Рис. 11.2. Карта концентрации хлорофилла (водорослей) после выгрузки 100 тонн сульфата железа в океан у берегов Британской Колумбии. Железо стимулировало рост водорослей, что привело к большой их концентрации внутри области, обведенной овальным пунктиром (Из данных проекта NASA «Джованни».)
Мееровиц: Ультрафиолетовое излучение, проходящее через озоновую дыру, может вызвать мутацию этих громадных колоний водорослей и привести к возникновению новых патогенов. Эти патогены могли бы уничтожить все растения в океане, а затем перекинуться на сушу и начать уничтожать посевы.
Балтимор: При столкновении с подобными катастрофами наша единственная надежда – наука и технологии. Если мы не будем о них заботиться на государственном уровне или сделаем господствующей какую-либо антиинтеллектуальную идеологию, которая отрицает эволюцию [именно эволюция делает возможными описанные катастрофы. – К. Т.], то в критический момент окажемся безоружными.
И вот появляется болезнь растений – итог одного из множества сценариев.
Болезнь растений
Под болезнью растений мы подразумеваем практически любое поражение растений, вызванное патогенными микробами.
Балтимор: Если нужно уничтожить человечество, заболевание растений, возможно, наилучший способ. Без съедобных растений нам никуда. Конечно, мы можем питаться мясом животных, но и тут необходимым звеном пищевой цепочки будут растения.
Мееровиц: Вероятно, болезни достаточно уничтожить лишь травянистые растения, ведь они составляют основу нашего сельского хозяйства, – это рис, кукуруза, ячмень, сорго, пшеница. Большинство животных, которыми мы питаемся, тоже едят траву.
Мееровиц: Мы и так живем в условиях, когда патогены уничтожают 50 процентов выращенной пищи, и это гораздо больше, чем в Африке. Грибки, бактерии, вирусы… они все могут быть патогенными. Раньше Восточное побережье США было покрыто каштанами – их больше нет, их уничтожила болезнь. Сорт бананов, который был наиболее популярен в XVIII веке, вымер, а тому сорту, который его заменил, – бананам Кавендиш – сейчас угрожает то же.
Кип: Я думал, заболевания поражают конкретные растения и не перекидываются на другие виды.
Лидбеттер: Существуют и болезни широкого спектра. Похоже, есть своего рода баланс между такими заболеваниями и специфическими. Специфическое заболевание может привести к очень высокому проценту летальности, уничтожив, скажем, 99 процентов какой-то отдельной группы растений. Болезням широкого спектра могут быть подвержены разные виды растений, но процент летальности для отдельно взятого вида обычно невысок. Это типичная картина, которую мы встречаем в природе снова и снова.
Линда: Может ли болезнь широкого спектра существенно повысить летальность?
Мееровиц: Нечто подобное уже происходило. На заре истории Земли, когда цианобактерии начали вырабатывать кислород, тем самым радикально меняя состав атмосферы, они уничтожили почти все остальные живущие на Земле организмы.
Лидбеттер: Однако кислород был побочным продуктом, ядом, который вырабатывала цианобактерия, а не патогенным микроорганизмом широкого спектра поражения.
Балтимор: Пожалуй, нам такие случаи не встречались, но я могу представить, как смертоносный патоген, поражающий специфическую группу растений, становится патогеном широкого спектра. Он мог бы распространяться от вида к виду с помощью насекомых. В рацион японского хрущика, например, входит до двух сотен видов растений. Если бы жук стал переносчиком патогена, патоген мог бы адаптироваться к этим видам, поражая их с высоким процентом летальности.
Мееровиц: Я могу себе представить абсолютно смертельный патоген широкого спектра поражения – патоген, атакующий хлоропласты. Хлоропласты есть у самых разных растений. Они играют ключевую роль в фотосинтезе [процесс, в ходе которого растение поглощает солнечный свет, атмосферную двуокись углерода, а также влагу из почвы и производит необходимые для своего роста углеводы. – К. Т.]. Без хлоропластов растение погибнет. А теперь представьте, что где-то, например в океане, развивается новый патоген, атакующий хлоропласты. Он может уничтожить все океанские растения и перекинуться на сушу. Земля превратится в пустыню. Такое возможно, хотя и маловероятно. Так или иначе, этот вариант подходит для мира Купера.
