Глава 3. Требуется кислород
Наши желания бесконечны и уходят в далекое будущее…
Человек появился на Земле не сразу. Большую часть своего исторического существования на этой планете он представлял собой относительно редкое и легкоранимое создание. Его издавна привлекала бес-крайность лесов и гор, широта морей, неоглядность степей. Может быть, именно эта «неоглядность» природы дала человеку основание считать вырубленный лес, спущенное озеро или прорытую в глубь земли шахту мелочами. Сегодня мы уже знаем, что Земля наша на самом деле очень мала, ее источники ограниченны, а системы, обуславливающие жизнь на ней, весьма хрупки.
Наверное, ничто так сильно не помогло бы человеку понять эту истину, как фотографии нашей планеты, сделанные с космических кораблей.
Новейшие исследования Марса и Венеры убедили нас в нереальности представлений о том, что человек мог бы решить свои земные проблемы, переселившись на другие планеты.
Жизнь на Земле существует вот уже более 500 млн. лет. За это время из простейших организмов развились высшие растения и животные. Развитие идет по пути увеличения требований к окружающей среде, поэтому потенциальная способность человека сознательно сохранить среду своего обитания является теперь наивысшей ступенью цивилизации.
Жизнь на нашей планете всегда определялась химической средой. И сегодня она зависит от специфических особенностей литосферы, гидросферы и атмосферы планеты, а также от интенсивности солнечного излучения. Проще говоря, жизнь зависит от достатка воздуха, воды, почвы, солнечного света и тепла.
Развивающиеся формы жизни в свою очередь оказывали влияние на физико-химическую природу поверхности Земли, главным образом за счет выделения в атмосферу кислорода, углекислого газа и азота. Растительный покров препятствовал эрозии. Миллионы лет существует биосфера как результат взаимодействия многих физико-химических и биологических процессов. Некоторым из них человек своей деятельностью еще не может причинить серьезного вреда. Но с развитием техники и ростом населения увеличивается опасность вызвать коренные изменения в природе. Причем вмешательство человека обусловлено, как правило, сознательным стремлением улучшить среду своего обитания на этой планете!
Человек не хочет оставаться на ней существом редким и беззащитным. Поэтому он делает все, чтобы иметь достаточное количество пищи, тепла и света, более того, чтобы иметь средства защиты (химические, биологические или ядерные) от опасных живых организмов или стихийных бедствий. Человек научился бороться с голодом, жаждой, удушьем. Не парадоксально ли, что, чем большими средствами для защиты собственной жизни он располагает, тем большую угрозу создает таким основам своего существования, как почва, кислород, чистая вода.
Теологи называют этот парадокс местью богов или наследным грехом. Сегодня мы знаем, что этим мнимым парадоксом мы лишь расплачиваемся за несовершенство своего познания. Вопреки успехам в науке и технике, мы зачастую ведем себя подобно дрожжевому грибку, который образует из сахара спирт до той поры, пока его не убьет продукт собственной деятельности…
Вся надежда на то, что человек способен учиться не только на собственном опыте, но и на опыте предшествующих поколений, которые тоже искали и находили, были правы и ошибались, создавали великие вещи, но и совершали громадные ошибки. И эта надежда — залог того, что общество в целом никогда не помышляло и не будет помышлять о самоубийстве. Напротив, в своих заблуждениях человек неизменно возвращается к природе, которая всегда помогает найти правильный путь, казалось бы, в самых безвыходных ситуациях.
Так было и с поиском выхода из лабиринта представлений о составе атмосферы нашей планеты.
В начале нынешнего века еще сомневались, но в 20-х годах уже твердо установили, что кислород — элемент, который необходим человеку и живым организмам, — не составляет изначальную часть атмосферы нашей планеты. Физики, химики и астрономы сошлись на том, что во Вселенной преобладают, собственно, атомы лишь двух видов: водорода и гелия. Атомов водорода при этом 90 %, а гелия — 9 %. Оставшийся процент составляют атомы углерода, азота, кислорода, серы, фосфора, неона, аргона, кремния и железа.
Если эти наблюдения верны, то можно предположить, что при рождении из космических пыли и газов новой планеты ее исконная атмосфера должна состоять лишь из водорода и гелия. Как известно, атомы гелия не соединяются в молекулы ни с какими другими атомами, а атомы водорода, как правило, ведут себя противоположным образом.
Каждый атом углерода соединяется с четырьмя атомами водорода, создавая метан. Каждый атом азота соединяется с тремя атомами водорода, чтобы вместе образовать аммиак. Атом серы в комбинации с двумя атомами водорода создает сероводород. А атомы кислорода тоже соединяются с атомами водорода, чтобы образовать воду.
