Текст книги "Время живых машин. Биологическая революция в технологиях"

К началу 1940-х гг. все внимание мирового сообщества сосредоточилось на Второй мировой войне. Необходимой наукой стала физика, а не биология. В военные годы Комптон чрезвычайно активно работал как ученый, администратор и публичная фигура. Он возглавлял американские исследования[30]30
  Национальная академия наук, Кабинет министра внутренних дел, “Биографические воспоминания” – Biographical Memoirs, vol. 61 (Washington, DC: National Academy Press, 1992).


[Закрыть] по созданию радаров, синтетической резины, систем управления огнем, изучению теплового излучения; он возглавлял зарубежные программы Управления научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD); он был научным советником генерала Макартура, а в 1945 г. вошел в число восьми советников, назначенных, чтобы следить за использованием атомной бомбы президентом Трумэном.

После окончания войны Комптон получил награды за все свои усилия в военное время. В 1946 г. Министерство обороны вручило ему самую высокую награду для гражданского лица – медаль “За заслуги”, за работу, способствовавшую “скорейшему прекращению военных действий”. На следующий год Национальная академия наук вручила Комптону медаль Марцеллуса Гартли за “огромные заслуги в применении научных достижений на благо общества”.

Эти две награды, как и многие другие, указывают на одну и ту же особенность в достижениях Комптона. Соединив физику и инженерное дело и обеспечив поддержку революции, которую принес этот союз, он помог не только закончить войну, но и начать новую эпоху американского процветания и возможностей. Инициативы Комптона дали нам потрясающий набор новых инструментов и технологий – не просто радио, телефоны, самолеты, телевизоры, радары и компьютеры, но и ядерную энергию, лазеры, магнитно-резонансную и компьютерную томографию (МРТ и КТ), ракеты, спутники, систему глобального позиционирования (GPS), интернет и смартфоны. Эти приборы и технологии так изменили наш мир, что мы и представить не можем без них свою жизнь.

Новые цифровые продукты и цифровая экономика[31]31
  Управление денежными и сырьевыми ресурсами, товарами и услугами компании электронным способом через интернет. – Прим. пер.


[Закрыть] способны и дальше его изменять. Дав жизнь Большим данным, интернету вещей[32]32
  Вычислительная сеть физических объектов / “вещей”, оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней цифровой средой. – Прим. пер.


[Закрыть] и промышленному интернету, они создали возможность новых бизнес-моделей в розничной торговле (вспомните Amazon), гостиничном бизнесе (Airbnb) и транспорте (Lyft, Uber). Революция продолжается полным ходом, и, если бы Комптон все еще был с нами, он, безусловно, с восхищением бы наблюдал за ее плодами[33]33
  Janelle R. Thompson et al., “Genotypic Diversity within a Natural Coastal Bacterioplankton Population,” Science 307, no. 5713 (2005): 1311–13, http://doi.org/10.1126/science.1106028; Dikla Man-Aharonovich et al., “Diversity of Active Marine Picoeukaryotes in the Eastern Mediterranean Sea Unveiled Using Photosystem-II psbA Transcripts,” ISME Journal 4, no. 8 (2010):1044–52, http://doi.org/10.1038/ismej.2010.25.


[Закрыть].

Но, конечно, с не меньшим восхищением он бы узнал и о том, что другая революция, которую он начал, – слияние биологии и инженерного дела, – наконец началась.

■ ■ ■

Поступив на работу в МТИ, я с радостью узнала, как далеко продвинулись многие преподаватели по этой новой дороге. Инженеры института начали удивительными способами применять в своей работе биологические инструменты. Мартин Польц, инженер-эколог, использовал вычислительную геномику, чтобы найти популяцию планктона, поглощающую наибольшее количество оксида углерода из Мирового океана. Кристала Джонс Пратер, инженер-химик[34]34
  Kristala Jones Prather et al., “Industrial Scale Production of Plasmid DNA for Vaccine and Gene Therapy: Plasmid Design, Production, and Purification,” Enzyme and Microbial Technology 33, no. 7 (2003): 865–83, http://doi.org/10.1016/S0141-0229(03)00205-9; Kristala L. Jones Prather and Collin H. Martin, “De Novo Biosynthetic Pathways: Rational Design of Microbial Chemical Factories,” Current Opinion in Biotechnology 19, no. 5 (2008): 468–74, http://doi.org/10.1016/j.copbio.2008.07.009; Micah J. Sheppard, Aditya M. Kunjapur, and Kristala L. J. Prather, “Modular and Selective Biosynthesis of Gasoline-Range Alkanes,” Metabolic Engineering 33 (2016): 28–40, http://doi.org/10.1016/j.ymben.2015.10.010.


