Текст книги "Заглянем в будущее"

Автор книги: Александр Китайгородский

Соавторы: Арон Кобринский,Натан Кобринский,Николай Семенов,Николай Петрович,В. Молярчук,Игорь Петрянов-Соколов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 16 страниц)

Вторым достоинством этой реакции является практическое отсутствие радиоактивных загрязнений. Образующиеся конечные продукты Не³ и Не⁴ безвредны.

Есть ли предел использования термоядерной энергии? Как это ни странно, такой предел существует, и он связан с перегревом поверхности Земли и атмосферы в результате выделения тепла в термоядерных реакторах. Можно подсчитать, что средняя температура земной суши и океана повысится на 7 градусов, когда тепло термоядерных реакторов составит 10 процентов от солнечной энергии, поглощаемой поверхностью Земли и океанов, а также нижними слоями атмосферы. Такое повышение средней температуры поверхности земного шара и океанов вызовет резкое изменение климата, а может быть, и создание условий для всемирного потопа за счет таяния льдов Антарктики и Гренландии. Поэтому вряд ли можно увеличивать добычу термоядерной энергии более чем до 5 процентов от солнечной энергии, что соответствует разогреву земной поверхности на 3,5 градуса. Однако представляет интерес получить более точные расчеты об опасности перегрева Земли.

Институт океанологии Академии наук СССР согласился провести очень трудный, нигде не проводившийся расчет: что будет с плавающими льдами и со льдами Антарктики и Гренландии при повышении средней температуры поверхности земного шара на несколько градусов? Приведет ли такое повышение лишь к определенному стационарному изменению климата и уменьшению плавающих льдов в прибрежных районах Антарктики и Гренландии или при некотором критическом нагреве вызовет прогрессивное таяние их ледников?

Решение этой задачи интересно не только для ответа на наш вопрос, но и для подхода к разработке теории ледниковых периодов и процессов потепления климата Земли. Есть много и других, более частных вопросов, как, например, строгое теоретическое обоснование появления сравнительно теплых оазисов, открытых недавно в Антарктиде.

Сейчас трудно сказать, какой именно нагрев Земли приведет к необратимому изменению ледового покрова и климата. Но думаю, что выбранная нами величина 3,5 градуса при выделении энергии всеми термоядерными и атомными станциями скорее завышена.

Сосчитаем теперь, каких же предельных значений может достичь использование ядерной энергии. Как уже говорилось, увеличение средней температуры на 3,5 градуса соответствует тому, что тепло, выделяющееся от всех ядерных установок, не должно превышать 5 процентов от общей солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли и прилегающими к ней нижними слоями атмосферы.

Солнечная энергия, падающая на земной шар, составляет 4 · 10¹³ ккал/сек. 30 процентов солнечной радиации отражается от земного шара и уходит в мировое пространство, значительная часть поглощается высшими слоями атмосферы и т. д. До поверхности планеты и примыкающей к ней части атмосферы доходит менее 50 процентов от общей энергии, посылаемой Солнцем, то есть 2 · 10¹³ ккал/сек, 5 процентов от этой энергии составляет 10¹² ккал/сек, или в год 10¹² · 3 · 10⁷ = 3 · 10¹⁹ ккал/год.

В нашем предположении именно эта энергия является максимально возможной тепловой энергией, которую допустимо получать от всех термоядерных и атомных электростанций. Сравним это число с энергией всего добываемого в год топлива (нефть, газ и уголь). Как мы видели, в год добыча их составляет 6 · 10⁹ тонн условного топлива с теплотворной способностью 7 · 10⁶ ккал/т, что дает 4,2 · 10¹⁶ ккал/год. Таким образом, от термоядерной энергии мы получим 3 · 10¹⁹/4,2 · 10¹⁶ = 700, то есть в 700 раз больше энергии, чем мы имеем сейчас. Возможно, что это число несколько преувеличено и на самом деле термоядерной энергии будет лишь в 500 или даже в 300 раз больше, чем энергии от сожженных полезных ископаемых. Но все равно это грандиозная цифра. Такого количества энергии, вероятно, будет достаточно будущему человечеству, если, конечно, население Земли, особенно за счет Юго-Западной Азии, не будет увеличиваться ежегодно в течение ближайших столетий более чем на 1,7 процента, как это имеет место сейчас.

