Energia i cywilizacja. Tak tworzy się historia ebook

Przedmowa ipodziękowania

Książkę Energy in World History skończyłem pisać w lipcu 1993 r.; została wydana rok później i była wznawiana jeszcze przez następne dwie dekady. W 1994 r. rozpoczęła się wielka ekspansja badań nad energią, a ja wniosłem w nią pewien wkład, wydając dziewięć książek o zagadnieniach związanych ściśle z energią, a także dwanaście interdyscyplinarnych pozycji, których spore fragmenty były poświęcone energii. Dlatego kiedy postanowiłem wrócić do tego fascynującego tematu, było dla mnie oczywiste, że powierzchowna aktualizacja wybranych zagadnień nie wystarczy. W rezultacie powstała praktycznie nowa książka, której nadałem nowy tytuł. Zawiera ona prawie 60% więcej tekstu niż oryginał, 40% więcej rysunków i ponad dwukrotnie więcej odwołań. Ramki umieszczone w różnych rozdziałach zawierają zaskakujące obliczenia, a także wiele szczegółowych objaśnień ważnych tematów i kluczowych tabel. Oprócz tego zamieściłem tu cytaty z rozmaitych źródeł, od klasycznych — Apulejusza, Lukrecjusza i Plutarcha — po słowa XIX- i XX-wiecznych obserwatorów, takich jak Braudel, Eden, Orwell i Senancour. Grafiki zostały zaktualizowane i przygotowane przez firmę Bounce Design w Winnipeg; 24 archiwalne zdjęcia pozyskane z Corbis w Seattle zostały zabezpieczone przez Iana Saundersa i Anu Horsman. Tak jak we wszystkich interdyscyplinarnych badaniach tego typu, ta książka nie mogłaby powstać, gdyby nie praca setek historyków, naukowców, inżynierów i ekonomistów.

Winnipeg, sierpień 2016 r.

Rozdział 1. Energia i społeczeństwo

Energia jest jedyną uniwersalną walutą, jaka istnieje; abyśmy mogli cokolwiek zrobić, jedna z jej licznych form musi ulec transformacji. Przykładami tych transformacji, obserwowanymi we wszechświecie, są potężne rotacje galaktyk i reakcje termonuklearne zachodzące w gwiazdach. Na Ziemi natomiast obejmują one szeroki zakres, od terraformujących sił płyt tektonicznych przesuwających się na dnie oceanu i tworzących nowe łańcuchy górskie po kumulatywne erozyjne działanie maleńkich kropli deszczu (już starożytni Rzymianie mawiali gutta cavat lapidem non vi, sed saepe cadendo, czyli ‘kropla drąży skałę nie siłą, lecz ciągłym padaniem’). Życie na Ziemi — nadal jedyne życie, jakie znamy w całym wszechświecie, pomimo podejmowanych od dziesięcioleci prób wychwycenia sygnałów pochodzących z cywilizacji pozaziemskiej — byłoby niemożliwe bez reakcji fotosyntezy przekształcającej energię słoneczną w fitomasę (masę roślinną). Od tej przemiany zależy przetrwanie gatunku ludzkiego, a nasze ucywilizowane istnienie jest zdeterminowane wieloma innymi przepływami energii. Oto co napisał na ten temat Richard Adams [1982, s. 27]:

Potrafimy myśleć szeroko, ale jeśli nie będziemy mieć potrzebnych środków, żeby przekształcić te myśli w działanie, pozostaną one tylko myślami. […] Koło historii toczy się w nieprzewidywalny sposób. Jednakże wydarzenia historyczne zawsze przyjmują strukturę lub tworzą organizację, która musi być zgodna z ich energetycznymi komponentami1.

Ewolucja społeczności ludzkich przyniosła skutki w postaci większych populacji, coraz bardziej złożonych relacji społecznych i produkcyjnych, a także poprawy jakości życia rosnącej liczby ludzi. Z fundamentalnej perspektywy biofizyki można postrzegać prehistoryczną ewolucję człowieka oraz całą historię ludzkości jako misję, której celem jest kontrolowanie większych zasobów i przepływów bardziej skoncentrowanych i zróżnicowanych form energii, a następnie przetwarzanie ich na ciepło, światło oraz ruch tańszymi sposobami, przy niższych kosztach i z większą wydajnością. Ta tendencja została zgeneralizowana przez Alfreda Lotkę (1880 – 1949), amerykańskiego matematyka, chemika i statystyka, w sformułowanej przez niego zasadzie maksymalizacji przepływu energii: „W każdym rozważanym przypadku naturalna selekcja będzie działać w taki sposób, aby zwiększyć masę całkowitą systemu organicznego, zwiększyć tempo krążenia materii po tym systemie, a także zwiększyć energię całkowitą przepływającą przez ten system, dopóki istnieją nieużywane pozostałości materii i dostępnej energii” [Lotka 1922, s. 48].

Historia następujących po sobie cywilizacji — największych i najbardziej złożonych organizmów w biosferze — przebiegała właśnie według tego schematu. Zależność ludzkości od coraz większych przepływów energii może być postrzegana jako nieunikniona kontynuacja ewolucji organicznej. Wilhelm Ostwald (1853 – 1932, laureat Nagrody Nobla z 1909 roku w dziedzinie chemii za pracę dotyczącą katalizy) był pierwszym naukowcem, który wyraźnie rozszerzył drugą zasadę energetyki na wszelkie działania, a w szczególności na całość działań człowieka: „Nie wszystkie energie są gotowe na tę transformację, a jedynie pewne ich formy, które w związku z tym otrzymały nazwę energii swobodnej. […] Wolna energia jest zatem kapitałem konsumowanym przez wszelkiego rodzaju istoty, a wszystko, co się dzieje, jest efektem jej konwersji” [Ostwald 1912, s. 83]. Skutkiem tych przemyśleń było sformułowanie przez niego imperatywu energetycznego: „Vergeude keine Energie, verwerte sie”, czyli: „Nie marnuj energii, tylko ją użytkuj” [Ostwald 1912, s. 85].