[Закрыть], использовала микроорганизмы для создания новых веществ, например транспортного топлива и лекарств. Скотт Маналис, физик, ставший инженером-биологом[35]35
  Thomas P. Burg et al., “Weighing of Biomolecules, Single Cells and Single Nanoparticles in Fluid,” Nature 446, no. 7139 (2007): 1066–69, http://doi.org/10.1038/nature05741; Nathan Cermak et al., “High-Throughput Measurement of Single-Cell Growth Rates Using Serial Microfluidic Mass Sensor Arrays,” Nature Biotechnology 34, no. 10 (2016): 1052–59, http://doi.org/10.1038/nbt.3666; Arif E. Cetin et al., “Determining Therapeutic Susceptibility in Multiple Myeloma by Single-Cell Mass Accumulation,” Nature Communications 8, no. 1 (2017), http://doi.org/10.1038/s41467-017-01593-2.


[Закрыть], внедрил высокочувствительный метод измерения, который разработал для того, чтобы взвешивать отдельные клетки и отслеживать их рост. А вдохновил их всех профессор института Роберт Лангер, который считается самым плодовитым биоинженером в мире[36]36
  Hannah Seligson, “Hatching Ideas, and Companies, by the Dozens at M.I.T.,” New York Times, November 24, 2012, http://www.nytimes.com/2012/11/25/business/mit-lab-hatches-ideas-and-companies-by-the-dozens.html; Joel Brown, “MIT Scientist Robert Langer Talks about the Future of Research,” Boston Globe, May 8, 2015, http://www.bostonglobe.com/magazine/2015/05/08/mit-scientist-robert-langer-talks-about-future-research/I0ggn93cxapR8omjcrM1hI/story.htm.


[Закрыть], получившим более 1000 патентов, как действующих, так и ожидающих решения, и являющимся основателем более 25 компаний.

Чем больше я узнавала о невероятных проектах в том новом “королевстве” – не только в МТИ, но и в лабораториях по всему миру, – тем больше убеждалась, что соединение биологии и инженерного дела может изменить мир. Поэтому я сделала это слияние одной из главных задач своего пребывания на посту президента, создавая ресурсы и места, чтобы она реализовалась в жизнь так быстро, как только возможно.

Это принесло свои плоды. Преподаватели факультета биологии, в состав которого входил Центр исследования рака, один из самых известных в стране, занимающийся фундаментальными биологическими исследованиями, объединились со своими коллегами-инженерами и основали на базе МТИ Институт интегративных исследований рака имени Дэвида Кока. Эта организация представляет собой потрясающее соединение инженеров, врачей и биологов, работающих вместе с 2007 г., чтобы по-новому понимать, диагностировать и лечить рак и другие заболевания. Из Института Кока вышли десятки компаний, многие из которых производят биоинженерные продукты, проходящие в данный момент клинические исследования: наночастицы, внедряющиеся в раковые клетки, чтобы доставлять химиотерапевтический препарат непосредственно в те места, где он необходим; технологии формирования изображений, позволяющие хирургу более точно определить и удалить раковые клетки; стратегии определения возбудителей инфекционных заболеваний, которые будут намного эффективнее, чем современные методы, так что своевременное назначение необходимого лекарства сможет спасти бессчетное количество жизней. Подобным же образом мы начали в институте Энергетическую инициативу, ускоряющую разработку новых технологий, связанных с энергией. Во многих из них используются биологические компоненты. За свои первые 10 лет Энергетическая инициатива породила около 60 компаний, которые разрабатывают новые аккумуляторы, новые солнечные батареи и новые системы управления производством и передачей энергии.

За всю свою карьеру и особенно за годы работы в МТИ мне посчастливилось встретиться со множеством первооткрывателей в этой находящейся на стадии становления отрасли науки, и я видела, как новые открытия, сделанные в лабораториях, превращаются в продукты на рынке, воплощая идеи в действие. В следующих главах я покажу, как все это произошло, познакомлю с ключевыми фигурами и расскажу о некоторых из способов, которыми эти ученые надеются использовать инструментарий и технологии, разрабатываемые ими, чтобы решить масштабные гуманитарные, медицинские и экологические проблемы нашего времени.

Работа, которую они делают, – научная история этого века. Я в этом нисколько не сомневаюсь. Столетие назад физики и инженеры полностью изменили наш мир, а теперь биологи и инженеры так же глубоко изменят наше будущее. Эта книга является предисловием к зарождающемуся будущему, так что вы тоже можете насладиться зрелищем того, как оно наступает.

В книге я организовала деление по главам так, чтобы шаг за шагом провести вас от базовых до более сложных биологических понятий. Новый мир основанных на биологии технологий вырос из одной из самых значительных научных революций. Короче говоря, в 1950 г. мы не знали о физической структуре гена и о том, как он влияет на индивидуальные черты. Мы не знали о причине неконтролируемого деления раковых клеток и о том, что определяет цвет кукурузных зерен. Но теперь мы знаем.

