Біохімія полум’я
Дихати вогнем непросто. По-перше, тіло дракона повинно виробляти і зберігати певну летючу речовину. Потім йому потрібно було б викидати цю речовину на високій швидкості, на кшталт відрижки, але більш тривалим і організованим способом. Нарешті, дракону потрібно було б підпалювати це паливо, щойно воно залишало б його тіло. Дракон також має бути вогнестійким як зовні, так і зсередини, щоб вижити у власному полум’ї. Чи можлива така конструкція? Давайте розберемося.
По-перше, паливо. У багатьох тварин вже є горюча сполука, яка утворюється всередині: метан. Метан виробляється мікробами в кишківнику багатьох тварин, коли вони розщеплюють частково перетравлену їжу. Ми встановили, що дракони, ймовірно, мали б повітряні мішки для зберігання кисню, необхідного для роботи їхніх м’язів. Можливо, подібні мішки могли б еволюціонувати і для збору метану. Ми можемо визначити, скільки метану потрібно було б зберігати нашому дракону, порівнявши його потужність з потужністю вогнемета.
З повним баком пального вогнемет X15 може вести вогонь на відстані до 14 м протягом цілої хвилини. Підходить будь-яка горюча рідина, але найкращу дальність стрільби забезпечує суміш 75% бензину і 25% гасу. Якщо підрахувати енергію, що виділяється при згорянні повного 13,25-літрового баку цієї суміші, ми отримаємо приблизно 460 МДж.
Припустимо, наш дракон може дихати вогнем до хвилини з такою ж потужністю, як у X15 (або значно довше з меншою потужністю). Це означає, що йому потрібно вивільнити 460 МДж енергії, що еквівалентно спалюванню 8,3 кг метану.
І тут виникає проблема. При температурі тіла 38°C і нормальному атмосферному тиску така кількість метану займе 13 000 літрів (13 кубічних метрів) простору. Це 73% об’єму типового сірого кита, тільки для паливного мішка. Безумовно, забагато, навіть для дракона!
Дракон міг би стиснути його до 970 літрів – приблизно на п’яту частину від розміру слона – але для цього знадобився б великий тиск — біля 13 атмосфер. Навіть якби метановий мішок був приблизно сферичним, щоб мінімізувати площу його поверхні, дракону все одно довелося б докласти близько 652 тонн сили, щоб стиснути його. Для порівняння, слон може підняти близько 9 тонн.
Що ж, не так вже й погано для нашого першого дракона. Є кілька очевидних недоліків, але, принаймні, ми змусили його дихати вогнем! Про підпалювання ми поговоримо трохи пізніше. Жоден дракон не обходиться без імені, тож, можливо, ми можемо назвати нашу велику, громіздку істоту Megalomethane.
Megalomethane зіткнувся б з іншими проблемами, окрім своєї надзвичайної могутності. Його великий розмір створить значні сили опору під час польоту, а газоподібний метан буде розлітатися при викиді. Такі вогневі атаки, що швидко розсіюються, було б важко прицільно вести. Загалом, не дуже практична анатомія. Нам потрібен більш ефективний метод створення полум’я. Наприклад, що, якби наш дракон міг перетворювати свій газоподібний метан на рідкий метанол.
Метанол зайняв би набагато менше місця, ніж метан (лише 25,8 літра), і як рідину його було б набагато легше виводити контрольованим способом. Отже, чи може жива істота перетворити метан на метанол всередині себе? Коротка відповідь: це складно.
Хімічне рівняння створення метанолу з метану досить просте. Поєднайте два молі метану з одним молем кисню, і ви отримаєте два молі метанолу приблизно в 5% випадків — це звучить не дуже, але означає, що у вас вийде один раз з 20 спроб.
