За 200 лет, прошедшие с конца промышленной революции, человек раздвинул границы своей деятельности до планетарных масштабов и стал причиной изменений, затрагивающих весь мир. Еще в 1972 году члены международной организации Римский клуб, объединяющей представителей мировой политической, финансовой, культурной и научной элиты, в докладе «Пределы роста» предупреждали, что дисбаланс между ростом населения, количеством доступного продовольствия, природными ресурсами и загрязнением окружающей среды неминуемо приведет к глобальной катастрофе.

Новая книга Come On! более подробно раскрывает сценарии возможных катастроф, которые, по мнению авторов, способны стереть человечество с лица Земли или сильно сократить его численность. В специальном проекте ТАСС и Фонда инфраструктурных и образовательных программ (группа «Роснано») мы отобрали пять наиболее важных проблем и постарались показать все плюсы и минусы прогресса. Развитие истории человечества по оптимистичному сценарию все еще возможно — и помогут нам в этом нанотехнологии, уверены ученые. Главное, чтобы человечество разумно распорядилось своими знаниями.

Тюнинг планетарного масштаба

Пока человечество мечтает о космосе, на Земле происходит необратимое изменение климата. Если мы хотим сохранить нашу планету, необходимо всерьез задуматься о проблеме глобального потепления и устранить его причины. Правда, делать это нужно с огромной осторожностью, ведь цена ошибки слишком высока. Авторы книги Come On!, изданной Римским клубом, относят совокупность методов по целенаправленному изменению климата Земли — геоинжинирингу — к одному из глобальных рисков человечества.

Цели, поставленные Парижским соглашением (международный договор, регулирующий меры по снижению углекислого газа в атмосфере с 2020 года — прим. ТАСС), практически недостижимы, уверены многие ученые. Чтобы сдерживать потепление на отметке в 2° по отношению к доиндустриальной эпохе, как того требует соглашение, к 2050 году необходимо сократить выбросы углекислого газа до нуля. Но даже если это произойдет и все страны, подписавшие документ, смогут полностью пересмотреть подход к производству материалов и сжиганию ископаемого топлива, в атмосфере уже достаточно парниковых газов и прежде всего СО2, чтобы температура поднялась выше опасной черты. Поэтому одного ограничения мало, нужны более радикальные меры.

Геоинжиниринг из темы фантастических романов постепенно становится частью глобальной экологической повестки. Формируются рабочие группы, каждый год появляется все больше статей на эту тему. Во-первых, в последние годы ученые все больше склоняются к тому, что процесс потепления можно остановить только радикальными методами: нужно найти способы удалять из атмосферы избытки двуокиси углерода и разработать технологии, позволяющие отражать избыток солнечного света, поступающего на нашу планету. Во-вторых, совершенствуются вычислительные методы, способные обсчитывать многофакторные модели применимости разных способов возвратить климат к прежнему состоянию.

Однако даже имея в своем распоряжении предсказательные выкладки, сделанные с использованием нейронных сетей, угадать, чем обернутся попытки изменения климата, невозможно. Поэтому геоинжиниринг — спасение от глобального потепления для одних и угроза жизни на Земле для других.

Несмотря на то, что способов изменить климат много, их можно разделить на две категории: контроль над количеством поступающего на Землю солнечного света и очищение атмосферы от лишнего углекислого газа. 

Угол отражения

Извержение в 1991 году вулкана Пинатубо на Филиппинах привело к выбросу в атмосферу 15 млн тонн двуокиси серы. В результате температура на Земле понизилась на полградуса на целый год. Несмотря на катастрофичность подобных событий (погибло 875 человек), ученые смогли наблюдать эксперимент планетарного масштаба и, вооружившись цифрами, оценить его последствия.

Именно распыление того или иного вещества в верхних слоях атмосферы — одна из возможностей снизить количество поступающего на Землю солнечного света. Частицы аэрозоля, как маленькие зеркала, должны отражать часть солнечных лучей, что поможет остыванию нашей планеты.

Однако простота метода сопряжена с рядом не до конца изученных последствий. Распыленные соединения серы могут со временем слипаться в более крупные образования и препятствовать отражению тепла в космос, усиливая парниковый эффект. К тому же неизвестно, как поведет себя тепловой и водный баланс планеты в условиях снижения температуры. Один из возможных сценариев: уменьшение поступающего солнечного света приведет к сокращению объема воды, которая испаряется с поверхности океанов. Это может сказаться на интенсивности осадков, что напрямую повлияет на сельскохозяйственные культуры.

Использование сульфатов в качестве отражающих свет агентов может привести к выпадению токсичных осадков в виде серной кислоты, которая вредит озоновому слою. Более щадящий для экологии подход — использование наночастиц. Например, алмазных нанопорошков или наноразмерного оксида алюминия. Правда, есть опасность отравления почвы последним соединением. В таком случае, считают ученые, лучше использовать диоксид титана.