В главе 2 я расскажу о нуклеиновых кислотах ДНК и РНК, которые выполняют функцию биологических информационных систем. Нуклеиновые кислоты управляют всей совокупностью биологических структур и обеспечивают точную передачу признаков от одного поколения к другому. Нуклеиновыми кислотами можно манипулировать, и эта глава описывает, как нуклеиновые кислоты вирусов могут быть использованы для производства аккумуляторов следующего поколения. ДНК и РНК несут в себе ряд инструкций по сборке белков – мини-машин, отвечающих за многие биологические функции. Глава 3 рассказывает историю открытия одного из таких белков под названием аквапорин, который является чрезвычайно избирательным каналом, пропускающим молекулы воды, позволяя ей поступать в клетку и покидать ее (в клетках бактерий, животных и растений). Сейчас этот белок применяется в коммерческих водяных фильтрах.

Технологии, описанные в главе 4, представляют одну из самых быстро развивающихся областей медицины, а именно молекулярную медицину. В ее основе лежит положение о том, что болезнь создает соответствующие отклонения в нормальных молекулярных процессах внутри наших клеток. Новая, высокочувствительная техника, которая распознает эти отклонения, делает раннюю диагностику заболеваний более надежной и дешевой.

Сложные биологические функции человека, такие как дыхание, пищеварение и слух, осуществляются с помощью тканей, состоящих из нескольких видов клеток, собранных вместе. Головной мозг – самая сложная ткань в организме. В главе 5 описывается, как мозг посылает сообщения по нервам, чтобы двигать конечностями, и как новые технологии могут восстановить ампутированные руки и ноги и помочь жертвам заболеваний мозга вернуть возможность пользоваться частями своего тела.

Глава 6 возвращает нас к сумме всех частей. Для каждого живого организма совокупность генов и экспрессия белка выражается в физических особенностях и называется фенотипом. По крайней мере последние 10 000 лет человечество отбирало и разводило животных и растения, оценивая их фенотипы. В этой главе описываются новые технические средства, которые ускоряют основанный на фенотипе отбор, что даст возможность отбирать зерновые с более высокой всхожестью и устойчивостью, чтобы прокормить растущее население планеты.

Из технологий, которые я описала в этой книге, каждая по-своему является продуктом революционного союза биологии и инженерного дела, происходящего буквально на наших глазах. Если я успешно сумею описать эти новые явления, которые обвенчали инженерное дело с биологией, вы увидите, что у вирусов, создающих аккумуляторы, много общего с белками, очищающими воду, и другими описанными в книге технологиями: они пользуются преимуществами обеих отраслей. И я надеюсь, что вы начнете видеть за линией горизонта эту общую характерную особенность многих технических решений.

Мы должны делать все, что можем, чтобы обеспечить это слияние и принести стирающие барьеры технологии в нашу жизнь, причем делать это надо быстро. В конце, в последней главе, я расскажу о нескольких стратегиях того, как мы можем действовать настолько быстро и эффективно, насколько это вообще возможно.

Глава
2
Может ли биология улучшить аккумулятор?

Когда в 1999 г. Анджела Белчер подала документы на получение своего первого гранта, один из рецензентов назвал ее проект “безумным”. Белчер только что приступила к работе в качестве профессора химии в Техасском университете в Остине, и для того, чтобы начать исследования, ей нужен был грант. То, что предлагала Анджела, казалось настоящим сумасшествием: она хотела сконструировать вирусы, которые можно было бы использовать, чтобы “вырастить” электрические цепи, а в конце концов и аккумуляторные батареи. Белчер предполагала, что выращенные вирусами аккумуляторы станут заряжаться быстрее, чем те, которые мы используем сегодня, не будут оставлять после себя практически никакого токсичного мусора и отчасти окажутся биоразлагаемыми. Ее предложение, по сути, давало чистый, дешевый и естественный способ сделать возобновляемую энергию практической альтернативой горючим ископаемым. Белчер чувствовала, что эта идея может изменить весь мир.

То, что ее мысль была отвергнута как сумасшедшая, уязвило Белчер до глубины души. “Когда я читала рецензию, – рассказывала она мне не так давно, – я плакала и плакала”. Анджела была огорчена, но не сдалась, и список ее достижений по прошествии времени скорее показывает безумным того рецензента. В 2000 г. она доказала жизнеспособность своей неординарной идеи[37]37
  Sandra R. Whaley et al., “Selection of Peptides with Semiconductor Binding Specificity for Directed Nanocrystal Assembly,” Nature 405, no. 6787 (2000): 665–68, http://doi.org/10.1038/35015043.


[Закрыть] и опубликовала ее в Nature – одном из самых престижных научных журналов в мире. Это была первая опубликованная статья Белчер как независимого исследователя. В 2001 г., разглядев ее потенциал, Массачусетский технологический институт принял Анджелу на работу; в 2002 г. Technology Review включил Белчер в список 100 лучших изобретателей мира моложе 35 лет[38]38
  “Innovators Under 35 2002: Angela Belcher,” MIT Technology Review, 2002, http://www2.technologyreview.com/tr35/profile.aspx?trid=229.