Виробництво метанолу генерує тепло, яке має якось покинути тіло нашого дракона. Вогнетривкий дракон мав би неймовірно добре ізольоване тіло, тому тепло повинно виходити переважно за допомогою конвекції. Іншими словами, повітря зсередини дракона виходило б назовні, несучи з собою тепло. Щодня нашому дракону потрібно було б відводити стільки ж тепла, скільки він виробляв. Кількість тепла, яку він міг би віддати за день, залежить від площі поверхні мішка для утворення метанолу. Оскільки ця реакція вимагає щонайменше 50 атмосфер тиску, площа поверхні паливного мішка також покаже нам, з якою силою наш дракон мав би на нього тиснути.
Маючи правильну формулу, ми можемо пов’язати силу дракона з мінімальною кількістю часу, який знадобиться для виробництва достатньої кількості метанолу для його хвилинного видихання полум’я без перегріву.
Відповідь? 86 268 секунд, або близько одного дня. Не так вже й погано для дракона.
Перевернувши формулу, давайте подивимося, наскільки сильним повинен бути дракон, щоб виробляти достатньо метанолу за день. Якби наш дракон виробляв 436 МДж метанолу на день, припускаючи оптимальний конвективний теплообмін, йому потрібно було б прикласти понад 130 000 ньютонів сили до свого газового мішка. Це все одно залишає нашого дракона в 1,5 рази сильнішим за слона, але принаймні його вогневі атаки були б точнішими, ніж у Megalomethane.
Справа навіть трохи краща, бо розрахунки проводились за припущення, що метанол виробляється при кімнатній температурі. Насправді температура тіла дракона була б трохи вищою, а це означає, що він міг би або виробляти метанол ще швидше з тією ж силою, що й слон, або виробляти таку ж кількість метанолу, але з трохи меншим навантаженням на м’язи.
Що ж означає для нашого дракона виробляти стільки метанолу на день? Згідно з підрахунками, він мав би виробляти метан у 676 разів швидше, ніж корови, які і так є найбільш газонасиченими тваринами в реальному світі.
Звичайно, не весь метан повинен надходити від нашого дракона. У деяких сценаріях він міг би також вдихати метан з повітря. Наприклад, він міг би жити десь на болоті, де повітря має високу концентрацію метану. Однак у такому середовищі існування дракон буде постійно наражатися на небезпеку підпалити навколишнє середовище. Кращим варіантом було б регулярно відвідувати болота і дозаправлятись.
Ось ще одна переконлива ідея: що, якби наш дракон тримав навколо себе худобу в погано провітрюваному приміщенні, скажімо, в печері? Якби він захопив багато корів або іншої здобичі, багатої метаном, тримав їх у пастці в печері і давав їм випускати газ, поки вони не помруть від голоду, він міг би вдихати їхній метан, щоб підживлювати своє вогняне дихання. Після цього він міг з’їсти корів, коли вони помирали. Така дієта, хоч і жахлива, забезпечила б нашого дракона ще однією корисною речовиною: залізом.
Останнє, що нам потрібно для того, щоб наш дракон заправлявся метанолом — це каталізатор. Каталізатори — це речовини, які дозволяють хімічним реакціям відбуватися швидше або за інших умов, ніж зазвичай.
Так сталося, що залізо, вбудоване в графен, є каталізатором реакції метану та кисню з утворенням метанолу. Воно дозволяє цій реакції відбуватися навіть при кімнатній температурі. М’ясо багате на залізо, тому дракон з м’ясною дієтою міг би використовувати частину кров’яного заліза, яке він поглинув з м’яса, для створення власного графенового каталізатора.
Єдиним іншим інгредієнтом для цього графену був би вуглець, який дракон міг би отримати практично з будь-якої органічної речовини. Графен — надтонкий матеріал, товщиною всього в один атом. Це також найміцніший матеріал, відомий науці, тому використання графену для вистилання газового мішка дракона допомогло б йому витримати величезний тиск, який чинять на нього м’язи звіра. Графен також добре проводить тепло, тому він не заважав би газовому мішку охолоджуватися.
Крім того, графен дає чудове ім’я для нашого гіпотетичного дракона: Графено-гребневий Небовогонь.
