Навстречу глюконике

Человечество может создать принципиально новую энергетику

Всем известна легенда о Прометее, похитившем небесный огонь и давшем его людям. С тех пор на протяжении тысяч лет энергия огня являлась главной для человечества. Начиная с приготовления пищи до освещения помещений и их обогрева. С годами появились тепловые электростанции, преобразующие энергию огня в электрическую. Но в любом случае это был огонь. Сжигание нефти и газа опять-таки основано на использовании огня.

Альтернативные сжиганию топлива виды энергетики также мало-помалу развивались. Энергия падающей воды использовалась на мельницах, затем -- на гидроэлектростанциях. Универсальность форм энергии и тот поразительный (если задуматься) факт, что энергия (в отличие от трехмерного пространства и четырехмерного пространства-времени) одномерна, позволяют превращать одни виды энергии в другие. Люди, которые первыми поняли, насколько универсально можно использовать в цивилизации электроэнергию (выражаясь точнее, энергию электромагнитного поля), были абсолютными гениями.

Однако использование электроэнергии имеет недостатки. Главный -- электроэнергию нельзя запасать, как, например, уголь. Напротив, в углеводородах энергия может храниться многие миллионы лет. Создание аккумуляторов, даже таких, которые позволяли всего-навсего двигаться автомобилю, является проблематичным. Тем более проблематично запасти электроэнергию, достаточную, чтобы, скажем, автономно в течение года обогревать дом: такие проблемы даже не ставятся.

Является ли электроэнергия универсальным видом, который должен обеспечивать стратегическое существование человечества в будущем? В значительной мере наверняка это так. Но не во всем. Электроэнергию в больших объемах необходимо потреблять сразу, а это существенный недостаток. Есть ли альтернатива электроэнергии как универсальному виду, обеспечивающему энергией цивилизацию? Безусловно.

На земле существует универсальное преобразование энергии, кардинально отличающееся от всех видов ее использования человеком сегодня. В живой природе принципы получения, преобразования и использования энергии абсолютно иные. Они основаны на химических реакциях. Начиная с поглощения кванта света в процессе, именуемом фотосинтезом. При этом суммарное количество энергии, производимой фотосинтезом на Земле, превышает мощность всех электростанций во много раз. С помощью биохимических процессов осуществляется все или почти все, что сегодня делает человек. В результате процессов, которые называют биохимическими, живые существа двигаются, видят, слышат, мыслят, наконец. Для осуществления всего этого в живой природе есть одно универсальное топливо -- глюкоза. Производные глюкозы и только они (или, говоря более аккуратно, почти только они) обеспечивают энергетику всех видов растений и животных вот уже на протяжении 4 млрд лет. Универсальность и постоянство, которые поражают. И заставляют задуматься: а нельзя ли на тех же принципах, на которых энергетика существует в природе, построить и энергетику, используемую человечеством?

Я уверен, что можно. Было бы разумно использовать в качестве универсального топлива то же самое химическое вещество, которое обеспечивает функционирование всех форм жизни: глюкозу и ее производные.

Есть ли у цивилизации какой-либо иной путь? В 2004 году была выдвинута концепция альтервитальной цивилизации (от латинского altera vitae, другая жизнь). Был поставлен общий вопрос: возможна ли цивилизация, которая не нарушала бы баланса биоценоза с неживой природой и была бы полностью или почти полностью безотходной? На этот важнейший стратегический вопрос в принципе был дан положительный ответ. В настоящей заметке внимание обращено на один из ключевых элементов альтервитальной цивилизации: альтервитальную энергетику, то есть такую, которая устроена подобно энергетике в живой природе.

Современная техногенная цивилизация получает, хранит, распределяет и утилизирует энергию абсолютно не так, как эти процессы осуществляются в живой природе. Оценки показывают, что энергопотребление в биоценозе на порядки (как минимум в десять раз) превышает энергию, утилизируемую человечеством при сжигании природных энергоносителей (нефти, газа и угля). При этом не только отдельные организмы, но и биоценоз в целом находятся в глобальном балансе с природой.

