вы копаете всё более гигантскую яму. С появлением крупных и тяжелых машин, и не в последнюю очередь более качественных взрывчатых веществ, для многих месторождений минералов этот метод оказался экономически выгодным. При открытой разработке приходится перемещать больший объем породы, чем в подземной шахте, но транспортировка обходится дешевле и проще, так как породу можно погрузить на огромные грузовики, а не поднимать из глубоких шахт, где, помимо всего прочего, необходимо думать о прочности, вентиляции и дренаже.

Сегодня сокращению негативных последствий для окружающей среды общество уделяет больше внимания, чем несколько десятилетий назад. Теперь открытая разработка начинается с того, что верхний слой почвы убирают на хранение в подходящее место. Затем, как правило, горнодобывающая компания убирает породу, не содержащую руду. Ее тоже отправляют на хранение – когда работы в одной части карьера закончатся, его можно будет заполнить породой и землей. Со временем растительность скроет зияющую рану в поверхности^[56].

Ядовитое воспоминание

После открытой разработки на поверхности останется не только след в виде углубления. Золото необходимо отделить от породы – для этого золотую руду превращают в порошок и смешивают с водой^[57]. Затем применяется тот же принцип, что и в лотках для промывки и в овечьей шкуре, просто масштаб шире. Сначала смесь породной пыли и воды пропускается через желоб – благодаря своей форме он улавливает самые тяжелые частички золота. Затем огромные механизмы примешивают напоминающую мыло добавку и хорошенько промешают – в смесь попадает воздух, и она пенится. Точно так же как золотая пыль оседала на овечьей шкуре, она цепляется за мыльные пузыри – их можно снять с поверхности сосуда, в то время как не представляющие интереса минералы остаются в воде и оседают на дно в виде шлама.

Как правило, шлам уже ни на что не пригоден, а вот место занимает. Так сложилось, что в Норвегии и некоторых других местах его захоранивают под водой, во фьордах. Об этом мы еще поговорим. Как правило, горнодобывающая компания строит в устье долины запруду и использует ее в качестве шламового бассейна. Недалеко от Розии-Монтаны находится деревня Джамана – четырем сотням семей пришлось покинуть свои дома, когда государство решило использовать долину, в которой располагалась деревня, как свалку для медного рудника Розия-Полиени. Сегодня когда-то роскошная долина покрыта слоем грязи – там ничего не растет, а ее поверхность разрисована ржаво-красными и зелеными узорами. Единственный признак того, что это место с историей, – крыша и шпиль церкви Джаманы, по-прежнему торчащие из грязи посреди равнины^[58].

Сама по себе порода редко бывает ядовитой. И все же в больших количествах дробленая порода представляет для окружающей среды серьезную проблему. В большинстве видов породы содержатся реагирующие с водой минералы. В цельной породе реакции протекают очень медленно: минералы располагаются так плотно друг к другу, что вода до них не дойдет. Но, когда порода превращается в крошку, вода доберется повсюду. Дождевая вода и грунтовые воды неизбежно просочатся сквозь отходы горнодобывающей промышленности, а вытекающая из свалки вода уже вступила в реакцию с породной пылью и вобрала в себя тяжелые металлы – они могут нанести вред расположенным ниже по течению экосистемам. С точки зрения человечества этот процесс длится вечно. Первые в истории рудники по-прежнему становятся источниками загрязнения, причиняя ущерб расположенным поблизости экосистемам^[59].

От камня – к металлу

Отделенные от шлама и породы самородки золота и золотой песок пока еще недостаточно очищены для того, чтобы делать из них золотые украшения. Прежде чем переплавлять золото в слитки и продавать на мировом рынке, его необходимо отделить от каменной пыли. Раньше для этого использовали ртуть^[60]. Ртуть – ядовитый металл, жидкий при комнатой температуре и обладающий уникальной способностью растворять золото. При смешивании ртути и превращенной в пыль золотой руды образуется жидкая смесь ртути и золота, в которой все посторонние элементы оказываются на поверхности жидкого металла – их можно счистить. А в конце концов золото отделяют от ртути: смесь металлов нагревают и ртуть испаряется.

Сегодня большинство компаний горнодобывающей отрасли перешли на более безопасное, но тем не менее ядовитое вещество – цианид^[61]. Цианид – соединение углерода и азота, часто встречающееся в природе, например в вишневых косточках; в малых количествах он быстро распадается на другие, безвредные вещества. Вероятно, нам цианид лучше всего известен как компонент синильной кислоты – во время Второй мировой войны ее использовали в газовых камерах^[62]. Когда превращенная в пыль золотая руда смешивается с содержащей цианид водой, золото растворяется, а остальные вещества в виде комочков оседают на дно. Потом воду смешивают с мелкой цинковой пылью – она всасывает цианид. Атомы золота вновь притягиваются друг к другу – образуются частички металла.

Цианид также применяют и для добычи золота напрямую из несортированной, измельченной золотой руды. Мы получаем большое преимущество – не требуется энергия на измельчение породы в пыль, благодаря чему добыча становится прибыльной даже при низкой концентрации золота. Руду сваливают огромными грудами на толстый слой глины или пластика. Сверху укладывают сеть труб с мелкими отверстиями – в начале процесса руду промывают содержащей цианид водой: просачиваясь сквозь руду, она собирается в большие озера. Сверху видно, что они имеют красивый бирюзовый оттенок – над ними натягивают сетку, чтобы птицы не приближались и не погибали в ядовитой воде.

В 2000 году Румыния столкнулась с событием, названным крупнейшей в Европе экологической катастрофой со времен аварии в Чернобыле. В Бая-Маре, неподалеку от границы с Венгрией и Украиной, прорвало плотину, сдерживавшую резервуар с водой, содержавшей цианид^[63]. Вода попала в местную реку Сомеш (она впадает в Тису, вторую по величине реку Венгрии), а затем и в Дунай. Итог – загрязнение питьевой воды, которую потребляли миллионы людей, а на некоторых участках рек было уничтожено почти все живое, однако никто или почти никто из людей не погиб. Несмотря на столь яркие примеры катастроф и загрязнения окружающей среды, обработка цианидом считается относительно безопасным способом добычи золота – сегодня им пользуется больше 90 % золотодобывающих компаний мира^[64].

Золотое кольцо из тонны породы

Из породы, расположенной под Розией-Монтаной, добыто уже 1700 тонн золота^[65] – и там еще остается больше 300 тонн^[66]. Информации об общем количестве золота на месторождении недостаточно для принятия решения о его разработке. Важно понять, какова концентрация золота. Концентрация показывает, сколько породы необходимо извлечь и переработать, чтобы добыть золото. Когда открывается шахта, горнодобывающая компания начинает деятельность с того участка, где руда имеет наиболее высокую концентрацию металла. На ней предприятие заработает большего всего денег. Затем добыча перемещается в ту область, где концентрация в руде постепенно падает, и так до тех пор, пока экономическая выгода не сходит на нет. Следующие добытые в Розии-Монтане 100 тонн золота поставят более серьезную задачу, чем первая сотня.

Приведу в качестве примера собственное обручальное кольцо. Оно гладкое, шириной два миллиметра, весит пять граммов, из 14-каратного золота. Карат – историческая единица измерения: если металлы, из которых сделано кольцо, отделить друг от друга и разложить по 24 кучкам с одинаковым весом, количество кучек золота – это число карат. Так как для изготовления качественных украшений чистое золото слишком мягкое, обручальные кольца обычно делают из золота в 14 карат, то есть в них 58 % золота. Значит, на моем пальце примерно три грамма золота. Все остальное – медь и серебро.

На сегодняшний день в мире средняя концентрация золота в золотой руде, добываемой по всему миру, – между одним и тремя граммами золота на тонну породы. Если бы золото, из которого сделано мое кольцо, добывали недавно, его извлекали бы из целой тонны породы. Это каменная глыба, на которой уместитесь вы и двое ваших друзей: 0,5 метра в высоту, 0,5 метра в ширину и 1,2 метра в длину. Чтобы изготовить мое кольцо, эту глыбу необходимо разбить, раздробить, превратить в пыль, обработать, перевезти и отправить на свалку. 150 лет назад концентрация золота в шахтах составляла от 20 до 30 граммов^[67]. Из глыбы того же размера извлекли бы золота на 10 колец вместо всего лишь одного.

Чем больше породы необходимо обработать для добычи всего одного грамма золота, тем больше энергии, химикатов и места необходимо горнодобывающей промышленности. Все это стоит денег. Хотя Розия-Монтана по-прежнему крупнейшее в Европе месторождение золота^[68], в 2006 году, спустя более чем две тысячи лет, из-за нестабильной экономики открытая разработка была прекращена.

Конец Розии-Монтаны

Сегодня за Розию-Монтану идет борьба^[69]. Борьба между международной горнодобывающей компанией и национальными интересами в сфере окружающей среды, а также между жителями, мечтающими о новых рабочих местах и работе в горнодобывающей промышленности, и теми, кто в текущей ситуации выступает за земледелие и туризм.

Для добычи оставшегося золота предлагается открыть четыре новых карьера и вести добычу с помощью цианида. Новизна этого предложения заключается в том, что для добычи оставшегося золота город Розия-Монтана придется похоронить^[70]. Город, основанный благодаря золоту и столетиями процветавший благодаря богатым ресурсам, в итоге будет уничтожен из-за все той же деятельности. Остатки римских шахт, не разрушенные коммунистами, будут уничтожены. Местные активисты борются за то, чтобы Розию-Монтану включили в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

В долине захоронят 250 миллионов тонн отходов от добычи с применением цианида^[71]. Под землей окажутся четыре церкви, а горнодобывающие компании уже начали выделять людям деньги на то, чтобы эксгумировать и перезахоронить в другом месте тела умерших родственников, покоящихся на шести кладбищах, – их планируется уничтожить.

Горнодобывающие компании приводят следующие аргументы: они уделят внимание состоянию окружающей среды и выделят значительные ресурсы на то, чтобы ликвидировать загрязнение, оставшееся после добычи полезных ископаемых с прежних времен. Но, допустим, к вам в дверь постучат и скажут, что хотят снести ваш дом, – вы согласитесь в обмен на обещание выполоть сорняки в саду?

Золото и цивилизация

Золото так важно? Стоит ли оно всех этих разрушений?

Золото – один из элементов с наименьшим процентом содержания в земной коре, тем не менее в большинстве уголков мира существуют пригодные для добычи месторождения. Найти золото довольно просто благодаря цвету и весу, а потому сжульничать и заменить золото каким-либо другим материалом сложно. Золотые предметы столетиями не теряют сияющий блеск. Благодаря этим свойствам золото стало прекрасным платежным средством и символом богатства. Будучи повсеместно принимаемой валютой, оно играло важнейшую роль в торговле между государствами и развитии цивилизации – в том виде, какой мы ее знаем.

Это до сих пор верно – в тех странах, где политическая или экономическая ситуация нестабильна, безопаснее всего хранить часть своих сбережений в золоте. Лишь обсудив эту тему с друзьями – они родом со Среднего Востока, – которые рассказали мне, как важно дарить на свадьбу и по другим особенным случаям подарки из золота, я поняла, что наши традиции, связанные с крестильными украшениями и серебряными столовыми приборами, имеют более глубокие корни, дело не просто в красоте. Золото дарит экономическую безопасность.

Цена золота заметно выросла во время двух значимых для всего мира событий 2016 года: британцы проголосовали за выход из ЕС и стало ясно, что Дональд Трамп и правда станет сорок пятым президентом США. В результате в 2016 году производство золотых предметов в США сохранилось на уровне предыдущего года, однако более значительная его часть превратилась в слитки и монеты для нервничающих инвесторов, а вот количество изготовленных и проданных золотых украшений снизилось – все из-за высокой стоимости металла.

Большая часть золота, предназначенного для изготовления новых вещей, по-прежнему идет на украшения и монеты, однако в настоящее время примерно треть приходится на электронику. Золото хорошо проводит электричество, а поскольку оно не ржавеет и на его поверхности не образуется слой, ухудшающий электропроводность (это происходит с большинством металлов), оно пользуется спросом в электронике. Слой золота нанометровой толщины наносится на стекло для проверки того, как свет отражается от поверхности. Ту роль, которую до сегодняшнего дня играло электричество, во многих сферах берет на себя более совершенная передача света: например, интернет в наши дома проводят уже не медные кабели, а оптоволокно. Золото есть во всех имеющихся у нас дома мобильных телефонах и компьютерах^[72].

Потерянное золото

Возможно, благодаря особому статусу месторождения золота разведаны лучше всего – если сравнивать со всеми остальными химическими элементами. Сегодня мало кто верит, что в будущем мы обнаружим много новых крупных месторождений золота. По оценкам, всего из земной коры можно извлечь примерно 333 тысячи тонн золота. Из них человечество уже добыло 187 тысяч тонн и превратило их в украшения, монеты и другие предметы. Значит, добыть еще можно примерно 146 тысяч тонн – в истории золотодобычи человечество прошло больше половины пути. Точно так же как и в Розии-Монтане, последнее золото достать труднее, чем первое. Первые самородки мы взяли из рек. Затем извлекли ту золотую руду, что сияла ярче. Чтобы извлечь на свет последние тонны золота, нам придется перерабатывать все больше и больше породы.

Подробно описано все золото, хранящееся в банковских хранилищах, на складах и в шкатулках для драгоценностей по всему миру, и общее количество золота, имеющееся в распоряжении человечества – в той или иной форме, – оценивается в 181 тысячу тонн. Это на 6 тысяч тонн меньше, чем добыто на протяжении всей истории. Куда же подевалось остальное?

Может, вам это покажется фантастикой, но, по оценкам, именно столько тонн золота лежит на морском дне в затонувших кораблях. Кроме того, примерно тысяча тонн золота закопана на кладбищах всего мира в виде золотых зубов и украшений. Может, разграбление могил в будущем станет кошмарным источником золота?

Несколько тысяч тонн золота оказались среди отходов в выброшенной электронике и механизмах. Содержащееся в электронных компонентах золото смешивается с массой других элементов. Поэтому переработка оказывается не столь простой задачей, как просто собрать золото и переплавить. По мере того как увеличивается количество золота в электронных отходах и параллельно повышается стоимость добычи из геологических месторождений, все больше и больше золота станут добывать из источников, имеющих отношение к человеку. Сегодня это явление носит название «городская добыча». Точно так же, как на протяжении истории разрабатывались всё более искусные методы, помогающие отделить золото от породы, сегодня ученые занимаются разработкой химических и механических методов, наиболее подходящих для того, чтобы отделить золото от пластика и других металлов, из которых сделаны мобильные телефоны.

В 2016 году из всех имеющихся в мире шахт добыли 3100 тонн золота. При современных темпах добычи меньше чем через 50 лет не останется ничего. По расчетам, через тысячу лет все доступное золото переместится из породы и гор в техносферу – так называются все вещи, изготавливаемые и используемые человеком.

