Время живых машин

Вся эта работа в конце концов позволила Белчер создать библиотеку вариантов вируса М13, измененных особым образом. Каждый из них мог связываться с одним или двумя материалами, полезными при создании батарей. Некоторые модификации вступали в специфические взаимодействия с такими веществами, как золото; другие – в неспецифические отношения с ионизированными материалами, так что могли взаимодействовать с заряженными частицами, такими как частицы оксида кобальта и фосфата железа. Некоторые прикреплялись к углеродным нанотрубкам, чтобы ускорить движение электронов. Были и варианты с двумя генами, пригодными для создания супервируса М13. С помощью этих новых инструментов лаборатория Белчер начала производить основанные на вирусах электроды для батарей [81] [Ki Tae Nam et al., “Genetically Driven Assembly of Nanorings Based on the M13 Virus,” Nano Letters 4, no. 1 (2004): 23–27; Yu Huang et al., “Programmable Assembly of Nanoarchitectures Using Genetically Engineered Viruses,” Nano Letters 5, no. 7 (2005): 1429–34, http://doi.org/10.1021/nl050795d ; K. T. Nam et al., “Stamped Microbattery Electrodes Based on Self-Assembled M13 Viruses,” Proceedings of the National Academy of Sciences 105, no. 45 (2008): 17227–31, http://doi.org/10.1073/pnas.0711620105 ; Dahyun Oh et al., “M13 Virus-Directed Synthesis of Nanostructured Metal Oxides for Lithium-Oxygen Batteries,” Nano Letters 14, no. 8 (2014): 4837–45, http://doi.org/10.1021/nl502078m ; Maryam Moradi et al., “Improving the Capacity of Sodium-Ion Battery Using a Virus-Templated Nanostructured Composite Cathode,” Nano Letters 15, no. 5 (2015): 2917–21, http://doi.org/10.1021/nl504676v ].

Мы не можем жить без воды. Содержание воды в организме составляет более 50% [94] [H. H. Mitchell et al., “The Chemical Composition of the Adult Human Body and Its Bearing on the Biochemistry of Growth,” Journal of Biological Chemistry 158 (1945): 625–37; ZiMian Wang et al., “Hydration of Fat-Free Body Mass: Review and Critique of a Classic BodyComposition Constant,” American Journal of Clinical Nutrition 69 (1999): 833–841], и мы используем имеющиеся на планете запасы для питья, сельского хозяйства, транспорта, производства т. д. Вода есть везде – около 1364 миллиардов миллиардов (1364 × 1018) литров покрывают примерно 70% поверхности Земли. Но почти весь этот объем – примерно 95% – соленая вода океанов [95] [Институт науки о воде Геологической службы США, “Мировые запасы воды”. Последнее изменение – 2 декабря 2016. http://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html ], которую мы не можем ни пить, ни использовать для полива или каких-либо еще наших нужд.

Белчер уверена, что будущее энергетики станет совсем не таким, как ее настоящее, и эту уверенность разделяют многие первооткрыватели в области энергетических инноваций. Она осознает, что наш топливно-энергетический комплекс не всегда будет зависеть от нефти. Это признавал даже шейх Ямани, министр нефти и минеральных ресурсов в Саудовской Аравии, занимавший пост с 1962 по 1986 г., в период, когда производство неочищенной нефти в мире увеличилось более чем в два раза [89] [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)]. “Каменный век, – однажды сказал он, – закончился не потому, что у людей не хватало камней, и нефтяной век закончится не потому, что нам не будет хватать нефти”.

Производство аккумуляторов сегодня относится к энергозатратным процессам, в результате которых выделяются токсичные отходы. Тем не менее, совсем как раковина галиотиса, батарейки Белчер, производимые с помощью вирусов, собираются легко и просто. Ее работа является важным вкладом в решение наших проблем сбережения энергии, и Белчер по праву гордится тем, что сделали они с коллегами. “Эти биологические батарейки, – сказала она мне, – изготавливаются при комнатной температуре, в них не используются органические растворители, и в процессе производства в окружающую среду не выбрасываются токсичные материалы”. По сравнению с обычными процессами изготовления батарей [87] [J. B. Dunn et al., “Material and Energy Flows in the Materials Production, Assembly, and End-of-Life Stages of the Automotive Lithium-Ion Battery Life Cycle,” Argonne National Laboratory Energy Systems Division (2012), http://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004 ], которые в фазе производства могут требовать температуры около 1000 ℃ и выделять загрязнения, эквивалентные 150–200 кг СО2 на кВт/ч работы батареи [88] [Mia Romare and Lisbeth Dahllof, “The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries and Batteries for Light-Duty Vehicles,” IVL Swedish Environmental Research Institute Report C 243, 2017.], подход Белчер предлагает значительное усовершенствование для решения наших проблем энергосбережения.