Вещества, содержащие водород, существуют лишь в двух состояниях — это либо газы, либо вода, которая может быстро превратиться в газ. Учитывая эти особенности, в первичной атмосфере нашей планеты или в ее океанах. мы должны были бы искать различные соединения водорода.
Уже в первые десятилетия нашего века ученые определили место атомов кремния и железа, а также таких элементов, как натрий, кальций и магний, в самой твердой части нашей планеты — в ее ядре.
Гипотезы проверялись на атмосфере Юпитера. Выяснилось, что эта атмосфера также состоит в основном из водорода и гелия, аммиака и метана.
Будучи большой планетой, Юпитер имеет и большую силу притяжения. Так, Земля, Венера, Марс не в состоянии длительное время удерживать в атмосфере атомы гелия или молекулы водорода именно в силу своей «малости». Можно предположить, что в отличие от атмосферы Юпитера первичная атмосфера Земли содержала главным образом аммиак, метан, сероводород и пары воды. Эти пары конденсировавлись, создавая океаны, в которых растворялись аммиак и сероводород.
Атмосфера Земли в таком виде не могла быть долговечной. Ведь Земля расположена относительно близко к Солнцу, так что элементы на ее поверхности находились под постоянным воздействием ультрафиолетового излучения. Это излучение, как мы знаем, достаточно сильно, чтобы в более высоких слоях атмосферы «разорвать» молекулярное соединение водорода и кислорода (молекулу воды), следовательно, оно может «производить» из воды водород и кислород.
Воздействие ультрафиолетового излучения можно считать непрерывным и практически вечным, и поэтому в атмосфере Земли непрерывно происходит превращение воды, метана и аммиака в азот и углекислый газ. Однако что же станет, если произойдет расщепление всей воды? Кислороду не с чем будет соединяться, и он станет накапливаться в атмосфере.
Рассуждение вполне логичное, но такого никогда не произойдет. Как только в атмосфере сконцентрируется определенное количество кислорода (молекулы из двух атомов кислорода), в дело вступит солнечное излучение. Определенную часть свободного кислорода оно превратит в озон (молекулы из трех атомов кислорода), который в состоянии поглощать ультрафиолетовые лучи. Но слой озона находится на 20-километровой высоте, так что он в определенной степени мешает проникновению ультрафиолетового излучения в те слои атмосферы, где создаются водяные пары. Молекулы водяных паров «не разрываются», процесс прекращается раньше, чем создалось бы большое скопление кислорода.
Лишь гораздо позже, когда на Земле развились растения, которые стали использовать для «поглощения» световой энергии Солнца, прошедшей через слои озона, хлорофилл, процесс производства кислорода опять возобновился. Атмосфера наполнилась им в количествах, достаточных для существования жизни на Земле.
Таким образом, наша планета имела одну за другой три атмосферы. Первая состояла преимущественно из аммиака, метана и водяных паров. Она образовывала свод над гигантскими океанами, содержащими много аммиака. Вторую атмосферу составляли главным образом азот, углекислый газ и водяные пары. Океаны содержали много углекислого газа. Последняя, современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1 %), кислорода (20,9 %) и водяных паров, причем в нынешних океанах растворено малое количество газов.
Важно отметить, что сегодняшний состав атмосферы мог возникнуть только после того, как на Земле появилась жизнь. А поэтому в Солнечной системе высшие формы жизни существуют только на нашей планете. Ее атмосфера, содержащая достаточное для этого количество кислорода, является исключением. Состав атмосферы на Марсе и Венере очень похож на состав второй земной атмосферы, однако не содержит водяных паров.
Благодаря тому что в зеленом мире нашей планеты происходит одно из важнейших явлений — фотосинтез (то есть поглощение растениями углекислого газа из атмосферы и выделение кислорода), на Земле смогли появиться и высшие организмы.
Растениям понадобилось около 3 млн. лет для того, чтобы выработать столько кислорода, сколько нас окружает на сегодняшний день. Ученые подсчитали, что взрослое дерево за 24 часа производит 180 л кислорода. Взрослый же человек, лежа в постели, потребляет его 360 л, а работая — 700–900 л в день.
Кислородом дышат не только люди, но и. животные, а также современные стальные кони — автомобили. Легковой автомобиль на 1000 км расходует столько же кислорода, сколько его нужно взрослому человеку на целый год. И это не все. Современный пассажирский реактивный самолет с четырьмя двигателями за время перелета из Нью-Йорка до Парижа потребляет 35 т кислорода. Это количество за день дают 3 тыс. га леса!
Благодаря циркуляции воздуха человечество пока не ощущает недостатка в кислороде так остро, как ощущает недостаток в чистой воде или плодородной почве. Не будем, однако, рассчитывать на величие и долготерпение природы, ибо и они имеют свои пределы.
Если мы вырубим леса или отравим их дымом и ядами, ассимиляция углекислоты растениями прекратится и запасы кислорода быстро иссякнут.