Материал из библиотеки сайта, раздел «Представления о биологии дракона»

В. В. Горошков
Статья написана в рамках объединения «Российский институт драконологии»
7 марта 2011 года

1. Вступление

Одним из постоянно указываемых признаков драконов является способность извергать пламя. Эта способность приписывалась драконам в ряде мифов и в конечном итоге вместе с эволюцией образа прочно обосновалась среди современных свойств дракона. Под огнедыханием понимается извержение из отверстий, расположенных на голове дракона, непосредственно огня либо веществ, создающих его. Такими отверстиями являются нос или рот, через которые дракон дышит.

В данной статье рассматривается современная модель дракона — биологический живой организм, характерными признаками которого являются:
а) наличие шести конечностей, из которых средние — это хироптерные крылья;
б) способность к полёту с помощью крыльев.

Дракон рассматривается как способный летать при нормальных условиях Земли (даже в случае крупных размеров модели).

Объяснение, которое даётся механизму огнедыхания во многих фантастических произведениях, сводится к использованию магии. В сущности это ничего не объясняет. Само наличие магии в подобных случаях — лишь способ придать целостность художественному образу. Поэтому я намерен не использовать его.

Взглянем на огнедыхание с точки зрения современных естественных наук.

Применение огнедыхания необходимо рассматривать в связи с его происхождением. Устройство связывается с функцией — чем больше польза от устройства, тем более сложная и затратная конструкция его терпима.

2. Предполагаемые функции

Даёт ли огнедыхание какие-либо преимущества дракону по сравнению с аналогичным неогнедышащим существом?

Способов применения биологического огнемёта можно найти множество: от средства самообороны до разведения костра для шашлыков. Однако я ограничусь только теми, появление которых, на мой взгляд, эволюционно обосновано. Также проведу разбор различных идей, выдвигаемых по поводу применения огненного дыхания у драконов.

Охота

Огонь кажется неплохим оружием, с помощью которого можно добыть себе пропитание. Предполагаемая картина охоты выглядит так: дракон снижается, пыхает огнём, жертва падает замертво, у дракона готов ужин.

Но действительная картина будет совершенно иной.

1. Если жертва должна умереть сразу, необходимо очень быстрое повышение температуры тела для лишения его функциональности. Такое повышение может быть достигнуто только при соприкосновении тела с плотным и намного более горячим телом, проще говоря — с горящим напалмом. Но такое вещество добычу не просто поджарит — оно её сожжёт в угли.
2. Если жертва должна поджариться, но не превратиться в угли, то мгновенной смерти от огненной атаки не получится. В этом случае жертва может сбежать в недоступное для дракона место, и (вне зависимости от того, потушит ли себя или погибнет) добычей она не станет. Например, горящие свиньи способны после подожжения бегать ещё достаточно долго, чтобы использоваться в качестве оружия.

Если использовать огонь для отпугивания, сгона и удерживания добычи в одном месте, то требуется огромное количество долго горящего топлива. Чтобы добыча не убежала, температура горения должна быть высокой. Высоким должно быть и пламя, а его полоса — широкой. Сама горючая смесь в этом случае жидкая, дабы пламя не улетучивалось. Использовать такой способ там, где есть чему гореть помимо топлива, нельзя: это приведёт к пожару и, в конечном счёте, массовой гибели потенциальной добычи дракона.

В итоге, для охоты огнедыхание не годится уже по самой форме нанесения урона, без учёта конкретного устройства огнемёта и его энергозатрат. Поэтому развиться для этой цели огнедыхание не сможет.

Брачные поединки

Предполагается, что драконы (аналогично крупным хищникам и некоторым травоядным) могут устраивать брачные поединки между самцами, используя в них огненное дыхание. Поединки могут различаться: быть сражением либо быть соревнованием.

В подобном сражении драконы должны сталкиваться друг с другом с целью подавить противника огнём, сохранив, по возможности, ему жизнь. Последнее объясняется тем, что, по модели, драконы — крупные долгоживущие существа, и хотя смертоносное преимущество может быть полезно для отдельного самца, оно будет вредно для популяции в целом. Гибель половины половозрелых самцов каждый брачный сезон приведёт к снижению численности за счёт подавления репродуктивного потенциала.

Итак, огнедыхание может использоваться на земле или в воздухе. Сложности использования его в воздухе описаны в примере сражения ниже. Для наземных поединков подобное оружие уже чрезмерно убойно для участников и потому не позволяет выявить наиболее сильного. Если участники поединка огнеупорны, оно становится бесполезным. При средней убойности огня (то есть ситуации, когда противники могут выдерживать пламя некоторое время) оно также бесполезно, поскольку противник может атаковать другими, более эффективными способами.