Trzy kolejne cytaty to parafrazy przemyśleń Ostwalda sformułowane przez jego naśladowców. Niektórzy z nich sprawili, że połączenie między energią a wszystkimi ludzkimi działaniami zostało jeszcze bardziej deterministycznie zdefiniowane. Na początku lat 70. XX w. Howard Odum (1924 – 2002) zaproponował pewną wariację głównego tematu rozważań Ostwalda: „Dostępność źródeł energii określa możliwy zakres wykonywanej pracy, a kontrola nad przepływem tej energii określa moc człowieka w jego działaniach i w jego względnym wpływie na naturę” [Odum 1971, s. 43]. Ronald Fox tak podsumował swoją książkę na temat energii i ewolucji, którą napisał pod koniec lat 80. XX w.: „Doskonalenie mechanizmów kulturowych następowało wraz z doskonaleniem procesu łączenia strumieni energii” [Fox 1988, s. 166].

Nie trzeba być naukowcem, żeby rozumieć połączenie między dostępnością energii a postępem społecznym. Oto co napisał Eric Blair (George Orwell, 1903 – 1950) w 1937 roku w drugim rozdziale Drogi na molo wWigan po tym, jak odwiedził podziemną kopalnię węgla:

Nasza cywilizacja, z całym szacunkiem dla Chestertona, jest oparta na węglu, w sposób bardziej kompletny, niż na pierwszy rzut oka nam się wydaje. Maszyny, które utrzymują nas przy życiu, oraz te, które produkują inne maszyny, są bezpośrednio lub pośrednio uzależnione od węgla. W metabolizmie świata Zachodu górnik jest drugi pod względem ważności i ustępuje miejsca tylko temu, który orze ziemię. Jest swoistą kariatydą, która dźwiga na swoich barkach prawie wszystko, co nie jest brudne. Z tego powodu rzeczywisty proces wydobywania węgla jest wart obserwowania, jeśli tylko trafi ci się okazja i będziesz chciał zadać sobie ten trud [Orwell 1937, s. 18].

Jednak sparafrazowanie tego fundamentalnego powiązania (tak jak to zrobił Orwell) jest czymś zupełnie innym niż twierdzenie, że doskonaleniu strumienia energii zawsze towarzyszy doskonalenie mechanizmów kulturowych (co zrobił Fox). Wniosek Orwella jest niepodważalny. Natomiast stwierdzenie Foxa to po prostu parafraza deterministycznego poglądu wyrażonego dwa pokolenia wcześniej przez antropologa Lesliego White’a (1900 – 1975), który nazwał go pierwszym ważnym prawem rozwoju kultury: „Przy założeniu, że pozostałe czynniki pozostają niezmienne, stopień rozwoju kultury zależy bezpośrednio od ilości energii przypadającej na każdego pracującego mieszkańca rocznie” [White 1943, s. 346]. Możliwe, że takie kwestie jak fundamentalny komentarz Ostwalda czy wszechogarniający wpływ energii na strukturę i dynamikę ewoluujących społeczeństw (z całym szacunkiem dla Orwella) nie podlegają żadnej dyskusji, ale deterministyczne powiązanie między poziomem wykorzystania energii a kulturowymi osiągnięciami jest już dość wątpliwe. Wspomniany tu związek przyczynowy (lub jego brak) analizuję w ostatnim rozdziale tej książki.

Fundamentalna natura tej koncepcji jest czymś niekwestionowalnym. Oto co napisał na ten temat Robert Lindsay [1975, s. 2]:

Jeżeli potrafimy określić jednym słowem ideę, która ma zastosowanie do każdego aspektu naszej egzystencji, w taki sposób, aby poczuć, że naprawdę dobrze ją rozumiemy, to osiągnęliśmy coś ekonomicznego i potężnego. To właśnie się dzieje z ideą wyrażoną za pomocą słowa „energia”. Żadna inna koncepcja tak bardzo nie zunifikowała naszego zrozumienia tego zjawiska.

Czym jednak jest energia? Zaskakujące jest to, że nawet laureaci Nagrody Nobla mają ogromne trudności z udzieleniem satysfakcjonującej odpowiedzi na to pozornie proste pytanie. Richard Feynman (1918 – 1988) w swoich słynnych Wykładach zfizyki podkreślił: „Musimy zdać sobie sprawę z tego, że fizyka współczesna nie mówi właściwie, czym jest energia. Nie uważa się, że energia występuje w postaci małych porcji o określonej wielkości”2 [Feynman 1988, 4 – 1].

Wiemy jedynie, że materia to energia w stanie spoczynku i że energia manifestuje się na wiele różnych sposobów, a te rozmaite formy energii są powiązane poprzez liczne konwersje, z których wiele ma charakter uniwersalny, wszechobecny i nieustający, podczas gdy inne są konkretnie zlokalizowane, nieczęste i efemeryczne (rysunek 1.1). Zrozumienie tych zasobów, potencjałów i transformacji wzrosło i zostało usystematyzowane w XIX w., a później poszerzyliśmy je o nową wiedzę w XX w., gdy — co jest istotne w kontekście złożoności transformacji energii — odkryliśmy, jak uwolnić energię jądrową (teoretycznie pod koniec lat 30., a praktycznie przed 1943 r., gdy uruchomiono pierwszy reaktor) wcześniej, niż zrozumieliśmy, jak działa fotosynteza (której fazy zostały odkryte dopiero w latach 50.).