Все эти «фантазии на тему» дают понять, что за кошмары могут мешать биологу спать по ночам. Главная проблема человечества в «Интерстеллар» – заболевание растений широкого спектра поражения, которое неистовствует по всей планете. Но у профессора Брэнда есть еще одна причина для беспокойства: на Земле заканчивается кислород, и людям скоро нечем будет дышать.
12. Задыхаясь без кислорода
В начале фильма профессор Брэнд говорит Куперу: «Земная атмосфера на 80 процентов состоит из азота. Мы не можем дышать азотом, а патоген может. И пока он распространяется, кислорода в нашем воздухе будет все меньше и меньше. Последние люди, пережившие голод, будут первыми умершими от удушья. Поколение твоей дочери станет последним на Земле».
Есть ли научные обоснования для заявления профессора? Поставленный вопрос находится на пересечении двух научных дисциплин – биологии и геофизики. Поэтому я обсудил его с биологами, особенно с Эллиотом Мееровицем, во время нашего обеда, а также с двумя геофизиками, профессорами Калтеха Джеральдом Вассербургом (эксперт в области происхождения Земли, Луны и Солнечной системы) и Яком Янгом (специалист по физике и химии земной атмосферы, а также атмосфер других планет). И вот что я узнал от них, а также из научных трудов, к которым они меня отослали.
Образование и исчезновение пригодного для дыхания кислорода
Кислород, которым мы дышим, – это O2: молекула из двух атомов кислорода, связанных парой электронов. На Земле немало кислорода и в других формах: в составе диоксида углерода, воды, минералов земной коры и т. д. и т. п. Однако такой кислород непригоден для наших тел, если только какой-нибудь организм не высвободит его и не преобразует в O2.
О2 исчезает из атмосферы в результате дыхания, горения и гниения. Когда мы вдыхаем О2, наши органы соединяют его с углеродом, образуя двуокись углерода СО2[46]. При этом высвобождается много энергии, которую наши тела используют. При горении древесины огонь быстро соединяет атмосферный О2 с древесным углеродом, образуя СО2, и эта реакция порождает тепло, которое поддерживает горение. Когда в лесной подстилке разлагаются мертвые растения, их углерод медленно соединяется с атмосферным О2, также выделяя СО2 и тепло.
Атмосферный О2 возникает главным образом благодаря фотосинтезу: хлоропласты в растении[47] (см. главу 11) используют энергию солнечного света для расщепления СО2 на С и О2. Затем О2 высвобождается в атмосферу, а углерод растение соединяет с водородом и кислородом из воды, получая углеводы, необходимые ему для роста.
Нехватка О2, избыток СО2
Предположим, эволюция породила патоген, уничтожающий хлоропласты, как в фантазии Эллиота Мееровица из конца предыдущей главы. Фотосинтез постепенно, по мере вымирания растений, прекращается. О2 больше не образуется, но продолжает разрушаться из-за дыхания, горения и гниения – в основном гниения. Однако, к счастью для выживших людей, на Земле не хватит гниющих растений, чтобы поглотить весь О2.
Основная часть того, что может сгнить, сгниет в течение тридцати лет, и на это уйдет всего лишь около одного процента О2; оставшегося с лихвой хватило бы и детям, и внукам Купера (лишь бы им было что есть).
Однако этот один процент атмосферного О2 будет преобразован в двуокись углерода, и в результате СО2 составит 0,2 процента атмосферы. Учитывая, что львиная доля атмосферы приходится на азот, этого количества СО2 достаточно, для того чтобы особо чувствительным к составу воздуха людям стало трудно дышать и, возможно, для того чтобы температура Земли повысилась (из-за парникового эффекта) примерно на 10 градусов Цельсия. Мягко говоря, неприятная перспектива!
Чтобы затруднить дыхание и вызвать сонливость у всех людей, в СО2 должно преобразоваться в десять раз больше атмосферного О2, а чтобы отравить диоксидом углерода практически все человечество – еще в пять раз больше, то есть всего в 50. Ума не приложу, как бы такое могло случиться.
Чтобы затруднить дыхание и вызвать сонливость у всех людей, в СО2 должно преобразоваться в десять раз больше атмосферного О2, а чтобы отравить диоксидом углерода практически все человечество – еще в пять раз больше, то есть всего в 50. Ума не приложу, как бы такое могло случиться.