Есть и куда менее радикальные способы отправить солнечный свет обратно в космос. В их числе покраска крыш светоотражающей краской (подобных наносоставов уже сегодня предостаточно) или покрытие их материалом с высоким значением альбедо (величина, характеризующая отражательную способность поверхности — прим. ТАСС), а также генное преобразование самых распространенных сельскохозяйственных культур с целью увеличить отражающую способность их листвы. 

Переработка CO₂

Одна из основных причин глобального потепления — увеличение содержания в атмосфере парниковых газов и прежде всего двуокиси углерода. Поэтому второй большой раздел геоинжиниринга — уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере. Самый простой и очевидный способ — увеличение количества зеленых насаждений, так называемое лесовосстановление. Главное препятствие — площадь пригодных для этого земель из-за деятельности человека постоянно уменьшается.

Но приумножать флору можно не только на суше. Важным источником кислорода на Земле является фитопланктон. Деятельность этих организмов — один из основных природных факторов переработки углекислого газа. А что если намеренно «подкормить» водоросли, запустив механизм размножения? Несмотря на кажущуюся пользу таких идей, ученые опасаются, что радикальное вторжение в экосистему Мирового океана может повлиять на всю пищевую цепочку, у истоков которой стоят водоросли. Как повлиять? Пока неизвестно.

Естественный потенциал природы уже сегодня активно используют, например, для захоронения углерода в виде биоугля. Все просто: биомасса сжигается в бескислородной среде, не увеличивая содержание углекислого газа в атмосфере, а полученный уголь захоранивается в земле и используется в качестве удобрения. Конечно, когда-нибудь углекислый газ вернется обратно, но уйдет на это не один миллион лет.
Также предлагают выделять углекислый газ из атмосферы и закачивать его на дно океана или в геологические разломы и пустоты. Но это, опять же, временное средство: рано или поздно он снова окажется в атмосфере.

Наиболее интересны, но и трудозатратны методы, которые позволяют не только поглощать, но и перерабатывать углекислый газ. Особенно если сочетают этот процесс с выработкой энергии. Уже существуют лабораторные разработки по превращению углекислого газа в востребованное во многих отраслях промышленности сырье — углеродное нановолокно. Еще один подход позволяет создавать Li-CO2-аккумуляторы, действие которых сопровождается выделением чистого углерода. Также ученые из инженерной школы университета Питтсбурга нашли способ превращения двуокиси углерода в ценное химическое сырье — метанол. Все ранее предложенные методы были слишком дороги и энергоемки, но недавно придумали использовать наноструктурированный катализатор на основе металл-органических координационных полимеров. Их добавление снижает стоимость полученного таким образом метанола.

Непогода в доме

Ученые уже давно предупреждают о глобальных климатических изменениях: апокалиптические сценарии будущего, в которых жители Земли страдают от ураганов, наводнений и засух, в скором времени могут стать реальностью. Последствия глобального потепления, если их продолжить игнорировать, вполне могут сделать планету непригодной для жизни.

Наиболее значимым событием последних лет в деле борьбы за сохранение климатической нормы стало Парижское соглашение, которое предписывает принять меры по предотвращению повышения температуры на Земле. Но по-прежнему неясно: является ли глобальное потепление следствием деятельности человека или же это часть крупномасштабного чередования изменений климата, с которыми уже сталкивалась Земля.

Однако не замечать корреляцию повышения уровня углекислого газа в атмосфере, повышения общей температуры и целого набора природных катаклизмов, с которыми столкнулось человечество в последние годы, становится все сложнее. Согласно расчетным моделям, учитывающим воздействие человека, вероятность возникновения ураганов силы «Харви» и «Флоренс», а также аномальной жары в Европе и России увеличивается в 10 раз.

3/4 поверхности Земли

Мировой океан — основной аккумулятор тепла, поступающего на Землю, и важный климатообразующий фактор. Повышение температуры неминуемо ведет к нагреву океана, что, в свою очередь, влияет на перераспределение тепла на планете. Несмотря на влияние многих факторов, можно с уверенностью сказать, что с «полярным усилением» (более значительным нагревом полярных областей по сравнению с остальной планетой) непосредственно связано потепление. Теплые воды перемещаются течениями на север, что вызывает таяние льдов и уменьшение ледяного покрова в этих областях. Уровень Мирового океана повышается, увеличивается риск затопления прибрежных областей, а также эти изменения отражаются на участившихся в последние годы засухах и пожарах в одних областях земного шара, и на суровых зимах — в других. 