[Закрыть]; в 2004 г. она получила “грант для гениев”[39]39
  “MacArthur Fellows Program: Angela Belcher,” 2004, http://www.macfound.org/fellows/727/.


[Закрыть] Фонда Макартуров[40]40
  Награда, которая ежегодно предоставляется Фондом Джона и Кэтрин Макартуров гражданам или резидентам США, обычно от 20 до 40 лет, работающим в любой отрасли и “демонстрирующим исключительные достижения и потенциал для долгой и плодотворной творческой работы”. Иногда награду называют “грантом для гениев”. – Прим. пер.


[Закрыть], а в 2006 г. Scientific American назвал ее “Лучшим исследователем года”[41]41
  J. R. Minkel, “Scientific American 50: Research Leader of the Year,” Scientific American, November 12, 2006, http://www.scientificamerican.com/article/scientific-american-50-re/.


[Закрыть]. Сегодня Белчер является профессором энергетики в МТИ, где помимо других обязанностей руководит группой исследователей биомолекулярных материалов и является активным членом Энергетической инициативы, возглавляя команду, разрабатывающую новые способы аккумулирования электроэнергии. Также она основала несколько стартапов, чтобы превратить полученные в лаборатории результаты в рыночные продукты.

Я познакомилась с Энджи Белчер в начале своего пребывания на посту президента МТИ. В тот период мне предстояло быстро вникнуть в новую работу. Мне нужно было понять, как МТИ поддерживает развитие нестандартных идей и как эти идеи с потрясающей быстротой выходят на рынок.

Чтобы узнать как можно больше в сжатые сроки, я приглашала маленькие группы недавно получивших постоянную должность преподавателей на завтраки. Чтобы быть зачисленными в штат МТИ, преподаватели должны были достичь чего-то, чего ранее никто не добивался, и я была уверена, что те, кого я приглашаю на завтрак, смогут описать магическое соединение ресурсов, людей и духа, которое позволило каждому из них одержать победу. Что сделало МТИ особенным для них и как мы можем сделать его еще лучше? К каким еще захватывающим новым рубежам они стремятся?

Среди изобилия закусок – кофе, яиц и выпечки – я просила рассказать, что им больше всего нравится в МТИ и что больше всего будоражит их в исследованиях и преподавании. Когда беседа всех захватывала, участники начинали рассказывать свою историю, и каждая оказывалась еще более потрясающей, чем предыдущая. Я видела себя в будущем, которого раньше и не могла представить. Они говорили о том, как квантовая вычислительная техника переходит от теории к практике, как наночастицы, доставляющие лекарства в ткани, создаются слой за слоем словно крошечные вечные леденцы с шоколадной фабрики Вилли Вонки, и о десятках других гениальных открытий и изобретений. Слушая их, я сделала удивительное наблюдение: если бы мне нужно было по их рассказам установить, к какому отделению или факультету относятся преподаватели, это могло стать трудной задачей. Их исследования, не спрашивая разрешения и не делая громких заявлений, размывали границы между дисциплинами, и я поняла, что именно эта гибкость является критически важной для того, чтобы новые идеи быстро попали из лаборатории на рынок.

Многие из молодых преподавателей балансировали на стыке совершенно несопоставимых дисциплин. Среди них была и Белчер, которую я сразу определила как живой пример соединения наук. Помимо своей работы с группой, занимающейся биомолекулярными материалами и Энергетической инициативой МТИ, она принимала участие в деятельности отделения материаловедения и инженерного дела, отделения биоинженерии и Института интегративных исследований рака имени Дэвида Кока. Однажды Анджела сказала мне, что пытается свести вместе биологию и инженерное дело, чтобы создать новое поколение электронных приборов, и у меня глаза расширились от удивления. Белчер объяснила, что в будущем получение, распределение и сохранение энергии могут выглядеть совсем по-другому по сравнению с тем, как мы это делаем сейчас.

Впервые идея о новом поколении биологически созданных электронных приспособлений пришла ей в голову в 1990-е гг., когда Анджела занималась исследованиями перед получением степени PhD по химии в Университете Калифорнии в Санта-Барбаре. Ее всегда завораживала способность природы находить решения в ответ на трудности и возможности, даваемые окружающей средой. Во время постдипломного обучения Анджела была просто одержима галиотисами[42]42
  Галиотисы (лат. Haliotis) также известны как абалоны (англ. Abalone), или морские ушки. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] – крупными морскими моллюсками, которые обитают вдоль берегов Тихого океана, – и тем, как они делают свои раковины. Этот процесс, как выяснилось, включает в себя принципы биоинженерии, подтолкнувшие Белчер к мысли о самых различных практических применениях, в том числе и об аккумуляторах.