Можно ли построить энергосистемы человечества по аналогии с тем, как это осуществляется в мире живого? А если да, каким образом это удастся сделать?

Универсальным первичным источником энергии в мире живого является Солнце. Поглощение квантов света осуществляется в фотосинтезе, в результате которого синтезируется глюкоза, являющаяся универсальным биологическим топливом. Для длительного хранения энергии глюкоза преобразуется в свои производные: в растениях в ветвящуюся (дендримерную) молекулу альфа-глюкозы крахмал, у животных в дендример альфа-глюкозы -- гликоген. Кроме того, стволы и ветки деревьев более чем наполовину по массе состоят из линейной формы бета-глюкозы -- целлюлозы. В дендримерных формах глюкозы при утилизации энергии от молекулы по одной отщепляются замыкающие ветви звенья. Это позволяет делать процесс утилизации энергии в природе универсальным и контролируемым на молекулярном уровне.

Крахмал накапливается в клетках растений. Эти молекулы образуют запас питательных веществ, в то время как молекулы мономеров глюкозы не откладываются про запас, а либо преобразуются в полимерные формы (линейную -- целлюлоза или дендримерную -- крахмал и гликоген), либо быстро расходуются. Крахмал содержится в больших количествах во всех зерновых злаках -- пшенице, рисе, ячмене и т.д., а также в картофеле. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала. Общая масса крахмала, синтезируемого в течение года природой, оценивается в сотни миллиардов тонн.

Гликоген -- главная форма запасания углеводов у животных. Гликоген -- полисахарид, откладывающийся в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляющийся до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается больше всего в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах (порядка 1% массы мышц).

Целлюлоза -- это клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы -- свыше 10 тыс. звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Целлюлоза, крахмал и гликоген имеют одинаковую химическую формулу (C6H10O5)n. Однако физические и биологические свойства их существенно отличаются. В организмах они утилизируются разными ферментами.

Согласно современным воззрениям, утилизация энергии, запасенной в углеводородах, происходит в три этапа, каждый последующий из которых осуществляется только как результат предыдущего.

1) Гликолиз: анаэробное превращение глюкозы в пируват (пировиноградную кислоту), в результате которого производится ATP.

2) Аэробный процесс окислительного фосфорилирования (также называемый циклом Кребса), сопряженный с конечным продуктом гликолиза пируватом путем его окисления.

3) Хемиосмосис (chemiosmosis), происходящий в мембранах митохондрий, контролируется несколькими ферментами и приводит к образованию дополнительных молекул ATP.

В результате этих трех процессов из одной молекулы глюкозы производится до 38 молекул ATP.

Пара аденозинтрифосфат-аденозиндифосфан является "молекулярным шаттлом". ATP богата энергией потому, что содержит две фосфоводородные связи. Когда эти связи рвутся, освобождается свободная энергия, которая может использоваться в метаболизме.

ATP постоянно потребляется организмом. За сутки в организме человека потребляется примерно 40 кг ATP, в то время как общая масса ATP в организме человека порядка 50 г. ATP никогда не хранится долго: за сутки она может совершить сотни и даже тысячи циклов. При усиленной работе расход ATP составляет до 500 г в минуту. Суммарная масса произведенного в организме ATP за сутки может в несколько раз превысить массу животного, хотя в каждый момент времени в организме этого универсального энергетического вещества имеется в сотни или даже тысячи раз меньше этой величины. По типу функционирования пара ATP--ADP, является двухтактным молекулярным двигателем, который после каждого цикла возвращается в исходное состояние. Фундаментальное отличие двигателей на природной энергии от двигателей внутреннего сгорания или турбин состоит в том, что они работают при температуре среды, с контролем за функционированием каждой молекулы, безотходны, намного более эффективны и экономны.