Так что же, профессор Брэнд неправ? (Даже физики-теоретики делают ошибки… О да, в особенности физики-теоретики! Уж я-то знаю, о чем говорю.) Ошибка возможна, но все же профессор может быть прав, и чтобы объяснить почему, нужно упомянуть о серьезных проблемах океанского дна, ве́домых геофизикам.
Так же как и на суше, на дне океана есть неперегнившая органическая материя. Геофизики оценивают ее количество в одну двадцатую часть от земной органики. Если они обсчитались и этой неперегнившей органики в океанах в 50 раз больше, чем на суше, и если найти способ быстро вытащить ее на поверхность, то из-за ее гниения с образованием СО2 все люди на планете начнут задыхаться от нехватки кислорода и умирать от отравления СО2.
Раз за много тысяч лет нестабильные океанские воды перемешиваются – вода с поверхности опускается на дно, а вода со дна поднимается наверх. Не исключено, что во времена Купера произойдет настолько бурное перемешивание, что поднимающиеся водные пласты вынесут наверх большую часть донной органики. При контакте с атмосферой эта органика начнет гнить, преобразуя атмосферный О2 в смертельное количество СО2.
Да, это возможно. Но крайне маловероятно по двум причинам: во-первых, очень сомнительно, что количество неперегнившей органики на океанском дне настолько превышает прогнозы геофизиков, а во-вторых, крайне мала вероятность настолько бурного перемешивания океана[48].
Как бы то ни было, Земля в «Интерстеллар» умирает, и человечеству нужен новый дом. Солнечная система, за исключением Земли, непригодна для жизни, так что искать приходится за ее пределами.
13. Межзвездный перелет
При первой встрече профессор Брэнд рассказывает Куперу об экспедициях программы «Лазарь», призванных найти человечеству новый дом. Купер отвечает: «В Солнечной системе нет пригодных для жизни планет, а до ближайшей звезды тысяча лет пути. Это, мягко говоря, бессмысленно. Так куда же вы их отправили, профессор?»
Почему это бессмысленно (если под рукой нет червоточины), ясно, если задуматься, сколь велики расстояния до ближайших звезд (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Все звезды в пределах 12 световых лет от Земли. Солнце, проксима Центавра и тау Кита обведены кружками – желтым, фиолетовым и красным соответственно (Слегка измененная мною карта, взятая у Ричарда Пауэлла, atlasoftheuniverse.com.)
Расстояния до ближайших звезд
Ближайшая (не считая Солнца) звезда, в системе которой может найтись планета, пригодная для жизни, – это тау Кита. Она находится в 11,9 светового года от Земли; то есть, путешествуя со скоростью света, до нее можно будет добраться за 11,9 года. Теоретически могут быть пригодные для жизни планеты, которые к нам ближе, но ненамного.
Чтобы оценить, насколько далека от нас тау Кита, прибегнем к аналогии в гораздо меньших масштабах. Представьте, что это расстояние от Нью-Йорка до города Перт в Австралии – примерно половина земной окружности.
Самая близкая к нам звезда (опять же не считая Солнца) – проксима Центавра, 4,24 светового года от Земли, однако нет никаких подтверждений, что рядом с ней могут быть пригодные для жизни планеты. Если расстояние до тау Кита – это расстояние Нью-Йорк – Перт, то расстояние до проксимы Центавра – это Нью-Йорк – Берлин. Немногим ближе, чем тау Кита!
Из всех беспилотных космолетов, запущенных людьми в межзвездное пространство, дальше всего добрался «Вояджер-1», который сейчас находится в 18 световых часах от Земли. Его путешествие длилось 37 лет. Если расстояние до тау Кита – это расстояние Нью-Йорк – Перт, то от Земли до «Вояджера-1» всего три километра: как от Эмпайр-стейт-билдинг до южного края Гринвич-Виллидж. Это гораздо меньше, чем от Нью-Йорка до Перта.
От Земли до Сатурна еще ближе – 200 метров, два квартала от Эмпайр-стейт-билдинг до Парк-авеню. От Земли до Марса – 20 метров, а от Земли до Луны (наибольшее расстояние, на которое до сих пор путешествовали люди) – всего семь сантиметров!