Соревнование по привлечению самки с применением огнедыхания кажется наиболее вероятным. Например, если больший интерес для самок представляет тот дракон, выдыхаемое пламя которого длиннее. В этом случае к огнедыханию применяются совсем другие требования, нежели в сражении. Однако, как нам известно, системы брачных сигналов развиваются из уже существующих функциональных систем путём их гипертрофии или иных структурных изменений. Примером первого может служить павлиний хвост, развившийся из обычного хвоста. Примером второго — многофункциональное птичье пение. А поэтому появление огнедыхания исключительно для брачных игр представляется крайне маловероятным.

Сражения

Дракон может сражаться с другими существами, к примеру, с драконами за территорию. Но эффективность огнедыхания (которую можно посмотреть в примерах с охотой и брачными поединками) не позволяет использовать его в качестве основного оружия. В наземном бою необходимо учитывать опасность пожаров и пламени для самого дракона.

В воздушных поединках точность выброса горючей смеси и определённость траектории её полёта недостаточны, чтобы попадать по врагу. Кроме того, области нагретого ей воздуха вносят хаос в аэродинамическую систему, делая невозможной маневровую схватку; а предполагаемые скорости полёта драконов таковы, что от выплюнутого перед собой напалма скорее пострадает плюющийся, чем его цель.

Это показывает, что и в бою огнедыхание мало применимо в природных условиях (когда нет окопов, ДОТов и прочих изобретений позиционной войны). Следовательно, его развитие для этих целей опять-таки маловероятно.

Согревание

Огненное дыхание может использоваться для обогрева жилища в условиях холодного климата или для поддерживания нужной температуры в гнезде с яйцами, если данный вид драконов яйцекладущий. Но в этом плане более выгодным будет нагревание тела за счёт процессов внутри организма, так как их проще контролировать и они энергоэффективнее. Гнездо должно согреваться телом дракона, а не огнём, по тем же причинам.

Вывод из этого — аналогичный предыдущим.

Самооборона

Огнедыхание как способ самообороны может возникнуть в случае, если у дракона есть естественные враги, уязвимые для огня. Дракон может огнём отпугивать или поджигать противника. Особенности естественных врагов, механизм огнедыхания и само его появление сильно зависят от конкретных условий. В дальнейшем появившееся огнедыхание может использоваться как-либо иначе (в том числе для ранее упоминавшихся брачных игр), но первоначально биологический огнемёт — оружие не нападения (вопреки распространённому мнению), а обороны.

3. Наиболее популярные гипотезы

Существует несколько популярных гипотез, касающихся огнедыхания. Из них я отмечу гипотезу Дикинсона и всех наиболее интересных её последователей, а также гипотезы, показанные в произведениях Энн Маккефри (цикл о драконах Перна) и фильме «Власть огня».

Гипотеза Питера Дикинсона

Питер Дикинсон выдвинул свою гипотезу в книге «Полёт драконов» в 1979 году. Вот основные её тезисы этой так, как они описаны в книге:

1. Драконы могли летать, потому что основной объём их тел составляла полость, наполняемая более лёгким, чем воздух, газом.
2. Драконы нуждались в таких огромных телах, чтобы обеспечить объём газа, достаточный для подъёма в воздух всего чудища.
3. Драконы не нуждались в огромных крыльях, потому что крылья использовались не для удерживания тела в воздухе, а только для горизонтального перемещения и маневрирования.
4. Драконы выдыхали огонь, потому что это было им необходимо. Это было неотъемлемой частью их особого способа полёта — сбрасывание излишков газа, в том числе при приземлении.

В результате драконы, по мнению Дикинсона, должны представлять собой дирижабли с огромными внутренними полостями, в которых бы вырабатывался и скапливался водород. При этом дракона легко проколоть насквозь, он может легко повредиться при взлёте и посадке, ему трудно садиться, особенно при наличии бокового ветра. Использование огнедыхания очень сильно влияет на дальнейший полёт.

Рис. 1. Дракон, летающий за счёт полостей с газом, не уместится в стереотипные формы.

Главная ошибка этой гипотезы происходит из того, что метод передвижения рассматривается в отрыве от образа жизни предполагаемого дракона. Главная проблема воздухоплавательного метода полёта — слабый контроль высоты. Он изменяется от перемены внешних условий и, более того, для подобного метода не реализуем процесс стремительного снижения, необходимый для охоты с воздуха, поэтому воздухоплавание неприменимо для хищных организмов. Гипотеза содержит много других ошибок. Трудности использования водорода в качестве топлива для огнедыхания описаны в «Дополнительной информации» ниже.