С точки зрения эволюции галиотисы решили очень сложную проблему: как создать легкую, но очень прочную раковину, используя только простые, широко доступные компоненты. Они выработали остроумное и элегантное решение. Во-первых, соединить кальций (Ca) и карбонат (СО₃) – материалы, широко распространенные в океане, чтобы получился карбонат кальция (CaCO₃) – имеющийся в изобилии минерал, кусочками которого мы обычно пишем по классной доске. Сам по себе мел – мягкий материал, который легко крошится, но галиотисы справляются с этой проблемой с помощью двухэтапного “процесса производства”. Для начала молекулы CaCO₃ размещаются[43]43
  A. M. Belcher et al., “Control of Crystal Phase Switching and Orientation by Soluble Mollusc-Shell Proteins,” Nature 381, no. 56–58 (May 1996), http://doi.org/10.1038/381056a0.


[Закрыть] в определенном порядке, формируя маленькие кристаллы. Эти кристаллы гораздо прочнее мела, но имеют всего 1/3000 прочности раковины галиотиса[44]44
  Bettye L. Smith et al., “Molecular Mechanistic Origin of the Toughness of Natural Adhesives, Fibers and Composites,” Nature 399, no. 6738 (1999): 761–63, http://doi.org/10.1038/21607.


[Закрыть]. “Крепость стали” придается им с помощью процесса, который помогла открыть Белчер во время своих исследований в аспирантуре: создаются маленькие нити белка, размещенные между кристаллами. Таким образом, получается что-то вроде клейкой сетки, работающей в некотором роде как раствор, удерживающий вместе “кирпичи в стене”. Но, в отличие от раствора, материал, скрепляющий раковину галиотиса, является в какой-то мере эластичным, поэтому структура растягивается и не ломается. Прочное, но растяжимое кружево белковых нитей переплетается с кристаллами карбоната кальция, придавая раковине галиотиса необыкновенную динамическую прочность. Раковины защищают галиотисов, пока они живы, а после их смерти разрушаются, пополняя ресурсы для следующего поколения моллюсков, и все это не загрязняет окружающую среду никакими токсичными отходами.

В кабинете Белчер целая коллекция раковин галиотисов, и каждый раз, заглядывая к ней, я просто глаз не могла от них оторвать. Они очень красивые. Вместе они напоминают набор разобранных матрешек: от очаровательных малышек, имеющих размер не больше ногтя моего большого пальца, до раковин больше открытой ладони – им, возможно, более 10 лет. Однажды, когда мы говорили о биологических процессах, в результате которых великолепные материалы получаются из самых обыкновенных элементов, я не смогла устоять, взяла одну из самых больших раковин размером с детскую бейсбольную перчатку и провела пальцами по гладкой внутренней поверхности. Когда я поднесла ее к свету, она засверкала всеми цветами радуги.

Галиотис может прожить до 50 лет. Независимо от размера каждая раковина имеет одну и ту же форму, цвет и текстуру: шершавую снаружи и глянцевую, перламутровую изнутри. Каждая украшена изящной аркой из находящихся на равном расстоянии друг от друга отверстий, через которые животное “дышит”. Это шедевр биоинженерии, и, начав изучать формирование раковины, Белчер задалась вопросом: если ДНК галиотиса содержит код, позволяющий белкам так эффективно собирать морские элементы, чтобы создавать ракушки, то, возможно, мы сможем отдавать приказы ДНК других организмов, чтобы собирать другие элементы и выполнять другую работу. Если это так, то не получится ли, как она предлагала в своей первой заявке на грант, заставить вирусы собирать элементы, использующиеся в полупроводниках, такие как арсенид галлия и кремний, и создавать электронные компоненты? И если это можно сделать, какие более масштабные задачи реально было бы решить с помощью вирусов? Могла бы Белчер использовать их, чтобы организовать компоненты аккумулятора? Ее инженерный ум работал все активнее, обдумывая различные способы применения. “Если галиотисы могли миллионы лет создавать все эти раковины, не выделяя токсичных веществ, – так рассказывала мне Анджела о своем моменте озарения, – почему бы людям не делать все, что им нужно, не загрязняя окружающую среду?”

В детстве Белчер любила скалы, растения и животных родного Техаса, а потом, во время учебы в колледже в Санта-Барбаре, штат Калифорния, полюбила и берега Тихого океана. Как химик и специалист по материаловедению она находила бесконечно прекрасным и таинственным все то разнообразие форм и размеров, в которые природа облекает имеющиеся у нее в распоряжении вещества. На полках в ее кабинете лежали раковины, кристаллы и окаменелости, причем у каждого из них была история, которую она в волнении мне рассказывала. Однажды, сжимая в одной руке красивый кристалл, а в другой – ничем не выделяющийся кусок белого камня, Анджела воскликнула: “Эти блестящие бирюзовые кристаллы[45]45
  Stanislas Von Euw et al., “Biological Control of Aragonite Formation in Stony Corals,” Science 356, no. 6341 (2017): 933–38, http://doi.org/10.1126/science.aam6371.