Rysunek 1.1

Macierz konwersji energii; tam, gdzie jest więcej możliwości, podano jedną lub dwie podstawowe transformacje

Ramka 1.1

Grawitacja iżycie na Ziemi

Zakres istnienia metabolizmu opartego na węglu jest zdefiniowany przez punkt zamarzania wody — która musi się znajdować w stanie ciekłym, aby cząsteczki organiczne mogły powstawać i wchodzić ze sobą w reakcje (dolna granica) — oraz przez temperatury i ciśnienie powodujące destabilizację aminokwasów i rozkład białek (górna granica). Strefa Ziemi, która może być stale zamieszkana — czyli promień orbitalny, w którym warunki życia na tej planecie są optymalne — jest bardzo wąska [Perkins 2013]. Niedawno obliczono, że znajdujemy się jeszcze bliżej granicy, niż sądziliśmy: Kopparapu wraz ze współpracownikami [2014] odkryli, że z perspektywy składu naszej atmosfery oraz ciśnienia Ziemia orbituje na wewnętrznej krawędzi strefy zamieszkania — tuż poza promieniem, w którym niekontrolowany efekt cieplarniany wywołałby nieakceptowalnie wysokie temperatury.

Do tego efektu nie doszło, ponieważ około dwóch miliardów lat temu dwutlenek węgla (CO2) został pochłonięty przez ocean, algi i archeony, ale gdyby nasza planeta znajdowała się zaledwie 1% dalej od Słońca, praktycznie cała woda zostałaby zamrożona w lodowcach. A nawet gdyby temperatury mieściły się w optymalnym zakresie, planeta nie byłaby w stanie zapewnić warunków do przetrwania wysoce zróżnicowanym formom życia bez swojej unikalnej atmosfery zdominowanej przez azot, wzbogaconej przez tlen z fotosyntezy i zawierającej wiele ważnych gazów śladowych, które regulują temperaturę na jej powierzchni. Z kolei ta cienka gazowa pokrywa nie mogłaby trwale istnieć, gdyby planeta nie była wystarczająco duża, aby wytworzyć siłę grawitacyjną przytrzymującą atmosferę na miejscu.

Rysunek 1.2

Szympans zwyczajny (Pan troglodytes) w Gabonie używający narzędzi do rozłupania orzechów (Corbis)

Ramka 1.2

Malejąca użyteczność przekształconej energii

Ta zasada dotyczy dowolnej formy przekształcania energii. Jeżeli czytelnik używa światła elektrycznego do oświetlenia tej strony, energia elektromagnetyczna tego światła jest tylko małą cząstką energii chemicznej zawartej w bryle węgla, która została użyta do jej wytworzenia (w 2015 roku 33% elektryczności w Stanach Zjednoczonych zostało wyprodukowanych przy udziale węgla). Co najmniej 60% energii węgla uległo stracie, zamieniając się w ciepło, które ulotniło się przez komin fabryczny i zostało schłodzone przez wodę. Jeżeli natomiast czytelnik używa starej jarzeniówki, to ponad 95% dostarczonej elektryczności kończy jako ciepło, ponieważ metal w zwojach żarnika opiera się prądowi elektrycznemu. Światło docierające do kartki jest przez nią wchłaniane albo odbijane i wchłaniane przez jej otoczenie, skąd jest ponownie odbijane w formie ciepła. Energia chemiczna węgla, charakteryzująca się niską entropią, została rozproszona jako ciepło o wysokiej entropii, które ogrzało powietrze wzdłuż kabli i wokół żarówki i spowodowało niedostrzegalny wzrost temperatury nad kartką. Żadna energia nie została utracona, ale jej wysoce przydatna forma została zdegradowana do takiego stopnia, że straciła ona swoją praktyczną użyteczność.

Ramka 1.3

Mierzenie energii imocy

Oficjalna definicja dżula (J) brzmi: praca wykonana przez siłę o wartości jednego niutona przy przesunięciu punktu przyłożenia siły o jeden metr. Podstawową jednostkę energii można też zdefiniować, określając wymagania dotyczące ciepła. Jedna kaloria (1cal) to ilość ciepła potrzebna do tego, aby podnieść temperaturę 1 cm3 wody o 1°C. Jest to bardzo niewielka ilość energii: uzyskanie takiego samego efektu dla 1 kg wody wymaga 1000-krotnie większej energii, a dokładnie 1 kilokalorii (1 kcal; pełną listę przedrostków wielokrotności znajdziesz w dodatku w podrozdziale „Podstawowe miary”). Pamiętając o stosunku ciepła do pracy, wystarczy tylko zamienić kalorie na dżule (jedna kaloria równa się mniej więcej 4,2 J). Zamiana jednostek jest równie prosta w przypadku wciąż jeszcze popularnej angielskiej niemetrycznej jednostki miary — brytyjskiej jednostki ciepła, bowiem jedna Btu zawiera mniej więcej 1000 J (a dokładnie 1055 J). Dobrym kryterium porównawczym jest średnie dzienne zapotrzebowanie na pożywienie. W przypadku większości dorosłych osób prowadzących umiarkowanie aktywny tryb życia jest to 2 – 2,7 Mcal, czyli około 8 – 11 MJ, a żeby dostarczyć organizmowi 10 MJ, można na przykład zjeść 1 kg pełnoziarnistego chleba.