Теоретически извлечь и использовать можно и золото с лежащих на морском дне кораблей, и золотые зубы, похороненные на кладбищах. В настоящий момент количество золота, которое для людей на самом деле потеряно, составляет около тысячи тонн. Это золото, служившее покрытием для различных предметов, например позолоченной мебели и картинных рам, и истершееся. Какое-то количество золота, содержащегося в электронике, тоже оказывается в этой категории, когда электронные отходы попадают не туда, куда нужно. Такое золото потеряно. Оно превратится в пыль, его сдует ветер или смоет вода. Оно осядет на морское дно и окажется в наносах – вместе со всем тем, что вытекает из рек. Через несколько миллионов лет образуется порода. А затем, еще через много миллионов лет, возможно, на этой территории вновь начнется вулканическая активность: потечет горячая, содержащая серу вода, которая хлынет через породу, растворит в себе золото и вынесет наверх – оно будет долго-долго откладываться в трещинах и полостях, и постепенно образуется золотая руда^[73].

3
Железный век не закончился

Я спокойно лежу, а вот моя кровать движется. Завтра у меня встреча в Бергене. Сегодня вечером меня убаюкают звуки и движение поезда – так же как и поколения живших до меня людей. Благодаря подобным путешествиям на поездах я чувствую себя частью долгой истории. Задолго до появления машин и самолетов железная дорога перевозила людей и товары с места на место и из города в город.

И поезда, и железнодорожные пути сделаны из железа, самого важного для нашей цивилизации металла^[74]. Первые металлы, которыми стали пользоваться люди – золото, медь и бронза (сплав меди и олова), – слишком мягкие, чтобы в большинстве случаев стать заменой каменным и деревянным инструментам. Использование железа произвело революцию и в военном деле, и в земледелии. Почувствуйте разницу: вспахать землю деревянным плугом – или железным. Благодаря железным инструментам стало проще обрабатывать землю, строить дороги, рубить и резать дерево. В сочетании с железным оружием, таким как наконечники стрел и мечи, этот металл мог подарить значительные преимущества тем, кто освоил его раньше соседей^[75].

Без железа дыхание бессмысленно

Железо не только играет важную для нашего общества роль. Оно является важнейшим элементом транспортной системы нашего тела. В теле взрослого человека около четырех граммов атомов железа^[76] – этого хватит на гвоздь средних размеров, – и железо в организме необходимо нам для решения жизненно важной задачи.

Чтобы жить, мне необходимо дышать. Кислород нужен всем клеткам моего тела. Когда я делаю вдох, в мои легкие попадает кислород, однако надо каким-то образом доставить его всем клеткам. И тут в игру вступает железо. В отличие от золота, предпочитающего держать свои электроны при себе, железо – щедрое, оно охотно отдаст пару своих электронов. Поэтому между железом и кислородом возникает тесная дружба: кислород жаждет принять дополнительные электроны от других элементов.

В моих легких – там, где кровь встречается с воздухом, – кислород пользуется шансом соединиться с атомами железа, связанными с молекулами крови. Таким образом кислород перемещается с кровью по телу. В моих клетках есть и другие молекулы – они уговаривают железо и кислород снова расстаться, и дальше железо в одиночестве идет по кровеносным сосудам к сердцу, где его перегонят обратно в легкие за новой порцией кислорода. Без железа в крови было бы совершенно не важно, сколько я вдыхаю, ведь я не могла бы воспользоваться кислородом, который с таким усердием вдохнула в легкие. Вот почему я должна принимать препараты железа в течение нескольких недель каждый раз, когда выступаю донором и сдаю пол-литра своей крови. Новые клетки крови тело производит с легкостью, а вот вырабатывать железо оно не умеет.

Если железо отдало электроны кислороду, для того чтобы вновь отделить друг от друга эти химические элементы, потребуется много энергии. Прошло немало времени, прежде чем люди узнали, как разрушить эту связь и возвращать атомам железа их электроны, а это необходимо для того, чтобы металл стал пригодным для изготовления оружия и инструментов.

На пороге железного века

Три с половиной тысячи лет назад египетского фараона Тутанхамона похоронили с железным кинжалом. Долгое время происхождение кинжала и других очень древних железных предметов, обнаруженных не только в Египте, но и в других уголках мира, оставалось большой тайной. Ведь технологии, необходимые для производства железа, из которого сделаны эти предметы, появились примерно на тысячу лет позже^[77].

Разгадка обнаружилась за пределами нашей планеты. Металл кинжала Тутанхамона не с Земли.

По космосу летает множество мелких и крупных астероидов: они состоят из железа с примесью никеля и не подвергаются воздействию воды или кислорода. Поэтому железо в них не ржавеет и способно навечно сохранить металлический блеск. Порой астероиды падают на Землю в виде метеоритов – их подбирают и превращают в кинжалы и другие предметы. Таким и было первое железо, оказавшееся в распоряжении людей. Вероятно, все подобные древние предметы сделаны из метеоритного железа^[78].

На Земле крайне мало мест, где природное железо не образует соединений с другими элементами и встречается в металлической форме. Одно из таких месторождений находится в Гренландии – там содержащая железо лава пробилась сквозь земную кору очень-очень давно^[79]. Продвигаясь наверх, лава прошла слой угля – остатки доисторических растений, состоящие почти исключительно из углерода. Углерод обладает полезным свойством: он отдает свои электроны еще активнее, чем железо. В результате, когда связанные атомы железа и кислорода, содержащиеся в кипящей горячей лаве, вступают в реакцию с имеющимся в угле углеродом, углерод передает атомам железа свои дополнительные электроны. Углерод и кислород, образовав диоксид углерода, уходят в атмосферу, а железо остается в виде слоя металла – для нас это готовое сырье.

Здесь и кроется ключ к производству металлического железа – до того как шагнуть в железный век, людям приходилось его искать. Железа вокруг нас много (оно составляет около 4 % земной коры), но практически все оно образует связи с кислородом. Железную руду превращают в металл, смешивая с углем и нагревая до тех пор, пока уголь не загорится. Углерод из горящего угля вступает в реакцию с железной рудой, отдает электроны и крадет кислород – остается железо в металлической форме^[80].

Когда люди начали изготавливать железо, выросла и потребность в древесине. Когда древесину нагревают в закрытых ямах, куда не поступает кислород, она превращается в уголь, пригодный для производства железа. Из-за этого значительно возросла нагрузка на близлежащие леса – типичный, но неблагоприятный побочный эффект. Сегодня для производства железа используют ископаемый уголь. Его извлекают из земли, так что необходимость рубить деревья для выполнения этой задачи отпала. Угольные шахты поспособствовали спасению многих лесов мира от участи оказаться в углежогной яме. И параллельно углерод, выпускаемый в атмосферу во время сжигания ископаемого угля, нагревает нашу планету. При производстве каждой тонны железа образуется примерно полтонны диоксида углерода^[81]: углерод берется из угля, а кислород – из железной руды. В долгосрочной перспективе это представляет еще большую угрозу лесам и экосистемам, чем вырубка в прежние времена.

Шведское железо

Углем, необходимым для производства железа, нас снабжают леса прошлого, а сама железная руда появилась благодаря организмам, жившим еще раньше. Почти вся железная руда, добываемая нами сегодня, ведет свое происхождение от ржаво-красных запасов оксида железа, появившихся на дне океана, когда начался процесс фотосинтеза и океаны заржавели, – это случилось примерно 2,5 миллиарда лет назад^[82]. Сегодня эти месторождения в виде горизонтальных слоев располагаются близко к поверхности, а потому подходят для открытой разработки. Закрывающие железную руду землю и породу извлекают и откладывают в сторону: огромные машины выламывают руду из гигантских ям на поверхности, имеющих форму чаши, – это одни из крупнейших сооружений, созданных человеком.

Так как железо – столь часто встречающийся химический элемент, также существуют месторождения руды, образовавшиеся другими способами. Одно из самых важных находится в Скандинавии. Туда можно добраться на поезде из Осло – сначала в Стокгольм, а затем двигаться на север чуть больше 15 часов. И город Кируна, и ведущую в него железную дорогу построили для того, чтобы добывать железо из породы, которая находится на севере Швеции^[83].

Богатые месторождения железной руды в той области, где сегодня располагается город Кируна, известны давно. Тем не менее эта часть Северной Швеции вплоть до конца XIX века пребывала в запустении. Из-за высокого содержания фосфора в железной руде для мирового рынка она была практически бесполезной, однако, когда был открыт способ извлечения фосфора из железной руды, шведская руда превратилась в пользующееся спросом сырье.

Перевозка руды в санях на оленях с отдаленного месторождения в Кируне до порта Лулео в Ботническом заливе могла занять несколько дней. Часто зимой нарастал толстый слой льда, а потому руду приходилось сваливать на суше до тех пор, пока вода не очистится и не появится возможность перевезти груз дальше в Европу. Поэтому весной 1898 года шведский риксдаг принял решение проложить железную дорогу, которая свяжет Кируну и с Лулео, и норвежским портом Нарвик. Благодаря крупным вложениям руду можно поставлять на мировой рынок круглый год. Строительство привлекло тысячи шведов, норвежцев и финнов, стремившихся заработать денег в шахте, на строительстве железной дороги, ну или с помощью занятий другого рода, сопровождающих подобную деятельность, – в сфере ремесел, торговле спиртным или проституции. После скромного начала Кируна быстро превратилась в настоящий город, где были и школы, и больницы, и пожарные части.

Железную дорогу достроили в 1902 году, и Кируна утвердилась как важный для всей Европы источник железной руды. Одним из крупнейших покупателей была Германия, а накануне Второй мировой войны от этих поставок Гитлер зависел полностью. Из Кируны шло больше половины железа, необходимого для производства танков, бомбардировщиков и оружия для немецкой армии. Захватив 9 апреля 1940 года и Норвегию, и Данию, Германия обеспечила безопасность линий поставок, и перевозка грузов из Кируны в Германию шла вплоть до 1944 года, пока ее не остановили союзники^[84].

Железо Кируны – из магмы, которая когда-то в прошлом проникла в земную кору^[85]. Пока магма медленно остывала в полостях, созданных в породе ею самой, образовались кристаллы содержащих железо минералов, и они опустились на дно магматического бассейна. Так железо отделилось от других химических элементов, содержащихся в магме. Сегодня в глубине породы дно древнего магматического бассейна резко идет под уклон. Поэтому Кируна – один из немногих в мире крупных железных рудников, где руду выкапывают под землей. В глубине породы в пластах руды пробуривают большие тоннели, пока порода не треснет, – руда падает сверху, раскалывается при падении, ее грузят в машины и вывозят на поверхность. Там содержащие железо минералы сортируют и грузят в железнодорожные вагоны.

Когда породу выкапывают и она обрушивается на глубину, неизбежно возникают трещины, распространяющиеся в направлении поверхности. Сейчас трещины под Кируной дотянулись так далеко, что центр города скоро опустится в испещренную тоннелями породу. На нынешнем месте город больше оставаться не сможет. Церковь и некоторые отдельные исторические здания поставят на колеса и перевезут на более твердую почву. Они окажутся среди недавно построенных школ, магазинов и жилых зданий, предназначенных для всех тех людей, кому скоро предстоит собирать вещи^[86].

От руды – к металлу

По-прежнему каждый день из Кируны в Нарвик прибывают несколько груженных рудой поездов^[87]. В Нарвике руду грузят на корабли и отправляют на металлургические предприятия, расположенные по всему миру. Сегодня Китай – крупнейший в мире производитель железа, за ним идут Япония и Индия^[88].

На металлургических предприятиях железную руду вместе с углем нагревают в гигантских плавильных печах. Уголь отдает электроны железу и забирает кислород. По мере того как температура в печи растет, минералы, которых не должно быть в готовом металле, начинают плавиться. Эта жидкая масса называется шлаком, и с железной руды его можно слить или счистить. В конце процесса руда превращается в вязкий, напоминающий губку комок передельного чугуна, содержащий большое количество углерода из угля^[89].

Раньше предметы изготавливали именно из такого железа. Чугун били молотом, чтобы извлечь как можно больше оставшегося в нем шлака. Затем кузнец раскалял железо и с помощью молота и наковальни ковал оружие и инструменты. Скандинавские викинги получали такие комки чугуна в печах, специально построенных на фермах, а железную руду привозили с окрестных болот^[90]. Для достижения наилучших результатов кузнецу нужно было уметь контролировать температуру, подавать воздух и бить по железу молотом.

Позже оказалось, что качество металла улучшается, если расплавить его еще раз. Железо, содержащее много углерода и других примесей, остается в жидкой форме при температуре, достаточно низкой для того, чтобы разлить железо по формам. Это чугун – самый дешевый из производимых сегодня металлов. На кухне он существует в виде кастрюль и сковородок, а в промышленности – в огромном количестве деталей машин.

Кованое железо, которое мы видим в черных декоративных оградах и люстрах, получают в результате плавки передельного чугуна с известью и другими веществами, способствующими удалению как можно большего количества примесей в шлак. По мере очистки железа растет температура плавления. Когда железо больше невозможно держать в жидкой форме в печи, его можно извлечь, отбить и выковать. Из кованого железа сделана Эйфелева башня, строительство которой завершилось в 1889 году^[91].

Вожделенная сталь

Наиболее вожделенный вид железа сам по себе является символом прочности. Характеристики вроде «стальные ноги и руки» или «стальные нервы» производят внушительное впечатление. Сталь – металл с очень низким содержанием углерода, его количество не превышает примерно одной сотой части. Производство стали было очень дорогим вплоть до конца XIX века, когда благодаря техническому развитию стало возможно ее масштабное производство^[92]. До этого сталь предназначалась для самых важных предметов, таких как мечи и эластичные стальные пружины.

Хотя углерода в стали содержится мало, она все равно является сплавом железа и углерода. Сплав – это металл, состоящий из смеси двух или более химических элементов. Он может обладать качествами, совершенно отличающимися от тех, что свойственны каждому элементу по отдельности. Это не тот случай, когда мы, смешав соль и сахар, получаем сладко-соленую массу. Прочная сталь состоит из железа (в чистой форме оно мягкое, эластичное и не очень-то подходит для изготовления инструментов) и углерода – его мы знаем как крошащийся графит в карандашах, которыми мы пишем. Также в сталь для придания особых свойств добавляют ряд других химических элементов. Сталь становится легче и прочнее благодаря небольшому количеству таких металлов, как ванадий и молибден, – они есть в разводных ключах и многих других инструментах, хранящихся у нас в кладовке. Благодаря хрому стали не так-то легко заржаветь – наряду с никелем и марганцем он содержится в нержавеющих столовых приборах, которыми я пользуюсь во время ужина^[93].

