Сборник - Эта книга сделает вас умнее. Новые научные концепции эффективности мышления

Клапейрона – Клаузиуса. Для открытий за пределами этих ограничений крайне необходимы инновации. Тогда станут возможными не слишком частые, но впечатляющие прорывы, даже если общепринятое научное мнение против вас.

Пересмотр мира с научной точки зрения напоминает о невероятной силе этого когнитивного инструмента. Посредством инноваций мы можем преодолеть социальные, профессиональные, политические, научные и, самое важное, личные ограничения. Полагаю, всем нам нужно чаще им пользоваться.

КЕВИН ХЭНД

Планетолог, Лаборатория реактивного движения НАСА

Биология редко бывает расточительной. Да, на уровне индивидуального организма воспроизводство и прочая активность связаны с излишними затратами (только подумайте о фруктах на дереве или миллионах сперматозоидов, так и не добравшихся до яйцеклетки). Но на уровне экосистемы отходы одного жука будут кладом для другого – если из них с помощью доступных реакций еще можно извлечь какую-то полезную энергию. Пищевая цепь – не просто лестница, состоящая из отношений «хищник – жертва». Это сложная система организмов – крупных, мелких и микроскопических, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой для заполнения всех возможных энергетических ниш.

Геобиологи и астробиологи могут измерить и картировать эту энергию, которую называют энергией Гиббса. Это полезно для оценки энергетических ограничений жизни на Земле и для поиска потенциально обитаемых областей на других планетах. В экосистеме свободная энергия Гиббса – названная в честь открывшего ее ученого конца XIX века Джосайи Уилларда Гиббса – это энергия биохимических реакций, способная производить работу. Это энергия, оставшаяся после неизбежной выработки некоторого количества тепла и некоторой энтропии. Биологические системы используют ее для восстановления тканей, роста и размножения. Для любого метаболического пути, используемого живой природой, – например, реакции углеводов с кислородом – можно вычислить количество доступных джоулей на моль реагентов. Люди и почти все животные используют пару тысяч килоджоулей на моль сжигаемой пищи. Микробы изобрели самые разные способы использования свободной энергии Гиббса через комбинацию различных газов, жидкостей и минералов. Тори Хойлер с коллегами из Научно-исследовательского центра им. Эймса провели измерения на вырабатывающих метан и поедающих соли серной кислоты микробах и показали, что для жизни ограничением является энергия в 10 килоджоулей на моль. В любых условиях существует много возможных химических способов, и при наличии свободной энергетической ниши жизнь наверняка ее заполнит. Биологические экосистемы можно изобразить в виде карты реакций и способов использования энергии. Это будет ландшафт Гиббса.

С развитием цивилизации, промышленности и технологий появилась проблема поддержания баланса между потреблением энергии и энергетическими ресурсами. Ландшафт Гиббса является удобной абстракцией для концептуализации этого баланса. Можно представить себе любой город, страну или континент в виде карты доступной энергии. Среди прочего сюда входит химическая энергия, используемая в биологических экосистемах. Например, автомобили с двигателями внутреннего сгорания сжигают топливо, смешивая его с воздухом. Здания потребляют электроэнергию, поставляемую генераторными станциями или размещенными на крыше солнечными батареями. Каждый компонент современного индустриального общества занимает свою нишу в этом ландшафте.

К сожалению, многие ландшафты Гиббса в современном мире имеют множество незаполненных ниш. Разработанные нами системы неэффективно и неполно используют доступную энергию. Многие наши разработки выделяют избыток тепла и производят очень мало полезной работы. Начиная с ночного освещения и заканчивая свалками мусора, современные ландшафты Гиббса предлагают широкий простор для технологических инноваций и развития. Кроме того, ландшафт Гиббса помогает визуализировать неиспользованные возможности – такие как ветер, солнце, гидроэлектростанции и геотермальные источники. Эти примеры показывают, что нужно делать, чтобы замкнуть круг и избежать угроз, нависших над нашей технологической цивилизацией.

Гладя на мир через «призму Гиббса», вы увидите неиспользуемый потенциал во многих областях современных технологических и промышленных экосистем. Это может разочаровывать, но цивилизация не так давно обзавелась технологиями. Такой ландшафт дает основания для надежды, по мере того как мы создаем новые технологии и стремимся к балансу, который так долго и надежно служил биологическим экосистемам Земли.