W 1782 roku James Watt w swojej książce Blotting and Calculation Book obliczył, że koń zaprzężony do młyna pracuje w tempie 32 400 stopofuntów na minutę. Rok później zaokrąglił tę liczbę do 33 000 stopofuntów [Dickinson 1939]. Swoje obliczenia oparł na założeniu, że średnie tempo chodzenia konia wynosi około trzech stóp na sekundę, ale nie wiemy, dlaczego określił średni uciąg na poziomie około 180 funtów. Bywały zwierzęta, które miały aż tak dużą siłę, ale większość koni w XVIII-wiecznej Europie nie byłaby w stanie osiągnąć mocy jednego konia mechanicznego. Obecnie standardowa jednostka mocy — 1 wat (W) — jest równa przepływowi 1 dżula (J) w ciągu sekundy. Jeden koń mechaniczny jest równy mniej więcej 750 W (a dokładnie 745,699 W). Spożycie 8 MJ dziennie odpowiada mocy 90 W (8 MJ ÷ 24 h × 3600 s), czyli mniej niż wynosi moc standardowej żarówki (100 W). Podwójny toster potrzebuje mocy 1000 W, czyli 1 kW; małe samochody wytwarzają około 50 kW; a duża elektrownia węglowa lub jądrowa produkuje elektryczność na poziomie 2 GW.

Rysunek 1.3

Dwa konie obracają kołowrót, który pompuje wodę we francuskiej fabryce dywanów z połowy XVIII w. (reprodukcja z Encyclopédie [Diderot i d’Alembert 1769 – 1772]). W tamtych czasach typowy koń nie był w stanie pracować ze stałą mocą jednego konia mechanicznego. James Watt świadomie dokonał tego przeszacowania, żeby mieć pewność, że jego klienci, którzy w miejsce żywych zwierząt zamontują silniki parowe z mocą określoną w koniach mechanicznych, będą usatysfakcjonowani

Ramka 1.4

Gęstość energetyczna produktów spożywczych ipaliw

Klasyfikacja

Przykłady

Gęstość energetyczna (MJ/kg)

Produkty spożywcze

Bardzo niska

warzywa, owoce

0,8 – 2,5

Niska

bulwy, mleko

2,5 – 5,0

Średnia

mięso

5,0 – 12,0

Wysoka

płatki śniadaniowe i nasiona roślin strączkowych

12,0 – 15,0

Bardzo wysoka

oleje, tłuszcze zwierzęce

25,0 – 35,0

Paliwa

Bardzo niska

torf, zielone gałęzie, trawa

5,0 – 10,0

Niska

resztki pożniwne, drewno wysuszone na powietrzu

12,0 – 15,0

Średnia

suche drewno

węgiel kamienny

17,0 – 21,0

18,0 – 25,0

Wysoka

węgiel drzewny, antracyt

28,0 – 32,0

Bardzo wysoka

ropa naftowa

40,0 – 44,0

Źródło: Dokładna gęstość poszczególnych produktów spożywczych i paliw została podana w: Merrill, Watt [1973], Jenkins [1993] oraz USDA [2011].

Rysunek 1.4

Węglarstwo w Anglii na początku XVII w. przedstawione w książce Silva Johna Evelyna [1607]

Ramka 1.6

Zwiększanie sprawności iparadoks Jevonsa

Postęp techniczny przyniósł znaczącą poprawę wydajności w wielu obszarach, a historia oświetlenia jest jednym z najlepszych tego przykładów [Nordhaus 1998; Fouquet, Pearson 2006]. Świece przetwarzają w światło zaledwie 0,01% energii chemicznej łoju lub wosku. Żarówki stworzone przez Edisona w latach 80. XIX w. były mniej więcej 10-krotnie wydajniejsze. Na początku XX w. elektrownie opalane węglem miały sprawność na poziomie 10%, a żarówki zmieniały nie więcej niż 1% elektryczności w światło, co oznacza, że jedynie około 0,1% energii chemicznej węgla zmieniało się w światło [Smil 2005]. Obecnie najlepsze elektrownie z gazowymi turbinami w układzie kombinowanym (używające gorącego gazu wylotowego z turbiny gazowej do tego, aby wytworzyć parę do turbiny parowej) mają sprawność na poziomie około 60%, podczas gdy maksymalna sprawność świetlówek wynosi 15%, podobnie jak diod elektroluminescencyjnych (LED) [USDOE 2013]. To oznacza, że około 9% energii gazu ziemnego kończy jako światło — jest to 90-krotny zysk w porównaniu z końcem lat 80. XIX w. Tak duża poprawa pomogła zaoszczędzić kapitał, zmniejszyć koszty operacyjne, a także obniżyć negatywny wpływ działalności człowieka na środowisko.