Чтобы понять, почему определенный материал ведет себя именно таким образом, нужно узнать, как связаны друг с другом его атомы. Если взять кусочек чистого железа и рассмотреть под микроскопом с большим увеличением, мы увидим, что металл состоит из большого количества мелких кристаллов, пустот между которыми нет. К сожалению, в обычный микроскоп атом железа рассмотреть невозможно, но, если бы у вас была возможность, вы бы увидели, что в каждом кристалле атомы железа располагаются ровными рядами.

Если вы попытаетесь согнуть прут из чистого железа руками, один ряд атомов с легкостью проскользнет мимо соседнего. Как только вы перестанете прикладывать силу, атомы, остановившись на новом месте, больше никуда не сдвинутся. Когда вы выпустите прут из рук, он, в отличие от стальной пружины, к изначальной форме не вернется. От размера кристаллов в металле зависит то, сколько сил придется приложить, чтобы прут согнулся. На месте соприкосновения кристаллов ряды атомов стоят под разными углами, что препятствует скольжению. Поэтому проще согнуть железный прут с крупными кристаллами, чем с мелкими.

В жидком металле, помещенном в плавильную печь, атомы углерода и железа тщательно перемешиваются. Когда расплавленная масса остывает, начинают образовываться кристаллы чистого железа. Железо, в отличие от углерода, отделяется от жидкого металла, поэтому доля углерода в расплавленной массе увеличивается. Это продолжается до тех пор, пока температура в печи не снизится настолько, что оставшаяся смесь железа и углерода не удерживает жидкую форму. Образуется новое вещество, карбид железа, на четверть состоящий из атомов углерода, а на три четверти – из атомов железа. Пространство между кристаллами железа слой за слоем заполняется, соответственно, карбидом железа и чистым железом. Получившийся твердый металл состоит из смеси эластичных кристаллов чистого железа и слоистого прочного материала, содержащего углерод.

Сталь пользуется столь высоким спросом из-за сочетания прочности и эластичности. Благодаря эластичности перегруженный стальной мост не рухнет без предупреждения. Вместо этого он слегка наклонится, а прочности после этого не потеряет. Сегодня одна из важнейших сфер применения стали – армирование бетонных конструкций. Бетон выдерживает большой вес, но легко трескается, если попытаться его согнуть или растянуть. Стальные стержни в армированном бетоне сопротивляются силам, которые сгибают или растягивают конструкцию, в то время как бетон выдерживает большие нагрузки, под которыми одна лишь стальная арматура не выдержала бы и согнулась.

Проблема ржавчины

Сталь решает множество наших задач, однако не раз и навсегда. Применение железа – это вечная борьба с силами природы. Когда мы производим из железной руды металл, мы тратим много энергии на то, чтобы атомы железа вошли в состояние, в котором они на самом деле быть не хотят.

Все мы видели, как на сверкающем металле автомобильного капота или велосипедной рамы со временем появляются пятна пористого красного вещества. Это ржавчина – результат того, что атомы железа вновь получили шанс отдать свои электроны кислороду. Здесь, на земной поверхности, это предпочтительная для железа форма. Поэтому люди тратят много денег и сил на то, чтобы противостоять образованию ржавчины, или коррозии, и ликвидировать повреждения, возникающие в тех случаях, когда коррозия неизбежна^[94].

Хотя железо и кислород охотно обмениваются электронами, для реакции необходима вода. Поэтому первая – и самая простая – защита от ржавчины следующая: предотвратить контакт поверхности железа с водой^[95]. Эйфелеву башню, построенную из кованого железа, регулярно красят, обновляя покрытие на всех поверхностях каждые семь лет. Так башня остается целой и невредимой с момента постройки уже более ста лет.

Покраска – простой, но не всегда практичный метод. На столовых приборах, которыми мы пользуемся во время ужина, краска никому не понравится – она облупится и смешается с пищей. Мы пользуемся нержавеющей сталью, сплавом железа и хрома, – в результате реакции между сталью и содержащимся в воздухе кислородом на металле образуется плотная оболочка из непроницаемого материала. Эта оболочка мешает кислороду вступать в реакцию с железом. Поверхность обычной, не нержавеющей стали тоже ржавеет, однако ржавчина образует пористый слой, который отваливается крупными кусками, а потому ничего не мешает реакции продвигаться вглубь.

Производство нержавеющей стали, если сравнивать с обычной, обходится намного дороже. Поэтому нержавеющую сталь не применяют для строительства крупных объектов, таких как корабли, мосты или нефтяные платформы. Конструкции, которые полностью или частично находятся в воде, иногда невозможно защитить с помощью краски. На корпус корабля поверх стали помещают кусочки цинка или магния, чтобы вместо железа ржавели эти металлы. Такие кусочки металла называют гальваническими анодами. Они работают до тех пор, пока состоят из металлов, которые более активно отдают свои электроны, чем железо.

Иногда проще принять тот факт, что предметы ржавеют. Некрашеным стальным сваям необходимо придавать дополнительную толщину, чтобы они не сломались, даже если их поверхность проржавеет. По расчетам, за сто лет во влажной земле проржавеют четыре миллиметра, а за сто лет в морской воде или в тех областях, куда попадают брызги, – 30 миллиметров^[96].

Наша инфраструктура создается с учетом потерь. Проржавевшее железо смоют потоки дождя. Краска истирается, ее смывает вода и сдувает ветер. Гальванические аноды из цинка, алюминия и магния растворяются и исчезают в морях. Вдобавок мы теряем железо, когда оно изнашивается. Затупившееся острие ножа приходится точить, счищая тонкий слой материала. Острые зубцы велосипедного зубчатого колеса стачиваются во время эксплуатации. Материал зубцов становится пылью на обочине дороги, и со временем вода унесет его в реки, а в конечном счете и в океан.

Тем не менее предметы из стали предназначены для длительного пользования, что и происходит. Нержавеющие столовые приборы прослужат минимум 100 лет^[97], а мосты, железнодорожные пути и небоскребы можно эксплуатировать 50–150 лет^[98]. Поэтому у нас есть значительный, увеличивающийся запас железа, которое после эксплуатации можно переработать и использовать повторно в новых конструкциях.

Закончится ли железо?

Железо – самый дешевый и часто используемый металл в мире. В 2016 году в мире произвели 1640 миллионов тонн стали. В 22 раза больше, чем алюминия, занимающего второе место. Последние 170 лет производство железа каждый год увеличивалось на 5–10 %. Железо и сталь нужны нам для зданий, мостов, рельсов, кораблей, поездов, автобусов, автомобилей, опор линий электропередач и гидроэлектростанций. Железо – важнейший компонент самых значимых элементов нашей инфраструктуры. Мы с вами – люди железного века.

Представьте, что железо кончилось. Последствия окажутся катастрофическими. Где-то мы, разумеется, заменим железо другими материалами. Иногда они будут лучше железа, поскольку нам понадобится что-то полегче, как алюминий, лучше проводит электричество, как медь, – или то, что, оказавшись в человеческом теле, не заржавеет, например титан. В других ситуациях мы заменим железо неметаллами. Мост можно построить из дерева, а не из стали. А лодки изготовить из стеклопластика и пластмассы. Ножи – из керамических материалов. Хотя мы и смогли бы произвести столько всего из других материалов, мы бы даже и близко не подошли к тому, чтобы заменить все железо другими материалами, параллельно поддерживая функционирование сегодняшнего общества.

Трудно точно сказать, сколько различных химических элементов мы сможем добыть в будущем. Самые точные из имеющихся в нашем распоряжении цифр называются запасами. В их основе лежат данные – их обязаны раскрывать все горнодобывающие компании – о том, сколько, согласно имеющейся в их распоряжении информации, они смогут добыть на своих рудниках.

Бывает, в новостях сообщают, что какого-то химического элемента нам хватит на 5 лет, а еще какого-то – на 20. Эти цифры вы получите, сложив все задокументированные запасы определенного химического элемента и разделив сумму на ежегодную добычу в данный момент времени. Получившаяся цифра скажет нам, сколько пройдет лет, прежде чем мы используем все запасы этого элемента. На сегодняшний день опубликованные данные по запасам железа – 83 миллиарда тонн, в то время как каждый год из шахт добывают 2,9 миллиарда тонн. Значит, если мы будем добывать столько же, сколько сегодня, запасы мы израсходуем, прежде чем пройдет 28 лет^[99]. А если мы станем наращивать производство, запасы кончатся еще быстрее.

Если бы реальность и в самом деле была таковой, нам действительно пришлось бы туго. Но это не так. На самом деле срок жизни запасов железа уже долгое время довольно стабилен. 50 лет назад запасов тоже оставалось лишь на несколько десятилетий. То же самое касается других металлов. Между 1980 и 2011 годами меди нам все время хватало на 30 лет, никеля – на 60, хотя за этот период добыча обоих металлов удвоилась.

Причина довольно проста: запасы сообщают о том, сколько горнодобывающие компании, по имеющейся информации, точно добудут с определенной территории. О еще не обнаруженных нами месторождениях они не говорят ничего. Так как запасы – элемент оценки горнодобывающей компании, им приходится проходить дорогостоящий процесс: проводить геологические исследования, экспериментальное бурение, получать авторизацию и сертификаты, чтобы месторождения можно было классифицировать как запасы. Для горнодобывающих компаний важно задокументировать достаточно запасов, чтобы обеспечить инвестиции, необходимые для начала или продолжения добычи, однако больше им на самом деле не нужно. Поэтому нет смысла документировать запасы на многие столетия для будущего использования, хотя их существование вполне очевидно.

В том случае, если вследствие технологического развития появится новая крупная область применения для какого-либо элемента или в одной из основных стран-поставщиков начнется война, по отношению к производству объем запасов уменьшится, а рассчитанный срок жизни укоротится. Вот признак того, что нас ждет нехватка этого элемента, а цены вырастут. При перспективе роста цен горнодобывающие компании решат потратить больше ресурсов на поиск и классификацию новых запасов. Таким образом, то, что на первый взгляд кажется прекращением поставок, приведет к новым находкам и росту запасов.

Когда цены растут, уже известные месторождения также могут перейти в категорию запасов. Дело в том, что запасы охватывают лишь те месторождения, добыча на которых экономически выгодна. При высоких ценах у горнодобывающих компаний появляются средства копать глубже, перерабатывать больше породы и пользоваться более дорогими и сложными методами обогащения.

Иногда новые запасы появляются благодаря технологическому прогрессу. Железная руда из Кируны долгое время считалась непригодной из-за высокого содержания фосфора. Благодаря новому методу, позволяющему отделить фосфор от передельного чугуна, Кируна из пустынной местности превратилась в ключевую точку европейской большой политики. В будущем задействование роботов в горнодобывающей промышленности позволит копать глубже и обогащать более эффективно. Таким образом, в будущем запасы продолжат расти.

Это заложено в природе запасов: они увеличиваются, когда нужны нам. Кто-то выдвигает это как аргумент в пользу того, что в реальной жизни с нехваткой ресурсов мы не столкнемся никогда. Мы всегда найдем еще или разработаем способы увеличить добычу. Но и это тоже не может быть правдой. Все, что переносится в маленькую коробочку под названием «Запасы», уже лежало в коробочке под названием «Известные ресурсы». В ней находятся все уже обнаруженные нами месторождения, пока еще не классифицированные как запасы, поскольку расположены слишком далеко от проторенных путей, или в стране, где идет война, или в стране, где добыча не разрешена по экологическим соображениям, ну или из-за геологических условий при текущей ситуации на рынке и имеющихся технологиях добыча экономически не выгодна.

Последняя коробочка – «Неизвестные ресурсы». Это все, что мы пока еще не обнаружили, поскольку не нанесли на карту каждый кубический метр земной коры.

Каждый раз, когда мы обнаруживаем новое месторождение, оно перемещается из коробочки «неизвестного» в коробочку «известного». Затем оно, возможно, переместиться в коробочку с запасами. Каждый раз запасы увеличиваются, а ресурсы, соответственно, сокращаются. Возможно, они неизвестны, но их размеры не бесконечны. И когда коробочка с ресурсами опустеет, добывать будет нечего.

Те, кто пытался оценить все ресурсы железа, в итоге остановились на цифре между 230 и 360 миллиардами тонн. Из них 83 классифицированы как запасы^[100]. Кроме того, 30–70 миллиардов тонн уже добыто – они либо находятся в распоряжении людей, либо потеряны из-за ржавчины или износа^[101].

Мы пользуемся железом больше трех тысяч лет, но добыли, вероятно, десятую часть всего имеющегося железа. Это не значит, что можно продолжать в том же духе еще с десяток тысяч лет. Больше всего железа добыто за последнее столетие. Соотношение между современным производством железа и общим количеством ресурсов – это примерно 250 лет производства.

Поскольку числа, говорящие о неизвестных ресурсах, неточны, вполне можно предположить, что в действительности они в четыре раза больше, так что железа нам хватит еще на тысячу лет. Или в 10 раз больше. В этом случае через тысячу лет мы окажемся не в конце, а лишь на середине железного века. Проблема нехватки ресурсов возникнет не когда опустеет земная кора. Нехватка железа начнется в тот момент, когда наше общество не сможет позволить себе его добычу.

Конец железного века?

На какой срок у нас хватит денег на железо? Трудный и важный вопрос. Если количество людей на Земле так и будет расти, по всей вероятности, потребление железа тоже увеличится. Если у большего количества людей появится больше денег, увеличится и спрос. Снижение численности населения и наступление плохих времен, возможно, приведет к уменьшению потребностей. Новые технологии могут создать новые рынки или же ликвидировать прежде крупные рынки – вследствие этого спрос пойдет вверх или вниз.

Месторождения высшего качества есть среди известных и неизвестных ресурсов. Там концентрация железа высока, поэтому, чтобы добыть необходимое нам железо, нам не нужно взрывать, перемещать, дробить, отбирать и хранить слишком большое количество породы. Когда лучшие месторождения истощаются, мы беремся за месторождения с более низкой концентрацией. В результате с каждой тонной железа, взятой нами со складов планеты, мы вынуждены тратить все больше энергии и денег на добычу следующей тонны. Это может привести к удорожанию железа, что усложнит для каждого из нас покупку железных инструментов, а инфраструктуру, от которой мы все так зависим, станет дороже строить и обслуживать.

