Продуктивность искусственной экосистемы

Человек издавна пытался с разными целями имитировать в миниатюре природные экосистемы, помещая в замкнутые сосуды различные организмы, которые могли бы существовать все вместе только за счет солнечного света. Как правило, такие попытки оканчиваются рано или поздно неудачей. Многим известно, сколько хлопот доставляет обыкновенный аквариум: обычная ошибка большинства любителей в том, что они пытаются поместить слишком много рыб в маленьком объеме. К сожалению, рыбам и людям требуется намного больше пространства, чем кажется на первый взгляд.

В Институте биофизики г. Красноярска с шестидесятых годов ведутся исследования по созданию замкнутых экосистем ограниченного объема, включающих человека. Так, к примеру, в течение пяти месяцев два испытателя жили в комплексе "Биос-3" (Рис.9.7), объем которого составлял 300 м³, где среда обитания непрерывно регенерировалась культурой растений, занимающих общую площадь 63 м². В среднем в сутки на человека вырастало 300 г зерна пшеницы, 100 г сухих клубней чуфы (земляной миндаль: внешне похож на дикую осоку, на корневищах находятся вкусные клубеньки-орешки, напоминающие миндаль), зелень, корнеплоды, томаты, огурцы. Потребности испытателей в растительных белках и жирах, во всех углеводах, кроме сахара, и витаминах растительного происхождения удовлетворялись полностью.

Рис.9.7 Комплекс Биос -3

Обитая в биосфере, человек до сих пор может позволить себе загрязнять атмосферу, так как на 1 м² площади обитания у него приходится 10 тыс. кг воздуха. В искусственных экосистемах отношение объема воздуха к площади обитания в тысячи раз меньше, что создает почти непреодолимые трудности.

Наиболее сложная на сегодняшний день искусственная экосистема -американский комплекс "Биосфера-2", включающий более тысячи видов растений и животных и 8 испытателей (Рис.9.8). Эксперимент длился два года с сентября 1991-93 г.г.

 

Рис.9.8 Комплекс Биосфера 2

 

 

 

Рис.9.8а Блок саванна

 

Эту уникальную систему построили в американском штате Аризона, рядом с городом Оракл и назвали ее "BIOSPHERE-2" - Биосфера-2. Имеется в виду, что Биосфера 1 - это наша Земля. Биосфера 2 - это грандиозная и величественная конструкция из стекла и армированной стали, занимает площадь 1.27 гектара, объем атмосферы, заключенной в ней 203 760 кубических метра. Биосфера 2 включала в себя свыше 3.000 разновидностей растений и животных, семь биомов - дождевой лес, саванну, пустыню, болото, даже маленький океан с коралловым рифом, интенсивное сельское хозяйство и апартаменты для людей. Биомы разделены между собой пластмассовыми щитами. Гигантские "легкие" регулировали внутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному - это сводит к минимуму утечки воздуха. В результате за год происходила замена всего лишь 10 процентов атмосферы "Биосферы-2" и по этому показателю она не имеет себе равных: ее герметичность в 50 раз выше, чем у комплекса "Спейс Шаттл" НАСА.

Специальные группы ученых собирали по всей Земле виды животных и растений для заселения Биосферы 2, подбирали образцы почвы, тщательно следя за тем, чтобы все там было биологически сбалансировано. Биосфера 2 была достаточна велика, чтобы поддерживать всю экосистему в равновесии и в то же время достаточна мала, чтобы все процессы, происходящие в ней было легко исследовать.

Биосфера 2 была разработана специально для того, чтобы в ней могли жить люди, причем абсолютно изолированно от остального мира: ни пища, ни воздух, ни вода, ни какое-либо другое вещество не проникает внутрь и ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации по проводам. Даже "дно" изолировано от земли, на которой она стоит, специальными герметично сваренными железными листами, а для поддержания постоянного давления воздуха внутри Биосферы 2, колебания которого происходили из-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантские мембраны-легкие. Утечка воздуха из всей конструкции составляла не более 10% за год.

Сложные технические устройства создавали: течения в "океане", тропические дожди, морской прибой и эмитировали другие природные явления, а множество специальных датчиков постоянно определяли температуру, содержание тех или иных элементов в почве, воде и воздухе внутри Биосферы 2, записывая эти параметры для дальнейших исследований. На специальном участке интенсивного сельского хозяйства при помощи особых методов возделывались культуры, которые служили пищей для людей - ведь другой еды им взять было неоткуда. Помимо земледелия, жители Биосферы-2 занимались скотоводством. У них были козы, курицы, и даже поросята. Причем это были особые животные, приспособленные к суровым условиям. Например, курицы были дикой породы из Индии - они были приспособлены к жизни в тропиках (высокая температура и влажность) и могли питаться отходами. Однако очень скоро животные погибли и их пришлось съесть. Но сорок шесть видов растительной пищи позволяли с оптимизмом смотреть в будущее. Через некоторое время биосферианам стало не хватать пищи, и здесь оказалось, что проблемы внутри Биосферы-2 очень напоминают земные. Площадь участка, где возделывались культуры была относительно небольшой, а погода в Аризоне в течение 2-х лет эксперимента была рекордно дождливой и пасмурной, растениям не хватало солнечного света и вследствие этого, плохие урожаи, нехватка еды. В Биосфере-2 нельзя использовать пестициды - из-за замкнутости биологических циклов внутри, можно отравить все живое, поэтому вредители чувствовали себя вольготно, и съедали иногда значительную часть урожая. Нехватка калорийной пищи привела к попыткам рационирования распределения продуктов питания, а вопрос о выращивании большего количества еды выходил на первый план. В Биосфере-2 для выращивания продуктов был отведен особый участок, а вся другая поверхность должна была оставаться "дикой". Сразу возникла идея вырубить часть дикой природы и использовать освободившиеся место для выращивания дополнительной пищи. Но другие считали, что дикая природа имеет собственную ценность и весь видовой состав должен быть оставлен без изменений.