Jednak w przeszłości wzrost sprawności konwersji nie zawsze przynosił realną oszczędność energii. W 1865 angielski ekonom Stanley Jevons (1835 – 1882) zauważył, że wprowadzeniu wydajniejszych silników parowych towarzyszył duży wzrost konsumpcji węgla. Doszedł on do następującego wniosku: „Kompletnym błędem jest zakładanie, że ekonomiczne zużycie paliw jest równoznaczne ze zmniejszeniem konsumpcji. W rzeczywistości jest zupełnie na odwrót. Zazwyczaj jest tak, że nowe systemy ekonomiczne prowadzą do zwiększenia konsumpcji zgodnie z zasadą zaobserwowaną w wielu analogicznych przypadkach” [Jevons 1865, s. 140]. Jego spostrzeżenie zostało potwierdzone przez wielu innych badaczy [Herring 2004, 2006; Polimeni i in. 2008], jednak w bogatych krajach — tych, w których wysokie wykorzystanie energii na mieszkańca doprowadziło lub może doprowadzić do osiągnięcia poziomu nasycenia — efekt ten słabnie. W rezultacie efekt odbicia wywołany wyższą sprawnością na etapie końcowym często jest niewielki, a z czasem maleje jeszcze bardziej. Z kolei pewne ogólnogospodarcze wzrosty mogą być nieistotne, a nawet przynosić pozytywne skutki netto [Goldstein, Martinez i Roy 2011].

Ramka 1.7

Porównanie zwrotu energii wprodukcji żywności

Od wczesnych lat 70. XX w. ludzie używają współczynników zwrotu energii do udowodnienia wyższości tradycyjnego rolnictwa nad współczesną gospodarką rolną, charakteryzującą się niskim zwrotem energii. Takie porównania są oparte na błędnym myśleniu, które nie uwzględnia zasadniczej różnicy między tymi dwoma współczynnikami. W przypadku tradycyjnego rolnictwa mamy do czynienia z prostym stosunkiem wartości energetycznej żywności zebranej podczas zbiorów do wartości energetycznej żywności i paszy potrzebnych do wyprodukowania tych zbiorów przy wykorzystaniu siły roboczej ludzi i zwierząt. Natomiast we współczesnym rolnictwie głównym mianownikiem są nieodnawialne paliwa kopalne potrzebne do zasilania urządzeń rolniczych, a także do produkcji tych urządzeń oraz środków chemicznych używanych do uprawy; wkład w postaci siły roboczej jest natomiast nieznaczący.

Jeżeli ograniczymy się do prostego porównania ilości spożywanej energii do nakładu pracy, okaże się, że współczesne systemy — z minimalnym wkładem siły roboczej człowieka i zerowym wkładem siły zwierząt pociągowych — są lepsze niż wszystkie tradycyjne praktyki. Gdyby jednak w koszcie wyprodukowania zboża uwzględnić również wszystkie przekształcone paliwa kopalne i elektryczność (sprowadzając je najpierw do wspólnego mianownika), zwrot energii we współczesnym rolnictwie byłby dużo mniejszy niż w rolnictwie tradycyjnym. Wykonanie takiego obliczenia jest możliwe dzięki fizycznej równoważności energii. Zarówno pożywienie, jak i paliwo można wyrazić w identycznych jednostkach. Pozostaje jednak oczywisty problem wynikający z porównywania dwóch fundamentalnie różnych kwestii: nie ma satysfakcjonującego sposobu na proste i bezpośrednie porównanie zwrotu energii w dwóch systemach rolnictwa, które są oparte na dwóch kompletnie różnych rodzajach nakładu energetycznego.

Ramka 1.8

Energochłonność popularnych materiałów

Materiał

Koszt energetyczny (MJ/kg)

Proces

Aluminium

175 – 200

metal z boksytu

Cegły

1 – 2

wypalane z gliny

Cement

2 – 5

z surowych materiałów

Miedź

90 – 100

z rudy

Materiały wybuchowe

10 – 70

z surowych materiałów

Szkło

4 – 10

z surowych materiałów

Żwir

< 1

wydobywany

Żelazo

12 – 20

z rudy żelaza

Drewno

1 – 3

z drzewostanu

Papier

23 – 35

z drzewostanu

Plastik

60 – 120

z węglowodorów

Sklejka

3 – 7

z drzewostanu

Piasek

< 1

wydobywany

Stal

20 – 25

z surówki hutniczej

Stal

10 – 12

ze złomu

Kamień

< 1

wydobywany

Źródło: Smil [2014b].

Ramka 1.9

Zwrot energii wobec energii inwestowanej

Różnice w jakości i dostępności paliw kopalnych są gigantyczne: spróbujmy na przykład porównać cienkie warstwy podziemnych pokładów niskojakościowego węgla z grubą warstwą dobrego węgla kamiennego, który można wydobywać w kopalniach odkrywkowych — albo supergigantyczne złoża paliw kopalnych na Bliskim Wschodzie z niskowydajnymi szybami, które wymagają ciągłego pompowania. Z tego powodu konkretne wartości EROEI znacząco się od siebie różnią i mogą się zmieniać wraz z powstawaniem coraz wydajniejszych technik wydobycia. Poniższe zakresy to tylko przybliżone wskaźniki, które pokazują różnice między czołowymi metodami wydobywania i konwersji paliwa [Smil 2008a; Murphy, Hall 2010]. Dla produkcji węgla mieszczą się one w zakresie 10 – 80, dla ropy naftowej i gazu mogą wynosić od 10 do sporo ponad 100; dla dużych turbin wiatrowych w najbardziej wietrznych lokalizacjach mogą sięgać 20, ale zwykle nie przekraczają 10; dla fotowoltaicznych ogniw słonecznych nie są wyższe niż 2; a dla współczesnych biopaliw (etanol, biodiesel) wynoszą w najlepszym razie tylko 1,5, chociaż ich produkcja często wiąże się ze stratami energii i z zerowym zyskiem netto (EROEI wynosi zaledwie 0,9 – 1,0).