Дело в том, что во многом климат на нашей планете определяет полярное высотное струйное течение (узкая зона сильного ветра в нижних слоях атмосферы — прим. ТАСС), которое удерживает холодный арктический воздух от проникновения в лежащие южнее широты. Оно очень чувствительно к перепаду температур по обе стороны фронта. Арктическое потепление, понижающее температурный градиент, приводит к замедлению этого высотного течения и его растягиванию в направлении север-юг. Именно эти изменения вызывают аномальные засухи и холода. Дальнейшее потепление лишь усилит эти явления, уверены многие ученые, и мощные ураганы и цунами могут стать обычными явлениями.

Не стоит также забывать и о других последствиях деятельности человека — закислении, или асидификации, Мирового океана. Углекислый газ, который попадает из атмосферы в воды Мирового океана снижает показатель рН, то есть кислотность вод увеличивается. На первый взгляд изменение незначительное — 0,1 единицы рН, но, во-первых, это соответствует увеличению кислотности на 30%, а во-вторых, согласно множеству проведенных за последние годы исследований, этого достаточно, чтобы нарушить процесс формирования внешнего кальциевого скелета у многих ракообразных, а также кораллов.

Альтернативная энергетика

Перечислять последствия глобального потепления можно долго, ясно одно: чтобы к 2050 году полностью нейтрализовать выбросы СО2, связанные с промышленной деятельностью человека, нужно ускорить процесс отказа от углеводородного топлива и переход на использование альтернативных источников энергии. Ведь углеводороды по-прежнему остаются основным видом топлива, при сжигании которого и выделяется много «лишней углекислоты».

Значительная часть стран уже работает в этом направлении. Хотя 10 лет назад использование энергии ветра и солнца было существенно дороже традиционных источников, государства стали развивать эту отрасль. По данным Международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA), в 2017 году на долю альтернативных источников энергии, включая ГЭС, пришлось 25% всего использованного в мире электричества. Альтернативная энергетика во многих странах прошла важнейший этап: цена выработанной электроэнергии с помощью ветра и солнца сравнялась с ценой электричества из традиционных источников.

Путь, который за последние годы прошла альтернативная энергетика, был бы не возможен, без использования нанотехнологий. В их числе и новейшие способы получения солнечных элементов с увеличенным КПД, способные работать не только с прямым, но и рассеянным светом; и прочные композиционные материалы, позволяющие возводить более высокие башни ветрогенераторов с большим размахом лопастей. Эти нововведения привели к удешевлению технологий. Сегодня не только крупные энергетические компании переориентируют свой бизнес на альтернативную энергетику, но и отдельные домохозяйства, оснащенные ветряками или солнечными панелями, становятся частью распределенных систем генерации электроэнергии. 

Манипуляция сущностью

Новость о том, что китайский биолог Хэ Цзянькуй отредактировал геномы двух девочек-близняшек, сделав их невосприимчивыми к ВИЧ, доказывает, что будущее уже наступило. Неоднозначная реакция научной общественности и тот факт, что больница, где работает ученый, открестилась от его эксперимента, в очередной раз спровоцировала волну обсуждения норм медицинской этики и применимости методов генной инженерии. Манипуляции геномом без строгого контроля могут не только избавить от наследственных и генетических болезней, но и привести к нежелательным мутациям.

Генный редактор

Хэ Цзянькуй модифицировал ген, кодирующий один из белков, которые покрывают человеческие лимфоциты. Именно с этим белком взаимодействует вирус, когда проникает в клетку. Его отсутствие приводит к невосприимчивости человека к ВИЧ.

Идею метода, который с незначительными изменениями использовала команда китайского профессора, подсказали бактерии. Еще в 1987 году в геноме кишечной палочки были обнаружены повторяющиеся элементы. Похожие повторы, которые назвали CRISPR (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами), нашли и у других микроорганизмов. Однако понять, зачем они нужны бактериям, смогли только спустя почти 20 лет.

Выяснилось, что разделяющие повторы последовательности состоят из фрагментов ДНК бактериофагов, которые заражали бактерию на протяжении ее жизни. Система CRISPR/Cas9 — это настоящий приобретенный иммунитет у бактерий и архей (одноклеточные микроорганизмы — прим. ТАСС). Вырезанные у вирусов фрагменты ДНК встраиваются в собственные геномы микроорганизмов. При повторном заражении синтезируемая с ДНК-матрицы молекула РНК сравнивается с вирусным геномом — и в случае совпадения разрезается белком Cas9, убивая вирус.

Элегантная и вместе с тем сложная для таких простых организмов система вдохновила ученых на ее модифицирование для редактирования генома. Вначале синтезируется молекула РНК, соответствующая тому участку ДНК, где нужно провести замену, чтобы «починить» ген. Белок Cas9 находит нужный участок цепочки ДНК, после чего разрезает его. Далее вступает в действие система восстановления ДНК, которая присутствует в каждой клетке. В природе в качестве образца для повторного синтеза поврежденного участка используется его копия, находящаяся в парной хромосоме. В модифицированном человеком методе в качестве матрицы ферменту предлагают исправленный фрагмент гена. В результате манипуляций клетка избавляется от «неправильного» гена и получает здоровый.

