Как человечество усилило поиск энергии. Планетарный взгляд на взаимосвязь жизни и энергии и возникновение формы жизни, влияние которой распространяется на всю биосферу, что открывает перед нами потрясающую возможность.

Марк Белан/Quanta Magazine. Гайя Винс — Автор-соавтор.

Далеко -далеко, в глубинке немодного конца галактики Млечный Путь, сине-зеленая планета делает нечто весьма значительное: она становится жарче и темнее. Энергетический баланс Земли никогда не был постоянным, но в последние десятилетия что-то заметно и быстро  вышло из-под контроля. Поступающая от Солнца энергия — почти постоянная, 340 Вт на квадратный метр, в среднем по земному шару — больше не сбалансирована из-за тепла, излучаемого в космос, и этот дисбаланс растет. Энергетический баланс Земли может временно меняться. Например, колебания солнечной активности или выбросы отражающих солнечный свет частиц вулканом могут привести к тому, что атмосфера планеты на какое-то время поглотит больше или меньше тепла. Но то, что Земля переживает сегодня — быстрое изменение планетарного энергетического баланса, вызванное появлением какой-либо формы жизни, — беспрецедентно.

Парниковые газы, производимые человеком, сейчас задерживают в атмосфере более 4 Вт на квадратный метр тепла, которое Земля в противном случае излучала бы в космос. Эта энергия эквивалентна 2 миллионам гигаватт (2 × 10 ¹⁵ Вт) на 510 миллионах квадратных километров (197 миллионов квадратных миль) поверхности Земли, и она растёт соразмерно нашим выбросам. Теперь оказывается, что рост энергетического дисбаланса Земли ускоряется. Измерения, полученные с помощью CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System), набора спутниковых инструментов НАСА для измерения энергетического баланса, показывают, что по мере уменьшения загрязнения воздуха, облачности и ледяного покрова планета становится темнее и поглощает больше энергии в секунду. Без людей Земля бы похолодала и приблизилась к следующему ледниковому периоду. Просто подумайте, что это значит: спустя примерно 4,6 миллиарда лет после того, как Вселенная породила ничем не примечательную звезду, известную нам как наше Солнце, одна из вращающихся вокруг нее планет создала настолько необычную энергетическую систему, что одна из ее новых частей теперь намеренно изменяет энергетический баланс этой планеты.

Новая энергетическая система – это наша живая биосфера, а её формирующаяся часть – это мы. Пределы нашего влияния – это не просто бессознательное следствие обычного биологического эволюционного успеха, такого как случайное преобразование атмосферы цианобактериями миллиарды лет назад. Мы – продукт иного рода эволюционной силы, и она создала в нас нечто новое: вид, способный сознательно изменять биосферу, которая нас породила и от которой мы неразрывно зависим.

История жизни на Земле – это, по сути, история энергии. С тех пор, как химия, изобретя способ получения энергии, превратилась в биологию, её эволюция двигалась поиском новых способов использования этого эликсира. Но это развитие планетарного масштаба возвещает о новой, примечательной роли жизни и её взаимосвязи с энергией. Оно также поднимает новые вопросы об ответственности и обязательствах. Мы можем стать первым видом, который намеренно поддержит и даже восстановит пригодность биосферы для жизни себя и наших со-эволюционировавших видов. Или же, благодаря нашему успеху, мы можем спровоцировать массовое вымирание, включая, как ни парадоксально, и самих себя. Так как же мы дошли до того, что один вид способен изменить энергетический баланс планеты за мгновение геологического времени?

Двигатель жизни

Давайте начнем с третьего по близости камня, вращающегося вокруг звезды. Необычайная природа Земли обусловлена ​​ее размером, положением и расстоянием от Солнца, а также ее геологией — тектоникой плит, которая извергает химические вещества, — и ее атмосферой, которая сохраняет и циклически запускает эти химические вещества. Насколько нам известно, уникальным образом геология помогла создать биологию около 4 миллиардов лет назад в глубоководных геотермальных источниках, где энергетическая химия, вероятно, породила алхимию самовоспроизводящихся, использующих энергию молекулярных систем: жизнь. Биосфера возникла как продукт геосферы, которая, в свою очередь, создает новые геологические структуры. Лишайники перерабатывают твердые породы в почвы; реки текут по каналам, прорытым корнями деревьев; коралловые полипы совместно формируют известняк и образуют атоллы.