Rozdział 2. Energia w prehistorii

Zrozumienie pochodzenia gatunku Homo i zapoznanie się ze szczegółowymi aspektami procesu ewolucji to misja, która nigdy się nie zakończy, ponieważ nowe odkrycia unieważniają wiele dawnych ustaleń i komplikują ogólny obraz sytuacji, zwłaszcza że nie wpasowują się za bardzo w istniejącą hierarchię [Trinkaus 2005; Reynolds, Gallagher 2012]. W 2015 r. najstarszymi wiarygodnie oszacowanymi szczątkami hominina były te należące do gatunku Ardipithecus ramidus (sprzed 4,4 miliona lat, odkryte w 1994 r.) i do gatunku Australopithecus anamensis (sprzed 4,1 – 5,2 miliona lat, odkryte w 1967 r.). Ważnym nowym odkryciem było to z 2015 r., gdy w Etiopii został znaleziony Australopithecus deyiremeda (sprzed 3,3 – 3,5 miliona lat) [Haile-Selassie i in. 2015]. Do młodszych homininów należą kolejno Australopithecus afarensis (wykopany w 1974 r. w Laetoli w Tanzanii i w Hadarze w Etiopii), Homo habilis (odkryty w 1960 r. w Tanzanii) oraz Homo erectus (gatunek ten powstał 1,8 miliona lat temu, a jego licznych przedstawicieli odkryto w Afryce, Azji i Europie, przy czym najmłodsze znaleziska pochodzą z okresu sprzed około 250 000 lat).

Ponowna analiza kości pierwszego Homo sapiens — chodzi tu o słynne odkrycia Richarda Leakeya dokonane w Etiopii w 1967 r. i w latach następnych — przyniosła nowe wnioski. Szczątki zostały datowane na okres sprzed około 190 000 lat [McDougall, Brown, Fleagle 2005]. Nasi bezpośredni przodkowie byli zatem prostymi zbieraczami-łowcami, a dopiero 100 000 lat temu pierwsze niewielkie populacje naszego gatunku zaczęły się osiedlać, co było konsekwencją udomowienia roślin i zwierząt. Oznacza to, że przez miliony lat strategie pozyskiwania żywności stosowane przez homininów przypominały te stosowane przez ich przodków czyli ssaki z rzędu naczelnych. Teraz dzięki datowaniu izotopowemu mamy już dowody z Afryki Wschodniej na to, że około 3,5 miliona lat temu dieta homininów zaczęła się różnić od tej, jaką stosowały pozostałe małpy człekokształtne. Sponheimer wraz ze współpracownikami [2013] wykazali, że po upływie tego czasu kilkanaście taksonów homininów zaczęło włączać do swojej diety żywność wzbogaconą o 13C (wytworzoną przez C4 albo w fotosyntezie CAM). Mieli oni wysoce zróżnicowaną kompozycję izotopów węgla, nietypową dla ssaków żyjących w Afryce. A zatem w pradawnych czasach żywiono się roślinami przeprowadzającymi fotosyntezę; we współczesnym rolnictwie dwie odmiany uprawne roślin C4 — kukurydza i trzcina cukrowa — przynoszą statystycznie większe zbiory niż dowolny inny gatunek uprawiany ze względu na ziarna lub zawartość cukru.

Pierwszym ewolucyjnym odejściem, które ostatecznie doprowadziło do powstania naszego gatunku, wcale nie były powiększenie się mózgu ani umiejętność budowania narzędzi, lecz dwunożność — strukturalnie nieprawdopodobna i niosąca ze sobą gigantyczne konsekwencje adaptacja, której początki sięgają czasów sprzed siedmiu milionów lat [Johanson 2006]. Ludzie są jedynymi ssakami, których naturalną sylwetką podczas chodzenia jest pozycja wyprostowana (inne ssaki naczelne robią to tylko okazjonalnie), stąd dwunożność może być postrzegana jako krytyczna przełomowa adaptacja, dzięki której ostatecznie staliśmy się ludźmi. Mimo to dwunożność — będąca zasadniczo sekwencją powstrzymywanych upadków — jest ze swej natury niestabilna i niezgrabna: „Ludzkie chodzenie to ryzykowna sprawa. Bez idealnego wyczucia, którego dokładność sięga ułamków sekundy, człowiek upadłby płasko na twarz; prawdę mówiąc, każdy wykonywany przez niego krok to balansowanie na krawędzi katastrofy” [Napier 1970, s. 165]. Oprócz tego, że jesteśmy bardziej podatni na urazy mięśniowo-szkieletowe, dwunożność powoduje również utratę masy kostnej, osteopenię (spadek gęstości kości poniżej normy) i osteoporozę [Latimer 2005] u osób w podeszłym wieku.

Zaproponowano wiele różnych odpowiedzi na oczywiste pytanie: „Dlaczego w takim razie to robimy?”. Niektóre z nich, w tym krótka argumentacja Johansona [2006], wydają się mało przekonujące. Sprawianie wrażenia wyższego po to, żeby zastraszyć drapieżników, nie przyniosłoby żadnego skutku w kontakcie z dzikimi psami, gepardami czy hienami, które nie boją się ssaków dużo większych od siebie. Chodzenie w wyprostowanej pozycji tylko po to, żeby wyglądać na wyższego, niepotrzebnie przyciągnęłoby uwagę drapieżników; sięganie po owoce z niskich gałęzi było możliwe bez rezygnacji z szybkiego biegania na czterech kończynach; a efekt ochłodzenia organizmu można było osiągnąć, odpoczywając w cieniu i szukając pożywienia tylko podczas chłodniejszych poranków lub wieczorów. Najlepszym wytłumaczeniem mogą być różnice w ogólnym zużyciu energii [Lovejoy 1988]. Hominini, podobnie jak wiele innych ssaków, większość swojej energii tracili na rozmnażanie się, jedzenie i zapewnianie bezpieczeństwa, a skoro dwunożność pomogła im osiągać te wszystkie cele, cecha ta została przyjęta na stałe.