Сегодня исследования по тематике CRISPR/Cas9 ведут сотни групп во всем мире. И хотя этот метод считается простым по сравнению с ранее известными способами изменения генома, ученым сложно гарантировать точность редактирования: сложно заменить одно из 6,5 млрд положений ДНК и не спровоцировать незапланированные мутации в других местах.

Проблемы этики

Однако, как можно заметить по новостному фону, основная проблема использования этого эффективного метода лежит не столько в биологической, сколько в морально-этической сфере. Кто и каким образом должен контролировать проведение таких экспериментов, не слишком ли рано были начаты опыты с участием людей и где пролегает та грань, за которой внесение изменений в геном с целью вылечить перерастает в создание модифицированного человека? Это лишь немногие вопросы, на которые необходимо ответить, прежде чем редактировать человеческие гены.

С одной стороны, опасения оправданы. Бесконтрольное вмешательство в человеческий геном может привести к непредсказуемым последствиям. Тем более что методика CRISPR/Cas9 довольно проста, и для ее использования нужны лишь базовые знания в молекулярной биологи. Но с другой стороны, ждать появления новой расы генно-модифицированных людей или армии солдат c особыми боевыми качествами, запрограммированными при рождении, вряд ли стоит. Любая сложная модель поведения, любое свойство характера или предрасположенность к тому или иному заболеванию кодируется не одним и даже не десятью генами. Их гораздо больше. К тому же для достижения результата нужна слаженная работа всех измененных генов, а за это отвечают отдельные регуляторные гены. Поэтому понять, что, как и где нужно менять, чтобы получить улучшение какой-то человеческой функции, на данном этапе развития науки невозможно.

Безусловно, уже есть генетические заболевания, обусловленные мутацией в определенном гене. Именно такие болезни станут первыми кандидатами на лечение новым методом.

Технология CRISPR/Cas9 может помочь и в смежных областях. Например, ее можно использовать в нанофармакологии, которая, в отличие от обычной медицины, не наносит вред всему организму. Лекарственное вещество доставляется непосредственно к больному органу или ткани. Использование наноконтейнеров — чаще всего в их роли выступают липосомы — позволяет осуществлять действительно адресную доставку.

Другой тренд — персонализированная медицина. Лечение подбирается индивидуально, в зависимости от особенностей пациента и его предрасположенности к тем или иным заболеваниям, установленной по результатам секвенирования ДНК. Новейшие методы генной инженерии объединяют оба подхода и позволяют на основании данных о той или иной мутации точечно избавляться от нее.

Буквально через несколько дней после своего заявления о модификации генома Хэ Цзянькуй выступил на конференции в Гонконге. Он сообщил, что финансировал исследования сам и что на разных стадиях беременности находятся еще несколько женщин, чьи эмбрионы также подверглись генной модификации. В ответ власти Китая запретили все исследования по данной тематике и начали расследование. Сам ученый, по сообщениям СМИ, перестал появляться на публике, и его местонахождение неизвестно.

Вопрос о правомерности действий ученого остается открытым, но сам Хэ Цзянькуй уверен в своей правоте: действенного лекарства борьбы со СПИДом до сих пор нет, а его опыты могут дать человечеству шанс. Или изменить его навсегда. 

Жизнь 2.0

Бактерии, производящие в промышленных масштабах топливо и лекарства; «ручные» вирусы, способные обнаружить болезнь и вылечить ее; сенсоры, чувствительные к наноколичествам токсичных веществ — на эти чудеса способно новое направление cинтетической биологии. Сто лет назад благодаря предшественнице этой науки — синтетической химии — человечество не только получило новые материалы, но и начало опасные эксперименты с отравляющими и взрывчатыми веществами, применение которых унесло миллионы жизней. Так и в лабораториях, где занимаются синтезированием живых биологических структур, могут вывести как полезные, так и смертоносные микроорганизмы.

Задача синтетической биологии — модифицирование существующих и создание новых биологических систем. Это направление возникло благодаря успехам молекулярной биологии и генной инженерии. Одним из ведущих ученых в нем считается генетик Крейг Вентер — в конце 90-х он параллельно с проектом «Геном человека» проводил собственные исследования и самостоятельно расшифровал ДНК. В 2010 году группа ученых под его руководством создала первую искусственную бактерию Mycoplasma laboratorium JCVI-syn1.0 или Синтию — модифицированную Mycoplasma mycoides. Спустя шесть лет Вентер уменьшил размер ДНК Синтии вдвое, до 473 генов, и создал организм с минимально возможным геномом. Так зачем все это нужно?