* * *

Большие перспективы открываются перед человечеством в связи с лучшим использованием солнечной энергии. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 · 10¹³ больших калорий. Однако даже в абсолютно чистой атмосфере рассеивается и поглощается около половины солнечного света, и до поверхности Земли доходит лишь около 50 процентов от указанной выше величины. Облака, пыль и т. п. уменьшают долю доходящей энергии примерно до 40 процентов. И все же общее количество солнечной энергии остается совершенно грандиозным, в десятки раз больше, чем то, что можно получить от «предельно» допустимого использования управляемой термоядерной реакции.

Возникновение жизни на Земле связано с появлением сперва микроскопических, а затем и весьма крупных растений, которые в процессе эволюции выработали аппарат фотосинтеза, позволяющий за счет энергии Солнца превращать углекислоту и воду в органические вещества и одновременно превращать связанный кислород в свободный. Последнее определило создание и поддержание кислородсодержащей атмосферы Земли, а также стабилизацию углекислоты в атмосфере. Все эти условия, вместе взятые, создали возможность появления животного мира.

Запасы горючих ископаемых обязаны своим происхождением растительному и в меньшей степени животному миру. В них как бы аккумулировалась солнечная энергия далеких прошлых лет. Таким образом, вся наша современная промышленность создалась в конечном счете благодаря солнечной радиации. Пища, растительная и животная, позволяющая жить и работать трем-четырем миллиардам человек, получается с помощью солнечной энергии в процессе фотосинтеза в сельскохозяйственных растениях, которые или потребляются непосредственно человеком (растительная пища), или служат кормом сельскохозяйственным животным, поставляющим нам мясо, молоко, яйца и т. п. Человек, как мускульная машина, работает с довольно большим к.п.д. превращения энергии пищи путем ее «сжигания», но не пламенного (как в котлах или двигателях), а медленного беспламенного окисления в организме. Этот к.п.д. достигает 30 процентов, то есть величины того же порядка, что и в двигателях внутреннего сгорания. К.п.д. же превращения химической энергии непосредственно в мышечную работу достигает 70 процентов, то есть почти в 1,5 раза больше, чем к.п.д. лучших электростанций. Этому не следует удивляться, так как энергетика организма совершенно отлична от промышленной и в принципе позволяет производить превращения энергии со 100-процентным к.п.д. Поразительным примером этого является превращение химической энергии в световую у светлячков.

Подобные же медленные процессы сжигания можно осуществлять и в химических системах, примером которых могут служить топливные элементы с близким к 100 процентам к.п.д. перехода химической энергии и электрическую. К сожалению, пока высокий к.п.д. достигнут только в водород-кислородном элементе, хотя в будущем, вероятно, удастся заменить дорогостоящий водород углеводородами нефти.

Значительная часть человечества сейчас недоедает, и до сих пор на земном шаре есть места, где голод частый гость. Между тем уже одно улучшение методов обработки, удобрения и ирригации имеющихся пахотных земель до наиболее высокого современного уровня (не говоря уже о расширении посевных площадей) позволило бы обеспечить высококачественное и полностью достаточное питание не только всему современному населению земного шара, но, по-видимому, и гораздо большему количеству людей. Сейчас урожаи в среднем еще низки.

Однако при достаточно высокой агротехнике, при достаточном количестве влаги и удобрений получают урожаи порядка 15 тонн сухого вещества на 1 гектар. А некоторые культуры, такие, как кукуруза, сахарный тростник и другие, относящиеся к тропическим травам, могут дать урожай до 40–50 тонн сухого вещества на 1 гектар. Если посевы предназначены непосредственно для питания людей (например, зерновые), то из указанных 15 тонн сухого органического вещества примерно 40 процентов, то есть 6 тонн, может быть непосредственно использовано для пищи людей. Если посевы предназначены для корма скота, то используются почти все 15 тонн. Но лишь небольшая часть, а именно около 10 процентов, то есть 1,5 тонны, может быть получена от сельскохозяйственных животных в виде мяса, молока, масла, сала, яиц (в расчете на сухой вес).