Жизнь обладает геологической силой благодаря использованию энергии – валюты, которая связывает всё во Вселенной и управляет всеми физическими, химическими и биологическими реакциями. Её поток проходит через каждую живую клетку посредством множества обменов, начинающихся с ядерных реакций на Солнце. Для любой живой системы энергия является основным ограничением изобилия и продуктивности. Жизнь тратит энергию на снижение энтропии — меры беспорядка — путём упорядочивания случайных атомов в организованные структуры: последовательность ДНК, пожалуй, является абсолютным отрицанием энтропии. Конечно, всякий раз, когда энергия тратится на снижение энтропии, этот локальный эффект перевешивается увеличением общей энтропии Вселенной. Создание порядка должно также создавать беспорядок в виде тепла.

На протяжении миллиардов лет жизнь развивалась, и организмы оптимизировали различные способы использования различных форм энергии. Эти энергетические инновации влияли на окружающую среду, порой радикально. Когда цианобактерии около 2,4 миллиарда лет назад освоили фотосинтез на основе хлорофилла, их способность использовать солнечный свет и углекислый газ для производства органического топлива привела к значительному повышению уровня кислорода в атмосфере. Кислород вытеснил парниковый газ метан и вызвал глобальное похолодание, в результате которого ледяные щиты простирались от полюсов до тропиков. Насыщение кислородом также привело к образованию озонового слоя в верхних слоях, которые поглощают большую часть ультрафиолетовых лучей Солнца, создавая условия для колонизации суши жизнью. По мере развития многообразия и усложнения жизни её тепловое влияние росло. Реакции, происходящие в организмах, изменяют концентрацию газов в атмосфере, включая водяной пар, углекислый газ и метан. Эти газы удерживают тепло, делая нашу планету примерно на 30 градусов Цельсия (86 градусов по Фаренгейту) теплее, чем она была бы без парникового эффекта биосферы.

Биосфера состоит из сложных взаимозависимых отношений, которые живые существа создают друг с другом, с окружающей их средой и с земными системами. Характеризуясь потоками энергии, вещества, заряда и воздействия, биосфера является двигателем жизни, простирающимся от глубин океанов до атмосферы. Поскольку вся жизнь ограничена потребностью в энергии, стремление к ней формирует каждое существо, от мельчайшей клетки до сложнейшего общества, и движет эволюционным процессом. Но когда наши предки начали сжигать биоматерию планеты, всё изменилось.

Стать человеком

Около миллиона лет назад, в самом начале крупнейшего с момента появления цианобактерий перебоя в энергетических возможностях жизни, люди научились использовать новый источник энергии: горение. В то время как другие животные ограничены метаболической энергией, которую они могут получить биологическим путём, огонь — взрыв энергии, высвобождаемой при реакции топлива с кислородом, — дал нашим предкам внешний источник энергии, на порядок более мощный. Наши предки готовили пищу, используя огонь как средство пищеварения, помогая  зубам, челюстям и кишечнику переваривать жёсткую сырую пищу. Огонь согревал наших предков, не имевших шерсти, отпугивал хищников и расчищал ландшафты для охоты. Одним из эволюционных ответов на этот избыток энергии стало увеличение размера мозга и специализация, включая развитие более крупной префронтальной коры. Как следствие, люди умны, склонны к сотрудничеству и исключительно социальны. Эти черты позволили нам совершить знаменательный эволюционный переход.