Совсем недавно ученые рассмотрели все эти механизмы в связи друг с другом, чтобы попытаться спрогнозировать, чего нам ждать от развития и потребления железа в ближайшие 400 лет^[102]. Сначала они предположили, что общий объем ресурсов железа составляет 340 миллиардов тонн, а мировое население сильно сократится к 2400 году (это связано с прогнозами на будущее, касающимися других химических элементов, среди прочего – фосфора, но к нему мы вернемся чуть позже. Согласно результатам, добыча железа из шахт и дальше будет расти вплоть до середины столетия, а затем сократится, поскольку потребует все больше денег и энергии. Рост цены на железную руду повлияет на стоимость железного лома, поэтому все больше железа будет отправляться на переработку. К концу столетия большую часть железа на рынке станут производить из металлолома, в то время как сегодня это лишь треть. В какой-то момент в XXIII столетии горнодобывающая промышленность фактически прекратит работу. Параллельно из-за коррозии и износа потери железа сохранятся на прежнем уровне. Мы не можем сократить их с помощью производства большего количества нержавеющей стали: задолго до того, как железо станет дефицитным товаром, возникнет нехватка легирующих металлов, то есть хрома, марганца и никеля. Количество имеющегося в распоряжении человечества железа вырастет от сегодняшних примерно 50 миллиардов тонн до приблизительно 160 миллиардов тонн к середине XXII века, но в 2400 году, в конце сценария, у человечества останется лишь 30 миллиардов тонн железа.

Нельзя принимать ни одно исследование за чистую монету, особенно когда мы пытаемся предсказать, что случится в столь отдаленном будущем, но, если исходить из того, что ничего вечного не бывает, возможно, однажды нашим потомкам придется сделать шаг из железного века, и этот поступок окажется разумным.

Железо имеет критически важное значение для нашей цивилизации. Для Гитлера железо Кируны было столь важным, что он оккупировал Норвегию и Данию, чтобы обеспечить его поставки. Не очень-то приятно задумываться о том, на что окажутся способны другие страны и правители в тот день, когда железо уже не будет столь дешевым и легкодоступным для большинства из нас. Каменный век подошел к концу не потому, что в мире не осталось камней, – надо надеяться, что наши потомки выстроят новую и более грамотную инфраструктуру и при этом раньше, чем сталь опять превратится в предмет роскоши.

4
Медь, алюминий и титан – от ламп накаливания до киборгов

Мы с моим будущим мужем вместе ездили в Австралию учиться – тогда же у нас впервые появилась собственная машина. Машина была на четыре года старше меня и досталась нам от австралийского дяди моего молодого человека – при вручении он детально проинструктировал нас по вопросам обслуживания свечей зажигания. Когда мы признались, что в двигателях разбираемся на уровне любителей, он заверил нас, что при появлении странных звуков нам всегда помогут разобрать двигатель, а потом собрать заново. Несколько раз во время поездок по пустынным районам Австралии машина, казалось, уставала, но после визита к дяде-умельцу она всегда была готова к новому приключению.

В нашей нынешней машине под капотом только багажник. Электродвигатель спрятан где-то под сиденьями, а приборная доска представляет собой единый большой монитор. Когда машина издает странные звуки или ведет себя не как положено, нужно звонить людям, которые подключатся к машине совершенно из другой точки мира и, возможно, решат проблему, прислав обновление. Если нет, машину необходимо отдать в мастерскую.

Во время поездки мы на большом экране видим положение автомобиля на карте. Путешествие я начинаю с того, что ввожу пункт назначения, а затем машина определяет, какой путь быстрее и где нам придется остановиться на подзарядку. Благодаря камере заднего вида и боковым датчикам парковаться стало проще, однако самых передовых технологий в нашем автомобиле нет, и выполнять параллельную парковку полностью самостоятельно он не умеет. В самых современных автомобилях вы доедете куда хотите, даже ни разу не взявшись за руль, однако законодательство не продвинулось вперед настолько, чтобы это и впрямь было возможно.

Летом 2017 года велись дискуссии о том, когда самостоятельное вождение окажется под запретом^[103]. Автомобили, управляемые компьютером, не засыпают, не спорят с сидящими на заднем сиденье детьми и не употребляют алкоголь. Раз уж мы учимся полагаться на технологии, когда-нибудь мы сочтем, что передавать управление безрассудному человеку – это просто безответственно. И если через 15 лет своим автомобилем управлять не будет никто, мои дети, возможно, водить никогда не научатся. Точно так же я не училась машину чинить. Технологическое развитие все время сдвигает границу между человеком и машиной с помощью таких химических элементов, как медь, алюминий и титан.

Медь в автомобилях, теле и воде

Электромобиль – одно из последних дополнений ко всем тем электронным штуковинам, наполняющим нашу жизнь. С тех самых пор, как в 1880-х годах распространилось электрическое освещение, огромное значение для общества и повседневной жизни большинства людей приобрел доступ к дешевому и надежному источнику электрической энергии^[104]. Без электричества с заходом солнца наступает темнота. Тогда вам придется читать и писать со светом масляной лампы, готовить пищу в очаге и каждый день вдыхать вредный дым. В Норвегии подобные условия кажутся пережитком прошлого, но всего лишь несколько десятилетий назад мой дедушка работал на строительстве электростанций и протягивал медные провода, которые вели электричество в северную часть страны.

Поскольку электричество все активнее воздействует на нашу инфраструктуру, растет и количество меди вокруг нас. Для потребления электричества медь играет важнейшую роль, поскольку обладает исключительной электропроводностью, медленно ржавеет, а кроме того, ее производство обходится довольно дешево. Сразу после Второй мировой войны в среднестатистическом семейном автомобиле было 45 метров медных проводов. Сегодня эта цифра увеличилась до 1,6 километра для обычной машины, работающей на бензине, а для гибридного и электрического автомобиля она значительно выше^[105]. Большая часть меди входит в различные электронные компоненты, которых в послевоенных автомобилях не было.

Медь используется далеко не только в электрических кабелях, компьютерах и электромобилях. Из меди сделаны многие водопроводные трубы. Из них в питьевую воду могут попасть мельчайшие количества металла – они настолько малы, что проблемы не представляют, так как медь нашим телам все равно нужна. Ряд важнейших белков в клеточных механизмах содержат атомы меди; в среднем человеческом теле меди хватит на комочек размером с мелкую песчинку^[106].

Тем не менее в чересчур больших количествах медь для тела ядовита, а если вы выпьете застоявшуюся в трубах воду, возможно, вам, к сожалению, не повезет и из-за содержания меди вы заболеете^[107]. То же самое случится, если сварить глинтвейн в кастрюле, в которой вы обычно только кипятите воду. Со временем медь, содержащаяся в воде из-под крана, образует на внутренней поверхности кастрюли слой, и если этот слой растворится в кислом глинтвейне, то из этого напитка вы, возможно, получите слегка увеличенную дозу меди.

Медь была с нами задолго до наступления железного века. Наряду с золотом, медь – один из немногих металлов, существующих в природе в чистой форме, и медь вошла в употребление очень рано – за 8 тысяч лет до н. э. Тем не менее месторождения, где медь содержится в металлической форме, очень редки, потому использование меди широко распространилось, только когда появились методы добычи меди из минералов.

Медь – мягкий металл, и инструменты из нее менее прочные, чем железные. Однако, когда медь куют, она становится относительно крепкой. Ковка нарушает кристаллическую структуру, из-за чего атомам сложнее проскользнуть мимо друг друга. Когда металл снова нагревают, атомы располагаются аккуратными рядами – металл становится мягче и более гибким. Таким образом, из того же самого металла можно сделать новые инструменты. Постепенно распространилась практика примешивать к меди олово и изготавливать бронзу, а сплавы меди с мышьяком или свинцом лучше подходили для оружия и инструментов^[108].

Медные шахты горного плато Рёрусвидда

Медь – редко встречающийся в земной коре химический элемент. Однако в большинстве стран есть пригодные для добычи месторождения, поскольку медь с легкостью перемещается и концентрируется во время различных геологических процессов. Плюс в том, что меди комфортно в компании серы, а потому на большинстве залежей медь встречается в минералах, содержащих серу, – их легко убрать из руды. Благодаря этому можно заработать денег, добывая медь с месторождений, где медь составляет лишь несколько тысячных долей. В то время как железная руда иногда на добрую половину состоит из железа, для современных медных шахт 0,6 % – типичная концентрация меди^[109]. Значит, на каждую тонну извлекаемой породы остается 6 килограммов меди и 994 килограмма отходов.

Как и в случае с железом, при производстве меди из руды нужны большие количества углерода и энергии. На заре производства меди потребление древесины привело к масштабной вырубке лесов в отдельных районах Испании, Кипра, Сирии, Ирана и Афганистана^[110]. В наше время нечто подобное произошло в Норвегии, на горном плато Рёрусвидда, где с середины XVII века и вплоть до 1977 года добывали медь. Обширные леса, когда-то там произраставшие, вырубили, чтобы получить топливо и для пожога в медных шахтах, и для выплавки медной руды^[111]. На добычу меди из одного кубического метра породы могло уйти 17 кубических метров древесины.

Словно сплошной вырубки лесов было недостаточно, значительная часть растительности в районе Рёруса пострадала от загрязнения в результате добычи меди. До середины XIX века важный этап обработки медной руды проводился на открытом воздухе^[112]. Чтобы отделить медь от серы, измельченную руду сваливали на подстилку из сухих дров – затем их поджигали и оставляли гореть на пару месяцев. Содержащаяся в руде сера вступала в реакцию с кислородом и поднималась в воздух в виде газа. В воздухе газ реагировал с водяным паром, превращаясь в серную кислоту, – на землю выпадал экстремальный вид кислотных дождей^[113]. К счастью, для современного производства меди разработаны методы, позволяющие задержать основную массу загрязнений до того, как они попадут в окружающую среду.

Медные шахты и производство меди могут оставить на земле заметные следы, но, если мы хотим и дальше пользоваться электричеством, как и сегодня, мы зависим от поддержания поставок меди на мировой рынок. Согласно ряду исследований, до сокращения производства меди осталось лишь несколько десятилетий^[114]. В то же время ряд ученых указывают на то, что добываемая сегодня медь залегает в самом верхнем километре земной коры, чаще всего совсем близко к поверхности. По всей вероятности, на глубине 2–3 километров имеются крупные неизвестные месторождения меди. Если появятся методы для обнаружения этих месторождений и роботы, способные работать в глубоких, жарких и опасных шахтах, а нам не придется беспокоиться о потере жизней и здоровья, – пригодные к добыче ресурсы, возможно, окажутся в 10 раз больше, чем те, на которые мы рассчитываем сегодня^[115]. Может быть, это позволит нам поддерживать потребление меди на протяжении нескольких столетий.

Алюминий: красные облака и белые сосны

Медь – далеко не единственный металл, с помощью которого мы проводим электричество. Во многих случаях его вполне заменяет алюминий. Алюминий – легкий металл, прекрасно подходящий для линий электропередач. А также его низкий вес – главная причина того, что большая часть моего электромобиля изготовлена из алюминия^[116]: благодаря сплаву с другими металлами он становится прочным, не теряя легкости.

С алюминием меня связывают близкие отношения, хоть этот химический элемент не играет важной роли для организма – в моем теле его примерно столько же, сколько меди (не больше, так как его избыток способен причинить вред)^[117]. Но алюминий я беру в руки каждый день, и по многу раз. Ведь именно из алюминия изготовлен корпус моего мобильного телефона^[118]. Когда кислород вступает в реакцию с алюминием, образуется слой оксида алюминия, который крепко держится за металл под ним, словно прочная защитная оболочка. Таким образом, оставшийся металл в контакт с кислородом не вступает, и поэтому алюминий, в отличие от железа, не ржавеет и не разрушается. На фабрике, где изготавливают корпусы мобильных телефонов, контролируют уровень кислорода и температуру, чтобы слой оксида оказался правильной толщины – примерно пять тысячных миллиметра – и достаточно прочным, чтобы выдержать мое прикосновение.

Земная кора на 8 % состоит из алюминия^[119], так что это распространенный химический элемент. По объему производства это второй в мире металл после железа. В год мы производим около 50 миллионов тонн алюминия – против 1640 миллионов тонн железа. Почти весь алюминий производят из бокситов – породы, образующейся в тропических районах, когда поверхностные воды, просачиваясь сквозь породу, вымывают прочие химические элементы и оставляют алюминий, кремний, железо и титан. Большинство разрабатываемых сегодня месторождений бокситов расположены в Австралии, Китае, Бразилии и Гвинее^[120].

Так как бокситы залегают близко к поверхности, добывают их методом открытой разработки. Верхние слои почвы и породы убирают в сторону, а бокситы выкапывают и раздрабливают, прежде чем обработать гидроксидом натрия в огромных автоклавах, чтобы отделить оксид алюминия от прочих содержащихся в руде минералов. Остается красная текучая грязь, которую перекачивают на хранение в огромные резервуары – там шлам медленно высыхает^[121]. Из-за щелока красный шлам едкий и может нанести окружающей среде непосредственный значительный ущерб, если произойдет прорыв плотины или утечка. Крупнейшая авария подобного рода произошла во время прорыва плотины в Айке, в Венгрии, в 2009 году^[122]. Там погибло 10 человек (по всей вероятности, они утонули), когда грязь хлынула в ближайшую деревню. Шлам потек в местную реку, где погибло все живое, а потом в Дунай. К счастью, в долгосрочной перспективе последствия катастрофы оказались незначительными^[123].

В 2016 году власти Малайзии ввели в стране временный запрет на добычу бокситов, поскольку скачкообразное неконтролируемое развитие добывающей промышленности оказало серьезное разрушительное действие на окружающую среду, среди прочего в виде красных облаков пыли, распространившихся от высыхающих резервуаров^[124]. Из-за малазийского запрета мировое производство алюминия в тот год упало на 10 % – хороший пример того, насколько важно для горнодобывающей промышленности наличие и соблюдение строгих экологических мер.

Долгое время алюминий был дорогим и экзотическим металлом, наравне с золотом. Ведь чтобы чистый оксид алюминия расплавился, его необходимо нагреть до температуры более 2000 градусов. Для таких высоких температур необходимо не только много энергии – почти невозможно найти материалы, пригодные для изготовления плавильной печи. В конце XIX века металлурги обнаружили, что температура плавления оксида алюминия снижается примерно на 1000 градусов, если смешать его с фторосодержащим минералом – криолитом. Без этого прорыва сегодня мы не могли бы позволить себе ни автомобили, ни мобильные телефоны, ни пивные банки из алюминия.

Чтобы расплавленная смесь оксида алюминия и криолита вступила в реакцию с углеродом, а алюминий перешел в металлическую форму, расплавленную массу нужно подключить к электрической цепи – так электроны будут вынуждены перейти от углерода к алюминию^[125]. Для этого процесса требуется огромное количество электрической энергии, поэтому оксид алюминия, добытый в бокситовых рудниках в тропиках, отправляется в те уголки мира, где электричество стоит дешево.

