Дизельный мотор и мелкодисперсная пыль
Некоторое время назад по репутации дизельных двигателей был нанесён чувствительный удар, когда выяснилось, что частицы сажи, в значительном количестве присутствующие в их выхлопных газах, оказывают негативное воздействие на здоровье человека. Но после того, как автомобилестроители разработали специальные сажевые фильтры, доказавшие свою надёжность и действенность, проблема, казалось, была решена. Теперь же выясняется, что всё не так уж просто. Можно даже сказать, налицо своего рода парадокс: чем лучше и эффективнее дизельный двигатель, тем мельче, а значит, и опаснее для здоровья, содержащиеся в его выхлопных газах частицы пыли. Венский физик Фридрих Легерер (Friedrich Legerer), председатель австрийского объединения по разработке дизельных сажевых фильтров, говорит:
Современные двигатели обладают чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия. Конкретно это означает, что очень большая доля химической энергии, аккумулированной в горючем, преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала. А ещё современные двигатели отличаются плавностью хода. И то, и другое достигается за счёт синхронизированного впрыскивания микроскопических порций топлива под очень высоким давлением.
В этом-то и состоит проблема. Поскольку в цилиндры под большим давлением с высокой частотой подаются микроскопически малые порции горючего, при их сгорании образуются наночастицы. Считается, что они либо состоят из нескольких атомов углерода, либо представляют собой молекулу какого-нибудь углеродистого соединения. Между тем, долгое время на эти наночастицы никто вообще внимания не обращал, – говорит Армин Ханзель (Armin Hansel), профессор Института ионной и прикладной физики при Инсбрукском университете:
В принципе, аэрозоли, то есть образующие их частицы, встречаются в очень широком диапазоне величин. Однако сегодняшние нормативные документы Евросоюза, которыми регламентируется определение содержания вредных веществ в выхлопных газах автомобилей, предписывают измерять лишь суммарную массу всех частиц диаметром более 10-ти микрометров. Таким образом, основное внимание оказывается сосредоточено на крупнодисперсной пыли.
А мелкодисперсная пыль, – сетуют австрийские учёные, – не учитывается в ходе экспериментов и, соответственно, не находит отражения в нормативных документах, устанавливающих предельно допустимые концентрации. Между тем, это может иметь фатальные последствия, поскольку ущерб, причиняемый здоровью этими частицами пыли, определяется не только их суммарной массой. Пусть наночастицы действительно крайне малы, зато их чрезвычайно много, а значит, и их суммарная поверхность очень велика:
А ведь именно поверхность обладает химической активностью. И именно она оказывает негативное воздействие на наше здоровье. На поверхности частиц в верхних дыхательных путях образуются, например, свободные радикалы – одна из токсичных реактивных форм кислорода. В результате окисления клетки повреждаются. Это явление мы называем оксидативным стрессом, –
поясняет австрийский врач Хайнц Фузиг (Heinz Fuhsig), научный сотрудник Инсбрукской объединённой компании страхования от несчастных случаев. Вместе с учёными Инсбрукского университета он участвует в разработке темы «Наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей». При этом исследователи имеют в виду мелкодисперсную пыль с диаметром частиц менее 10-ти нанометров. То есть речь идёт о частицах, в 10 тысяч раз более мелких, чем частицы обычной пыли, улавливаемой стандартными сажевыми фильтрами. Эти сверхмелкие частицы, как известно, способны проникать в различные органы и ткани организма. Хайнц Фузиг опасается, что такие наночастицы наносят огромный ущерб здоровью, только проявится он ещё очень нескоро:
Они накапливаются в головном мозге и в печени. И сохраняются там очень долго. Пока мы не знаем, как долго, идёт ли речь о десятилетиях или всего лишь о годах, однако в любом случае, это весьма значительные промежутки времени. Между тем, о столь долговременном воздействии мелкодисперсной пыли на человеческий организм науке почти ничего не известно. Мы знаем только, что гистологические исследования тканей головного мозга под микроскопом дают картину, напоминающую так называемые амилоидные бляшки, характерные для болезни Альцгеймера. Но может ли это заболевание каким-то образом быть связано с частицами пыли в дизельных выхлопных газах, мы пока не знаем. То же самое относится и к болезни Паркинсона.
