Ландшафт Гиббса

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.