Тем не менее, именно эта идея получила широкое распространение.

Другие гипотезы, основанные на гипотезе Дикинсона

Гипотеза Капущаника аналогична гипотезе Дикинсона, только вместо водорода в качестве полётного газа и горючего — метан (подробности об использовании метана в качестве огневой смеси см. в «Дополнительной информации»). Однако здесь и в дальнейших аналогах не учитывается необходимый для полёта и одновременно огнедыхания объём газовых полостей. Взяв от Дикинсона принцип, последователи забыли о необходимых параметрах.

Например, в псевдодокументальном фильме «Последний дракон» (The Last dragon, 2004) указывается, что у драконов имеется два пузыря объёмом 30 кубических футов (около 850 литров), которые наполняются метаном и водородом. Вырабатываются эти газы в ходе пищеварения. Пропорция газов в пузырях не указана. Для полёта сравнимому с тираннозавром существу этого количества газа не хватит даже в лучшем случае, если там только чистый водород. Для огнедыхания более пригоден метан — у него больше количество энергии, выделяемой при сгорании одного моля газа. Предположим, что соотношение объёмов водорода и метана в пузырях 50 на 50.

Это значит, что при нормальных условиях при полной заполненности в пузырях помещается по 19 моль каждого газа. Рассчитаем, сколько тепла даёт нам сжигание всего этого топлива разом (если предположить, что дракон не собирается никуда лететь). 2300 кДж энергии получится от сгорания водорода и 17000 кДж от сгорания метана; всего — 19300 кДж. Получается, что всего объёма газовых пузырей хватит, чтобы вскипятить 45 литров воды (5 средних вёдер). Однако, по задумке авторов фильма, драконы не расходуют на огнедыхание весь запас газа, особенно в полёте.

Рис. 2. Предельная эффективность огнедыхания с учётом всего топлива в газовых полостях «последнего дракона».

Авторы других версий зачастую даже не подозревают о самой гипотезе Дикинсона и основных её тезисах, взяв из неё лишь газовые полости. В ряде версий у драконов имеется второй желудок, который ответственен за выработку водорода, но объёмы необходимых полостей сильно преуменьшаются.

Очень много различных интернет-сайтов используют аналогичные гипотезы, допуская ошибки, демонстрирующие полное незнание авторами химии (в том числе биохимии), физики и других естественных наук. Например, предположение, что метан будет возгораться, стоит выплюнуть его в воздух. Или что для реакций выделения водорода в организме может использоваться кальций костей (нетрудно представить, что дракон с таким способом образования топлива для огнедыхания переломает себе лапы при первой же посадке). Также распространено заблуждение, что реакция известняка и кислоты даёт водород, который мог бы использоваться драконом. На самом деле бурная реакция освобождает из извести двуокись углерода, или углекислый газ (см. формулу 1).

(1) CaCO₃+ 2HCl => СО₂+ CaCl₂ + H₂O

Гипотеза Маккефри

В произведениях Энн Маккефри из цикла «Всадники Перна» описываются драконы, способные выдыхать огонь после переваривания так называемого «огненного камня». Этот камень представляет собой фосфорсодержащий минерал. После того, как дракон разжевал особым образом кусок камня, мелкая крошка поступает во второй желудок и реагирует с кислой средой, выделяя фосфин. Это очень токсичный газ, который возгорается при контакте с кислородом. В произведениях не указано, как именно фосфин выходит из пасти, чтобы не взорваться у дракона в ротовой полости. Однако в целом недостаточно данных, чтобы сделать выводы о работоспособности подобной модели огнедыхания.

Гипотеза из фильма «Власть огня»

В фильме «Власть огня» («Reign of Fire», 2002) представлена другая идея. По мнению авторов фильма, две железы в пасти дракона вырабатывают вещества, которые при выдохе соединяются, образуя напалм. Железы расположены в боках пасти, внутри кожаных складок. В момент «выдоха» они с силой выбрасывают две струи спрея, которые соединяются перед мордой дракона и дают огромный столб пламени. Никаких более точных данных нет. Реалистичность этой гипотезы выше всех предыдущих, но зависит от подбора соответствующих химических веществ для формирования напалма.

4. Рабочая схема и необходимые допущения

Все возможные химические вещества — топливо для огнедыхания — токсичны для большинства живых организмов, поскольку обладают высокой химической активностью. Но кроме того, большинство потенциальных смесей требует устройства поджига, которое в рамках живого существа труднореализуемо. Поэтому предпочтительнее такая схема огнедыхания, где поджиг происходит химически.