Оптимальный рацион человека составляет около 1 килограмма в день сухого веса пищи, причем растительная пища должна составлять примерно 750 граммов, а животная – 250 граммов. Для полного питания 3 миллиардов людей при достижении указанных выше урожаев потребовалось бы всего 130 миллионов гектаров под культуры, потребляемые человеком, и 180 миллионов гектаров под культуры для содержания сельскохозяйственных животных, а всего около 300 миллионов гектаров, или 2,2 процента от площади земной суши (не считая Антарктиды). Это в 4–4,5 раза меньше, чем занято сейчас под сельскохозяйственными угодьями. Зная, что в среднем сегодня человек питается значительно хуже, чем указано в норме, можно заключить, что средняя урожайность сейчас во много раз ниже возможной. Таким образом, поднятие общей урожайности до высоких, но вполне реальных значений дало бы возможность существующим сельскохозяйственным угодьям прокормить население значительно большее, чем сейчас.

Если у нас будут практически неисчерпаемые запасы энергии для организации ирригации и мелиорации, для отопления парников и теплиц (и дополнительного снабжения их углекислотой), если мы научимся делать дешевые и прочные пленки из пластмасс для парников, укрытия почв, прокладки для защиты от потери влаги в песчаных почвах, то все это откроет огромные возможности получения еще более высоких урожаев и освоения малопригодных сейчас для сельского хозяйства площадей. Однако я думаю, что основной задачей является не расширение посевных земель, а увеличение урожаев за счет улучшения агрокультуры, обеспечения достаточной влажности почвы и селекции, что позволит на существующих сельскохозяйственных угодьях обеспечить пищей население в 5 раз большее, чем сейчас на Земле. Если современные темпы роста населения сохранятся, то увеличение человечества в 5 раз произойдет через сто лет. Таким образом, нас будет лимитировать не пища, а энергия, необходимая для развития промышленности, в частности для производства и эксплуатации сельскохозяйственных машин, для производства удобрений, а также коренного улучшения быта людей.

Сравним теперь количество всех горючих ископаемых, добываемых за год (в тоннах), с количеством ежегодно получаемой пищи и кормов (также в тоннах в сухом виде).

Сейчас мировой урожай составляет примерно 7,5 · 10⁹ тонн, то есть несколько больше, чем 6 · 10⁹ тонн добываемого ежегодно топлива. Калорийность пищи и кормов в сухом виде составляет около 4 · 10⁶ ккал/т против 7 · 10⁶ ккал/т условного топлива. Отсюда по калорийности добываемые в год пища и корма составляют 70 процентов от калорийности добываемого в год топлива. Кроме того, надо учесть технические культуры (хлопок, лен и т. д.), эксплуатацию лесов и прочее.

Общая годовая мировая продукция фотосинтеза на суше и в океанах оценивается (конечно, сугубо ориентировочно) в 80 миллиардов тонн, что примерно в 14 раз превышает количество добываемого ежегодно топлива (а в пересчете на калорийность в 7–8 раз больше). Конечно, цифры эти надо считать приблизительными, так как определить фотосинтетическую продукцию океанов и суши, не связанную с сельскохозяйственной деятельностью человека, довольно непросто. Однако сейчас ясно выявляется, что фотосинтетическая продукция океанов, во всяком случае, не превышает таковой на суше, хотя поверхность океанов в 4 раза больше. Остановимся на продуктивности лесов, где можно сделать более определенную оценку.

Общая площадь, занимаемая лесами, составляет примерно 4 · 10⁹ га = 4 · 10⁷ км², что равно примерно одной трети земной суши. Величина к.п.д. фотосинтеза у деревьев довольно высока.

Так, продукция фотосинтеза для северных лесов составляет 8 тонн на гектар, а для тропических – значительно больше. Расчет ведется не только на деловую древесину, но и на сучья, корни и некондиционные деревья. Будем считать, что в среднем весь этот мировой прирост составляет 10 тонн с гектара. В таком случае все леса дают ежегодно 4 · 10¹⁰ тонн, то есть 40 миллиардов тонн древесины, что в 7 раз больше, чем добываемое ежегодно топливо по тоннажу, и в 4 раза больше по калорийности.