Здесь перед учёными открывается широкое поле деятельности. Дело в том, что они почти ничего пока не знают о природе этих наночастиц. То, что речь идёт о соединениях углерода, вытекает из самого механизма сжигания дизельного топлива. Однако влияют ли, скажем, примеси и присадки в дизельном топливе на размеры и количество наночастиц в выхлопных газах, до сих пор неясно. Профессор Армин Ханзель говорит:
Сложность изучения этих наночастиц связана с тем, что мы сегодня не располагаем методиками для их химического анализа. Для определения их количества в выхлопных газах, то есть для того, чтобы их сосчитать, существует довольно простая методика, но вот определить химический состав этих наночастиц, не говоря уже об их химических свойствах, мы пока не можем.
Но одно решение проблемы австрийские учёные предлагают уже сегодня: они настаивают на том, чтобы все дизельные двигатели, вне зависимости от сферы их применения, были в обязательном порядке оборудованы специальными металлокерамическими фильтрами, способными удерживать даже самую мелкодисперсную пыль. Такие фильтры существуют и уже доказали свою высокую эффективность.
А теперь – другая тема. Как известно, метан (CH4) является не просто одним из парниковых газов, но едва ли не самым эффективным в том, что касается создания парникового эффекта: по некоторым оценкам, в расчёте на одну молекулу газа метан в 20 раз сильнее способствует разогреву атмосферы, чем углекислый газ. До недавнего времени основным источником метана в природе считались бактерии: именно их деятельностью объясняется эмиссия этого газа из донных отложений болот и прочих водоёмов и выделение его из желудков насекомых и жвачных животных в процессе пищеварения. Часть природного метана образуется также в недрах Земли в результате химической трансформации осадочных пород в условиях высоких температур и давлений. Однако два года назад появились сообщения о том, что источником метана служат и зелёные растения, причём не после своей гибели, когда их биомассу расщепляют бактерии, а в период активной жизнедеятельности. Впервые об этом феномене заявил немецкий геохимик Франк Кепплер (Frank Keppler). Авторитетный британский научный журнал «Nature» сразу же опубликовал его статью. Кепплер тогда говорил:
В любом случае существует новый процесс, который приводит к образованию метана в растениях. При самых обычных, нормальных условиях растения могут синтезировать метан, который потом выделяется в атмосферу.
Публикация вызвала гигантский переполох. Получалось, что зелёные растения не столько препятствуют, сколько способствуют парниковому эффекту. Однако год спустя нидерландские учёные опубликовали результаты своей работы – им не удалось выявить никаких эмиссий метана из живых растений. Руководил экспериментами Том Дейк (Tom Dueck), специалист в области физиологии растений, научный сотрудник Нидерландского государственного Института сельскохозяйственных исследований в Вагенингене:
В своей первой публикации Кепплер и его коллеги писали: метан образуется в результате физиологического процесса, органически присущего растениям. Наподобие того, как в тканях растения синтезируется этилен, этот газообразный фитогормон. Нам же такое утверждение показалось почти невероятным. Поэтому мы поставили собственные эксперименты – и ничего похожего не обнаружили.
Впрочем, ясности в ситуацию это не внесло. Чтобы выявить, наконец, истину, Франк Кепплер вместе с группой нидерландских и североирландских коллег провёл ещё одно исследование. Полученные результаты, судя по всему, положат теперь конец спорам между сторонниками и противниками его гипотезы. Потому что теперь можно считать неопровержимо доказанным, что зелёные растения под воздействием ультрафиолетового солнечного света действительно образуют и выделяют в атмосферу метан – это их своего рода фотохимическая стрессовая реакция. Но почему её не обнаружил Том Дейк и его коллеги? Иван Вигано (Ivan Vigano), биохимик из Утрехтского университета, поясняет:
Группа Дейка проводила свои эксперименты в стеклянных контейнерах и с электрическими лампами, так что в спектре излучения ультрафиолетовая компонента отсутствовала. Поэтому вполне естественно, что группа Дейка не смогла обнаружить эффекты, которые вызываются ультрафиолетовым излучением.
Вигано, Кепплер и их коллеги продвинулись вперёд и ещё в одном пункте. Два года назад было неясно, откуда берётся этот растительный метан. Теперь учёные выявили механизм его образования. Иван Вигано поясняет:
Источником этого метана является одна из карбоксильных групп молекулы пектина – растительного полисахарида. Это так называемая метокси-группа (OCH3). Под воздействием ультрафиолетового излучения она распадается, и в атмосферу выделяется метан.