Живые фабрики

Клетка с минимальным геномом — это каркас, к которому можно присоединить практически любые функциональные блоки, подсмотренные у природы. Собственный геном микроорганизма расширяется за счет генов отдельных белков или целых ферментативных систем. Чаще всего клетки превращают в биологические фабрики по производству необходимых веществ — лекарственных препаратов или сырья для полимеров. Именно такой подход использует японский стартап Spiber, который выпускает синтетический паучий шелк — материал в сотни раз прочнее стали. Ген фиброина — белка, из которого состоит паучья нить, — клонируют в микроорганизмах, и они вырабатывают его в больших количествах. После этого белок выделяют и делают из него ультрапрочные нити, отдельные волокна которых связаны на наноуровне.

Другой пример — калифорнийская компания Genencor. В ее лабораториях модифицировали бактерии для производства изопрена — сырья, из которого делают резину. Таким же способом получают и адипиновую кислоту — один из реагентов при синтезе нейлона. Но, пожалуй, самым известным веществом, полученным благодаря синтетической биологии, стал артемизинин — лекарство против малярии. Артемизинин выделяют из полыни, а это довольно дорогой и трудозатратный процесс. Чтобы перестать зависеть от урожайности этого растения, ученые начали искать другой источник важного препарата. И здесь на помощь пришла синтетическая биология: исследователи научились получать нужное вещество из генетически модифицированных дрожжей.

Конструктор для взрослых

Синтетическая биология — дисциплина прикладная: как инженеры создают новые механизмы с помощью доступных составных частей, так синтетические биологи стараются использовать стандартные органические блоки для достижения конкретных целей. Поэтому один из принципов синтетической биологии — стандартизация, которая повышает эффективность исследований и помогает экономить время на их проведение. Уже сегодня существуют стандарты для некоторых типов данных: последовательностей ДНК, биологических моделей, данных переноса генетической информации. Но другие параметры пока не стандартизированы — например, условия эксплуатации штаммов бактерий: окружающая среда, скорость роста и т. д. Чем больше будет четких правил, тем выше будет надежность синтетических систем и воспроизводимость экспериментов по их созданию.

Трудами многочисленных исследователей создаются базы данных, где собраны тысячи нужных последовательностей ДНК, которые могут пригодиться инженерам для создания того или иного биологического механизма. Наиболее известна библиотека стандартных биологических частей (Registry of standard biological parts). Сегодня там доступно 20 000 таких частей, и даже проводятся ежегодные соревнования iGEM (International Genetically Engineered Machine) по сбору «биомашин» из них. Искусственные бактериальные системы могут переключать свое состояние в зависимости от условий внешней среды, выполнять определенные действия в ответ и даже запоминать состояние, в котором они пребывают. Это позволяет создавать биологические наносенсоры для обнаружения вредных веществ в окружающей среде. Еще немного, и станут доступны настоящие нанороботы — синтетические вирусы, способные помогать естественному иммунитету организма. 

Внимание, опасность!

Большинство разработок синтетической биологии можно классифицировать как технологии двойного назначения. Иными словами, их можно использовать не только в гражданских, но и в военных целях. Воссоздать и модифицировать в лаборатории геномы простейших вирусов и болезнетворных бактерий не так уж и сложно. Нет никакой гарантии, что намеренно не будет создан смертоносно опасный штамм, устойчивый ко всем существующим антибиотикам. Уже были зафиксированы случаи появления таких микробов. Если подобные микроорганизмы усовершенствуют, можно ждать создания действительно смертоносного оружия.

Когда Крейг Вентер синтезировал Синтию, он в качестве одного из «пасхальных яиц» закодировал в ее геноме фразу Джеймса Джойса: «Жить, ошибаться, падать, побеждать, воссоздавать жизнь из жизни». Ученый надеялся, что человечество осознает: в наших руках оказался инструмент невиданной силы. И, несмотря на неизбежные ошибки, будет использовать его для созидания, а не уничтожения жизни.

Гонка на исчерпание

За последние 100 лет человечество использовало больше природных ископаемых, чем с конца палеолита до XX века. За прогресс приходится платить: совсем недавно для жизни было необходимо несколько десятков химических элементов, а сегодня благодаря развитию технологий — почти вся таблица Менделеева. Природные ресурсы не бесконечны. Смогут ли новые месторождения, повторная переработка и современные материалы спасти нас от неизбежного дефицита?

Исчерпание запасов полезных ископаемых — одна из самых обсуждаемых тем последних лет, связанная с влиянием человека на окружающую среду. Осознание конечности запасов нефти и газа заставило человечество не только всерьез задуматься об этой проблеме, но и приступить к поиску ее решения. Наряду с необходимостью уменьшить выбросы углекислого газа это привело к стремительному развитию альтернативной энергетики. Однако вопрос, на сколько нам хватит других полезных ископаемых, до сих пор остается открытым. 

