Два миллиарда тонн CO₂ в год — учёные оценили масштаб человеческого дыхания

За 1985-2015 годы производство углекислого газа организмами людей выросло на 74%, главным образом из-за увеличения населения

Когда мы завтракаем, идём на работу или спим, клетки продолжают использовать питательные вещества для получения энергии. Один из продуктов этого процесса — углекислый газ, который выводится с выдохом.

На уровне одного человека это обычная физиология. На уровне миллиардов людей возникает большой поток вещества, который можно измерить и включить в модели углеродного цикла. Именно его оценивала международная команда под руководством профессора Хавьера Гонсалеса из Университета Бата.

Как измерили обмен веществ тысяч людей

Исследователи использовали 9006 измерений у 6756 человек в возрасте от рождения до 101 года. Данные собирались в 1986-2019 годах и вошли в международную базу Международного агентства по атомной энергии. Это измерения у людей разных возрастов, а не наблюдение за каждым участником на протяжении всей жизни.

В основе базы — метод дважды меченой воды. Участник выпивает воду, обогащённую стабильными изотопами водорода и кислорода. Изотопы — разновидности одного химического элемента, различающиеся массой атомов. Используемые в этом методе метки нерадиоактивны.

Далее исследователи отслеживают, как быстро метки покидают организм. Водородная метка выходит преимущественно с водой, кислородная — с водой и углекислым газом. Разница позволяет рассчитать, сколько CO₂ образовалось за период наблюдения. Человеку при этом не нужно постоянно находиться в лаборатории или дышать через измерительный прибор.

Полученные оценки связали с массой тела и полом, затем объединили с демографической статистикой. Так индивидуальные измерения стали основой для расчёта глобального потока CO₂.

Почему общий объём вырос на 74%

По модели авторов, в 1985 году человеческий метаболизм обеспечивал образование примерно 1,18 млрд тонн CO₂ в год. В 2015-м показатель достиг 2,05 млрд тонн. Прирост составил около 870 млн тонн, или 74%.

Более 60% этого увеличения исследователи связали с ростом численности населения. Изменения массы тела тоже внесли вклад, но были менее значимым фактором.

Здесь легко допустить ошибку: перенести рост общего показателя на каждого человека. Исследование не означает, что отдельный житель планеты стал производить на 74% больше углекислого газа. Основная причина увеличения суммарного потока — людей стало больше.

И ещё одна существенная деталь: 2,05 млрд тонн относится к 2015 году. Дату публикации исследования нельзя подставлять вместо года, для которого рассчитана эта величина.

Откуда берётся углекислый газ при дыхании

Углерод в выдыхаемом CO₂ поступает прежде всего из пищи. Когда клетки используют органические вещества для получения энергии, часть содержащихся в них атомов углерода оказывается в молекулах углекислого газа.

Проследим этот путь на примере хлеба. Сначала пшеница поглотила CO₂ и с помощью солнечной энергии использовала его углерод для образования органических веществ. Затем зерно стало пищей. После усвоения и обмена веществ часть этого углерода вернулась в атмосферу с выдохом.

Так человек участвует в быстром углеродном цикле — обмене углеродом между атмосферой и живыми организмами. Слово «быстрый» здесь отличает этот обмен от геологических процессов, занимающих миллионы лет.

Одинаковая молекула, разная история углерода

Молекула CO₂ из человеческого выдоха обладает теми же физическими свойствами, что и молекула CO₂ из автомобильного выхлопа. У «биологического» углекислого газа нет особой способности обходить парниковый эффект.

Различие возникает при учёте полного пути углерода.

В случае пищи растения сравнительно недавно забрали его из окружающей среды. Дыхание возвращает часть этого углерода обратно. При сжигании угля, нефти и газа высвобождаются запасы, которые были выведены из быстрого обмена и хранились под землёй миллионы лет.

Поэтому большой объём выделяемого CO₂ ещё не показывает, насколько увеличилось его количество в атмосфере. Для этого необходимо учитывать и поступление, и поглощение углерода.

Именно здесь меняется смысл громкой цифры: два миллиарда тонн описывают масштаб обмена веществ. Их нельзя автоматически записать как два миллиарда тонн дополнительного накопления CO₂.

При этом производство пищи имеет собственное климатическое воздействие. Использование топлива и изменение землепользования способны увеличивать поступление углерода в атмосферу. Круговорот пищевого углерода через организм не отменяет этих процессов.

Почему дыхание особенно интересно исследователям городов

На глобальном уровне важно учитывать весь круговорот. На уровне города появляется ещё и вопрос: где именно углерод поглощается и где возвращается в воздух.

Представим продукты, выращенные за сотни километров от мегаполиса. Растения поглощали углерод в одном месте, а после употребления пищи часть его выделяется там, где живут люди. Поэтому плотность населения может иметь значение для локальных измерений.

Авторы отмечают, что человеческий метаболизм особенно заметен в густонаселённых городах. Его учёт может помочь точнее разделять источники CO₂ и интерпретировать наблюдения за движением углерода.

Практическая ценность работы связана прежде всего с качеством моделей: насколько полно они описывают реальные потоки вещества и позволяют оценивать изменения этих потоков.

Где заканчивается точность расчёта

Два миллиарда тонн — результат моделирования на основе измерений и статистики. Это не прямое измерение дыхания всего населения Земли.

У базы есть ограничения по представленности разных популяций. Кроме того, модель учитывала массу тела, но не разделяла её на жировую и безжировую составляющие. Авторы также отмечают неопределённость исходных данных и допущений. Поэтому число 2,05 млрд тонн следует воспринимать как оценку, а не как величину, известную с абсолютной точностью.

Дальнейшая работа может включать расширение данных о недостаточно представленных группах населения и уточнение моделей. Это позволит лучше описывать человеческий вклад в движение углерода.

Для повседневной жизни исследование не даёт основания меньше двигаться или менять питание ради сокращения выдыхаемого CO₂. Авторы отдельно подчёркивают, что задача работы — улучшить учёт углерода.

Человеческое тело постоянно участвует в обмене веществ между живой природой и атмосферой. Чтобы понять климатическое значение любого потока CO₂, необходимо знать, откуда пришёл углерод, сколько его было поглощено и сколько в итоге осталось в воздухе.