[Закрыть] имеют тот же состав, что и кусок арагонита!” Она не переставала восхищаться тем, что природа может сделать, и одновременно думала, как улучшить наш общий дом для следующего поколения.

Мы с вами, возможно, не проводим много времени в размышлениях о том, насколько упорядочены молекулы в веществах, которые нас окружают, и как они организованы в тех предметах, которыми мы пользуемся каждый день. Но Энджи Белчер об этом думает. Ее дипломная работа дала ей понять значимость того, из чего материалы состоят, и того, как они организованы. Анджела доказала, что раковина галиотиса состоит из карбоната кальция, связанного вместе минимальным количеством раствора, который моллюск изготавливает из особого белка. Разработка новых аккумуляторов опирается на то, чтобы найти оптимальные материалы и организовать их в наилучшем порядке. Но совершенствование состава и организация материала требуют достаточно изысканного инженерного мастерства. Именно это и пришло Белчер в голову в момент озарения, подтолкнувшего к подаче заявки на грант. Вместо того чтобы целиком положиться на человеческий разум, который мог бы изменить компоненты батарей, исследовательница начала задаваться вопросом, не сможет ли она создать аккумулятор получше, доверив вирусам организацию материала для нас.

■ ■ ■

Чтобы понять, что Энджи Белчер придумала, пытаясь решить проблему энергии, а вернее, если говорить более точно, ее накопления, нам следует подумать о топливно-энергетическом комплексе. Как растут наши потребности в использовании энергии и почему важно, из каких источников она будет поступать в следующие десятилетия?

Наши предки фактически создали топливно-энергетический комплекс в тот момент, когда впервые научились контролировать огонь. Кости и пепел растений[46]46
  F. Berna et al., “Microstratigraphic Evidence of in Situ Fire in the Acheulean Strata of Wonderwerk Cave, Northern Cape Province, South Africa,” Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 20 (2012): 1215–20, http://doi.org/10.1073/pnas.1117620109.


[Закрыть], обнаруженные в пещерах Южной Африки, показывают, что Homo erectus, одни из первых непосредственных предков человека, разводили костры примерно 1 млн лет назад. Наши более близкие предки, неандертальцы, использовали огонь около 400 000 лет назад[47]47
  W. Roebroeks and P. Villa, “On the Earliest Evidence for Habitual Use of Fire in Europe,” Proceedings of the National Academy of Sciences 108, no. 13 (2011): 5209–14, http://doi.org/10.1073/pnas.1018116108.


[Закрыть], и археологические находки из пещеры Пеш-де-л’Азе[48]48
  Peter J. Heyes et al., “Selection and Use of Manganese Dioxide by Neanderthals,” Scientific Reports 6 (2016), http://doi.org/10.1038/srep22159.


[Закрыть] на юго-западе Франции позволяют предположить, что их жители могли разжигать костры по своему желанию по крайней мере 50 000 лет назад. Первые люди сжигали траву, ветки кустов и деревьев для того, чтобы получать тепло, свет и готовить еду. С тех пор мы продолжаем полагаться на природу, чтобы получать и сохранять энергию, которую потребляем. И к счастью для нас, природа выполняет эту работу исключительно хорошо.

Растения – великолепные накопители энергии. Они сохраняют ее с помощью фотосинтеза – химического процесса, при котором используется энергия света, чтобы соединять углекислый газ с водой. Вода и углекислый газ (СО₂) – широко распространенные, первичные материалы, и их сочетание лежит в основе большинства естественных материалов на Земле. Все, что нужно, чтобы создавать более сложные структуры, начиная от листьев, цветов и веток деревьев и до костей, кожи и мускулов, – это достаточное количество энергии для того, чтобы образовались новые химические связи между молекулами воды и СО₂. Фотосинтез превращает энергию света в химические связи строительных блоков, основанных на углероде. Каждая химическая связь – это энергия в ожидании: создание связи требует энергии, а разрыв связи высвобождает энергию. В случае с фотосинтезом фотоны из солнечного света обеспечивают источник энергии[49]49
  Albert Einstein, “Uber Einen Die Erzeugung Und Verwandlung Des Lichtes Betreffenden Heuristischen Gesichtspunkt,” Annalen der Physik (Leipzig) 1905, http://doi.org/10.1002/pmic.201000799; A. B. Arons and M. B. Peppard, “Einstein’s Proposal of the Photon Concept – A Translation of the Annalen der Physik Paper of 1905,” American Journal of Physics 33, no. 5 (1964): 367–74.


[Закрыть], чтобы создать химические связи, а разрушение этих связей (в огне, к примеру) высвобождает энергию. Сжигание дров – это, в сущности, процесс фотосинтеза наоборот, разрывающий химические связи, чтобы высвободить запасенную солнечную энергию в виде тепла и света. Как мы вскоре увидим в случае с батарейками, запасенная химическая энергия также может быть высвобождена в форме электронов.