Копай глубже

Эксперты разделились на два лагеря. Одни уверены, что при существующих темпах потребления мы уже в ближайшие годы окажемся в катастрофической ситуации по целому списку минералов, а через 10-20 лет закончатся и оставшиеся. Вторая группа экспертов считает, что если и придет конец ресурсам, то уж точно не сейчас — в нашем распоряжении есть еще пара сотен лет. Дело в том, что человечество научилось извлекать относительно легкодоступные полезные ископаемые.

Большая же часть природных богатств лежит на глубине больше километра. Пока разрабатывать такие месторождения нерентабельно. Но с развитием технологий и c ростом спроса человечество будет вынуждено исследовать недра Земли, погружаясь все глубже и глубже. Огромные залежи большинства необходимых минералов есть на морском дне, но разрабатывать их пока дорого.

В отличие от углеводородов, которые сжигаются и превращаются в углекислый газ, другие полезные ископаемые не исчезают безвозвратно. Технологии утилизации и повторного использования позволяют извлекать их и запускать в технологические процессы повторно. Степень переработки различных металлов варьируется от 10% до 50%. К примеру, 35% стали производится из переработанного лома, примерно в такой же степени утилизируется алюминий, для меди же этот показатель в два раза меньше — 17%. Чтобы удовлетворить возрастающий спрос на многие минералы, нужно увеличивать процент переработки. Это снизит выбросы углекислого газа, так как добыча и производство базовых материалов — это второй источник СО2 после энергетики. 

«В настоящий момент еще ничего не предрешено, и нетрудно представить себе как рациональное будущее с ограниченным потреблением энергии и уровнем использования материалов, направленным на оптимизацию уровня жизни неизменного или даже медленно снижающегося количества людей, так и бессистемную погоню за энергией и материалами, которая по большей части приводит к безответственному потреблению с огромными потерями, углубляет мировой разрыв между населением с разным уровнем жизни и ослабляет базовые функции биосферы — единственное незаменимое основание любой цивилизации.

Будем надеяться, что человеческая находчивость (применение которой в последние два века достойно восхищения) и приспособляемость (которая, к сожалению, применялась не для предотвращения ожидаемых кризисов, а уже после того, как они наступили) рано или поздно поведут нас по первому пути. Но даже в этом случае изменение использования материалов человечеством будет постепенным и сложным процессом, исход которого нам неизвестен».

Вацлав Смил, почетный профессор Университета Манитобы, Канада

Отрывок из книги «Создание современного мира. Материалы и дематериализация»

Меньше значит лучше

Скорее всего, в первую очередь человечество столкнется с дефицитом фосфора. Его основной потребитель — сельское хозяйство: более 80% всего добываемого в мире фосфора идет на удобрения. Спрос растет с каждым годом, и мировые запасы этого вещества могут закончиться в течение следующих 80 лет. Снизить потребление фосфора помогут нанотехнологии. Обычно растения поглощают приблизительно 42% вещества из почвы. Было установлено, что опрыскивание листьев бобовых составом, содержащим наночастицы цинка, увеличивает активность ряда ферментов, ответственных за усвоение этого элемента. Выходит, уже сегодня можно снизить потребление фосфора, используя меньше удобрений.

Нанотехнологии сокращают и потребление важных минералов. Одностенные углеродные нанотрубки помогают в минимальных количествах улучшить целый ряд физико-химических свойств металлов, пластиков и композитов. Их добавление в алюминий в пропорции 0,1% на единицу массы повышает предел прочности при растяжении алюминия и меди на 100%. Благодаря этому открытию потребность в металлах в некоторых сферах производства сократилась в два раза.

Неоднозначная альтернатива

Цели по сокращению выбросов углекислого газа, задекларированной в Парижском соглашении, можно достичь только одним путем — перейти на использование альтернативных источников энергии. В прошлом году в США на проекты возобновляемой энергетики пришлось больше половины ввода новых энергокомплексов. Коста-Рика в 2017 году 300 дней использовала только энергию ветра, солнца и воды. Ближайшие планы сторонников чистой энергии впечатляют: Китай к 2020 году собирается потратить 360 млрд долларов на проекты в области альтернативной энергетики.

Однако, и это может оказаться сюрпризом для сторонников экологичных решений, производство солнечных и ветряных электростанций, электротранспорта и системы хранения полученной энергии требуют огромного объема природных ресурсов и металлов.