Ребенком я вместе с семьей часто бывала в красивой долине Утладален, расположенной в западной части массива Йотунхеймен. В конце путешествия мы шли через старый лес на горное плато Веттисморки. Самые высокие сосны там совершенно белые. Мои родители рассказывали мне, что деревья погибли из-за выбросов фтористых газов от алюминиевого завода в Ордале. Мне эта история всегда казалась странной: обычный фтор – его я каждый вечер пью в виде маленьких таблеток с веселой рожицей; как же ему удалось погубить такие высокие деревья, да и какое отношение фтор имеет к металлу?

Алюминиевый завод в Ордале, в глубине Согнефьорда, немецкие оккупанты построили во время Второй мировой войны. После войны он перешел в руки норвежского государства, а сегодня им управляет компания Norsk Hydro – и это один из самых современных алюминиевых заводов в мире^[126]. Благодаря наличию дешевой гидроэнергии Норвегия столь привлекательное место для производства алюминия. На сегодняшний день по производству алюминия Норвегия занимает восьмое место^[127].

Запуск производства алюминия в Ордале в 1949 году непосредственно повлиял на скот на этой территории. У животных серьезно пострадали зубы и скелеты, и они так ослабли, что на горные пастбища их приходилось перевозить. Вполне очевидная связь между промышленными выбросами и вредом, причиняемым природе и домашним животным, в 1950-х годах повлекла за собой ряд исков, и заводу в итоге пришлось выплачивать компенсации местным фермерам. Привлеченное к этому делу внимание поспособствовало тому, что можно считать зарождением экологической политики Норвегии – в 1961 году появился Совет по вопросам выбросов (позже он стал Государственной службой по контролю за загрязнением окружающей среды, а затем – Директоратом по вопросам климата и загрязнения окружающей среды)^[128].

Как я слышала от своих родителей, фтористые газы от расплавленного криолита нанесли вред и хвойным деревьям, и скелетам, и зубам. Детям мы даем фтор в таблетках и пользуемся фторосодержащей зубной пастой, поскольку в малых дозах фтор входит в поверхность кристаллов, из которых строятся наши зубы, и тем самым укрепляет их. Но если фтора окажется слишком много, не образуются кристаллы правильного типа, и зубы разрушаются.

И только в 1980-х годах, примерно через 40 лет после открытия завода, были установлены очистительные системы, позволяющие не наносить ущерб хвойным лесам^[129]. Сегодня очистительные системы улавливают большую часть фтора и возвращают его в производственный процесс. Выбросы фтора из Ордаля по-прежнему влияют на зубы живущих на этой территории оленей^[130], и все же воздействие на окружающую среду минимально, если сравнивать с ситуацией несколько десятилетий назад.

Использовать уже использованное

При современных темпах добычи бокситов хватит, чтобы снабжать мир алюминием еще примерно три сотни лет. Когда месторождения бокситов начнут истощаться, нам придется перейти к добыче алюминия из других минералов. Алюминий так часто встречается в земной коре, что у нас получится добывать его до тех пор, пока хватит энергии для выполнения этой задачи.

Кроме того, алюминий можно использовать еще раз. Для производства алюминия из переработанных материалов нужна лишь доля той энергии, которая тратится на новый металл. Благодаря этому алюминий – один из тех металлов, что сегодня перерабатывают чаще всего – всего в мире повторно используют около 60 % выброшенного алюминия. И по-прежнему меньше половины алюминия на рынке приходится на переработанные материалы, но, по всей вероятности, через несколько десятилетий переработка окажется важнее добычи^[131].

В целом металлы хорошо подходят для переработки. После переплавки они ведут себя как новый материал. Конечно, разделить сплавы на составные части бывает трудно. Поэтому металлолом нужно аккуратно сортировать, чтобы различные сплавы не смешивались, а изготовленные товары из-за этого не приобретали нежелательных свойств. Существуют действенные химические методы для анализа состава сплавов, но сортировка станет и проще, и дешевле, если компоненты маркированы и легко отделяются друг от друга.

В моем мобильном телефоне есть далеко не только алюминий. В стандартном мобильном телефоне 62 различных химических элемента. Это три четверти 84 существующих на Земле нерадиоактивных металлов. Электроника в мобильных телефонах строится на кристаллах чистого кремния; для производства электрических компонентов, с помощью которых контролируются сигналы и сохраняется информация, к нему добавляют крошечные количества таких химических элементов, как фосфор, мышьяк, бор, индий и галлий. Электрические соединения – из серебра (оно лучше проводит электричество), золота (оно никогда не ржавеет) и меди (она самая дешевая). Стекло перед экраном делают из кремния и кислорода с добавлением алюминия и калия. И когда я прикасаюсь к экрану, электрические сигналы идут в расположенный в телефоне компьютер, так как стекло покрыто слоем, содержащим индий и олово, настолько тонким, что я вижу его насквозь^[132].

Если мы и дальше будем изготавливать все более сложные средства коммуникации и компьютеры, ученым придется искать новые и более качественные методы, позволяющие разделить десятки химических элементов после эксплуатации – так, чтобы ими снова можно было воспользоваться. Мы потратили тысячи лет на то, чтобы отточить методы производства металла из породы. Теперь все приобретенные знания придется направить на то, чтобы понять, как добывать необходимые металлы с помоек цивилизации. Выброшенные на свалку автомобили станут золотыми рудниками будущего.

Титан горы Энгебёфьелле

Ходовая часть моей машины изготовлена из титана^[133]. Легкий металл, он гораздо прочнее алюминия, но и стоит дороже. Поэтому применяют его только там, где сочетание низкого веса и прочности особенно необходимо. Титан важен не только для легких транспортных средств, потребляющих мало энергии, но и для космических полетов: благодаря им наши машины и телефоны знают, где мы находимся, а мы понимаем, какими будут погода, ледяной покров и растительность здесь, на Земле.

Как металл, наверно, титан находит лучшее применение не в космосе, а в человеческом теле. Иногда запчасти нужны и нам. Еще во времена Римской империи людям вставляли чугунные зубы, а первую успешную пересадку тазобедренного сустава выполнили в 1938 году. Благодаря имплантам у людей на протяжении многих лет повышается качество жизни^[134].

Важно изготавливать импланты из материалов, способных долгое время выполнять свои функции в человеческом теле. Им нельзя ржаветь и окисляться, затем разваливаясь на части, а также выделять вредные для тела вещества. Этим критериям соответствуют и золото, и серебро, и платина, но при нагрузках они легко гнутся, а потому для костей и зубов они плохая замена. Более прочные металлы, такие как железо, латунь и медь, ржавеют и доставляют телу дискомфорт, хотя римские чугунные зубы, судя по всему, со своей задачей справлялись на удивление хорошо. Среди металлов лучше всего подходят титановые сплавы. Титан прочный, легкий, может долгое время находиться в теле человека, не теряя прочности и не вызывая нежелательных побочных эффектов. Нам определенно захочется еще долго использовать его подобным образом.

Тем не менее большая часть добываемого титана в форме металла не используется. Почти всё (около 90 %) используется как оксид титана из-за его ярко-белого цвета^[135]. Во многих видах белой краски оксид титана заменил свинец, и поэтому для окружающей среды применение титана – хорошая новость. Проблема в том, что краску переработать очень сложно. Мы потеряли много золота, в разное время использовавшегося как покрытие поверхностей, а краске по природе свойственно истираться, потому нам и приходится наносить новую. Истершаяся краска превращается в пыль – под воздействием погодных условий и ветра она оказывается в океанах. Титан, который сегодня содержится в краске, в будущем не станет космическим кораблем или имплантом.

В Норвегии титан добывали более сотни лет^[136]. Во всем мире его, как правило, добывают из песка^[137]: легкие минералы вымываются, оставляя содержащие титан минералы (хотя титан – легкий металл, содержащие его минералы тяжелее, чем все то, что входит в состав песка). Однако в Норвегии расположено одно из крупнейших в мире месторождений титана в породе. Чтобы его добыть, необходимо раздробить породу на мелкие частицы (в ширину менее полумиллиметра) и смешать с водой. Затем большинство содержащих титан минералов можно отделить с помощью магнита и силы тяжести. Самые мелкие частицы улавливают, смешивая мыльный раствор со шламом и доводя до состояния пены – титаносодержащие минеры прилипают к пузырям, и их счищают с поверхности^[138].

По завершении этого процесса титановая руда превращается в пользующийся спросом оксид титана, а также остается большое количество шлама, который тоже нужно куда-то поместить. Когда в 1960-х годах в Рогаланне открыла шахты компания Titania, шлам складировали на дне Йёссингфьорда. Сначала заполнилось мелководье фьорда. Затем владельцы шахт решили складировать шлам во впадине Дюнгадюпет глубиной более сотни метров – она расположена чуть дальше в том же фьорде. Решение встретило массовые протесты природоохранных организаций и рыбаков – среди прочего в 1987 году они ворвались в офис министра окружающей среды. Несмотря на протесты, разрешение компания получила. В течение 10 лет во впадину Дюнгадюпет закачивали шлам.

В 1994 году Titania стала пользоваться хранилищами на суше. Каждый год горнодобывающая компания закачивает в перекрытую запрудой долину 2 миллиона тонн шлама^[139]. Когда его поверхность высыхает на солнце, иногда ветер поднимает огромные облака пыли. Когда идет дождь, вода просачивается сквозь шлам. Во время химических реакций между дождевой водой и минералами, лежащими на свалке, высвобождаются такие металлы, как никель, медь, цинк и кобальт. Вытекающая со свалки вода несет с собой загрязнения в ручьи и дальше во фьорд, и этот процесс будет длиться практически вечно.

Хранящийся в океане шлам подобным образом тяжелые металлы не выделяет – и потому, что благодаря химическому составу воды минералы становятся более стабильными, и потому, что морская вода в хранилище почти не движется. Проблема хранения отходов в океане заключается в самих частицах. Очевидная сложность – в том, что морское дно оказывается закрытым, и поэтому там уничтожается все живое. Кроме того, самые мелкие частицы, закачиваемые во фьорд, сразу же на дно не осядут. Если вместе с течением их понесет дальше, за пределы фьорда, проблемы у живых существ возникнут на более обширной территории. Мелкие частицы могут попасть в жабры к рыбам, а из-за осадка вода потемнеет, и в результате изменится вся пищевая цепочка.

Когда добыча прекратится и шлам просто останется лежать, возможно, на дно фьорда вернутся живые существа. Однако даже через 30 лет хранилище отходов сильно влияет на Йёссингфьорд^[140]. Сегодня ведутся споры по поводу добычи титана из горы Энгебёфьелле и хранения отходов в Фёрдефьорде. В конечном итоге обществу приходится взвешивать несколько интересов: негативное воздействие на окружающую среду от свалки на суше более приемлемо, чем от свалки в океане? Достаточно ли высока экономическая выгода добычи титана, чтобы оправдать последствия для окружающей среды, которые добыча обязательно за собой повлечет? Необходимо также спросить: продавать ли нам титан в краске сегодня или изготавливать из него импланты завтра?

Нашествие киборгов

В последние годы я перестала открывать телефонные справочники и энциклопедии, пользоваться бумажными картами, заранее договариваться с людьми о встречах, покупать билеты в кассах и автоматах, изучать таблицы с расписанием автобусов и трамваев, таскать с собой фотоаппарат, считать на калькуляторе, ходить в банк, засекать время секундомером, ставить будильник, фиксировать встречи и планы в записной книжке – со всеми этими задачами справляется маленький компьютер, всегда лежащий в моем кармане, – мой мобильный телефон. Как и многих других людей, часто меня как бы импульсивно тянет подержать телефон в руке и что-нибудь сделать – например проверить электронную почту или открыть Facebook, хотя я вполне могла бы заняться чем-нибудь другим.

Раз уж мы так сильно привязались к компьютеру, что он постоянно находится рядом с нами, стоит задаться вопросом: а нужно ли ему вообще быть за пределами нашего тела?^[141] Уже существуют крепящиеся к телу варианты – например «умные часы», которые носят на запястье. Можно купить очки, выводящие информацию прямо в поле зрения, а потому уже нет нужды склоняться над экраном. В очки встроена камера, с помощью которой вы можете в любой момент сфотографировать то, что видите. У моего кота под кожу вживлен чип, с помощью которого он открывает кошачью дверцу, а в некоторых американских компаниях у сотрудников есть возможность вживить похожий чип себе в руку, чтобы входить и выходить с работы и расплачиваться в столовой^[142]. Этот чип – крошечный компьютер с информацией, которую можно изменить с помощью электрических сигналов, идущих с внешней стороны кожи.

В человеческом теле форма электричества тоже есть. Еще с XVIII века известно, что движениями мышц управляют электрические сигналы в нервных клетках. В принципе, измеряя и контролируя их, можно исследовать и контролировать то, что происходит в теле.

Первым имплантом, использовавшимся для измерения и отправки электрических сигналов в системы тела, стал кардиостимулятор – в данном случае речь про клетки сердечной мышцы. Когда кардиостимулятор фиксирует, что сердце не бьется как положено, он посылает сигнал, заставляющий сердце биться с более ровным ритмом. Первым пациентом с кардиостимулятором стал шведский инженер Арне Ларссон, и произошло это еще в 1958 году^[143]. Хотя замена ему потребовалась уже через восемь часов, а до момента своей смерти в 2001 году он перенес 25 операций (для замены или ремонта устройства), кардиостимуляторы быстро превратились в механизмы, на которые мы действительно можем положиться. Сегодня существуют импланты сетчатки, позволяющие слепым людям видеть, импланты улитки (часть слухового аппарата человека), благодаря которым глухие люди слышат, и электроды, вживляемые глубоко в мозг и лечащие такие заболевания, как болезнь Паркинсона, хронические боли, эпилепсию, тревожность и депрессию. Эти электроды отправляют сигналы в сигнальную систему мозга и тем самым контролируют его действия. Электрические соединения, расположенные в самом мозге, бывают необыкновенно точными, но во многих случаях достаточно электродов, расположенных прямо на внутренней стороне черепа или даже снаружи на голове.

Электрические цепи также возможно подсоединить к нервным или мышечным клеткам, связанным с центральной нервной системой. Таким образом сигнальную систему можно использовать для управления механизмом, расположенным снаружи тела, например протез руки. Мозг обладает удивительной способностью учиться управлению подобными внешними механизмами. Он не зависит от тех же самых проводящих путей, которыми он управлял бы настоящей рукой. Достаточно посмотреть на искусственную руку или понять, как она двигается, чтобы мозг выстроил связи между нервными клетками, благодаря которым он сможет управлять механизмом так, словно это часть тела.

Прямые связи между механизмами и сигнальными системами тела можно использовать и в обратном направлении: есть возможность влиять на мозг или мышцы с помощью сигналов снаружи. Сигнальные системы насекомых устроены проще, чем наши, и существуют системы, позволяющие дистанционно управлять жуками, кузнечиками и молью – вживленные электроды подсоединены к маленькому компьютеру, расположенному на голове. Таким образом, можно, например, создать войско кузнечиков с дистанционным управлением, если вам нужны мелкие механизмы, умеющие делать снимки или проникать в тесные пространства. Животных, чей мозг устроен сложнее, таких как крысы и голуби, можно контролировать с помощью воздействия на системы наказания и поощрения. В этом случае электроды подсоединяются к нервным клеткам напрямую, или же сигналы используются для высвобождения химических веществ, которые получают клетки мозга.