Тысячелетия люди полагались на дерево, чтобы удовлетворить свою нужду в энергии. Но в последние века наши потребности все больше возрастали. В начале XIX в. основным источником энергии в США было дерево[50]50
  Управление по энергетической информации, отдел энергетических рынков и конечных пользователей энергии, “Ежегодный отчет об энергоресурсах, 2006” (Annual Energy Review 2006), 2007, http://doi.org/DOE/EIA-0384(2006).


[Закрыть], и американцы потребляли 0,4 квадрлн (10¹⁵) британских тепловых единиц (БТЕ)[51]51
  0,252 ккал. – Прим. пер.


[Закрыть] в год. (Одна БТЕ – это количество тепла, требующееся, чтобы повысить температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта.) В 2016 г. общее энергопотребление США[52]52
  Управление по энергетической информации США, “U.S. Energy Facts Explained.” Последнее изменение – май 19, 2017, http://www.eia.gov/energyexplained/?page=us_energy_home.


[Закрыть] составляло 97 квадрлн БТЕ, то есть оно выросло более чем в 250 раз по сравнению с началом XIX в. Это означает, что средний американец сегодня потребляет примерно в четыре раза больше энергии, чем в 1800 г. Чтобы отвечать потребностям растущего населения, которое использует все больше энергии, и найти более удобные способы транспортировки запасенной энергии, мы перешли на горючие ископаемые: наполненные энергией месторождения нефти, газа и угля, возникшие в результате долговременного сжатия мертвых деревьев, растений и других органических веществ древних лесов, окаменелые растительные остатки органического происхождения.

Ископаемое топливо – уголь, газ и нефть – имеют бóльшую плотность энергии, чем ветки и стволы, поэтому для производства того же количества энергии их нужно гораздо меньше. Большая плотность энергии позволяет легче и дешевле перемещать их. Но тут мы сталкиваемся с проблемой: сжигание основанных на углероде материалов – бревен, угля, газа – высвобождает запасенную энергию не только в форме тепла и света, но также и СО₂, захваченного растениями во время фотосинтеза. Возможно, трудно представить, что кажущаяся такой огромной атмосфера Земли не может поглотить весь СО₂, который мы производим, сжигая углеводородные энергоресурсы, но она действительно не может. Хотя за всю историю Земли уровень СО₂ поднимался и падал, эти изменения всегда протекали постепенно. Сегодня происходит нечто совсем иное: беспрецедентно быстрое возвращение огромного количества СО₂ в атмосферу.

После долгого периода относительной стабильности[53]53
  J. R. Petit et al., “Climate and Atmospheric History of the Past 420,000 Years from the Vostok Ice Core, Antartica,” Nature 399, no. 6735 (1999): 429–36, https://doi.org/10.1038/20859; NASA Global Climate Change: Vital Signs of the Planet, “Graphic: The Relentless Rise of Carbon Dioxide.” Last modified November 15, 2018, https://climate.nasa.gov/climate_resources/24/graphic-the-relentless-rise-of-carbon-dioxide/.


[Закрыть] содержание в атмосфере углекислого газа (измеряемого в миллионных долях [млн-1]) значительно возрастает начиная с 1800 г.

Всего за пару веков население земного шара выбросило в атмосферу такое количество СО₂, на накопление которого ушли миллионы лет. Согласно некоторым оценкам, каждый галлон[54]54
  Имеется в виду американский галлон, равный 3,78541 л. Английский (британский) галлон составляет 4,54609 л. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] (3,8 л) бензина – это продукт, полученный из 100 т растительного материала[55]55
  Jeffrey S. Dukes, “Burning Buried Sunshine: Human Consumption of Ancient Solar Energy,” Climatic Change 61, no. 1–2 (2003): 31–44, http://doi.org/10.1023/A:1026391317686.


[Закрыть]. Повышение в атмосфере уровня СО₂, высвобождаемого из-за интенсивного сжигания горючих ископаемых, значительно изменило динамику климата и океаны планеты, что, с большой вероятностью, будет иметь ужасные последствия как для Земли, так и для человека.

Сжигание горючих ископаемых загрязняет атмосферу и другими способами. Обычный уголь, который используется для отопления или получения электроэнергии, при сжигании выделяет в воздух вещества, которые в нем находились, такие как ртуть, сера и взвешенные частицы (сажу), угрожающие здоровью людей. Это имеет серьезные и поддающиеся количественной оценке последствия. Тогда как я понимала вред сжигания угля чисто теоретически, Майкл Гринстоун, один из экономистов в области энергетики Энергетической инициативы МТИ в годы моего президентства, представил мне его воочию. Гринстоун рассказал о работе, связанной с Китаем, которую он вместе с коллегами проделал, скрупулезно изучая информацию о состоянии здоровья людей. Между 1950 и 1980 гг. Китайский совет по энергетической политике[56]56
  Yuyu Chen et al., “Evidence on the Impact of Sustained Exposure to Air Pollution on Life Expectancy from China’s Huai River Policy,” Proceedings of the National Academy of Sciences 110, no. 32 (2013): 12936–41, http://doi.org/10.1073/pnas.1300018110/-/DCSupplemental.www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1300018110.