Ветроэнергетика потребляет очень много свинца и редкоземельных элементов. Развитие электротранспорта оказывает существенное воздействие на доступность другого элемента — лития, который используется в аккумуляторах. Для этих же целей нужны кобальт и марганец. Растущий спрос приводит к увеличению стоимости ранее невостребованных элементов. Например, цена на марганец с 2015 по 2017 год почти удвоилась. Спрос на минералы, необходимые для солнечных панелей, в том числе медь, железо, свинец, молибден, никель и цинк, может вырасти на 300% к 2050 году.

Независимо от того, сбудутся предсказания скептиков или нет, очевидно, что запасы полезных ископаемых рано или поздно подойдут к концу. Остается надеяться, что к этому моменту люди научатся извлекать необходимые химические элементы буквально из воздуха и воды. К тому же разговоры о космическом майнинге — добыче полезных ископаемых на астероидах, Луне и других планетах Солнечной системы — из области фантастики станут нашей реальностью.

Проблемы планетарного масштаба

Сможет ли человечество противостоять угрозам, которые само же и сотворило, и как нанотехнологии помогут в борьбе с ними, мы узнали у профессора, доктора химических наук, советника председателя правления по науке — главного ученого ООО УК «Роснано» Сергея Калюжного.

Сергей Владимирович, какие угрозы для человечества, так или иначе связанные с технологиями, вы бы отметили в первую очередь, и могут ли нанотехнологии помочь их предотвратить?

Если оставить за скобками ядерную угрозу, которая существует на планете уже на протяжении полувека, то первая антропогенная и вместе с тем техногенная угроза — это угроза изменения климата. Человечество ответственно за повышение средней температуры на планете. Последствия, которые мы уже видим: участившиеся ураганы, тайфуны, постепенное таяние льдов Арктики и Антарктики, опустынивание некоторых земель. Это актуально и для нашей страны. С одной стороны, у нас в средней полосе климат в некоторой степени улучшается, но с другой, зона вечной мерзлоты, которая располагается на очень большой территории, постепенно сдвигается к северу, и это может создать проблемы для нашей страны.

Второе техногенное влияние, которое мы ощущаем, — загрязнение окружающей среды: в гидросферу и атмосферу попадают различные вещества, в том числе токсичные.

Третий опасный фактор — исчерпание ресурсов — связан с ростом экономики, промышленного производства, сельского хозяйства и населения. Раньше, особенно в 70-х годах, Римский клуб очень много говорил о том, что в связи с исчерпанием нефтяных ресурсов наступит кризис. Кризис, конечно, не наступил, так как постоянно открывают новые месторождения, но добыча становится все более затратной.

Гораздо большую опасность представляет исчерпание такого биогенного элемента, как фосфор. Концентрированных месторождений фосфатов на планете не так много: на Кольском полуострове, в Марокко, в Северной Африке и еще в нескольких местах. Химизация сельского хозяйства, которую называли «зеленой революцией», привела к повышению продуктивности культур, но вместе с тем стала причиной того, что фосфор в минеральной форме экстрагируется в огромных количествах из земли, превращается в химические удобрения, которые в конечном счете попадают в Мировой океан. Поэтому мы в ближайшее время ощутим недостаток этого элемента.

Аналогичная ситуация складывается с некоторыми редкоземельными элементами вроде кобальта, концентрированные месторождения которых расположены в очень ограниченном количестве стран.

Еще одна проблема, которую я вижу, — мы довольно глубоко внедрились в биологические системы, в частности в наши организмы, в геном. Прочитать геном сейчас уже не проблема, для отдельного человека это стоит примерно тысячу долларов. Мы вторгаемся в святая святых. У нас уже есть довольно много технологий, например, CRISPR/Cas9, которые позволяют редактировать геномы — пока еще, правда, недостаточно эффективно. Тут есть положительные моменты: например, мы таким образом можем лечить наследственные либо генетические болезни. Но рано или поздно это спровоцирует и возникновение идеи, что нам нужно из человека делать суперчеловека, и не очень понятно, к каким последствиям это может привести.

Что касается нанотехнологий и их роли в предотвращении названных угроз, то общество задействует различные инструменты, чтобы снизить эмиссию парниковых газов. Один из главных их источников — это энергетика, которая основана на ископаемом топливе. Поэтому явственный тренд — это переход на возобновляемые источники энергии. Здесь нанотехнологии незаменимы — как в структуре фотоэлементов, которые конвертирует солнечный свет в электричество, так и в развитии других возобновляемых источников энергии. Материальной базой для всех этих новых направлений являются нанотехнологии.

В одной из последних книг, которую издал Римский клуб, есть перечень угроз, стоящих перед человечеством, и отдельно выделен геоинжиниринг — совокупность методов целенаправленного изменения климата. По вашему мнению, это реальная угроза или все-таки скорее способ избежать другой опасности — потепления климата?