Подобно тому, как генетическая информация передаётся из поколения в поколение, люди передают через общество и из поколения в поколение целый комплекс культурной информации, включая знания, модели поведения, технологии, язык и ценности. Учась друг у друга, обучая друг друга и полагаясь друг на друга в плане ресурсов, люди создали сложные и разнообразные культуры, которые предлагали всё более эффективные решения жизненных задач. Культурная эволюция человека позволяет нам адаптироваться к новым условиям и окружающей среде гораздо быстрее, чем когда-либо могли наши гены. Наши общества, состоящие из сотрудничающих и взаимосвязанных индивидов, повышают уровень группового и индивидуального выживания и обладают огромными возможностями и эффективностью в использовании энергии и ресурсов. Именно эта коллективная культура, а не индивидуальный интеллект, определяет Homo sapiens : вид, являющийся не просто продуктом своей биосферы, но и движущей силой её трансформации. У нас нет экологической ниши, потому что она нам не нужна; мы можем изменять любую среду обитания по своему усмотрению. Таким образом, человечество стало самым многочисленным крупным животным на Земле и оказывает колоссальное влияние на планету, изменяя её экологию, ландшафты и энергетический режим. Этот сдвиг не произошёл мгновенно. Потребовались сотни тысяч лет, чтобы культурная сложность привела к появлению современных технологий и социальных институтов. 95% этого времени человечество было ограничено суровыми ледниковыми периодами плейстоцена . Затем, около 11 000 лет назад, Земля вошла в стабильную, мягкую климатическую эпоху голоцена с более высокой концентрацией углекислого газа в атмосфере, чем в предыдущие десятки тысяч лет. По мере отступления льда процветали семенные травы, и люди отреагировали на это развитием земледельческих культур с гораздо более эффективным и экспансивным использованием пищевой энергии. Рост энергии и ресурсов подстегнул рост населения наших предков и торговых сетей, ускорив наше культурное разнообразие и сложность с развитием транспорта, городов и промышленности.

Рисовые террасы Юаньян в Юньнани, Китай. Изображения предоставлены Daily Overview © Maxar Technologies

За последние несколько тысяч лет люди придумали способы получения всё большего количества энергии, будь то из производства продуктов питания или из различных источников механической, химической или электрической энергии. Энергия человека, животных, ветра, воды, древесины и других ресурсов преобразила нашу окружающую среду. Целью часто было улучшение жизни людей – по крайней мере, некоторых из них. Многие из этих энергетических систем оказали значительное влияние, но, несмотря на повсеместное вымирание крупных видов фауны, они оставались преимущественно локальными. Затем, в XVIII веке, люди начали использовать в промышленных масштабах концентрированную энергию, хранящуюся в ископаемом топливе, высвобождая органический углерод, который хранился миллионы лет. По мере роста использования ископаемого топлива, производимые им газы накапливались в атмосфере. Поначалу экологические последствия этой промышленной революции, как и предыдущие последствия использования энергии человеком, были в основном локальными: отравленные водные пути и затянутые смогом городские территории. Но всё изменилось по мере расширения огромных энергетических возможностей человечества. Дело было не только в том, что локальное воздействие стало масштабнее — экономика росла на фоне этого нового энергетического изобилия и повышения уровня жизни. Возникло поистине глобальное, распределённое воздействие нашей нехватки энергии.

Расширенная биосфера

Ни один период в нашей истории не сравнится с Великим ускорением, последовавшим за Второй мировой войной, – взрывом глобализированной человеческой деятельности, вызванным ростом населения, развитием технологий и коммуникаций, а также успехами в сельском хозяйстве и медицине. Великое ускорение отражается в росте концентрации углекислого газа в атмосфере, водопотребления, промышленного производства, истощения озонового слоя, вырубки лесов, загрязнения окружающей среды и мирового ВВП, что привело к долгожданному увеличению продолжительности жизни и улучшению условий жизни миллиардов людей. Никогда ранее наше влияние не было поистине планетарным, простирающимся далеко за пределы локальных или даже региональных условий, охватывая всю биосферу Земли. Мы использовали биосферу как бесконечное хранилище для добычи ресурсов и хранения отходов. В этом мы похожи на другие виды: мы собираем ресурсы, перерабатываем их биохимически и удаляем побочные продукты. Есть два основных отличия. Наш доступ к энергии увеличивает масштаб и скорость нашей деятельности. И, что важно, теперь мы осознаём инициированную нами планетарную трансформацию.

