И поезда, и железнодорожные пути сделаны из железа, самого важного для нашей цивилизации металла[74]. Первые металлы, которыми стали пользоваться люди – золото, медь и бронза (сплав меди и олова), – слишком мягкие, чтобы в большинстве случаев стать заменой каменным и деревянным инструментам. Использование железа произвело революцию и в военном деле, и в земледелии. Почувствуйте разницу: вспахать землю деревянным плугом – или железным. Благодаря железным инструментам стало проще обрабатывать землю, строить дороги, рубить и резать дерево. В сочетании с железным оружием, таким как наконечники стрел и мечи, этот металл мог подарить значительные преимущества тем, кто освоил его раньше соседей[75].
Без железа дыхание бессмысленно
Железо не только играет важную для нашего общества роль. Оно является важнейшим элементом транспортной системы нашего тела. В теле взрослого человека около четырех граммов атомов железа[76] – этого хватит на гвоздь средних размеров, – и железо в организме необходимо нам для решения жизненно важной задачи.
Чтобы жить, мне необходимо дышать. Кислород нужен всем клеткам моего тела. Когда я делаю вдох, в мои легкие попадает кислород, однако надо каким-то образом доставить его всем клеткам. И тут в игру вступает железо. В отличие от золота, предпочитающего держать свои электроны при себе, железо – щедрое, оно охотно отдаст пару своих электронов. Поэтому между железом и кислородом возникает тесная дружба: кислород жаждет принять дополнительные электроны от других элементов.
В моих легких – там, где кровь встречается с воздухом, – кислород пользуется шансом соединиться с атомами железа, связанными с молекулами крови. Таким образом кислород перемещается с кровью по телу. В моих клетках есть и другие молекулы – они уговаривают железо и кислород снова расстаться, и дальше железо в одиночестве идет по кровеносным сосудам к сердцу, где его перегонят обратно в легкие за новой порцией кислорода. Без железа в крови было бы совершенно не важно, сколько я вдыхаю, ведь я не могла бы воспользоваться кислородом, который с таким усердием вдохнула в легкие. Вот почему я должна принимать препараты железа в течение нескольких недель каждый раз, когда выступаю донором и сдаю пол-литра своей крови. Новые клетки крови тело производит с легкостью, а вот вырабатывать железо оно не умеет.
Если железо отдало электроны кислороду, для того чтобы вновь отделить друг от друга эти химические элементы, потребуется много энергии. Прошло немало времени, прежде чем люди узнали, как разрушить эту связь и возвращать атомам железа их электроны, а это необходимо для того, чтобы металл стал пригодным для изготовления оружия и инструментов.
На пороге железного века
Три с половиной тысячи лет назад египетского фараона Тутанхамона похоронили с железным кинжалом. Долгое время происхождение кинжала и других очень древних железных предметов, обнаруженных не только в Египте, но и в других уголках мира, оставалось большой тайной. Ведь технологии, необходимые для производства железа, из которого сделаны эти предметы, появились примерно на тысячу лет позже[77].
Разгадка обнаружилась за пределами нашей планеты. Металл кинжала Тутанхамона не с Земли.
По космосу летает множество мелких и крупных астероидов: они состоят из железа с примесью никеля и не подвергаются воздействию воды или кислорода. Поэтому железо в них не ржавеет и способно навечно сохранить металлический блеск. Порой астероиды падают на Землю в виде метеоритов – их подбирают и превращают в кинжалы и другие предметы. Таким и было первое железо, оказавшееся в распоряжении людей. Вероятно, все подобные древние предметы сделаны из метеоритного железа[78].
На Земле крайне мало мест, где природное железо не образует соединений с другими элементами и встречается в металлической форме. Одно из таких месторождений находится в Гренландии – там содержащая железо лава пробилась сквозь земную кору очень-очень давно[79]. Продвигаясь наверх, лава прошла слой угля – остатки доисторических растений, состоящие почти исключительно из углерода. Углерод обладает полезным свойством: он отдает свои электроны еще активнее, чем железо. В результате, когда связанные атомы железа и кислорода, содержащиеся в кипящей горячей лаве, вступают в реакцию с имеющимся в угле углеродом, углерод передает атомам железа свои дополнительные электроны. Углерод и кислород, образовав диоксид углерода, уходят в атмосферу, а железо остается в виде слоя металла – для нас это готовое сырье.
Здесь и кроется ключ к производству металлического железа – до того как шагнуть в железный век, людям приходилось его искать. Железа вокруг нас много (оно составляет около 4 % земной коры), но практически все оно образует связи с кислородом. Железную руду превращают в металл, смешивая с углем и нагревая до тех пор, пока уголь не загорится. Углерод из горящего угля вступает в реакцию с железной рудой, отдает электроны и крадет кислород – остается железо в металлической форме[80].