Само собой разумеется, что сжигать лес, являющийся ценным строительным материалом, сырьем для получения целлюлозы и многих других органических веществ нерационально. Однако сжигание только отходов леса уже обеспечит снабжение энергией всего лесного хозяйства. К сожалению, подавляющая часть прироста древесины вовсе не используется, а гниет из-за отсутствия правильной эксплуатации, вывоза леса из северных и тропических районов. Наладить уход за лесами и их эксплуатацию является необходимым мероприятием ближайшего будущего.

На первый взгляд приведенные цифры возможного использования фотосинтеза растений кажутся довольно большими. Однако при сравнении их с энергией солнечного излучения, падающего на сушу Земли, они оказываются ничтожными. Так, определяя к.п.д. перехода солнечной энергии в химическую энергию пищи и кормов при указанных ранее высоких урожаях (15 тонн сухого вещества с гектара), мы убеждаемся, что этот к.п.д. составит всего 1,5 процента, а при современных средних урожаях – еще раз в 5 меньше. (К.п.д. фотосинтеза определяется отношением калорийности урожая – в сухом весе – к количеству солнечной радиации на гектар, выраженной в тех же единицах, например в ккал/га. Биологи, обычно определяют к.п.д. по отношению лишь к части видимого солнечного спектра, являющейся активным началом фотосинтеза с энергией, равной половине энергии всего солнечного спектра. Отсюда принятый нами к.п.д. 1,5 процента соответствует «биологическому» к.п.д., равному 3 процентам.)

Такое низкое значение к.п.д. объясняется в первую очередь тем, что в ранних периодах вегетации, когда растения малы, листья покрывают лишь малую часть пашни и солнечная энергия в большей своей части падает на землю, а не на растения. Наоборот, при полном развитии растений одни листья затеняют другие и в основном работают лишь верхние листья. Это мешает физиологическим функциям растений, а также понижает к.п.д. фотосинтеза, и вот почему: при малой освещенности к.п.д. фотосинтеза составляет 10 процентов, но падает с увеличением интенсивности. При больших интенсивностях облучения выход вещества вообще перестает зависеть от интенсивности света, и скорость фотохимического процесса будет лимитироваться активностью ферментов, скоростью диффузии исходных веществ в растении и др.

Учитывая такое своеобразие к.п.д. фотосинтеза, было бы очень выгодно создать условия равномерного распределения солнечной энергии по всем листьям растений с таким расчетом, чтобы, увеличивая поверхность листьев, работать с уменьшенной интенсивностью света, а значит, с большим к.п.д. По-видимому, подобные условия осуществляются на кукурузных полях в течение 2–3 недель перед уборкой и на плантациях сахарного тростника для растений второго года. Своеобразие этих культур, как и многих других тропических трав, заключается в том, что их длинные листья расположены под малым углом к стволу. Это позволяет, особенно в южных районах, солнечным лучам проникать глубоко в толщу посева. При этом отраженный от листьев и проходящий сквозь них свет создает в толще всего посева равномерное, хотя и малоинтенсивное, освещение. Такие условия обеспечивают получение высокого к.п.д. фотосинтеза, гораздо большего, чем при непосредственном падении солнечных лучей на плотный верхний слой листьев. В указанных стадиях развития при хороших агротехнических условиях к.п.д. для названных растений составляет 7 процентов от всей падающей солнечной энергии.

Рассматриваемый нами эффективный к.п.д. фотосинтеза зависит от разнообразных условий (формы и расположения листьев, ухода за посевами и пр.), а не только от самого аппарата фотосинтеза.

Оказалось, что соответствующие значения начального к.п.д. и характер кривых не точно одинаковы для разных растений. Но в общем они распадаются на две группы. К одной относятся все растения средней полосы, а к другой – растения, относящиеся к так называемым тропическим травам. Для первых к.п.д. при малых интенсивностях составляет в среднем 8 процентов, а для вторых – 12 процентов, что соответствует «биологическому» к.п.д. 16 и 24 процента. Это обстоятельство также является одной из причин повышенной урожайности кукурузы, сахарного тростника и им подобных растений.