Тепер у нашого дракона є паливо, але воно не дуже корисне, якщо немає способу його запалити. Можливо, у нього в горлі або в роті є якийсь природний кремінь, і він може зішкребти його, щоб викресати полум’я. Або ж він може ковтати дрібні камінці, як це роблять деякі птахи, і зішкрябувати їх, щоб запалити.
Або ж дракон може використовувати той самий спосіб запалювання, що й вогнемет X15. Він використовує стиснений вуглекислий газ, щоб викидати паливо настільки швидко, що воно загоряється від тертя об контейнер. Вогнемет використовує вуглекислий газ, тому що він незаймистий. Ви ж не хочете випадкового спалаху в недозволеному місці! X15 використовує 600 мл балон з вуглекислим газом під тиском більше 5000 КПа. Наш дракон міг би мати ще один газовий мішок об’ємом 6 літрів для вуглекислого газу і використовувати свої надміцні м’язи для його стиснення. Однак, його сила повинна була б збільшитися в 9,8 разів у порівнянні зі слоном, щоб отримати таку ж дальність польоту полум’я, як у X15, — 14 метрів.
Незалежно від того, чи використовує він метан чи метанол, наш вогнедишний дракон повинен бути непропорційно сильним для свого розміру. Ця неймовірна сила могла б виникнути, якби він виробляв більше гормонів, що підвищують силу, і менше інгібіторів сили, ніж інші тварини. Крім того, він міг би мати м’язи, подібні до членистоногих і молюсків. М’язи цих організмів можуть виробляти більше сили на одиницю площі, ніж м’язи хребетних. Винятково ефективні м’язи могли б також допомагати дракону літати з додатковою вагою палива.
То ми закінчили? Вогнедихання можливе!
Зачекайте, не так швидко.
Є кілька біохімічних питань, які потрібно вирішити. Почнемо з того, що метанол токсичний, і він може поглинатися через контакт з тілом тварини.
Коли це відбувається, метанол окислюється певним ферментом з утворенням формальдегіду, котрий потім знову перетворюється на мурашину кислоту. Ця мурашина кислота може накопичуватися в крові, зупиняти роботу деяких клітин і спричиняти такі проблеми, як пошкодження нервів. Що ще гірше, це не єдиний токсин, який виробляє дракон, що вивергає метанол. Інші вторинні реакції вловлюють частину тепла дракона. Так от, ці реакції також створюють чадний газ, що сам по собі надзвичайно отруйний.
Ого! Чи означає це, що найсильніша зброя нашого дракона також стане його погибеллю? Не обов’язково.
На щастя, існує хімічна речовина під назвою фомепізол, яка зупиняє ферменти від утворення формальдегіду. Фомепізол складається із загальнодоступних вуглецю, азоту та водню, які є у великій кількості в природі. Тож, можливо, дракон міг би виробляти цю хімічну речовину природним шляхом, щоб захистити себе від отруєння метанолом.
Що стосується чадного газу, то існують мікроби, які можуть споживати цей токсичний газ для отримання енергії і виробляти замість нього органічні сполуки. Можливо, мікробіом дракона міг би включати таких мікробів, щоб захистити його від отруєння чадним газом. Насправді, деякі з цих мікробів використовують процес під назвою “метаногенез”, який бере чадний газ і воду та перетворює їх на метан і вуглекислий газ.
Метан і вуглекислий газ — це продукти, які наш дракон може використовувати як паливо для своїх вогняних атак.
Тут є одна остання пастка, яка полягає в тому, що метаногенез генерує тепло і створить більше тепла для дракона, ніж він зможе випустити через конвекцію. Це означає більший паливний мішок і трохи більше м’язових зусиль. На щастя, не весь монооксид вуглецю потрібно було б перетворювати. Мікроби перетворять лише ту частину, яка в іншому випадку була б поглинута клітинами, що вистилають внутрішні органи дракона. Цей фактор допомагає утримувати рівень “додаткового тепла” під контролем.
Ось так, з правильним мікробіомом, дракон міг би буквально перетворити отруту на енергію.