Даже Том Дейк – главный оппонент Кепплера – теперь готов признать результаты его новой работы. Более того, он даже считает, что они могут дать объяснение давно известного феномена – повышенной концентрации метана над некоторыми регионами, покрытыми влажными тропическими лесами. Том Дейк говорит:
Почему, например, над влажными тропическими лесами Бразилии постоянно висит такое большое метановое облако? А над джунглями Индии или в субтропиках – гораздо меньшее? Теперь у нас есть основания полагать, что это объясняется различиями в интенсивности ультрафиолетового облучения и в объёме растительной биомассы.
Иван Вигано и его коллеги пока не провели расчёты, какое количество метана может выделять вся зелёная растительность Земли. Но в одном утрехтский учёный не сомневается:
Человек оказывает на климат гораздо более сильное влияние – от десяти- до стократного.
И в заключение передачи – о неожиданном открытии французских лингвистов и нейрофизиологов, касающемся счёта и числительных в восприятии аборигенов Амазонки. Конкретно речь идёт об индейском племени мундуруку. Это племя, живущее в центральной Бразилии, в штате Пара, насчитывает около 7-ми тысяч человек. С западной цивилизацией аборигены соприкасаются лишь постольку, поскольку с недавних пор дети, достигшие 10-летнего возраста, получают начальное школьное образование на португальском языке. В языке мундуруку имеется всего лишь 4 числительных – для обозначения одного, двух, трёх или четырёх предметов. Вместо пяти используется слово, которое можно перевести как «одна рука» или «горсть» и которым обозначается количество от 5-ти до 8-ми, затем следует слово «две руки» для обозначения количества, превышающего восемь, но всё же не очень большого. Иными словами, речь идёт об упрощённой системе счёта. Числительные употребляются в ней в приблизительном смысле, который позволяет использовать каждое из них по отношению к нескольким близким числам. Нейрофизиолог Станислас Дехэн (Stanislas Dehaene), сотрудник французского Научно-исследовательского центра при Комиссариате по атомной энергии в городе Сакле, говорит:
Интересно, что они не в состоянии пересчитать эти предметы. То есть они не могут сказать «1, 2, 3, 4, 5» – так, как это делаем мы. И, тем не менее, наши исследования показали, что представители племени мундуруку обладают ярко выраженным восприятием чисел.
Вместе с парижским лингвистом Пьером Пика (Pierre Pica), давно изучающем язык мундуруку, Станислас Дехэн разработал специальные задания-тесты для выявления особенностей восприятия чисел бразильскими аборигенами:
Задание состояло в том, что мы показали им линию, у левого края которой была нарисована одна точка, у правого – десять. А потом мы стали предлагать им разные числа от одного до десяти, либо просто называя их, либо показывая соответствующие количества камней. Мы просили индейцев показать нам, где эти числа должны располагаться на линии. И дети, и взрослые отвечали практически одинаково, но их восприятие чисел оказалось совершенно не таким, как у представителей западной цивилизации. У них не линейное, а логарифмическое восприятие чисел.
С точки зрения мундуруку, число «пять» расположено не посередине между одним и девятью, поскольку и 5, и 9 для них уже довольно большие числа. То есть они не знают, что интервал между одним и двумя равен интервалу между восемью и девятью. В западной цивилизации этот эффект иногда наблюдается у очень маленьких детей. Видимо, речь идёт о некоем элементарном, изначально присущем человеку восприятии количества, которое сформировалось в процессе эволюции. А всё остальное – большие числа, линейные интервалы, арифметика, – это, так сказать, «высшая математика», языковые и культурные наслоения. Станислас Дехэн говорит:
Примечательно, что это логарифмическое восприятие чисел довольно устойчиво против влияния школьного обучения. Мы наблюдали это у тех представителей племени мундуруку, которые овладели португальским языком в достаточной степени, чтобы на нём считать. Если задавать им числа по-португальски, они располагают их линейно. Если же делать это на их родном языке, они сохраняют своё изначальное логарифмическое восприятие.
Станислас Дехэн выдвинул гипотезу, призванную дать нейрофизиологическое объяснение этому феномену. Он указывает на особенности нейронов в головном мозге человека:
Существует множество нейронов, ожидающих числа «один» и сразу же на него реагирующих. Другие нейроны реагируют на число «два», третьи – на число «три». Но чем больше становятся числа, тем менее чёткой делается реакция. Нейрон, наиболее активно реагирующий на число «пять», откликается и на «четыре», и на «шесть». И чем дальше, тем более размытой становится реакция.
А тому, кто хочет обнаружить логарифмическое восприятие чисел в собственной голове, могу посоветовать задуматься над вопросом, находится ли миллион посередине между тысячей и миллиардом. Добро пожаловать в джунгли!