Серая биотехнология — это классическая технология по установке природоочистных сооружений в конце экологически небезопасного производственного процесса (end of the pipe). Не самое элегантное решение, но необходимое для покрытия старых долгов индустриального общества. Девиз будущего: «Вредные вещества не должны попадать в биосферу». Для этого лучше всего заменять их экологически чистыми веществами и применять соответствующие производственные способы. Именно здесь очень важную роль играет биотехнология, которая позволяет сокращать расход материалов и энергии, заменять ископаемые ресурсы воспроизводимыми, а традиционную триаду (сырье — переработка — отходы) по возможности биологическими безотходными циклами.
Биогенетика
Медицинская бионика исследует воздействие биологических веществ и процессов на человеческий организм. Так, например, порванный нерв можно сшить нитью паутины. Она служит мостиком, опираясь на который нервные клетки вновь срастаются. Паутина обладает бактерицидным действием и не отторгается человеческим организмом. В хирургии ее можно использовать для наложения швов на рану. Паутинный шелк можно также применять для создания искусственных связок и жил. В Медицинском институте Ганновера удалось нарастить клетки человеческой кожи на паутинную сеть. Собственная кожа требуется, например, при лечении обширных повреждений или ожогов[176].
Паутинная нить обладает удивительными свойствами, которые вызывают интерес не только у медиков. Она прочная и одновременно гибкая, прочнее стали и эластичнее резины. Секрет этого чудо-материала в сложном строении белковых молекул. Длинные цепочки прочно сцепленных белков чередуются с отрезками, где фрагменты соединены слабо, что обеспечивает высокую эластичность ткани. Компьютерные расчеты показали, что по этому принципу можно создавать даже аэродромные сети для самолетов, съехавших со взлетной полосы. Во многих случаях паутина в состоянии заменить сталь или искусственное волокно. Но где взять столько паутины? В отличие от гусеницы-шелкопряда пауков нельзя разводить в огромном количестве. Защищая свою территорию, они уничтожают друг друга. Здесь-то и приходит на помощь биогенетика. Ученым из группы Флоранс Тёле при Университете Вайоминга удалось так изменить геном шелкопряда, что его нити по свойствам могут напоминать паутинный шелк. Шелкоотделительной железе гусеницы ученые дали «приказ» выделять нить золотого кругопряда (nephila clavipes). После этого в шелковых нитях гусениц появились частицы протеинового волокна пауков. Прочность этих нитей не уступает паутинным[177]. Параллельно ученые разрабатывают искусственный паутинный аппарат, воспроизводящий весь комплекс биохимических процессов создания паутинного шелка.
Человек, принципиально отвергающий генетические манипуляции с животными и растениями, может содрогнуться от мысли, что люди подобным образом вторгаются в эволюцию. Однако, по мнению многих ученых, между лабораторными экспериментами, которые также преследуют цель изменить свойства биологических организмов, и биогенетикой, которая напрямую осуществляет изменения в ДНК, нет четкой грани. Это касается даже опытов перепрограммирования отдельных сегментов, не говоря уже о встраивании в геном чужеродных генов. Человек вторгается в биологическую эволюцию не первый день. И критики биогенетических манипуляций должны считаться с тем, что мы несем ответственность не только за то, что делаем, но и за то, что не сделали, хотя могли бы. Учитывая потребность растущего населения Земли в ресурсах, нельзя скоропалительно отвечать на вопрос, какой выбор этически оправдан: использование биогенетических методов или отказ от них.
На новую ступень биотехнологию вывела синтетическая биология. Она занимается созданием новых организмов. Правда, создание сложного живого существа в лаборатории — пока еще научная фантастика. В данный момент ученые работают над пересадкой синтетически созданных генов в имеющееся живое существо, наделяя его таким образом новыми свойствами или способностями. Наука тем самым становится настоящим демиургом, создателем жизни. Она не только, как зеленая генная инженерия, изменяет сочетания уже имеющихся генов, но и создает новые формы жизни. Эти существа, как и все остальные, подвержены мутациям, но, как нас уверяют, «в них должна быть заложена определенная „сопротивляемость к мутациям“»[178]. Синтетическая биология находится пока в экспериментальной стадии. Пока не совсем ясны ее этические, общественные и политические последствия. Критики говорят об опасности биотерроризма, о праве на владение живыми организмами, некоторые отвергают отрасль полностью. В 2007 г. Евросоюз запустил проект SYNBIOSAFE (Safety and Ethical Aspects of Synthetic Biology), занимающийся вопросами, связанными с этическими аспектами и безопасностью синтетической биологии[179].