Понятно, что любая новая технология имеет как положительные стороны, так и отрицательные. Изобретение двигателя внутреннего сгорания привело к тому, что исчезла профессия извозчика и сильно уменьшилось поголовье лошадей. Хотя в целом это было прогрессивное явление, мы перешли на другой транспорт — более быстрый, более мощный.

Римский клуб главную угрозу видит в человеке. Недаром эру, в которую мы живем, называют антропоценом. 200 лет назад воздействие человека на природу было весьма и весьма ограничено. Мы жили, как это называют участники Римского клуба, в «пустом мире». В настоящее время мы находимся в «полном мире», когда антропогенная активность расширилась до планетарных границ. Фактически человечество управляет космическим кораблем по имени Земля.

Поэтому к любым жестким изменениям геоструктуры, структуры нашей Земли нужно подходить с очень большой осторожностью. Другое дело, что на настоящий момент я не вижу прямой угрозы, потому что нет позволяющих это сделать технологий, кроме ядерной. Ядерная бомба большой мощности способна на весьма значительные геоструктурные изменения Земли.

Даже наша деятельность по строительству каналов, железных дорог, портов и т. д., отвоевывание земли у моря, как в Голландии, пока еще довольно ограничена. Чтобы бороться с эмиссией парниковых газов, предлагается использовать трещины, пещеры, ущелья, впадины в структуре Земли для того, чтобы закачивать туда углекислый газ. Во-первых, это пока дорого, во-вторых, с системной точки зрения большого вреда от этого не будет. Гораздо страшнее другие вещи — например, вывод на орбиту космических аппаратов, которые будут экранировать Землю от солнечного света. К счастью, наше общество пока что технически не способно это делать.

Какую роль новейшие материалы будут играть в предотвращении названных угроз, связанных в первую очередь с нанесением вреда экологии и с исчерпанием природных ресурсов?

Человечество с самых ранних этапов своего развития уделяло первостепенное внимание материалам. У нас даже историческое деление на этом основано: каменный век, потом бронзовый век, потом железный и т. д. Человечество постоянно хотело иметь более легкие, прочные, дешевые и надежные инструменты. Поиск новых материалов и замена существующих идет непрерывно. В частности, хотя сталь до сих пор является основным конструкционным материалом, мы видим активное наступление композитов.

Цель остается прежней — сделать материалы, которые прочнее стали, прочнее металлов и при этом легки в использовании, их достаточно просто утилизировать, а создание требует меньшей энергии. Несмотря на то, что исчерпание железной руды нам пока не грозит, сталь потихоньку вытесняется новыми современными материалами. В XX веке она была в значительной степени потеснена алюминием, но сейчас и его постепенно вытесняют более современные материалы, в том числе, наноматериалы.

Если взять обобщенные риски, связанные с вмешательством людей в геном, насколько, с вашей точки зрения, они обоснованы?

Это действительно проблема, потому что последствия пока что сложно прогнозируемы, но тут нужно отделять зерна от плевел. Одно дело, когда вы модифицируете сою, добавляете ей устойчивость против засухи. Добавив определенный ген, вы получаете высокий урожай сои. При этом понятно, что она генетически модифицирована, просто в природе такой же генетический процесс — селекция наиболее приспособленных видов — происходит гораздо медленнее.

Что касается генетически модифицированных растений, я вообще не вижу никаких проблем, эту тему только раздувают определенные политические силы. Нет никакого научного доказательства, что ГМО влияют на наше здоровье.

Что же касается генетических экспериментов на людях, мне кажется, человечество просто еще психологически не готово к этому. Но это не означает, что не нужно проводить исследования, заниматься просвещением и определить границы применимости этих методов. Ведь то же ЭКО, экстракорпоральное оплодотворение, еще каких-нибудь сорок лет назад казалось дикостью.

К тому же редактирование генома можно считать вершиной подхода, который наметился в медицине в последние 10 лет. Речь о таргетной, персонифицированной медицине. Сегодня все большее и большее значение приобретает адресная доставка лекарств именно к больному органу и воздействие именно на те клетки и ферментные системы, в которых что-то неправильно, которые вызывают болезнь. В этом плане нам дальше некуда идти без адресной доставки с помощью различных наночастиц и без контролируемого высвобождения лекарства в нужные точки в нужное время. Поэтому очень широкое распространение получила так называемая наномедицина и нанофармацевтика. Генная инженерия — следующий шаг в этом направлении.

Спецпроект © ТАСС, 2018

ТАСС информационное агентство (свидетельство о регистрации СМИ № 03247 выдано 2 апреля 1999 г. Государственным комитетом Российской Федерации по печати).

Отдельные публикации могут содержать информацию, не предназначенную для пользователей до 16 лет.

В материале использованы фотографии из фотобаз ТАСС и Gettyimages, а также из источников партнера.