Но Белчер не останавливается на достигнутом. Следующий вопрос, который ее занимает, – способно ли ее передовое технологическое достижение – основанные на вирусах аккумуляторы – добиться лучших результатов при транспортировке и сохранении энергии. Вместо того чтобы просто добавлять вес к машине, могут ли они принять форму приборного щитка, чехла на кресле или дверной панели? Это могло бы стать технологическим прорывом, который вывел бы основанные на вирусах батареи из лаборатории МТИ на рынок вслед за другими стартапами, берущими свое начало в лабораториях.

Если принять во внимание вышесказанное, то все доступные на сегодня варианты не соответствуют быстро растущим потребностям человека в сохранении энергии. Поиск альтернативного подхода к энергосбережению – именно это подтолкнуло Энджи Белчер к тому, чтобы вступить в игру. Разумеется, она не единственная, кто трудится над тем, чтобы создать более экологически чистые, легкие и эффективные батареи. Эта проблема занимает умы ученых всего мира, и в ближайшие годы из исследовательских лабораторий выйдут десятки многообещающих новых технологий [69] [Sung Yoon Chung, Jason T. Bloking, and Yet Ming Chiang, “Electronically Conductive Phospho-Olivines as Lithium Storage Electrodes,” Nature Materials 1, no. 2 (2002): 123–28, http://doi.org/10.1038/nmat732 ; Won Hee Ryu et al., “Heme Biomolecule as Redox Mediator and Oxygen Shuttle for Efficient Charging of LithiumOxygen Batteries,” Nature Communications 7 (2016), http://doi.org/10.1038/ncomms12925 ]. И Цуй, и его коллеги из Стэнфордского университета [70] [Nian Liu et al., “A Pomegranate-Inspired Nanoscale Design for Large-Volume-Change Lithium Battery Anodes,” Nature Nanotechnology 9, no. 3 (2014): 187–92, http://doi.org/10.1038/nnano.2014.6 ; Haotian Wang et al., “Direct and Continuous Strain Control of Catalysts with Tunable Battery Electrode Materials,” Science 354, no. 6315 (2016): 1031–36.], к примеру, разработали наночастицы для батарей, которые упакованы более плотно, содержат больше заряда и обещают более длительный срок службы, чем у сегодняшних аккумуляторов. Цзе Сян Шэнь из Наньянского технологического университета [71] [Dongliang Chao et al., “Array of Nanosheets Render Ultrafast and HighCapacity Na-Ion Storage by Tunable Pseudocapacitance,” Nature Communications 7 (2016): 1–8, http://doi.org/10.1038/ncomms12122 ] в Сингапуре разрабатывает натрий-ионные батареи, сделанные в виде нанолиста и потенциально являющиеся дешевой и безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Но Белчер использовала потрясающий, революционный подход, обратившись к биологии (если говорить более конкретно – к вирусам).

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] [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 ] удвоится по двум причинам. Во-первых, население планеты идет к тому, чтобы за следующие 30 лет увеличиться с сегодняшних 7,6 млрд человек [58] [Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН, демографический отдел “Перспективы мировой урбанизации, редакция 2018 г.”, 2018, http://population.un.org/wup/DataQuery ] 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] [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 ] использует более 13 000 кВт/ч ежегодно, в то время как в Бангладеш [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 ] 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?

Между 1950 и 1980 гг. Китайский совет по энергетической политике [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 ] 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.

После долгого периода относительной стабильности [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/climateresources/24/graphic-the-relentless-rise-ofcarbon-dioxide ] содержание в атмосфере углекислого газа (измеряемого в миллионных долях [1/млн]) 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] [Имеется в виду американский галлон, равный 3,78541 л. Английский (британский) галлон составляет 4,54609 л. – Прим. науч. ред.] (3,8 л) бензина – это продукт, полученный из 100 т растительного материала [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 ]. 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.

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] [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) ], и американцы потребляли 0,4 квадрлн (1015) британских тепловых единиц (БТЕ) [51] [0,252 ккал. – Прим. пер.] 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] [Управление по энергетической информации США, “U.S. Energy Facts Explained.” Последнее изменение – май 19, 2017, http://www.eia.gov/energyexplained/?page=usenergyhome ] 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.

Наши предки фактически создали топливно-энергетический комплекс в тот момент, когда впервые научились контролировать огонь. Кости и пепел растений [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 ], 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] [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 ], и археологические находки из пещеры Пеш-дел’Азе [48] [Peter J. Heyes et al., “Selection and Use of Manganese Dioxide by Neanderthals”, Scientific Reports 6 (2016), http://doi.org/10.1038/srep22159 ] 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.