Нехватка калорий приводила к тому, что у ученых не хватало энергии для выращивания пищи, - а ведь это тяжелый физический труд. Еды становилось все меньше.

Получался замкнутый круг. Кончилось тем, что в джунглях высадили все же немного бананов и папайя. Уплотнили посадку зерновых, засадив каждый сантиметр участка, отведенного для агрокультур, а распределение еды продолжили.

Явления в природе также были достаточно интересны и непредвиденны. К примеру, над пустыней на стеклянной крыше Биосферы-2 по утрам конденсировалась вода, и на пустыню выпадал дождь. Его невозможно было ликвидировать, и поэтому пустыня стала не такой пустынной, как планировалось сначала - на ней стали произрастать растения.

Предусмотрев течения в "океане", создатели Биосферы-2 не предусмотрели ветер, а он, как оказалось, очень важен для растений, под его действием качаются деревья, что укрепляет их ствол. Без ветра ствол и ветви акаций, растущих в Биосфере-2, стали хрупкими и начали обваливаться под собственной тяжестью. Почему-то развелось много муравьев - хотя никто не планировал первоначально привносить их в систему.

Были трудности и посерьезнее: содержание кислорода за два года уменьшилось с 21% до 14%, у участников эксперимента начались головные боли, понизилась трудоспособность.

Но как, ни странно, жизнь в изоляции от остального мира пошла людям на пользу: они ведь два года ели экологически чистую пищу, не травились ядохимикатами, не ели много жиров. После выхода из Биосферы-2 обнаружилось, что уровень холестерина в крови заметно снизился, а сами «биосфериане» не могли привыкнуть к обычной пище - она им казалась какой-то искусственной, безвкусной. В итоге попытка создания аналога Земной биосферы провалилась. Все предпринятые попытки поднять концентрацию кислорода в воздухе закончились неудачно. Комплекс впоследствии стали использовать как биологический и экскурсионный объект.

 

 

Рис.9.9 Экосфера искусственная

В реальности очень тяжело создать самодостаточную систему цикла превращения веществ в замкнутом пространстве. Как бы там ни было, а благодаря исследованиям по замкнутым экосистемам для длительных космических полетов была придумана так называемая «экосфера». Она представляет собой наглухо запаянный стеклянный шар, где живет масса живых существ. Жизнь в шаре продолжается многие годы без какого-либо вмешательства человека: не нужен полив, питание, воздух. Лишь свет. По сути, «экосфера» является миниатюрой нашей Земли. Эти живые существа могут бесконечно долго обеспечить друг другу круговое питание до тех пор, пока их мир будет освещаться светом: благодаря свету растут водоросли, при этом поглощая углекислый газ и насыщая воду кислородом, которым дышат креветки. Креветки поедают водоросли и бактерии, выделяя при дыхании углекислый газ, а бактерии в свою очередь, питаются продуктами жизнедеятельности креветок и также выделяют углекислый газ, необходимый для водорослей. Благодаря американской компании Ecosphere Associates, получившей технологию от NASA, есть возможность приобрести крошечный мир в шаре за 80 - 500 долларов, в зависимости от размера.

Отличия искусственной экосистемы от естественной:

1. небольшое число видов (например, пшеница и некоторые виды сорных растений на пшеничном поле и связанные с ними животные);
2. преобладание организмов одного или нескольких видов (пшеница в поле);
3. короткие цепи питания из-за небольшого числа видов;
4. незамкнутый круговорот веществ вследствие значительного выноса органических веществ и изъятия их из круговорота в виде урожая;
5. невысокая устойчивость и неспособность к самостоятельному существованию без поддержки человека.

Агроценозы. В биосфере помимо естественных экосистем существуют и искусственные, созданные хозяйственной деятельностью человека. Такие искусственно созданные человеком сообщества называют агроценозами (от греч. agros — поле).

Агроценоз, или агробиоценоз, (сельскохозяйственная экосистема) — созданное и регулярно поддерживаемое человеком с целью получения сельскохозяйственной продукции сообщество. К агроценозам относятся поля, пастбища, огороды, сады, зеленые насаждения, крупные животноводческие комплексы с прилегающими пастбищами и т.д.

Характерная особенность агроэкосистемы — малая экологическая устойчивость, но высокая урожайность одного или нескольких видов растений (или сортов культивируемого растения) или животных. Основные черты агроценоза определяет человек, заинтересованный в получении максимального количества сельскохозяйственной продукции.