О киборгах – своего рода гибридах человека и машины, обладающих экстраординарными способностями, – мы знаем из фильмов и книг. Но в широком смысле слова люди с кардиостимуляторами и имплантами сетчатки, можно сказать, уже киборги. И у нас есть все возможности продолжить развитие в этом направлении.

На сегодняшний день почти немыслимо в какой-то момент не купить ребенку личный мобильный телефон до того, как он пойдет в среднюю школу. Когда мои дети вырастут, для них, возможно, немыслимым станет вождение собственного автомобиля. Дети моих детей, возможно, сочтут само собой разумеющимся имплантированные механизмы, дающие им определенные преимущества: следить за здоровьем, улучшать зрение и слух – или иметь возможность общаться с внешним миром, оплачивать счета и отправлять сообщения, не пользуясь внешними устройствами.

Будущее – за роботами

Электронные компоненты постепенно уменьшаются в размерах. Компьютер в моем мобильном намного мощнее, чем тот, на котором работал мой отец в те времена, когда я была маленькой, – он был огромным, размером с холодильник. На сегодняшний момент мы узнали так много о том, как работают материалы, вплоть до уровня атомов, что способны создавать очень мелкие механизмы – чтобы их увидеть, нам понадобятся мощные современные микроскопы. При желании мы сможем отправить компьютеры и роботов в артерии и клетки нашего тела.

Можно подумать, что развитие в сторону все более и более мелких механизмов – хорошая новость для тех, кто переживает по поводу того, что в будущем какие-то материалы закончатся. Чем меньше устройство, тем меньше сырья для него требуется. Вот один из аргументов в пользу того, что мы сможем и дальше расти и развиваться как цивилизация, не увеличивая нагрузку на мировые природные ресурсы. Для работы более мелких единиц необходимо и меньше энергии. В будущем мелкие механизмы, вживленные в человеческие тела, начнут собирать имеющуюся в них химическую энергию и, таким образом, работать без батарей, требующих подзарядки^[144].

Производство мелких вещей тоже имеет свою цену. Чем предмет меньше, тем чище он должен быть, чтобы работать. Большое радио, собранное из металлических деталей, которые можно подержать в руке, вполне способно работать, даже если в деталях содержится большое количество примесей, а если деталь мала и состоит всего из нескольких атомов, важен каждый из них. Вот как устроена современная электронная промышленность: производство организовано в лабораториях – настолько стерильных, что серьезные проблемы создаст даже одна-единственная частичка пыли. Удается это благодаря сложным вентиляционным и фильтрационным системам – что, в свою очередь, требует большого количества энергии и четкого контроля всего происходящего с оборудованием^[145].

Между довольно высоким уровнем чистоты, очень высоким и ультравысоким немалая разница. Например, примеси одного вещества можно убрать с помощью дистилляции – это возможно благодаря тому, что у всех чистых веществ своя температура кипения. Когда во время дистилляции производят спирт, смесь воды и алкоголя нагревается и в форму газа вместе с очень небольшим количеством воды переходит алкоголь. Чтобы убрать как можно больше воды, процесс необходимо повторить несколько раз. На выпаривание алкоголя на каждом этапе тратится много энергии, и с каждым разом какое-то количество алкоголя неизбежно теряется. Тот же самый принцип касается и других материалов, нуждающихся в очистке. Хотя получающийся в итоге крошечный механизм потребляет мало энергии и мало весит, на стадии производства за ним стоит трата большого количества энергии и химикатов. Энергия, которая тратится на химическое разделение – процессы, во время которых вещества отделяются друг от друга, – на сегодняшний день соответствует примерно трети всей той энергии, что расходует мировой транспортный сектор^[146].

Существует несколько методов производства мелких объектов. Бактерии и иные живые организмы тоже своего рода мелкие механизмы. Ученые уже умеют менять генетический материал простейших организмов, чтобы они вырабатывали определенные химические вещества. Ряд бактерий сами по себе производят электрические провода всего в несколько атомов толщиной^[147]. Сейчас ученые выясняют, какие гены управляют производством этих материалов. В будущем мы сможем применить эти знания для разработки собственных электронных компонентов, создав бактерии специально для этого.

Возможно, электронику ждет иное будущее: мы сами, взаимодействуя с другими живыми организмами, станем компьютерами. Детали компьютеров будут в меньшей степени состоять из металлов, добываемых из земли, а больше – из живых организмов, а энергию они будут черпать из солнечного света, а не ископаемых. Для всего этого по-прежнему нужны многолетние исследования и дорогостоящие условия.

Бактерии или растения никогда не будут производить для нас всю необходимую электронику. Не в последнюю очередь это касается космических полетов. Они важная составляющая наших технологий и науки: мы способны разворачивать деятельность не только на Земле, но и в космосе. Материалы, используемые за пределами земной атмосферы, должны обладать сверхпрочностью. Мы знаем, что, если будем слишком долго загорать, можем обгореть и заболеть раком кожи. Все потому, что несущий энергию диапазон солнечного света, называемый ультрафиолетом, способен разрушить химические связи в молекулах, из которых состоит наша кожа. К счастью для нас, фотосинтез подарил нам озоновый слой в атмосфере, мешающий опасному излучению добраться до поверхности Земли. С внешней стороны слоя это излучение гораздо сильнее. Не стоит ожидать, что органические молекулы в созданной бактериями электронике осилят путешествие в космос.

На земной орбите требуются прочные, легкие материалы, способные выдержать излучение, холод и тепло^[148]. Для этого особенно важны легкие металлы, такие как алюминий и титан. Кроме того, нам предстоит использовать множество так называемых керамических материалов – пора обратить внимание на них.

5
Кальций и кремний в костях и бетоне

Я живу в кирпичном доме. В фундамент дома заливают бетон. Изоляция стен – из стекловолокна, а смотрю я в стеклянное окно. На стене над кухонным столом и на полу в ванной комнате у меня плитка. И раковина, и унитаз в ванной – керамические, из того же самого материала сделаны чашки и тарелки, стоящие у меня в кухонном шкафу. Зубы у меня во рту покрывает слой эмали, в то время как оставшаяся часть зубов, так же как и кости, выстроена из кристаллов, содержащих кальций, фосфор и кислород, – им также помогает кремний^[149]. Когда эти химические элементы поделятся электронами согласно собственному вкусу, образуются твердые, но легко бьющиеся керамические материалы.

Хотя обычно мы не уделяем им слишком много внимания, керамические материалы определяют нашу жизнь в той же степени, что и металлы. Кроме того, из керамических материалов изготавливают важные компоненты и для технологий, связанных с космическими полетами, и для многих наиболее продвинутых и сложных механизмов, окружающих нас. Подобные компоненты изготавливают в чистых и современных лабораториях, их сбор контролируют буквально вплоть до атома. Некоторые из них можно использовать для производства электричества от небольшой разницы температур. Возможно, им удастся добыть достаточно энергии для работы маленьких компьютеров, которые в будущем окажутся в наших телах. Керамические материалы сыграют незаменимую роль в развитии технологий будущего.

Жесткие и хрупкие

Керамические материалы не только отличаются многообразием, но они и обладают рядом важных общих характеристик^[150]. Они твердые и выдерживают большие нагрузки: не случайно самые крупные в мире объекты строятся из бетона, а зубы покрыты эмалью. В то же время они хрупкие – а значит, ломаются, а не гнутся, когда нагрузка слишком сильно увеличивается. Если вы укусите что-нибудь очень жесткое, возможно, отвалится кусочек эмали. Очень небольшое количество керамических материалов проводят электричество. Поэтому керамику, стекло и фарфор используют как изоляторы на опорах высоковольтных линий электропередач – благодаря этому напряжение не перескакивает с одного проводника на другой, или в опору, или в землю. Без подобного рода изоляторов мы не могли бы передавать электроэнергию так, как это происходит сейчас. Керамические материалы также довольно плохо проводят тепло. Именно поэтому я спокойно держу в руке фарфоровую чашку с дымящимся чаем – будь чашка металлической, я бы обожгла руки.

У керамических материалов есть ряд основополагающих отличий от металлов. Мы производим металлы, забирая химические элементы, которые прекрасно себя чувствуют в компании с другими, и вынуждая их принять дополнительные электроны. Когда атомы, объединяясь, образуют кусочек металла, они не чувствуют никакой ответственности за навязанные им электроны. Эти электроны – словно выросшие на улице дети – свободно перемещаются по материалу. Именно благодаря этому металлы проводят электричество (это ведь не что иное, как движущиеся сквозь материал электроны) и тепло, которое тоже передавать проще, когда крошечные компоненты материала движутся. Благодаря такой конструкции – атомы рядами стоят в океане движущихся электронов – атомам проще проскользнуть мимо друг друга, а материалу – согнуться или вытянуться.

Керамические материалы тоже состоят из крошечных кристаллов, крепко держащихся друг за друга, а атомы в них выстроены аккуратными рядами. Отличие от металлов в том, что у керамических материалов электроны распределены между атомами именно так, как им самим больше всего нравится, а за всеми электронами внимательно присматривают, почти не предоставляя свободы перемещений между атомами. Благодаря этому все атомы очень крепко держатся за своих соседей, а следовательно, почти невозможно сделать так, чтобы при сгибании материала атомы проскользнули мимо друг друга. Вот почему эти материалы выдерживают большие нагрузки, но трескаются, если нагрузка оказывается слишком сильной.

Лепка из глины

Простейшая форма керамики одновременно древнейшая. Искусство работать с глиной было с нами с самого начала истории и по-прежнему остается важной частью нашей культуры. В начальной школе больше всего на уроках труда мне нравилось делать керамические фигурки. Кстати, я не уверена, что мы называли их керамикой. Думаю, мы говорили проще – «лепить из глины». Каждому выдавали комок красно-коричневой, влажной, пахнущей землей глины, и с помощью забавных инструментов мы придавали ему форму зверушки или маленькой мисочки, а затем обжигали в печи, превращая в подарок для мамы и папы.

Слово «глина» имеет несколько значений^[151]. В повседневной речи им обозначают тяжелую, плотную породу. Технически глину классифицируют как поро

Anja Røyne

MENNESKETS GRUNNSTOFFER

Byggeklossene vi og verden er laget av

Перевод опубликован с согласия Stilton Literary Agency

Перевод с норвежского Дарьи Гоголевой

Научный редактор: А. В. Спиридонов, старший научный сотрудник кафедры динамической геологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

© Anja Røyne, 2018

© Гоголева Д., перевод на русский язык, 2021

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2021

КоЛибри®

* * *

Увлекательнейший обзор самых разных тем, начиная с дыхания и заканчивая исследованиями космоса, – серьезная наука, поданная в предельно доступной для понимания форме.

Эндрю Круми, шотландский писатель, доктор физических наук

Физик Анья Рёйне объясняет, какую роль играют различные элементы в организме человека, и вместе с нами посещает самые разные места по всему миру, где можно эти элементы найти.

Publishers Weekly

Отличный образец научно-популярной литературы: Рёйне помещает новые знания в более широкий контекст – в большие актуальные дискуссии об обществе и будущем нашей планеты. Это не просто хорошо написанный рассказ о химических элементах, это книга о том, как быть человеком на Земле сегодня.

Осмунн Эйкенес, норвежский биолог, член жюри премии Браги

Это не просто ликбез по химии, это книга, в которой подробно рассматривается воздействие человека на планету и то, чему мы можем научиться у природы.

School Library Journal

Введение

Наше опасное отношение к своей планете

Мы с вами – часть жизни, когда-то зародившейся на нашей планете. Наши тела состоят из атомов, образовавшихся одновременно со Вселенной. Мои дети растут, и их тела строятся из химических элементов, содержащихся в почве, воде, горных породах, воздухе. Когда-нибудь атомы моего тела станут елями, ледниками и гранитом.

Но каждый из нас – это не просто тело. Точно так же, как и мои пальцы, важна одежда, которую я ношу, дом, в котором живу, и нож, которым режу хлеб. Не будь рудников и бульдозеров, благодаря которым производятся минеральные удобрения и продукты питания, вы, вероятно, никогда не появились бы на свет.

У каждого из окружающих нас предметов и материалов, из которых они изготовлены, своя роль в уникальном явлении, созданном людьми, – нашей цивилизации. И мне нравится цивилизация. Нравится жить в теплом доме и бывать в новых для меня местах. Я едва ли представлю свою нынешнюю жизнь без всех имеющихся в мире знаний, доступных по одному нажатию кнопки, хотя, когда я росла, на полках стояли энциклопедии, а в почтовом ящике лежали написанные от руки письма.

Каждый день появляются новые дома, новые мобильные телефоны, новые люди. Невероятно, как это все происходит. Но где взять кирпичики, из которых строятся вещи, еда и люди? Из чего все это сделано? Неужели когда-нибудь кирпичики на нашей планете кончатся и все остановится?

Мы много говорим об окружающей среде. О том, как наше потребление влияет на воду, почву и воздух. О том, что разные виды животных вымирают с той же скоростью, как и тогда, когда падение огромного метеорита уничтожило динозавров. О том, что в океане столько мусора, что когда-нибудь пластика там окажется больше, чем рыбы. Не меньше внимания мы уделяем нефти и углю, которые сжигаем на электростанциях и в автомобилях, – они вот-вот изменят климат, и многие территории на Земле в ближайшем будущем станут непригодными для жизни.

От разговоров о разрушении окружающей среды я ощущаю собственное бессилие. Где мое место в этой картине мира? Я виновата, что целые виды вымирают? Какой мир я оставлю своим детям? Что можно сделать – не только для того, чтобы облегчить себе совесть, но и на самом деле повернуть развитие мира в лучшую сторону? Я написала эту книгу, чтобы мы с вами поговорили о том, к каким последствиям – одновременно невероятным и катастрофическим – приводит появление на свет вещей, продуктов питания и в конечном итоге нас самих. Для начала поймем, о чем мы говорим, а затем примемся за поиск решений, важных для тех, кто придет после нас.

1

История мира и химических элементов в семи днях

История химических элементов начинается с появления на свет Вселенной. История долгая, почти необъятная, если сравнивать с доступным человечеству временем. Поэтому, взяв за основу рассказ о сотворении мира, я уложу свою историю в семь дней.

Миллиард лет уместится в половину суток, миллион лет – в 3/4 минуты, а тысяча лет пройдет за 0,44 секунды. Вселенная родилась 13,8 миллиона лет назад, но в нашем повествовании будем считать, что время появилось, когда стрелки часов перевалили за полночь в ночь на понедельник. Пока вы читаете эти строки, часы бьют полночь и воскресенье заканчивается[1].