[Закрыть] предоставлял бесплатный уголь для отопления гражданам, проживающим к северу от реки Хуанхэ. Как обнаружили ученые, у людей в отапливаемых углем поселениях продолжительность жизни была на 5,5 года меньше, чем у тех, кому правительство не предоставляло угля, – огромная разница, которую почти целиком можно объяснить смертью от сердечно-легочных заболеваний, возникающих из-за воздействия находящихся в воздухе взвешенных частиц, остающихся после сжигания угля.

Если сегодняшние проблемы из-за переработки горючих материалов недостаточно пугают, то нельзя забывать, что они могут и усугубиться. По всей видимости, к 2050 г. мировая потребность в горючих ископаемых[57]57
  D. Larcher and J. M. Tarascon, “Towards Greener and More Sustainable Batteries for Electrical Energy Storage,” Nature Chemistry 7, no. 1 (2015): 19–29, http://doi.org/10.1038/nchem.2085.


[Закрыть] удвоится по двум причинам. Во-первых, население планеты идет к тому, чтобы за следующие 30 лет увеличиться с сегодняшних 7,6 млрд человек[58]58
  Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН, демографический отдел “Перспективы мировой урбанизации, редакция 2018 г.”, 2018, http://population.un.org/wup/DataQuery.


[Закрыть] до более чем 9,5 млрд. Во-вторых, если все будет хорошо, на что мы смеем надеяться, все бóльшая часть мирового населения будет богатеть; таким образом, все большее количество людей получит доступ к интенсивному с точки зрения энергоснабжения образу жизни, которым сейчас наслаждаются живущие в развитых странах. Сегодня каждый американский потребитель в среднем[59]59
  Группа Всемирного банка “Потребление электроэнергии (киловатт-час на душу населения)”. Последнее изменение – 2014, http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC?locations=US.


[Закрыть] использует более 13 000 кВт/ч ежегодно, в то время как в Бангладеш[60]60
  Группа Всемирного банка “Потребление электроэнергии (киловатт-час на душу населения)”. Последнее изменение – 2014, http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC?locations=INPK-BD-LK-NP-AF.


[Закрыть] это число составляет всего 300 кВт/ч за год. Что произойдет, если больше людей начнут потреблять электроэнергию в огромных количествах? Является ли загрязнение и все его опасные последствия необходимым злом? Или ученые и инженеры смогут изобрести и внедрить новые способы решения этой проблемы?

Мир в высшей степени богат альтернативными источниками энергии. Это и солнечное тепло, и освежающее дуновение летнего бриза, и сила рек и водопадов, и мощь океанского прилива. Я мечтаю увидеть тот день, когда эти альтернативные источники энергии смогут соответствовать всем нашим нуждам. Помню, как однажды мы с отцом отправились в идиллическое плавание под парусом, и я зубоскалила над подвесным мотором, который папа установил на корму нашей лодки, как это только может делать пурист подросткового возраста. Тем не менее мое мнение быстро изменилось, когда свежий утренний бриз стих, оставив нас вдали от берега. Столкнувшись с перспективой провести целый день (а то и ночь) в открытом море, я неожиданно обрадовалась тому, что можно поджечь топливо (какое бы оно ни было) и вернуться на берег. Тут уж я об окружающей среде и не подумала. В подобных случаях мы часто полагаемся на горючие ископаемые, когда они требуются нам в повседневной жизни, чтобы отапливать дома, перевозить нас и все товары, которые нам нужны, по всему миру, чтобы дать питание на электросеть. И большинство из нас даже представить себе не может, как от них отказаться.

В последние десятилетия мы разработали великолепные новые технологии, превращающие силу солнца и ветра в электрическую энергию. Эти технологии постоянно становятся лучше и дешевле. Но есть один подвох: хотя мы научились собирать и преобразовывать эту энергию, мы не слишком хорошо умеем сохранять ее для дальнейшего использования. Яркое солнце пустыни дает более чем достаточно энергии, чтобы согреть нас в холодные вечера, а ветра, яростно дующие во время урагана, могли бы обеспечить электричеством во время затишья, но мы пока не понимаем, как эффективно и дешево сохранять эту энергию. Прерывистая генерация энергии – одна из самых трудных задач, поджидающих нас при попытке заставить альтернативные источники энергии работать на практике. Если ученые и инженеры смогут разработать аккумуляторы, позволяющие нам справиться с этой проблемой, сопряженной с солнцем, ветром и другими альтернативными источниками, то мы сможем использовать эту чудесную, экологически чистую и широко распространенную энергию для всех наших нужд.