В виде окислителя может выступать высококонцентрированная перекись водорода. Теоретически реализуемы следующие варианты:

Вариант 1. 90%-ный раствор перекиси водорода + гидразин + гидроксид меди (I) в качестве катализатора. Горение.

Вариант 2. 90%-ный раствор перекиси водорода + гидразин + натрия нитропруссид (если предположить, что он каким-то образом синтезируется в организме) в качестве добавки, обеспечивающей мгновенное и равномерное сгорание.

Вариант 3. 90%-ный раствор перекиси водорода + глицерин + вода. Детонация смеси при более 30% объёма перекиси водорода. Взрыв.

Вариант 4. 90%-ный раствор перекиси водорода + этанол + вода. Детонация смеси при более 30% объёма перекиси водорода. Взрыв.

Однако перекись водорода является сильным окислителем и повышенное её образование в клетке вызывает оксидативный стресс, поэтому в железе, вырабатывающей её, должна быть мощная антиоксидантная защита.

Строение синтезирующих и накапливающих гидразин (или аналогичное ему вещество) органов должно предусматривать, во-первых, низкую токсичность гидразина для самих этих органов, во-вторых, невозможность попадания гидразина в остальной организм.

Общая схема огнедыхания в вариантах 1 и 2 такова: дракон с силой извергает две струи, которые смешиваются друг с другом на некотором расстоянии перед мордой дракона. В присутствии катализаторов происходит ровное горение смеси[1]. Реакция продолжается, пока хватает исходных веществ, то есть дракон может поддерживать струю пламени некоторое время. Продолжительность залпа зависит в первую очередь от объёмов запасённых веществ и скорости их выброса.

Рис. 3. Иллюстрация первого и второго варианта рабочей схемы.

В вариантах 3 и 4 смесь детонирует[2], и это подразумевает, что пересечение струй реагирующих веществ будет происходить на достаточном удалении от дракона, чтобы тот сам не пострадал от взрыва. В этом случае огнедыхание представляет собой серию отрывистых залпов, детонирующих на более-менее определённом расстоянии от дракона.

Ни в одном варианте нельзя использовать огнедыхание в полёте (не только из-за возможных ожогов, но и из-за риска попадания в глаза отдельных реагентов, например, перекиси водорода, которая может вызвать острую боль в глазах, привести к серьезному повреждению типа изъязвления роговицы и, таким образом, причинить дракону серьёзные проблемы. Впрочем, последнее может и отсутствовать, если глаз дракона покрыт прозрачным защитным слоем наподобие змеиного.).

Температура пламени для вариантов с гидразином — около 3000 ºС, цвет пламени — оранжево-красный.

Таким образом, огнедыхание вполне возможно осуществить в рамках биологического тела, однако эволюционная причина его появления должна быть достаточно жёсткой, чтобы оправдывать столь опасную для организма систему.

5. Дополнительная информация

Топливо для огнедыхания

Водород для горючей смеси в газообразном состоянии неприменим. Теплота сгорания водорода — 121 кДж/моль, молярный объём газов при н. у. — 22,4 л).

Ниже представлена формула экзотермического окисления (горения) водорода:

(2) 2Н₂+О₂ => 2Н₂О + tº

Для сжигания 44,8 л водорода потребуется 106,9 л воздуха с массовой долей кислорода 23,12%. При этом будет выделено 242 кДж энергии. На что может хватить такого количества энергии? На то, чтобы вскипятить всего около 600 грамм воды (от 0º до 100º С). То есть на то, чтобы, например вскипятить воду для трёх стаканов чая. Говорить о применении на охоте такого оружия не приходится.

Авторы многих гипотез огнедыхания предполагают, что водород может загореться «чрезвычайно быстро и очень горячим пламенем» просто от контакта с кислородом. Это неверно. Источники искр на стартовых площадках ракетоносителей, использующих такие смеси, это гарантируют. Температура пламени у водорода действительно высокая, но в нормальных условиях он должен быть сначала зажжён.

У газообразного метана большая плотность делает его ещё менее приемлемым для полёта, что усугубляет трудности, показанные для гипотезы Дикинсона. В качестве топлива метан подходит больше, чем водород, из-за простоты получения в углеродном организме, но как основа для огневой смеси всё так же неприменим. В газообразном состоянии при нормальных условиях метан (в силу небольшой молярной массы) требуется в слишком больших объёмах (теплота сгорания метана — 891 кДж/моль, молярный объём газов при н. у. — 22,4 л).