* * *

Итак, солнечная энергия в соединении с агрокультурными мероприятиями и селекцией способна обеспечить человечество питанием на сто-двести лет вперед даже при большом увеличении населения.

Поставим теперь вопрос: не сможем ли мы за счет энергии Солнца добывать в достаточном количестве и электроэнергию для нужд промышленности и быта, учитывая постепенное уменьшение запасов горючих ископаемых, накопленных в течение многих миллионов лет за счет той же солнечной энергии? А быть может, удастся получать органические вещества чисто химическим путем, за счет солнечной энергии вне растений?

При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с к.п.д., превышающим 10 процентов. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20 процентов. Кстати, в этих батареях к.п.д. не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.

В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с к.п.д. около 100 процентов в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.

Сами фотоэлементы должны быть распределены на больших площадях. Они могут быть надежно укрыты в соответствующих пластмассовых кассетах. Уход за такими «энергетическими полями», вероятно, не был бы более трудоемким, чем уход за сельскохозяйственными полями.

Однако я думаю, что такое решение использования солнечной энергии не будет оптимальным. Уж очень много ценного полупроводникового материала для этого потребуется. Есть, правда, возможность получать некоторые органические полупроводниковые материалы, которые были бы значительно более дешевыми. К сожалению, эта область мало изучена, и пока к.п.д. соответствующих батарей еще очень мал (около 2 процентов). Однако нельзя исключать возможность повышения к.п.д. в дальнейшем и для этих материалов.

И все-таки думается, что решение вопроса следует искать другими путями.

Мне придется начать издалека. Примерно 150 лет назад немецкий химик Велер осуществил синтез мочевины, и это было началом революции в химии. До Велера химики полагали, что органические вещества могут быть получены лишь в живых организмах под действием какой-то мистической жизненной силы. Такой взгляд препятствовал развитию органической химии. Велер разбил этот предрассудок, и спустя сравнительно короткое время начался бурный рост органического синтеза. Органическая химия сделалась одной из самых развитых наук, породившей в конце прошлого и в настоящем веке огромную промышленность.

Одновременно органическая химия начала все более содействовать развитию биологической науки, и современная революция в биологии в значительной степени была вызвана химическими исследованиями, прежде всего химией природных соединений. Таким образом, создалась молекулярная биология и биоорганическая химия.

При развитии этих новых наук выяснилось, что химические реакции в живом организме происходят совсем иначе, чем в наших лабораториях и на химических заводах. Таким образом, Велер был лишь частично прав. Мы можем синтезировать в лабораториях любые органические вещества вплоть до белков и даже начинаем синтезировать нуклеиновые кислоты, являющиеся самой основой жизни, но механизм и сами принципы синтеза в организмах иные, чем в лабораториях. В растениях и особенно у животных сложные синтезы идут в течение минуты, а в лабораториях нередко требуют месяцев работы.

И мы стоим опять перед началом революции уже в химии, индуцированной теперь биологией. В то время как наша химическая индустрия использует высокие температуры и давления, организм способен проводить те же реакции при обычных температурах и давлениях.

* * *

Первичным источником энергии у зеленых растений является солнечное излучение, у животных – энергия окисления пищевых продуктов, которая используется для проведения реакции в организмах и для работы мышц. Эта энергия запасается в виде химической энергии в молекулах аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При использовании энергии организмом аденазинтрифосфорная кислота переходит в аденазиндифосфорную кислоту (АДФ), которая затем под действием солнечной энергии снова заряжается и переходит вновь в молекулу АТФ.

Растения питаются в первую очередь углекислотой и водой, животные – растительной и животной пищей. И в тех и в других случаях используются катализаторы удивительной специфичности, так называемые ферменты, представляющие собой огромные белковые молекулы с маленькими активными группами. В очень многих случаях такие активные центры содержат ионы металлов переменной валентности.

