Интерстеллар: наука за кадром

12. Задыхаясь без кислорода

В начале фильма профессор Брэнд говорит Куперу: «Земная атмосфера на 80 процентов состоит из азота. Мы не можем дышать азотом, а патоген может. И пока он распространяется, кислорода в нашем воздухе будет все меньше и меньше. Последние люди, пережившие голод, будут первыми умершими от удушья. Поколение твоей дочери станет последним на Земле».

Есть ли научные обоснования для заявления профессора? Поставленный вопрос находится на пересечении двух научных дисциплин — биологии и геофизики. Поэтому я обсудил его с биологами, особенно с Эллиотом Мееровицем, во время нашего обеда, а также с двумя геофизиками, профессорами Калтеха Джеральдом Вассер-бургом (эксперт в области происхождения Земли, Луны и Солнечной системы) и Яком Янгом (специалист по физике и химии земной атмосферы, а также атмосфер других планет). И вот что я узнал от них, а также из научных трудов, к которым они меня отослали. 

Образование и исчезновение пригодного для дыхания кислорода

Кислород, которым мы дышим, — это O₂: молекула из двух атомов кислорода, связанных парой электронов. На Земле немало кислорода и в других формах: в составе диоксида углерода, воды, минералов земной коры и т. д. и т. п. Однако такой кислород непригоден для наших тел, если только какой-нибудь организм не высвободит его и не преобразует в O₂.

O₂ исчезает из атмосферы в результате дыхания, горения и гниения. Когда мы вдыхаем O₂, наши органы соединяют его с углеродом, образуя двуокись углерода СО₂.[46] При этом высвобождается много энергии, которую наши тела используют. При горении древесины огонь быстро соединяет атмосферный O₂ с древесным углеродом, образуя СO₂, и эта реакция порождает тепло, которое поддерживает горение. Когда в лесной подстилке разлагаются мертвые растения, их углерод медленно соединяется с атмосферным O₂

, также выделяя СO₂ и тепло.

Атмосферный O₂ возникает главным образом благодаря фотосинтезу: хлоропласты в растении[47] (см. главу 11) используют энергию солнечного света для расщепления СO₂ на С и O₂. Затем O₂ высвобождается в атмосферу, а углерод растение соединяет с водородом и кислородом из воды, получая углеводы, необходимые ему для роста. 

Нехватка O₂, избыток СO₂

Предположим, эволюция породила патоген, уничтожающий хлоропласты, как в фантазии Эллиота Мееровица из конца предыдущей главы. Фотосинтез постепенно, по мере вымирания растений, прекращается. O₂ больше не образуется, но продолжает разрушаться из-за дыхания, горения и гниения — в основном гниения. Однако, к счастью для выживших людей, на Земле не хватит гниющих растений, чтобы поглотить весь O₂.

Основная часть того, что может сгнить, сгниет в течение тридцати лет, и на это уйдет всего лишь около одного процента O₂; оставшегося с лихвой хватило бы и детям, и внукам Купера (лишь бы им было что есть).

Однако этот один процент атмосферного O₂ будет преобразован в двуокись углерода, и в результате СO₂

составит 0,2 процента атмосферы. Учитывая, что львиная доля атмосферы приходится на азот, этого количества СO₂ достаточно, для того чтобы особо чувствительным к составу воздуха людям стало трудно дышать и, возможно, для того чтобы температура Земли повысилась (из-за парникового эффекта) примерно на 10 градусов Цельсия. Мягко говоря, неприятная перспектива!

Чтобы затруднить дыхание и вызвать сонливость у всех людей, в СO₂ должно преобразоваться в десять раз больше атмосферного O₂, а чтобы отравить диоксидом углерода практически все человечество — еще в пять раз больше, то есть всего в 50. Ума не приложу, как бы такое могло случиться.

Так что же, профессор Брэнд неправ? (Даже физики-теоретики делают ошибки… О да, в особенности физики-теоретики! Уж я-то знаю, о чем говорю.) Ошибка возможна, но все же профессор может быть прав, и чтобы объяснить почему, нужно упомянуть о серьезных проблемах океанского дна, ведомых геофизикам.

Так же как и на суше, на дне океана есть неперегнившая органическая материя. Геофизики оценивают ее количество в одну двадцатую часть от земной органики. Если они обсчитались и этой неперегнившей органики в океанах в 50 раз больше, чем на суше, и если найти способ быстро вытащить ее на поверхность, то из-за ее гниения с образованием СO₂ все люди на планете начнут задыхаться от нехватки кислорода и умирать от отравления СO₂.

Раз за много тысяч лет нестабильные океанские воды перемешиваются — вода с поверхности опускается на дно, а вода со дна поднимается наверх. Не исключено, что во времена Купера произойдет настолько бурное перемешивание, что поднимающиеся водные пласты вынесут наверх большую часть донной органики. При контакте с атмосферой эта органика начнет гнить, преобразуя атмосферный O₂ в смертельное количество СO₂.