Этанол в качестве топлива для огнедыхания не подходит, поскольку требует зажигательное устройство, а смесь паров этанола и воздуха взрывоопасна. Парообразование у этанола происходит интенсивно в широком диапазоне температур. Следовательно, в любом хранилище топлива внутри организма образуется взрывоопасная смесь, которая при применении детонирует и разнесёт дракону голову.

Возможны другие жидкие топлива, но с ними будут схожие проблемы, если они не самовозгорающиеся.

Любое потенциальное твёрдое топливо может использоваться только в сильно измельчённом состоянии, выдыхаемое мощной струёй воздуха. Это снова ставит вопрос об устройстве поджига; в противном случае топливо должно быть самовозгорающимся при контакте с атмосферным воздухом, а значит, загорится в месте выдоха (если в качестве выносящего газа выступает какой-либо нейтральный) или внутри организма (если выдох осуществляется непосредственно воздухом). В самом лучшем случае пламени на выходе не получится. Пирофорные материалы могут дать краткую вспышку, что скорее относит подобное топливо к специфическому драконьему дыханию.

Зажигалка

Устройство зажигания смеси требуется в любой системе огнедыхания, которая не предполагает самовозгорания топлива. А система, которая включает в себя поджиг при помощи устройства зажигания, взрывоопасна и с высокой вероятностью травматична для живого существа, так как зажигание в этом случае будет происходить в непосредственной близости от него.

В одной из гипотез предполагалось, что на зубах у дракона находятся материалы, при контакте друг с другом выдающие искру (своеобразные кремень и огниво). Если дракон попытается высечь искры зубами, то с высокой долей вероятности лишится нижней челюсти, потому что точно контролировать концентрацию топлива, чтобы происходило горение, но не вызывалось детонации, в таких условиях крайне затруднительно. Аналогично, если внутри пасти присутствует некий «электроразрядник».

Различные гипотезы предполагают, что у дракона на конце морды есть некое образование, позволяющее создать дуговой разряд. Простейший способ создать такой разряд — привести в соприкосновение концы электродов, а затем развести их на некоторое расстояние. Однако здесь есть ряд сложностей. Во-первых, пасть должна представлять собой трубку с одним узким выходом непосредственно рядом с электрической зажигалкой. Во-вторых, вначале потоком топливного газа будет выдуваться воздух, находящийся в пасти дракона, и к моменту, когда у зажигалки появится газ в достаточной концентрации, искра потухнет, если дуговой разряд не будет поддерживаться. Однако на поддержание разряда требуется немалое количество энергии, и электроды будут быстро нагреваться, что может привести к ожогу. Также, взаимодействуя с плазмой дуги, электроды подвергнутся частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

Дальность огненного выдоха

Дальность выдоха должна определяться эмпирически. Она зависит от скорости вылета топлива, от его плотности, от его температуры горения, от длительности выдоха, от таких условий окружающей среды, как влажность и температура воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, наличие или отсутствие осадков.

Самое длинное пламя получается при наибольших скорости выброса топлива, его плотности и температуры горения, длительности выдоха, а также при низкой влажности и давлении, высокой температуре, отсутствии осадков и сильном попутном ветре. Пламя укорачивается при меньшей силе выброса топлива, при изменении направления выброса, при прерывистом выбросе.

Длинная прямая струя огня образуется при выбросе поджигаемой жидкости. Самовоспламеняющиеся смеси дают более округлое пламя.

Цвет пламени

Различные химические вещества при сгорании дают пламя различных цветов. Метан и водород — голубое. Ионы бария придают пламени зелёный цвет. Ионы натрия — жёлтый. Ионы рубидия — буро-красный. Ионы лития — красный. Ионы стронция — карминово-красный. Ионы цезия — фиолетово-красный. Ионы калия — фиолетовый.

6. Заключение

В статье была показана физическая невозможность существования огненного дыхания с его стереотипичными чертами в рамках естественных наук, а также опровергнуты некоторые наиболее распространённые заблуждения.

Таким образом, драконье огненное дыхание возможно при условии, что подходящее топливо для него может быть биологически синтезировано и изолировано в накапливающих его органах. Тогда оно представляет собой самовозгорающуюся жидкостную двухэлементную химическую систему (при необходимости — с катализаторами), которая развивается у дракона для самообороны.

Примечания

[1] Л. Одрит, Б. Огг «Химия гидразина» – М.: Изд. иностр. лит. , 1954. – С. 125-129.

[2] Е. S. Shanley, F. P. Greenspan, «Highly Concentrated Hydrogen Peroxide. Physical and Chemical Properties», Ind. Eng. Chem., 39, № 12, 1536—1543, 1947

В оформлении использованы оригинальные иллюстрации статьи.
Заглавная илл.: Алистер Муркерри, 2021.