Я не могу здесь вдаваться в подробности механизма химических реакций не только в организме в целом, но и в каждой его клетке. Клетка представляет собой миниатюрный химико-энергетический завод со специальными цехами: зарядки АДФ, распределения веществ по отдельным зонам, транспорта аминокислот, сборки белков. Управление этой сборкой осуществляется специальной «управляющей машиной». Заготовка деталей и сборка молекул белков по своей точности превосходят сборку самолетов из деталей. Природа устроила этот миниатюрный завод в таком совершенстве, к которому мы в наших заводах еще только стремимся. Поэтому на первый взгляд кажется, что использовать такой сложный механизм в обычной химии нереально.

Но вот тут-то мы, по-видимому, ошибаемся. Дело в том, что в живом организме все взаимосвязано. Каждый элемент устройства, даже в отдельной клетке, должен обеспечивать эту взаимосвязь функций всей клетки и даже организма в целом. Если же мы хотим вне организма осуществить какую-либо одну функцию, например, получать определенное вещество, которое синтезируется в организме, то задача может снова упроститься. Не копируя природу, но используя некоторые ее принципы, мы сможем со временем в гораздо более простом виде осуществить любой химический процесс, который идет в организме. Если эта возможность реально подтвердится, то химическая технология во многом претерпит подлинную революцию.

Я позволю себе проиллюстрировать этот вывод на примере фиксации азота воздуха вне организма в условиях обычных температур и давлений. Дело идет о получении аммиака и его производных из азота воздуха и воды. Эта работа была осуществлена советскими учеными Вольпиным и Шиловым за последние несколько лет.

До их работ такого рода синтез был известен лишь в клубеньках бобовых растений и у некоторых свободно живущих микробов, что давно и широко использовались в агрохимии для повышения связанного азота в почвах. Биологи и биохимики выяснили, что процесс фиксации азота идет с помощью специальных бактерий, живущих в почве или в клубеньках разного рода бобовых растений. Такая способность обусловлена наличием у этих организмов специальных ферментов, осуществляющих указанную реакцию. Эти ферменты (как и другие) представляют собой огромную белковую молекулу с небольшими активными группами, содержащими в микроколичествах ионы молибдена или ванадия. Было отмечено также, что фиксация азота в растениях протекает в присутствии хлористого магния. Биохимиками был сделан ряд попыток раскрыть механизм действия этих ферментов.

Советские авторы, как уже было указано, осуществили этот процесс вне организма, и притом скорость реакции оказалась близкой к природной. Вместо ферментов они использовали комплексные соединения разных ионов переменной валентности.

В 1964 году Вольпин в неводных растворах комплексов, аналогичных катализаторам Натта – Цигнера, впервые восстановил азот до нитрида. В 1966 году Шилов показал, что ионы металлов переменной валентности образуют с азотом воздуха при низких температурах прочные комплексы, причем обычно инертный газ азот в этих условиях оказался очень активным, способным вытеснять воду и аммиак из комплексов этих металлов.

Интересно, что эти комплексы металлов переменной валентности с азотом оказались очень устойчивыми. Для некоторых металлов они разлагаются лишь при температуре около 200°.

Из водных растворов солей ванадия в избытке солей магния при добавлении щелочи Шилов получил обычным методом рыхлый, хлопьевидный, аморфный осадок гидроокиси ванадия V(OH)₂, содержащий ионы магния и молекулы воды в качестве лигандов (молекул и ионов, связанных с центральным ионом в комплексном соединении). При насыщении раствора азотом воздуха этот осадок оказался мощным катализатором образования гидразина H₂NNH₂, а при изменении некоторых условий – непосредственно аммиака. Скорость реакции оказалась настолько быстрой, что для измерения константы скорости необходимо было работать вблизи точки замерзания воды. Во всяком случае, эта скорость была не меньше, чем скорость фиксации азота в азотобактерах.

Следует отметить, что реакция получения гидразина из молекулярного азота и воды сильно эндотермична; она требует затраты более 120 ккал на грамм-моль гидразина. Откуда же восполняется такой большой дефицит энергии? Оказывается, что источником этой энергии является переход ванадия из двухвалентного в трехвалентное состояние – из V(OH)₂ в V(ОН)₃.