Когда люди начали изготавливать железо, выросла и потребность в древесине. Когда древесину нагревают в закрытых ямах, куда не поступает кислород, она превращается в уголь, пригодный для производства железа. Из-за этого значительно возросла нагрузка на близлежащие леса – типичный, но неблагоприятный побочный эффект. Сегодня для производства железа используют ископаемый уголь. Его извлекают из земли, так что необходимость рубить деревья для выполнения этой задачи отпала. Угольные шахты поспособствовали спасению многих лесов мира от участи оказаться в углежогной яме. И параллельно углерод, выпускаемый в атмосферу во время сжигания ископаемого угля, нагревает нашу планету. При производстве каждой тонны железа образуется примерно полтонны диоксида углерода[81]: углерод берется из угля, а кислород – из железной руды. В долгосрочной перспективе это представляет еще большую угрозу лесам и экосистемам, чем вырубка в прежние времена.
Шведское железо
Углем, необходимым для производства железа, нас снабжают леса прошлого, а сама железная руда появилась благодаря организмам, жившим еще раньше. Почти вся железная руда, добываемая нами сегодня, ведет свое происхождение от ржаво-красных запасов оксида железа, появившихся на дне океана, когда начался процесс фотосинтеза и океаны заржавели, – это случилось примерно 2,5 миллиарда лет назад[82]. Сегодня эти месторождения в виде горизонтальных слоев располагаются близко к поверхности, а потому подходят для открытой разработки. Закрывающие железную руду землю и породу извлекают и откладывают в сторону: огромные машины выламывают руду из гигантских ям на поверхности, имеющих форму чаши, – это одни из крупнейших сооружений, созданных человеком.
Так как железо – столь часто встречающийся химический элемент, также существуют месторождения руды, образовавшиеся другими способами. Одно из самых важных находится в Скандинавии. Туда можно добраться на поезде из Осло – сначала в Стокгольм, а затем двигаться на север чуть больше 15 часов. И город Кируна, и ведущую в него железную дорогу построили для того, чтобы добывать железо из породы, которая находится на севере Швеции[83].
Богатые месторождения железной руды в той области, где сегодня располагается город Кируна, известны давно. Тем не менее эта часть Северной Швеции вплоть до конца XIX века пребывала в запустении. Из-за высокого содержания фосфора в железной руде для мирового рынка она была практически бесполезной, однако, когда был открыт способ извлечения фосфора из железной руды, шведская руда превратилась в пользующееся спросом сырье.
Перевозка руды в санях на оленях с отдаленного месторождения в Кируне до порта Лулео в Ботническом заливе могла занять несколько дней. Часто зимой нарастал толстый слой льда, а потому руду приходилось сваливать на суше до тех пор, пока вода не очистится и не появится возможность перевезти груз дальше в Европу. Поэтому весной 1898 года шведский риксдаг принял решение проложить железную дорогу, которая свяжет Кируну и с Лулео, и норвежским портом Нарвик. Благодаря крупным вложениям руду можно поставлять на мировой рынок круглый год. Строительство привлекло тысячи шведов, норвежцев и финнов, стремившихся заработать денег в шахте, на строительстве железной дороги, ну или с помощью занятий другого рода, сопровождающих подобную деятельность, – в сфере ремесел, торговле спиртным или проституции. После скромного начала Кируна быстро превратилась в настоящий город, где были и школы, и больницы, и пожарные части.
Железную дорогу достроили в 1902 году, и Кируна утвердилась как важный для всей Европы источник железной руды. Одним из крупнейших покупателей была Германия, а накануне Второй мировой войны от этих поставок Гитлер зависел полностью. Из Кируны шло больше половины железа, необходимого для производства танков, бомбардировщиков и оружия для немецкой армии. Захватив 9 апреля 1940 года и Норвегию, и Данию, Германия обеспечила безопасность линий поставок, и перевозка грузов из Кируны в Германию шла вплоть до 1944 года, пока ее не остановили союзники[84].
Железо Кируны – из магмы, которая когда-то в прошлом проникла в земную кору[85]. Пока магма медленно остывала в полостях, созданных в породе ею самой, образовались кристаллы содержащих железо минералов, и они опустились на дно магматического бассейна. Так железо отделилось от других химических элементов, содержащихся в магме. Сегодня в глубине породы дно древнего магматического бассейна резко идет под уклон. Поэтому Кируна – один из немногих в мире крупных железных рудников, где руду выкапывают под землей. В глубине породы в пластах руды пробуривают большие тоннели, пока порода не треснет, – руда падает сверху, раскалывается при падении, ее грузят в машины и вывозят на поверхность. Там содержащие железо минералы сортируют и грузят в железнодорожные вагоны.