Cytując Johansona [2006, s. 2]: „Naturalna selekcja nie może wykreować takiego zachowania jak dwunożność, ale może doprowadzić do wybrania tego zachowania, jeśli ono już się pojawiło”. Patrząc na to z węższej perspektywy, trudno stwierdzić, czy dwunożność przyniosła wystarczającą biomechaniczną przewagę, która przyczyniła się do jej rozpowszechnienia tylko ze względu na koszt energii chodzenia [Richmond i in. 2001]. Sockol, Raichlen i Pontzer [2007] zmierzyli koszt energetyczny spacerujących szympansów i dorosłych ludzi; odkryli, że u ludzi chodzenie kosztuje około 75% mniej energii niż chodzenie na czterech lub na dwóch kończynach u szympansów. Różnica ta jest rezultatem różnic biomechanicznych w anatomii i chodzie — przede wszystkim rozszerzonego biodra i dłuższych kończyn tylnych u ludzi.

Dwunożność rozpoczęła kaskadę gigantycznych zmian ewolucyjnych [Kingdon 2003; Meldrum, Hilton 2004]. Kiedy hominini zaczęli chodzić w wyprostowanej pozycji, zyskali swobodę do noszenia broni w rękach i zanoszenia jedzenia do siedlisk (wcześniej musieli spożywać je na miejscu). Dwunożność była niezbędna do wykształcenia większej zręczności dłoni i rozwinięcia umiejętności korzystania z narzędzi. Hashimoto i jego współpracownicy [2013] doszli do wniosku, że adaptacje, które umożliwiły używanie narzędzi, ewoluowały niezależnie od tych, które były potrzebne do wykształcenia dwunożności, ponieważ zarówno u ludzi, jak i u małp każdy palec ma osobną reprezentację w pierwotnej korze somatosensorycznej, tak samo jak jest fizycznie odseparowany od pozostałych palców u dłoni. Dzięki temu palce mogą być używane niezależnie od siebie w złożonych ruchach podczas używania narzędzi. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że bez dwunożności niemożliwe byłoby używanie korpusu ciała jako dźwigni, która przyspiesza działanie dłoni podczas wytwarzania i używania narzędzi. Dwunożność wyswobodziła również usta i zęby, umożliwiając im wykształcenie bardziej złożonego systemu przywoływania, który jest warunkiem wstępnym do powstania języka [Aiello 1996]. Wszystkie te formy rozwoju wymagały większych mózgów, których koszt energii z czasem zwiększył się aż 3-krotnie w porównaniu z mózgami szympansów i osiągnął poziom aż jednej szóstej całkowitego podstawowego tempa metabolizmu [Foley, Lee 1991; Lewin 2004]. Średni współczynnik encefalizacji (rzeczywista/szacowana masa mózgu podzielona przez masę ciała) wynosi 2 – 3,5 dla ssaków naczelnych i wczesnych homininów, natomiast u ludzi jest to nieco ponad 6. Trzy miliony lat temu Australopithecus afarensis miał mózg o pojemności niecałych 500 cm3; 1,5 miliona lat temu pojemność ta była 2-krotnie większa u Homo erectus, a potem wzrosła średnio jeszcze o 50% u Homo sapiens [Leonard, Snodgrass, Robertson 2007].

Wyższy współczynnik encefalizacji był kluczowy dla zwiększenia złożoności społecznej (która poprawiła szanse na przetrwanie i odróżniła homininów od innych ssaków) i był ściśle związany ze zmianami jakości spożywanego jedzenia. Zapotrzebowanie mózgu na energię jest mniej więcej 16 razy większe niż zapotrzebowanie mięśni szkieletowych, a mózg człowieka potrzebuje 20 – 25% energii metabolizmu spoczynkowego w porównaniu z 8 – 10% u innych ssaków naczelnych i jedynie 3 – 5% u pozostałych ssaków [Holliday 1986; Leonard i in. 2003]. Jedynym sposobem na utrzymanie dużego mózgu przy zachowaniu ogólnego tempa metabolizmu (metabolizm spoczynkowy u człowieka nie jest wyższy niż u innych ssaków o podobnej masie) było zmniejszenie masy innych tkanek o wysokich wymaganiach metabolicznych. Aiello i Wheeler [1995] wysunęli tezę, że zmniejszenie długości przewodu pokarmowego było najlepszą opcją, ponieważ masa jelit (w przeciwieństwie do masy serca czy nerek) może być bardzo różna w zależności od diety.