Сравните семь сантиметров с половиной кругосветного путешествия! Теперь понимаете, какой скачок должен произойти в технологиях, чтобы человечество могло покорять планеты за пределами Солнечной системы?
Скорость полета в XXI веке
«Вояджер-1» (разогнавшись с помощью гравитационных пращей вокруг Юпитера и Сатурна) отдаляется от Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду. В «Интерстеллар» космолет «Эндюранс» путешествует от Земли до Сатурна в течение двух лет, со средней скоростью около 20 километров в секунду. Наибольшая скорость, достижимая в XXI веке при использовании ракетных двигателей в сочетании с гравитационными пращами, составит, на мой взгляд, около 300 километров в секунду.
Если мы отправимся к проксиме Центавра со скоростью 300 километров в секунду, перелет займет 5000 лет, а перелет до тау Кита – 13 000 лет. Что-то долговато.
Чтобы с технологиями XXI века добраться в такую даль побыстрее, нужно что-то наподобие червоточины (см. главу 14).
Технологии далекого будущего
Хитроумные ученые и инженеры приложили немало стараний, разрабатывая принципы технологий будущего, которые сделали бы полеты с околосветовыми скоростями реальностью. Вы найдете достаточно информации о таких проектах в интернете. Но, боюсь, пройдет не одна сотня лет, прежде чем людям удастся их воплотить в жизнь. Однако они, на мой взгляд, убеждают, что для сверхразвитых цивилизаций путешествия со скоростями от одной десятой скорости света и выше вполне возможны.
Вот три варианта передвижения с околосветовой скоростью, которые мне кажутся особенно интересными[49].
Термоядерный синтез
Термоядерный синтез – наиболее популярный из этих трех вариантов. Научно-исследовательские работы по созданию электростанций на основе управляемого термоядерного синтеза были начаты в 1950 году, и полным успехом эти проекты увенчаются не раньше 2050 года. Целый век научно-исследовательских работ! Это кое-что говорит о масштабе сложностей.
Пусть к 2050 году на Земле появятся термоядерные электростанции, но что можно сказать о космических полетах на термоядерной тяге? Двигатели наиболее удачных конструкций смогут обеспечить скорости около 100 километров в секунду, а к концу этого столетия предположительно и до 300 километров в секунду. Однако для околосветовых скоростей понадобится совершенно новый принцип использования термоядерных реакций.
Возможности термоядерного синтеза можно оценить с помощью простых расчетов. Когда два атома дейтерия (тяжелого водорода) сливаются, образуя атом гелия, примерно 0,0064 их массы (при грубом округлении один процент) переходит в энергию. Если преобразовать ее в кинетическую энергию (энергию движения) атома гелия, то атом приобретет скорость в одну десятую от скорости света[50]. Стало быть, если мы сможем преобразовать всю энергию, полученную от синтеза ядерного топлива (дейтерия), в направленное движение космолета, то достигнем скорости около c/10, а если проявить смекалку – и несколько большей.
В 1968 году Фриман Дайсон, замечательный физик, описал и исследовал примитивную конструкцию космолета на термоядерной тяге, способную – в руках достаточно развитой цивилизации – обеспечить скорости такого порядка.
Термоядерные бомбы («водородные» бомбы) взрываются сразу за полусферическим амортизатором, диаметр которого – 20 километров (рис. 13.2). Взрывы толкают корабль вперед, разгоняя его, по самым смелым оценкам Дайсона, до одной тридцатой скорости света. Более совершенная конструкция может быть способна на большее. В 1968 году Дайсон пришел к выводу, что использовать двигатель такого типа будет возможно не раньше чем в конце XXII столетия, через 150 лет от настоящего момента. Я считаю, что это оценка чересчур оптимистична.
Рис. 13.2. Движимый бомбами космический корабль Фримана Дайсона [Dyson 1968]
Лазерный луч и световой парус
В 1962 году Роберт Форвард, еще один весьма уважаемый мною физик, написал для научно-популярного журнала статью о космолете с парусом, который приводится в движение выпущенным издалека сфокусированным лазерным лучом [Forward 1962]. В академической статье 1984 года он развил и уточнил эту концепцию (рис. 13.3).