Искусственный фотосинтез
Утверждение, что на ограниченной планете не может быть неограниченного роста, стало почти общим местом. Но Земля ограничена лишь размерами. С термодинамической точки зрения она представляет собой открытую систему[180]. Источником всей земной жизни в конечном счете является постоянный приток энергии Солнца. Количества энергии, которое за 1 час поступает на Землю в виде солнечного света, достаточно для удовлетворения почти годовой потребности человечества. Солнечный свет — источник постоянного обновления органической жизни на планете. В начале всех биологических созидательных процессов стоит фотосинтез: преобразование солнечного света и воды в богатые энергией углеродные соединения. Фотосинтез состоит из двух этапов. Солнечный свет дает энергию для расщепления воды на составные элементы — кислород и водород. Затем из водорода и абсорбируемого из воздуха углекислого газа образуются сложные углеводородные соединения. Процесс имеет дневную и ночную фазы. Днем солнечный свет и вода преобразуются в богатые энергией химические соединения, ночью растения забирают из воздуха углекислый газ, создавая из него молекулы сахара. Благодаря фотосинтезу не только образуются питательные вещества для растений и микроорганизмов; одновременно воздух очищается от углекислого газа и обогащается кислородом. Так что без фотосинтеза жизнь человека на Земле невозможна.
Процесс фотосинтеза протекает не только в наземных растениях, но и в водорослях, бактериях и морских микробах. В 1 л морской воды живет примерно 100 млн таких одноклеточных. Это самый мелкий из известных организмов, освоивших процесс фотосинтеза. Из солнечного света, воды и углекислого газа они производят примерно четверть кислорода, которым мы дышим[181]. Эта гигантская солнечная электростанция, состоящая из живых организмов, ежегодно преобразует примерно 1350 ТВт солнечной энергии в биомассу. Человечеству же требуется примерно 16 ТВт энергии в год. Какой бы внушительной ни казалась эта цифра, по сравнению с потенциалом солнечного излучения она не так уж и велика. «Так что искусственный фотосинтез способен несколько ослабить нашу обеспокоенность по поводу энергии»[182]. В конечном счете ископаемые энергоносители тоже не что иное, как конденсированная солнечная энергия. За миллионы лет они образовались из растительных веществ.
Искусственный фотосинтез — собирательное понятие для целого ряда методов преобразования солнечной энергии в такие энергоносители, как метан, этанол и водород. В отличие от солнечного электричества они используются в химической промышленности как основное сырье, кроме того, их легко хранить. Метан можно транспортировать по газопроводам; для этанола можно использовать инфраструктуры, созданные для жидких видов топлива; энергетическая плотность водорода в три раза выше, чем у бензина. Его можно использовать либо как непосредственный источник энергии, либо преобразовывать в электричество при помощи топливных элементов. В этом направлении работает уже множество исследовательских проектов по всему миру. Соответствующая программа разработана в Великобритании, несколько японских групп проектируют солнечные батареи нового образца, Министерство энергетики США за 5 лет инвестировало в калифорнийский Центр искусственного фотосинтеза 122 млн долларов[183].
В Массачусетском технологическом институте группа исследователей под руководством Дэниэла Ночеры создала искусственный лист, который обладает способностью расщеплять воду на водород и кислород. Лист размером с игральную карту состоит из кремния; катализатором для ускорения фотохимического процесса служит фосфат кобальта. Расход электричества при электролизе очень невелик. Если нанести катализатор на оборотную сторону обычной солнечной батареи и поместить плоский модуль в сосуд с водой, то дополнительный источник электричества для выделения водорода не нужен. В дальнейшем Ночера намерен создать такую автономную систему, при помощи которой энергию, необходимую в домохозяйстве, можно было бы получать самостоятельно из солнечного света и нескольких литров воды. Эта технология представляет интерес прежде всего для сельской местности, где еще не все дома подключены к федеральной системе электроснабжения. До коммерческого использования открытия Ночеры пока далеко, но то же самое можно было сказать и о первых фотогальванических установках.
Бременская стартап-компания Sunfire разработала метод производства синтетического топлива из углекислого газа и воды. При помощи электролиза воду расщепляют на кислород и водород. Водород вступает в реакцию с CO2 и в несколько этапов преобразуется в бензин, дизель, керосин или метан. Углекислый газ поступает из воздуха через фильтр. При высокотемпературном паровом электролизе КПД процесса достигает 70 %. Эта часть использованной электроэнергии как тепловой эквивалент аккумулируется в топливе. Именно поэтому данный метод наиболее подходит для хранения избыточной ветровой и солнечной энергии. В 2010 г. была введена в строй первая опытная лабораторная установка, а уже к 2016 г. планируется ввести в строй первые допромышленные образцы. Особый интерес этот метод представляет для самолетостроения и грузового автомобильного транспорта, где из-за невысокой энергоемкости электробатарей невозможно использовать электромоторы