Понедельник: рождение Вселенной

В самом начале не существовало ни времени, ни пространства. Никто в мире не знает, как и почему все началось. Но сначала произошел Большой взрыв. Он выбросил энергию во все уголки новорожденной Вселенной. Вначале царил хаос, а затем молодая Вселенная оказалась под контролем известных нам законов природы[2].

Пыль у меня дома собирается в клочья – это лишь вопрос времени; схожим образом во Вселенной стали образовываться сгустки энергии. Эти сгустки, или частицы, энергии мы называем массой: материя, вещество, осязаемое, то, что во Вселенной создает все, что теоретически можно взять и потрогать.

Мое тело, вещи и планета, на которой мы живем, – все, что нас окружает, состоит из атомов. Атомы состоят из частиц трех видов: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют атомное ядро. Если ядро избавится или, наоборот, добавит себе несколько протонов, атом станет другим химическим элементом[3]. Изначально в атоме столько же электронов, сколько протонов, но электроны вращаются на орбитах – атомы обмениваются ими во время химических реакций.

Протоны, нейтроны и электроны образовались в раскаленной мешанине энергии и массы, которую представляла из себя юная Вселенная. Протоны и нейтроны склеились и стали ядрами атомов таких химических элементов, как водород, гелий и литий. У этих наиболее мелких и легких элементов в ядрах соответственно один, два и три протона. Сегодня водород – важнейший кирпичик для воды и тех органических молекул, из которых состоят живые существа. Ваши тела примерно на 10 % состоят из водорода – таким образом, род мы ведем прямо от рождения Вселенной.

Через 16 секунд после полуночи Вселенная более или менее остыла: электроны прикрепились к атомным ядрам и связь не распадалась в то же мгновение. А значит, и свет впервые стал свободно перемещаться по Вселенной и ему не препятствовали раскаленные электроны. Вот так почти сразу после полуночи во Вселенной появился видимый свет, хоть и смотреть на него было некому.

В течение следующих 12 часов распределенная по Вселенной масса продолжила образовывать сгустки. Из атомов образовались огромные облака, и еще до трех часов утра скопления этих облаков превратились в первые галактики. Одна из них станет Млечным Путем, домом человечества. Сегодня Млечный Путь – одна из более чем двух триллионов галактик Вселенной.

В шесть часов утра некоторые облака атомов так увеличились в размерах, что под их собственным весом произошел коллапс – они сжались в объеме и уплотнились. Так появились первые звезды[4]. В одной из них – значительно более крупном по сравнению с нашим Солнцем сгустке материи – оказались атомы водорода: они превратятся в кислород, который вы только что вдохнули.

Вес окружающих атомов с огромной силой притянул друг к другу атомы водорода. Из-за этого от ядер оторвались первые электроны. Затем давление стало столь мощным, что ядра водорода слились в одно целое, образовав атомы гелия. Из-за слияния выделилось огромное количество энергии, нагревшее скопление атомов. Так оно стало светящейся звездой. Сегодня на Солнце протекает тот же самый процесс. Когда вы смотрите в окно, вам в глаза попадает свет, идущий от атомных ядер, сливающихся в недрах Солнца.

Постепенно большинство ядер водорода превратились в гелий, и количество высвобождаемой в недрах звезды энергии сократилось. У центра звезды не было силы сопротивляться давлению окружающей материи. Произошел коллапс. Так начался новый этап жизни звезды. Из-за коллапса атомы гелия оказались так близко друг к другу, что вновь стали сливаться. Три ядра гелия (по два протона в каждом) стали одним ядром углерода с шестью протонами. Затем ядро углерода соединилось с еще одним ядром гелия – образовалось ядро с восемью протонами. Это кислород, чей атом вместе с ядром в данный момент движется к вашему мозгу в красном кровяном тельце[5].

Внутри звезды продолжился процесс слияния атомных ядер – образовывались все более и более тяжелые элементы. Ваши тела на 86 % состоит из углерода, азота и кислорода, появившихся на данном этапе. На Земле для образования подобных химических элементов слишком низкое давление – можно с уверенностью утверждать, что эти кирпичики нашего тела родом со звезд. Все мы – звездные существа. Кроме того, на этом этапе появились железо для нашей крови, фосфор для скелета и ДНК, алюминий для мобильных телефонов и компоненты соли, которой вы посыпаете еду (она состоит из натрия и хлора).

Через пару минут нашей истории длиной в неделю жизнь звезды оборвется столь зрелищным взрывом, что он получит название «сверхновая звезда». Во время взрыва образовались еще более тяжелые, чем железо, элементы, среди прочего – никель, медь и цинк. Электрические провода в вашем доме изготовлены из материалов родом со сверхновой.

То, что осталось после взрыва и не разбросало по Вселенной, притянулось друг к другу и схлопнулось: превратилось в нейтронную звезду. В ней все атомные ядра слились в огромный сгусток размером с крупный город (с диаметром примерно 10 километров), фактически став огромным атомным ядром, хотя химическим элементом мы его не называем. В нашей собственной Галактике существует около миллиарда нейтронных звезд, но, так как по сравнению с другими звездами они мелкие и холодные, увидеть их не так просто.

Когда я размышляю о том, сколько во Вселенной места и насколько малы нейтронные звезды, произошедшее далее кажется мне почти невероятным. Тем не менее нам известно, что, по всей видимости, случилось. В первые дни существования Вселенной нейтронные звезды иногда сталкивались. При столкновении образовывались золото, серебро, платина, уран и целый ряд других элементов, настолько тяжелых, что образуются они лишь в подобного рода экстремальных условиях. Новые элементы разбросало по Вселенной – они смешались с облаками пыли и атомов.

Так в первый из семи дней возникли химические элементы. Во Вселенной они образуются и по сей день. Звезды все время рождаются и умирают, взрываются и сталкиваются. Но на Земле атомные ядра вполне стабильны. На нашей планете химические элементы возникают и разрушаются лишь во время радиоактивных процессов, когда делятся нестабильные ядра урана и других тяжелых химических элементов. Протекающие внутри звезд процессы почти невозможно воссоздать даже в научных лабораториях. Комбинируя химические элементы, мы создаем материалы – тут наши возможности практически безграничны; но, если говорить о самих химических элементах, нам остается довольствоваться тем, что есть.

Вторник – четверг: звезды рождаются и умирают

Следующие три дня Вселенная шла по тому же пути. Звезды рождались – звезды умирали. От сверхновых по Вселенной расходились ударные волны и облака материи. Так как внутри звезд водород и гелий, сливаясь, образовывали новые химические элементы, общее количество азота и гелия во Вселенной сокращалось, а количество тяжелых элементов росло.

Пятница: образование Солнечной системы

В пятницу, в четыре часа дня, неподалеку от нас умерла звезда. Ударная волна от сверхновой сжала пыль и газ, содержавшиеся в облаке, – там же был и кислород, который вы только что вдохнули. Запустилась цепная реакция: сгустки материи стали настолько тяжелыми, что притянули к себе пыль и газ, находившиеся поблизости от них, а чем больше и тяжелее они становились, тем больше собирали из окружавшего их пространства. Без пятнадцати пять облако стало звездой, вокруг которой вращалось несколько планет. Эта звезда – Солнце, центр Солнечной системы[6].

Все планеты вращаются вокруг звезды. Чем ближе к звезде расположена планета, тем сильнее ее нагревает излучение – результат протекающих в недрах звезды реакций. В Солнечной системе ближайшие к Солнцу планеты очень горячие. Сегодня температура на их поверхности превышает четыре сотни градусов. На самых отдаленных планетах холодно. Солнечные лучи не разогревают их выше нуля градусов. Самые далекие планеты – замерзшие миры, где температура примерно 200 градусов ниже нуля.

Но одна планета расположена в самой подходящей точке. В пригодной для жизни области космоса температура на планете настолько низкая, что вода не кипит, и настолько высокая, что не превращается в лед[7]. Это планета Земля – она и станет нашим домом.

Правда, вначале Земля была раскаленной, даже жидкой. С ней регулярно сталкивались крупные и мелкие метеориты. Один из них обрушился на Землю с такой силой, что материя, оторвавшаяся в результате столкновения, образовала на орбите сгусток – так появилась Луна[8].

По мере того как Земля постепенно остывала в холодном космосе, тяжелые элементы, такие как железо, золото и уран, оседали ближе к центру жидкого шара[9]. Легкие элементы (кремний и главные компоненты наших тел – углерод, кислород, водород и азот), напротив, остались на поверхности и постепенно образовали прочную кору из породы, содержащей кремний, а с внешней стороны оказалась газовая атмосфера.

В первичной атмосфере образовались молекулы – группы атомов, в которых два атома водорода соединились с одним атомом кислорода. Это вода. В половине седьмого вечера температура упала настолько, что молекулы воды сбились в капли. Когда капли увеличились и в размере, и по весу, на поверхность пролился дождь – появился первый теплый океан[10].

В глубине океана произошло поистине волшебное событие. Углерод, водород и кислород, сцепившись друг с другом, образовали крупные молекулы – в них также содержалось небольшое количество серы, азота и фосфора. В какой-то момент молекулы приобрели структуру, давшую им возможность создавать собственные копии, объединяя расположенные поблизости от них химические элементы по той же схеме. Это основа жизни. Когда эти молекулы из сложной химической системы превратились в живой организм? Жизнь появилась сразу, в одной точке, или же захватила планету после целого ряда попыток? На данный момент у ученых нет ответа на этот вопрос, но мы сами – доказательство того, что жизни улыбнулась удача.

Металлами, осевшими в центр планеты, человечество не воспользуется никогда. Просто они залегают слишком близко к центру Земли. К счастью, около 10 часов вечера в пятницу произошло событие, которое окажет решающее воздействие на то, как люди выстроят общество. Остаток вечера Землю обстреливали метеориты. Ученые точно не знают почему. Возможно, устанавливались орбиты крупных планет и это влияло на движение материи в Солнечной системе. В любом случае металл из этих метеоритов усеивал всю земную кору и не оседал к центру, поскольку земная кора стала крепче. Из этого металла сегодня мы делаем автомобили и вилки.

Примерно за полчаса до перехода от пятницы к субботе земная кора стала трескаться и двигаться[11]. Кора нашей планеты по-прежнему состоит из плит, перемещающихся по океану вязкой расплавленной породы. Снаружи, на поверхности, так холодно, что, когда расплавленная порода вырывается на поверхность через трещины между плитами, она застывает и становится земной корой. Поэтому плиты, перемещаясь относительно друг друга, постоянно меняют форму. Когда сталкиваются континенты, расположенные на двух плитах, образуются горные цепи – прямо сейчас таким образом формируются Гималаи: Индия поджимает Азию с юга. Во многих местах плита с тонким океанским дном проскальзывает под толстую земную кору континента, расположенного на другой плите. Сегодня это происходит вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки. Где-то литосферные плиты трутся друг о друга, двигаясь плечо к плечу. Иногда они застревают, а в итоге, проскальзывая, вызывают крупные землетрясения. Разрушается порода, и в коренной породе возникают крупные системы трещин, или разломы.

Совместное движение литосферных плит сейчас носит название «тектоника плит». Из всех планет Солнечной системы только у Земли столь активная поверхность[12]. Сложно сказать, почему движется именно кора Земли, но без этого движения наша планета оказалась бы мертвой. Благодаря тектонике литосферных плит вещество Земли находится в постоянном движении: на поверхности оказывается то, что унесли в океан воды и ветры, и то, что было похоронено на морском дне миллионы лет. В земной коре возникают разломы, через которые из глубин выносятся химические элементы[13]. Сегодня из оставшихся разломов такого рода мы извлекаем золото и иные металлы.

Суббота: начинается жизнь

Земная кора подвергалась метеоритной бомбардировке примерно до ночи субботы, до 00:45[14]. Затем обстановка на планете стала спокойнее. До половины шестого утра на Земле появилось магнитное поле – невидимый щит, защищающий Землю от наиболее мощных и опасных излучений Солнца[15]. Не будь подобной защиты, чтобы выжить, нам пришлось бы находиться в подземных пещерах.

Примерно в то же время возникли первые одноклеточные организмы.

По сути, живые организмы – это не что иное, как мелкие механизмы, создающие собственные копии с помощью энергии окружающей среды. Разумеется, у них бывают и дополнительные функции – фиксировать то, что происходит вокруг, двигаться или общаться. Наши тела черпают энергию из потребляемой нами пищи, и исследователи полагают, что самые первые живые создания брали необходимую энергию из химических соединений в глубинах океана[16]. По-прежнему существуют целые экосистемы, живущие в кромешной темноте – там, где раздвигаются литосферные плиты. Там сквозь напоминающие трубу структуры, расположенные на дне океана, вырывается поток обогащенной минералами воды – химические соединения этих минералов содержат энергию, необходимую живущим там существам.

Сегодня почти все земные живые существа получают энергию от Солнца – или напрямую, посредством фотосинтеза, или употребляя в пищу молекулы, хранящие в себе солнечную энергию. В процессе фотосинтеза энергия солнечного света расходуется на то, чтобы расщепить диоксид углерода и воду на углерод, водород и кислород. Затем атомы объединяются и строят новые комбинации – таким образом, появляются богатые энергией молекулы, известные нам как углеводы, белки и жиры. Судя по всему, фотосинтез возник у живущих в океане бактерий – в субботу, примерно в 15:00. Сегодня в этом процессе задействованы все зеленые растения, деревья и синезеленые водоросли. Во всем, что содержится в этих организмах, есть капелька солнечной энергии.

Когда диоксид углерода и вода превращаются в растительный материал, остаются атомы кислорода. Организмы, осуществляющие фотосинтез, выбрасывают атомы кислорода в форме молекул: в них атомы кислорода связаны друг с другом попарно. Молекулы кислорода имеют ярко выраженное свойство вступать в реакции с другими соединениями: нам это известно по огню – это не что иное, как кислород, вступающий в реакцию с углеродом и прочими горючими веществами и высвобождающий энергию в форме тепла, – поэтому мы не нашли бы молекул кислорода ни в океане, ни в атмосфере, если бы их постоянно не воспроизводил тот или иной источник. Кислород – жизненно необходимый для нас газ – непрерывно образуется в результате фотосинтеза. Однако изначально в атмосфере Земли молекул кислорода не было. Первым организмам кислород для выживания тоже не требовался.

До начала процесса фотосинтеза в Мировом океане было растворено огромное количество железа. Сейчас уже такого нет. В настоящее время при контакте с водой поверхность железа быстро становится красной, грубой и легко ломается. Этот красный материал, ржавчина, – химическое соединение железа и кислорода. Пока в воздухе и воде есть кислород, незащищенное железо всегда заржавеет.