За последние несколько десятилетий, благодаря достижениям в области мониторинга и моделирования земной системы, мы понимаем это воздействие и то, каким образом оно угрожает нашему выживанию. Уже более года средняя температура планеты более чем на 1,5 градуса Цельсия превышает доиндустриальный средний показатель из-за нашей деятельности, и это оказывает заметное влияние на нашу жизнь. Хотя никто и не принимал решения о нагреве планеты – не было никакой другой цели, кроме всеобщего и врождённого биологического стремления использовать энергию – изменения, которые мы вносим в биосферу, теперь происходят осознанно, а значит, целенаправленно. Это сильно отличает нас от цианобактерий, когда-то переделавших биосферу. Мы — планетарные деятели, имеющие свою цель. Это означает, что мы должны нести ответственность. Что особенно захватывающе, это также означает, что у нас есть потенциал для позитивных изменений.

Железорудный рудник Маунт-Уэйлбэк в регионе Пилбара, Западная Австралия. Изображения предоставлены Daily Overview © Maxar Technologies

Биосфера достигнет нового равновесия в своё время, пусть даже с некоторыми вымираниями, независимо от того, насколько радикально мы её изменим. Но что насчёт нас? Чтобы мы и наши коэволюционировавшие виды выжили, нашей культуре придётся совершить ещё один колоссальный эволюционный скачок. Сначала эволюция была обусловлена ​​индивидуальным выживанием, а затем жизнеспособной стратегией стало групповое выживание. Сможем ли мы теперь адаптироваться к выживанию в глобальной биосфере? Для этого нашему виду придётся принять её направляющую роль. Подобно тому, как орудия можно рассматривать как продолжение нашей физиологии, целенаправленно модулированная биосфера — то, что я называю «расширенной биосферой» — теперь также является продолжением нашего вида. Расширенная биосфера проявляется в преднамеренных изменениях, которые мы вносим в её самый влиятельный организм – нас самих, от нашей промышленной деятельности до наших культурных предпочтений, – и в адаптивных реакциях биосферы на нас. Это можно увидеть, когда мы переходим от использования источников энергии высокой плотности, таких как сжигание топлива, к использованию источников низкой плотности, таких как фотоэлектрические системы. Расширенная биосфера проявляется в нашей внеземной деятельности, которая фактически расширяет биосферу за пределы планеты. Это можно увидеть в нашем восстановлении дикой природы ландшафтов и в разработке технологий удаления углекислого газа из атмосферы. Это можно увидеть в масштабных совместных проектах человечества, таких как усилия различных стран по борьбе с истощением атмосферного озонового слоя, несмотря на краткосрочные затраты, запрет китобойного промысла в большей части мира и объявление значительных участков Мирового океана морскими охраняемыми территориями – то есть, защищёнными от нас. Это можно увидеть в нашем формирующемся контроле численности населения, когда люди во всём мире решают иметь меньше детей, несмотря на обилие ресурсов.

Мы не можем остановиться на этом. Чтобы обеспечить жизнеспособность нашей биосферы, нам потребуется геоинженерия океанов, ледников и атмосферы для восстановления энергетического баланса Земли. Энергия привела нас к этой опасной точке, и она же – ключ к нашему возможному спасению. Мы, вид, чья эволюция и господство на планете строились на сотнях тысяч лет горения, готовы к переменам. Мы переходим от сжигания солнечной энергии в биологически сохраненной форме – древесине, газе, торфе, нефти и угле – к её прямому использованию. По мере электрификации наших энергетических систем мы вступаем в неизведанную эпоху пост-горения. Задача состоит в том, чтобы осуществить это общевидовое преобразование энергии со скоростью, соизмеримой с нашим культурным выживанием, – прежде чем энергетический баланс планеты катастрофически нарушится против нас, – и это невероятно сложно и требует как технологических, так и социальных решений.

Понимание человечеством себя и настоящего момента должно будет эволюционировать, чтобы осознать взаимосвязь человека и земных систем. Это означает признание того, что существование в биосфере как глобального вида требует значительной адаптации, включая адаптацию наших источников энергии, продовольственных систем и управления отходами. Всё это требует системных изменений, но они вполне в пределах наших возможностей. Это огромная ответственность, которую должно взять на себя человечество, и одновременно возможность найти цель и смысл жизни за пределами себя на то короткое время, пока биосфера принадлежит нам.

источник: https://www.quantamagazine.org/how-humanity-amplified-lifes-quest-for-energy-20250915/