В мире живого энергетика состыкована с множеством процессов, обеспечивающих жизнедеятельность. Тесные рамки статьи дают возможность остановиться лишь на каком-либо одном из них, да и то лапидарно. В качестве такого примера в самых общих чертах рассмотрим, каким образом с глюконикой состыковано функционирование мышц -- универсального механизма, используемого многоклеточными организмами для превращения химической энергии в механическую. Мышцы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей, состоящих в свою очередь из мономеров, сгруппированных в кластеры. В результате множественных повторений цикла, осуществляемого при участии пары ATФ--АДФ (продуктов энзиматического разложения глюкозы) в каждом из кластеров, в которые сгруппированы мономеры актина и миозина, происходит сокращение мышцы.

Если бы удалось построить двигатель, работающий подобно мышце (безотходно, при температуре близкой к температуре среды и исключительно эффективно), это было бы колоссальным стратегическим достижением цивилизации. То же касается каждого из множества других состыкованных с глюкозой в качестве универсального биологического топлива процессов, обеспечивающих зрение, слух, осязание, пищеварение, работу сердца, функционирование мозга и множество других функций.

В то время как поколения технологий в ключевых областях промышленности в начале ХХI века сменяются каждые несколько лет, живая природа исключительно консервативна. Одни и те же биологические механизмы, раз созданные, функционируют практически без изменений во всех организмах (количество видов которых на земле исчисляется миллионами) в течение миллиардов лет. Фотосинтез, гликолиз, цикл Кребса, хемиосмосиз и работа мышцы являются неизменными универсальными механизмами.

Можно ли создать двигатели, работающие по тому же принципу, что и мышцы? Бесспорно. Даже если для этого потребуется (условно говоря) 100 млрд долл. и 20 лет международных усилий, они окупятся. Так как мышцы функционируют при комнатной температуре, исключительно эффективно и находясь в балансе с природой, не выбрасывая в атмосферу -- и организм -- никаких отходов вообще!

То же относится к множеству других механизмов в живой природе, в которых используется универсальное топливо: глюкоза и ее производные.

Возможно ли в цивилизации создание энергетики, основанной на тех же принципах, что и энергетика в живой природе, с использованием универсального топлива -- глюкозы? Детальный анализ этой проблемы с участием экспертов в различных областях знаний (обсуждение результатов которого далеко выходит за рамки газетной статьи) показал, что это безусловно возможно. Непреодолимых технологических трудностей нет. Название новой области энергетики -- глюконика -- представляется наиболее правильным и естественным.

Само собой разумеется, глюконика -- комплексная проблема. Подобно тому, как для развития электроэнергетики необходимо было создать целый рад связанных друг с другом систем (генераторов, электромоторов, энергосетей, передающих энергию на большие расстояния, электростанций, трансформаторов и так далее), для создания глюконики как индустрии также необходимо будет создать целый ряд технологий, первое поколение которых должно быть завершено более или менее одновременно.

1) Получение глюкозы с помощью фотосинтеза не представляет проблем, так как на земном шаре в растениях и в фотопланктоне производятся десятки тысяч тонн глюкозы в секунду.

2) Перевод глюкозы в формы, способные сохраняться длительное время и удобные к перевозке или перемещению по глюкопроводам. Такими формами могут быть гликоген, крахмал и другие производные глюкозы. При этом целесообразно использовать ферментативные процессы, существующие в природе.

3) Утилизация глюкозы, ее разложение. Эти процессы, происходящие в митохондриях, а также в цикле Кребса и хемиосмосисе, необходимо выделить в отдельный процесс.

4) Состыковка полученной в результате разложения глюкозы энергии с технологиями. Прежде всего такими технологиями должны быть превращение химической энергии глюкозы и продуктов ее разложения в механическую и электрическую энергии. В природе такие процессы известны. Мышца преобразует энергию, запасенную в гликогене, в механическую энергию. Электрический скат преобразует энергию глюкозы в электроэнергию. Возможны и другие формы стыковки, аналогичные тем, которые используются в живой природе. Например, превращение энергии глюкозы в цветовые картины и гаммы осуществляется в организме хамелеона. Восприятие зрительных сигналов происходит в глазу. И так далее.