Fish i Lockwood [2003], Leonard, Snodgrass i Robertson [2007], a także Hublin i Richards [2009] potwierdzili, że istnieje ważna pozytywna korelacja między jakością diety a masą mózgu u ssaków naczelnych, a lepsza dieta homininów, zawierająca mięso, wspomagała większe mózgi, których wysokie zapotrzebowanie na energię było po części rezultatem skrócenia układu pokarmowego [Braun i in. 2010]. Podczas gdy u pozostałych ssaków naczelnych niebędących ludźmi ponad 45% masy przewodu pokarmowego stanowi jelito grube, a tylko 14 – 29% jelito cienkie, u ludzi ten stosunek jest odwrócony: jelito cienkie stanowi ponad 56%, a jelito grube tylko 17 – 25% masy przewodu pokarmowego, co wyraźnie świadczy o dostosowaniu się człowieka do spożywania wysokojakościowych produktów o dużej gęstości energii (mięsa, orzechów), które mogą być trawione w jelicie cienkim. Zwiększona konsumpcja mięsa pomaga również wyjaśnić przyrost masy ciała oraz większy wzrost człowieka, a także mniejsze szczęki i zęby [McHenry, Coffing 2000; Aiello, Wells 2002]. Jednak wzrost spożycia mięsa nie mógł zmienić podstaw energetycznych ewoluujących homininów: aby zdobyć dowolne pożywienie, musieli oni polegać wyłącznie na swoich mięśniach i stosowaniu prostych forteli podczas zbierania, wygrzebywania, polowania i łowienia.

Kiedy zastanawiamy się nad genezą pierwszych drewnianych narzędzi (kijów i maczug), niemożliwe się wydaje, że tylko te z nich, które zachowały się w warunkach beztlenowych (głównie w torfowiskach), zdołały przetrwać bardzo długie okresy. Rozkład nie stanowi problemu w przypadku twardych kamieni używanych do wytwarzania prostych narzędzi, a nowe odkrycia przesunęły do tyłu datę najwcześniejszych weryfikowalnych kamiennych narzędzi używanych przez homininów. Przez kilka dekad zgodnie twierdzono, że najwcześniejsze kamienne narzędzia pochodzą mniej więcej sprzed 2,5 miliona lat. Te stosunkowo małe i proste, charakterystyczne dla kultury olduwajskiej tłuki zbudowane z otoczaków (rdzenie z krawędzią), siekiery i narzędzia odłupkowe znacząco ułatwiły oprawianie zwierząt i łamanie ich kości [de la Torre 2011]. Jednak najnowsze odkrycia w znalezisku Lomekwi w zachodniej Turkanie w Kenii spowodowały przesunięcie daty powstania najstarszych znanych kamiennych narzędzi do około 3,3 miliona lat [Harmand i in. 2015].

Około 1,5 miliona lat temu hominini zaczęli wydobywać większe odłupki, z których byli w stanie wytworzyć dwustronne pięściaki, nacinaki i rozłupce w stylu tych z kultury aszelskiej (1,2 – 0,1 miliona lat temu). Jeden odłupek uzyskany poprzez odpowiednie uderzenie w płaszczyznę surowiaka miał ostre krawędzie tnące o długości nieprzekraczającej 20 cm, a metoda ta pozwalała na wytworzenie wielu ręcznych narzędzi z kamienia (rysunek 2.1). Drewniane włócznie były niezbędne do polowania na większe zwierzęta. W 1948 r. w Niemczech odkryto niemalże kompletną włócznię w szkielecie słonia, którą datuje się na pierwszy interglacjał (125 000 – 115 000 lat temu), a w 1996 r. w odkrywkowej kopalni węgla brunatnego w Schöningen znaleziono włócznie rzucane, których wiek określono na 380 000 – 400 000 lat [Thieme 1997]. Szacuje się, że mocowanie kamiennych grotów do drzewców nastąpiło około 300 000 lat temu.

Rysunek 2.1

Aszelskie narzędzia kamienne, które jako pierwszy stworzył Homo ergaster, zostały uformowane przez odłamanie kamiennych odłupków i wykorzystanie ich krawędzi tnących jako ostrzy (Corbis)

Ramka 2.1

Zużycie drewna podczas przyrządzania mięsa na ogniu

Realistyczne założenia dla określenia wiarygodnego maksimum zużycia drewna podczas przyrządzania mięsa na ogniu w okresie paleolitu górnego [Smil 2013a] są następujące: średnia energia przyjmowana w pokarmach to 10 MJ na osobę (dotyczy dorosłych osobników, dlatego liczba ta jest wyższa niż średnia dla całych populacji), przy czym mięso stanowi 80% (8 MJ) całkowitego spożycia; gęstość energetyczna tuszy zwierzęcej to 8 – 10 MJ/kg (typowa dla mamutów, natomiast dla dużych ssaków kopytnych jest to 5 – 6 MJ/kg); średnia temperatura otoczenia 20°C w ciepłym klimacie i około 10ºC w klimacie chłodniejszym; temperatura mięsa po obróbce cieplnej 80°C (77°C wystarcza, żeby było dopieczone); pojemność cieplna mięsa około 3 kJ/kg×°C; wydajność gotowania na otwartym ogniu jedynie 5%; a średnia gęstość energetyczna drewna suszonego powietrzem 15 MJ/kg. Obliczenia na podstawie tych założeń przynoszą średnie dzienne spożycie na poziomie niecałego 1 kg mięsa mamuciego na osobę (i około 1,5 kg mięsa dużego ssaka kopytnego) oraz dzienne zapotrzebowanie na około 4 – 6 MJ drewna. W skali roku będzie to 1,5 – 2,2 GJ albo 100 – 150 kg drewna (częściowo świeżego, a częściowo wysuszonego). To oznacza, że globalne zapotrzebowanie dla 200 000 ludzi, którzy żyli 20 000 lat temu, wynosiło 20 000 – 30 000 t, co stanowiło nieistotny odsetek (rzędu 10-8) drzewnej fitomasy dostępnej w czasach przed nastaniem rolnictwa.