В самом деле, для получения одной молекулы гидразина четыре атома ванадия переходят в трехвалентное состояние, и таким образом на каждый акт реакции выделяется энергии в несколько раз больше, чем это необходимо для образования гидразина из азота и воды. Удивительным оказалось то, что энергия активации реакции в целом очень мала – порядка 10 больших калорий на грамм-моль, что и являлось причиной больших скоростей реакции при температурах, даже близких к нулю.

Специальными опытами с помощью инфракрасного спектрометра Шилову удалось установить строение первичных комплексов переходных металлов с азотом в неводных растворах. Для случая ванадия это, по-видимому:

(OH)₂V…N:::N…V(OH)₂.

Иначе говоря, в присутствии двух ионов ванадия ни первая, ни вторая связи в азоте не рвутся, но ослабляются, зато устанавливается достаточно сильное взаимодействие между каждым атомом ванадия и атомом азота. После этого наступает стадия, по-видимому, одновременного протекания реакций, которые суммарно могут быть записаны в виде:

(OH)₂V…N:::N…V(OH)₂ + (OH)₂V…

…V(OH)₂ + 4Н₂O → H₂N ― NH₂ + 4V(ОН)₃.

На опыте оказалось, что на каждую образовавшуюся молекулу гидразина расходуется четыре молекулы V(ОН)₂, переходящие в V(OH)₃.

Механизм реакции получения гидразина еще не вполне выяснен. Скорее всего ионы магния и ионы ванадия образуют сложный каталитический комплекс, содержащий молекулы воды в качестве лигандов этого сложного комплексного соединения. Мы уже говорили, что молекулярный азот способен вытеснять воду из комплексных соединений металлов переменной валентности. Очевидно, и в данном случае на место одной или двух молекул воды встает молекула азота, внедряясь таким образом в сферу комплексного соединения ванадия. Как всегда в такого рода комплексах, все составляющие их молекулы лежат очень тесно друг к другу. При этом все валентные электроны различных молекул, входящих в сферу комплексного поля, достаточно обобщены. Поэтому достаточно небольшого «теплового» толчка (измеряемого в данном случае калориями на моль), чтобы возникли одновременно цепи реакции, которая и приведет к указанному выше процессу образования гидразина.

Такой процесс, по-видимому, будет имитировать процесс в живом организме (азотобактеры). Но насколько же он будет проще! Уже на сегодняшнем этапе видно, что такую невероятно сложную реакцию можно проводить просто и легко. Здесь уже не требуется сложных ферментов, они заменены активной группой ферментов – ионами ванадия. Это подтверждает высказанный ранее тезис, что сложность биологических процессов связана с многофункциональными задачами ферментов в живом взаимосвязанном организме. Когда же мы переходим к реакции вне организма, от катализатора требуется лишь одна функция – проводить реакцию, а для этого, оказывается, достаточно иметь лишь активные центры фермента.

Да ведь, в сущности, иначе вообще не могла бы возникнуть жизнь на Земле. Действительно, живое могло возникнуть только из неживого. Значит, еще в доорганической природе в примитивной форме, но со значительной интенсивностью должны были протекать те реакции, которые бы обеспечивали необходимые условия для зарождения жизни, то есть реакции получения свободного кислорода в атмосфере различных органических веществ и аммиака. Из последних двух веществ могла возникнуть вся гамма азотсодержащих соединений вплоть до белков. Таким образом, реакции первичного фотосинтеза вне организма, приводящие к образованию кислорода и органических соединений из углекислого газа и воды, и реакции образования аммиака из азота и воды должны были протекать еще до возникновения жизни на Земле. Во время зарождения жизни температура на поверхности суши и океанов не могла быть слишком высокой. Следовательно, рассматриваемые реакции могли протекать лишь каталитическим путем. Именно эти катализаторы в дальнейшем уже путем биологической эволюции превратились в ферментные системы, сохранив, однако, предшествующие им катализаторы в виде активных групп ферментов. Такими первичными катализаторами в доорганическом периоде были, вероятно, в основном ионы металлов переменной валентности. Представляется, что эти соображения в значительной мере подтверждают высказанный здесь тезис.