После обеда в субботу, между 15:00 и 18:45, заржавели океаны. Весь кислород, образованный на первых этапах фотосинтеза, вступил в реакцию с железом – он осел на дно в виде ржавчины. Постепенно ржавчина преобразовалась в толстый слой слоистой породы. Сегодня мы выкапываем эту красную породу, отделяем кислород в больших печах и используем железо для изготовления ножей и рельсов.

Когда основная масса железа заржавела, в океане начал накапливаться кислород. Для большинства первых появившихся на планете созданий кислород – смертельный яд. Таким образом, фотосинтез привел к одному из самых массовых истреблений видов за всю историю нашей планеты[17]. Однако были существа, сумевшие извлечь из кислорода пользу. Они воспользовались имеющимся в окружающей среде кислородом для высвобождения солнечной энергии из организмов, которых они употребляли в пищу. Так они получали энергию, необходимую для поддерживания собственных жизненных процессов – самостоятельно заниматься фотосинтезом им уже было не нужно.

В то время как огромное количество форм жизни сдались под натиском ядовитого кислорода, пользовавшиеся им организмы приобрели огромное преимущество. Мы – их потомки. Энергия, которую вы тратите на чтение этой книги, движение глаз и преобразование текста в информацию в мозге, – результат химических реакций, во время которых в клетках тела кислород и углеводы превращаются в диоксид углерода и воду.

Постепенно океанская вода насыщалась кислородом, и он стал подниматься из океана в атмосферу. Как следствие, на Земле произошли значительные перемены. Наша планета непрерывно излучает в космос тепло, и температура на ее поверхности сильно зависит от того, какое количество этого излучения удерживают газы в атмосфере. Мы зовем это явление парниковым эффектом. Раньше атмосфера была богата метаном – он вбирает большое количество теплового излучения, а потому поверхность Земли не остывала[18]. Когда из-за кислорода метан в атмосфере стал расщепляться, парниковый эффект ослаб, и планета погрузилась в глобальный ледниковый период. До самого вечера субботы, до 21:15, огромная часть биоразнообразия, появившегося в океане, погибла от холода[19].

В высших слоях атмосферы молекулы кислорода столкнулись со светом Солнца, несущим огромные запасы энергии – два атома кислорода оторвались друг от друга. Когда одиночные атомы сталкивались с пролетавшими мимо молекулами кислорода, образовывался озон – молекула, состоящая из трех атомов кислорода. Озоновый слой оказался эффективной ловушкой для наиболее насыщенной энергией части солнечного света. Достигнув земной поверхности, этот свет способен уничтожить наиболее уязвимые органические молекулы. Сегодня благодаря озоновому слою мы находимся под отрытым небом, не нанося серьезных повреждений глазам и коже.

Когда появился озоновый слой, живые организмы смогли выжить на поверхности воды – и даже на суше[20]. Здесь для фотосинтеза было еще больше солнечного света – резко выросло производство органического материала и кислорода. Первые формы жизни, оказавшиеся на суше, – это ковер из бактерий и водорослей, покрывших плоскую, золотистую поверхность и заложивших основы того, что станет плодородной почвой планеты.

Воскресенье: живая Земля

Организмы с клеточным ядром, от которых мы произошли, появились ранним воскресным утром в половину четвертого[21]. В пять часов утра одноклеточные организмы начали столь тесно сотрудничать, что уже рассматриваются не как самостоятельные единицы, а как живые существа, состоящие из нескольких клеток[22]. Однако, прежде чем жизнь закипела в том виде, в каком мы ее знаем, прошло много времени. После обеда, в 17:25, после того как на Земле закончился еще один глобальный ледниковый период, продлившийся с 15:15 до 16:15, появились особые виды животных и растений, выстроившие в океане сложные экосистемы[23]. Когда геологи изучают окаменевшее океанское дно, относящееся к последующему периоду, они находят окаменевшие останки огромного количества различных видов, таких как головоногие и трилобиты, напоминающие мокриц.

В воскресенье вечером, в 18:05, на сушу выползли первые животные. Начался процесс по преобразованию ковра из водорослей и породы в плодородный слой земли, в который пустили корни первые наземные растения, – это случилось примерно через минуту после половины седьмого. Благодаря корням растений, цеплявшимся за землю, воду, а позже и за стволы деревьев, мешавшим ветру сдувать рыхлые материалы, поверхность земли перестала быть ровной и скучной, появилось некоторое разнообразие – реки, долины, болота и озера[24].

Жизнь на земле перенесла несколько тяжелых ударов. Извержения вулканов, падения метеоритов и смена солнечной активности – все это способствовало значительным изменениям температуры, уровня Мирового океана и количества кислорода в атмосфере и океане. 85 % видов, возникших после первого расцвета сложных живых организмов, вымерли во время глобального ледникового периода в 6:36[25]. Жизнь возродилась, но в 19:28 трилобиты задохнулись из-за нехватки кислорода на дне океана – они исчезли вместе с 80 % всех видов, обитавших в то время в океане[26].

Наиболее масштабное до сегодняшних дней массовое вымирание видов случилось в воскресенье вечером, в 20:56, когда в Сибири произошли мощнейшие извержения вулканов – в атмосферу выбросило диоксид углерода, что привело к повышению температуры и окислению Мирового океана, – сегодня нам эта проблема хорошо знакома. Окаменелости, сохранившиеся со времен сразу после вымирания, свидетельствуют о катастрофе, оставившей после себя пустынный ландшафт – ни лесов на суше, ни коралловых рифов в океане[27].

Однако через пару минут в лесах и океанах вновь закипела жизнь, возникало все больше видов. Хорошие времена закончились в 21:34, когда очередное глобальное потепление уничтожило минимум три четверти всех обитавших на Земле видов. Среди выживших были и появившиеся чуть ранее половины десятого млекопитающие и динозавры[28]. Может быть, именно благодаря уничтожению конкурентов динозавры получили шанс стать следующими хозяевами Земли. Когда динозаврам в 23:12 пришлось сдаться, судя по всему, климат на Земле был настолько неблагоприятным, что падение огромного метеорита туда, где сегодня расположена Мексика, оказалось последним гвоздем в крышку гроба многих живших на Земле видов.

Теперь, когда опасность оказаться съеденными динозаврами миновала, млекопитающие рассеялись и заняли огромное количество экологических ниш. Поначалу климат был теплее, чем сегодня, но примерно в 23:25 температура начала падать[29]. В 23:43 огромную часть темных, пышных джунглей сменили травянистые равнины[30]. Именно эти травы заложат основу для земледелия ближе к полуночи. Некоторые млекопитающие в результате развития уже стали теми, кого сегодня мы знаем как обезьян, а без пятнадцати полночь от остальных обезьян отделились человекообразные обезьяны, к которым относятся гориллы, шимпанзе и люди.

От человекообразных обезьян люди отделились за пять минут до полуночи – в этой точке мы находимся сейчас. Две минуты назад наши предки пользовались первыми каменными орудиями труда, чтобы разрубить кости животных и добраться до питательного костного мозга[31].

Одну минуту 20 секунд назад температура земного шара заметно снизилась и планета вошла в цикл ледниковых периодов и межледниковий – он не закончился и по сей день[32]. Для первобытных людей, живших в то время, принципиально было овладение огнем. Однако, судя по всему, костер вошел в повседневную жизнь не раньше, чем за 13 секунд до полуночи.

Огонь обогревал людей, защищал от хищников, и благодаря ему они получили возможность видеть друг друга и окружающий мир после захода солнца. Готовя еду на костре, люди пользовались накопленной в дровах солнечной энергией – она расщепляла пищу, и их челюстям и пищеварительной системе уже не надо было выполнять всю работу. Освободившуюся благодаря этому энергию можно было потратить на другую деятельность, что, вероятно, оказалось решающим фактором для развития наших способностей к мыслительной деятельности и коммуникации.

Наш вид Homo sapiens появился в Африке девять секунд назад. Долгое время мы были лишь одним из видов людей. Нам известны неандертальцы – они жили в Европе и на Среднем Востоке до появления Homo sapiens. Неандертальцы бок о бок жили с нашим видом – закончилось это полторы секунды назад, когда либо они не выдержали конкуренции, либо их истребили наши предки. Лишь последние полсекунды Homo sapiens является единственным живущим на Земле видом человека.

За секунду до полуночи у Homo sapiens появился язык, а с ним и способность рассказывать друг другу истории, планировать будущее и вести торговлю между группами людей. С помощью новых технологий, таких как лук и стрелы, нитка и иголка, рыболовные крючки, лодки и масляные лампы, они вышли за пределы Африки и заняли весь мир[33].

Первобытные люди жили кочевыми племенами. Члены племени совместно охотились и собирали дикие съедобные растения, а также заботились о детях, стариках или больных, внося вклад в общее дело. Мы быстро приближаемся к полуночи, и общество становится все более и более узнаваемым для современных людей.

Полсекунды до полуночи: наша цивилизация

Трудно по-настоящему ощутить промежуток времени, длящийся меньше секунды. Поэтому сменим масштаб. Рассмотрим последние полсекунды мировой истории как 500-метровую дистанцию – мы только-только подошли к финишной черте. Каждый метр соответствует тысячной доле секунды, или 23 реальным годам. Если бы мы пользовались подобным масштабом для описания истории Вселенной, дистанция составила бы более 600 тысяч километров – это почти как от Земли до Луны плюс почти весь обратный путь. 500-метровая дистанция началась 11,5 тысячи лет назад, в те времена, когда люди впервые стали жить на одном месте в течение длительного времени.

Когда люди перешли от кочевого образа жизни к оседлому, у них впервые появилась возможность владеть большим количеством вещей, чем они в состоянии перенести к следующему месту жительства. Сразу же стало актуально изготовление специальных орудий, каждое из которых эффективнее всего справлялось с одной задачей. У людей тоже появилась специализация. Вместо того чтобы делать всё, многие получили возможность тратить больше времени на то, что они умели лучше всего. Группе в целом было выгодно, чтобы несколько человек посвятили себя изготовлению одежды или инструментов, в то время как остальные охотились или собирали растения.

Вероятно, земледелие возникло как побочный эффект оседлого образа жизни. Собиратели приносили домой те растения, которые им больше нравились. В мусоре, оставшемся после сбора и приготовления пищи, были в том числе и зерна – тем самым сложились благоприятные условия для того, чтобы неподалеку от поселения появились всходы. В свою очередь, людям стало легче собирать урожай именно с этих растений. Так как люди чаще собирали урожай с тех экземпляров, которые им больше подходили, например с более крупными зернами, постепенно именно эти виды стали первыми сельскохозяйственными культурами. Со временем люди поняли, что собираемый вблизи поселения урожай можно увеличить, если расчистить, поливать и распахивать землю. За 315 метров до финиша люди стали земледельцами.

Благодаря земледелию у людей появился стабильный и предсказуемый источник пищи – в результате выросло население. Однако были и недостатки. Земледелие – тяжелая и однообразная работа, и у земледельцев, судя по всему, стало меньше свободного времени, чем у их предков-кочевников. Пища также стала более однообразной, следствием чего стало неправильное питание, а когда выдавался неурожай, наступал голод.

Хотя, возможно, люди вели более здоровый образ жизни, а кроме того, были счастливее до того, как занялись земледелием, именно оно заложило основы тому, что мы зовем цивилизацией. Благодаря выращиванию и хранению продуктов питания появилась возможность и необходимость в организации общества с иерархией и специализацией. За 200 метров до финиша люди стали объединяться в первые царства – появились и письменный язык, и деньги, и религии. Одомашнив животных, таких как быки и лошади, люди приобрели дополнительный источник физической силы, благодаря чему появилась возможность расчистить и распахать более крупные территории, а значит, прокормить больше людей. С помощью домашних животных люди получили возможность за более короткое время преодолевать значительные расстояния, поэтому возросла эффективность обмена товарами и знаниями.

Именно в обществах со специализацией люди разработали сложные технологии, необходимые для добычи и применения металлов. За 200 метров до финиша люди производили инструменты из бронзы, а за 140 метров – из железа[34]. За 88 метров до цели, примерно во время появления на свет Христа, началось производство стали[35]. За 22 метра до финиша человечество прошло через то, что называется научной революцией, – тогда появились новые и системные методы для изучения законов природы.

До этого момента человеческая деятельность была в той или иной форме связана с солнечным светом, каждый день достигающим поверхности Земли. Хранящаяся в растительном материале солнечная энергия сжигалась для производства тепла – или же ее поглощали люди или животные, используя как мышечную силу. Кроме того, мельницы работали на гидроэнергии, а, значит, люди пользовались энергией той воды, которую Солнце подняло из океана на возвышенности, а корабли приводил в движение ветер: он дует из-за разницы температур, которая возникает, когда солнечные лучи достигают земной поверхности[36].

За 11 метров до финиша люди всерьез взялись за ископаемые источники энергии – энергию Солнца, копившуюся в земле миллионы лет. Когда дневной солнечный свет дополняет, во-первых, уголь, а также нефть и газ, почти любая промышленность работает, не опасаясь нехватки топлива из-за вырубки близлежащих лесов. Промышленная революция изменила человеческий мир[37].

За три метра до финиша появились антибиотики, что подарило нам медицину, способную вылечить болезни в обществе, где детская смерть перестала быть обыденным событием, а рождение ребенка не подвергало жизнь женщины смертельной опасности[38].

За два метра до финиша человечество побывало в космосе[39].

Затем часы пробили полночь, и мы оказались в сегодняшнем дне. Мы живем в мире открытых возможностей. Благодаря нашим уникальным способностям мы справимся с любой возникшей проблемой.

Человечество и будущее

Когда люди стали вести оседлый образ жизни, их было не так уж много. Возможно, всего около пары миллионов. С переходом к аграрному обществу их количество выросло до 10 миллионов. С этого момента численность населения ровно и неуклонно росла. Когда люди научились пользоваться бронзой и железом, население выросло в 10 раз, до 100 миллионов. С тех пор население Земли удваивалось множество раз. Перед самым рождением Христа численность населения составила 200 миллионов. В XIII веке, когда в Норвегии строились мачтовые церкви[40], количество живущих в мире людей составило 400 миллионов. Цифра 800 миллионов была достигнута во время промышленной революции, в самом конце XVIII века. В конце XIX века население вновь удвоилось, до 1,6 миллиарда. В 1960-е мы преодолели отметку 3,2 миллиарда, а в 2005 году – 6,4 миллиарда. Если темпы роста населения сохранятся, следующее удвоение численности населения – до 12,8 миллиарда – завершится в 2068 году. Однако сегодняшнее развитие указывает на то, что численность населения стабилизируется или начнет сокращаться до того, как мы достигнем цифры 11 миллиардов. На момент написания этого текста мировое население прошло отметку 7,6 миллиарда[41]