Особый интерес представляет стыковка гликолитической энергетики с нанотехнологиями. В случае если такая стыковка будет осуществлена, молекулы, обеспечивающие снабжение энергией, и механизмы утилизации энергии будут иметь одинаковые масштабы -- нанометры. Что само по себе открывает колоссальные перспективы для технологий. Особенно с учетом того, что эти механизмы функционируют в живой природе исключительно эффективно.

Глюконика может стать и частью глобальной энергетики. Обычно под глобальной энергетикой понимают создание электростанций, имеющих колоссальные мощности. Однако такое понимание глобальной энергетики представляется неоправданно узким. Фотосинтез является не менее глобальным энергетическим механизмом на Земле, чем процессы, обеспечивающие функционирование электростанций. Мощность, производимая в результате поглощения одним квантом света, действительно очень мала. Однако триллионы тонн фитопланктона и десятки миллиарды тонн растений осуществляют процесс фотосинтеза колоссальное число раз одновременно, производя мощности, превышающие утилизируемые человеком сегодня во много раз.

Создание индустрии глюконики, предлагаемое в настоящей статье, есть не что иное, как использование в технике уже существующих в природе механизмов запасания энергии. Поэтому в перспективе глюконика является ничуть не менее глобальной энергетикой, чем атомные, тепловые и гидроэлектростанции, по всем показателям.

Переход цивилизации к способам генерации и преобразования энергии, подобным тем, которые осуществляются в природе, является естественным. Более того, в стратегической перспективе неизбежным. Такому переходу просто нет разумной альтернативы. Само собой разумеется, создание глюконики потребует значительных финансовых средств и когерентных усилий всего интеллектуального человечества. Перевод энергетики на глюконику (с использованием глюкозы и ее производных в качестве универсального топлива) может занять 20 и более лет. Перевод технологий на принципы подобные тем, которые используются в живой природе, может потребовать и большее время, но тоже в масштабах не веков, а десятилетий. Однако такие солидарные усилия человечества и финансовые затраты окупятся сторицей. Потому что после этого техногенная цивилизация сможет развиваться и существовать, находясь в гармонии с природой.

Между технологиями нашего времени и природой есть явный антагонизм, в то время как между живой и неживой природой сохраняется симбиоз. Слово «симбиоз» принято употреблять только для описания взаимодействия между живыми организмами. Между тем использование термина «симбиоз» для описания взаимодействия биоценоза с неживой природой совершенно оправданно. Жизнь вписана в неживую природу. Она не только находится в балансе с неорганическим миром, но и в значительной мере влияет на его стационарное состояние, установившееся на протяжении 4 млрд лет.

Если бы жизнь исчезла, состав атмосферы изменился бы очень быстро, а с ним климат, температурный баланс и многие другие характеристики нашей планеты, настроенной (если можно так выразиться) как тончайший прибор. Если бы жизнь на Земле исчезла, изменения климата, происходящие ныне, по сравнению с катаклизмами, которые бы произошли при полном исчезновении биосферы, показались бы незначительными флуктуациями.

Человечество должно научиться вписываться в природу. Существенным и, более того, ключевым элементом перехода от антагонизма между техногенной цивилизацией и природой к гармонии между ними является создание глюконики. Это несравненно более перспективно и реально чем, скажем, водородная энергетика (на которую было потрачено более 10 млрд долл. -- и почти совершенно впустую). Не случайно ассигнования, выделяемые на эту отрасль, которая якобы придет на смену нефти и газу, о чем много говорили в конце ХХ века, повсеместно сворачиваются.

В том, что касается глюконики, ситуация совершенно иная. Эффективность ее использования доказана жизнью в самом буквальном значении этого слова. Глюконика -- это энергетика будущего человечества, она является универсальной системой генерации, хранения и использования энергии в живой природе. Использование в качестве универсального топлива глюкозы абсолютно необходимо для того, чтобы техногенная цивилизация существовала тысячи, а возможно, и миллионы лет, а не вымерла от нарастающего с каждым годом дисбаланса с природой. Глюконике как универсальной энергетике цивилизации нет долговременной альтернативы. Она будет создана. Таково мое абсолютное убеждение.

Юрий МАГАРШАК, профессор