Что природа когда-либо делала для нас? Как деньги действительно растут на деревьях

По мере сборки системы биомы и биорегионы невидимо взаимодействовали со светом и микробами, чтобы создать здоровую и приятную атмосферу. Но смогут ли восемь человек жить в этом замкнутом микрокосме вместе со своим мини-городом и остаться здоровыми в конце двухлетнего эксперимента? Будет ли система земледелия производить достаточно еды? Были ли непредвиденные источники газовых примесей, которые могли сделать эксперимент нежизнеспособным? Многие эксперты предсказывали быструю гибель некоторых биомов. Другие задавались вопросом, сколько времени продержится система, прежде чем она подвергнется экологическому коллапсу.

Здесь, на Земле, они покинули Землю

В сентябре 1991 года «Биосфера-2» была готова. Был создан тропический лес площадью 1900 квадратных метров. Был подготовлен океан площадью 850 квадратных метров с коралловыми рифами. Мангровые заросли водно-болотных угодий площадью 450 квадратных метров, пастбища саванн площадью 1300 квадратных метров и туманная пустыня площадью 1400 квадратных метров - все это функционировало нормально. На сельскохозяйственном участке площадью 2500 квадратных метров производилась еда, которая питала команду. Жилые помещения были готовы. Помимо некоторого количества электроэнергии, отопления и охлаждения, подаваемых извне, как только двери будут закрыты, единственные вещи, которые попадут в Биосферу 2, - это солнечный свет и информация.

Когда 26 сентября взошло Солнце, брамин из Индии, тибетский геше и тольтек племени курандера пели молитвы. Затем Рой Уолфорд, Джейн Пойнтер, Табер МакКаллум, Марк Нельсон, Салли Сильверстоун, Эбигейл Аллинг, Марк Ван Тилло и Линда Ли вошли в Биосферу 2. Герметичные двери были запечатаны за ними, и они приступили к двухлетнему эксперименту, в котором они будет жить и работать в замкнутом мире, созданном как микрокосм Земли и ее систем. Они будут полагаться на маленькие кусочки тщательно отобранной пленной природы, хранящиеся внутри комплекса, чтобы перерабатывать отходы, очищать воду, поддерживать воздух и производить пищу.

К моменту закрытия «Биосфера 2» стала главной туристической достопримечательностью (Марлон Брандо был среди знаменитостей), и команда вошла в нее на фоне шквальной рекламы. Они были олицетворением здоровья и жизненной силы. В комбинезонах, напоминающих супертренированные команды космических шаттлов, вошедших в историю за десять лет до этого, этот экипаж, будучи привязанным к Земле, должен был отправиться в еще более уникальное путешествие.

Как и другие, Марк Нельсон был подготовлен к эксперименту с помощью короткого заключения в тестовом модуле, который был настроен как крошечная версия Биосферы 2. Он описывает свой краткий опыт того, что должно было произойти, как «поразительный интуитивный опыт». Он был размером с гостиную, и в любой момент можно было увидеть все растения, которые обеспечивали воздух, которым вы дышали, и большую часть вашей еды.

Я знал обо всех этих вещах интеллектуально, но я не ожидал крайнего удовольствия от того, что был полностью связан с системой. Я был частью этой живой системы и чрезвычайно благодарен ей за то, что она работала над предоставлением всех необходимых мне услуг. Эти 24 часа были одним из самых поразительных переживаний, которые у меня когда-либо были. Это действительно возбудило мой аппетит ».

Несмотря на это, Нельсон все же обнаружил, что «пребывание в нем было своего рода шоком». Он вспоминает, как «мы выращивали еду, тестировали системы и работали вместе». Мы работали с полчищами ученых и техников, и внезапно, когда мы закрыли этот воздушный шлюз, нас оказалось всего восемь человек в этой удивительной живой системе. Я вошел туда с величайшим волнением. В то время это был большой прыжок в неизвестность. Некоторые техники делали частные ставки на то, что нас не будет там к Рождеству из-за уровня углекислого газа ».

Состав воздуха действительно был жизненно важен. Также фундаментальное значение для их повседневного благополучия имело здоровое питание. Они начали с некоторого количества продуктов, выращенных в Биосфере 2 до полного закрытия, но сельскохозяйственная система произвела более 80 процентов их продуктов питания в течение первого года миссии. Хотя в их рацион входило большое количество питательных культур, команда страдала от голода и похудела. На второй год потребление калорий увеличилось, и они вернули часть потерянного веса. Несмотря на взлеты и падения с доступностью продуктов питания, их здоровье было отличным; действительно, некоторые показатели резко улучшились, такие как значительное падение уровня холестерина и улучшение функционирования иммунной системы.

Успех команды в увеличении производства продуктов питания во многом объяснялся тем, что они стали более искусными в использовании основного источника продуктивности в Биосфере 2: а именно солнечного света. «Большинство фермеров ограничены количеством осадков, - вспоминает Нельсон, - но для нас главным ограничивающим фактором было солнце. Любое место с солнцем и без растений было бесполезным, и мы скоро это исправили. Это помогло не только с продовольственной ситуацией, но и с проблемой углекислого газа. Мы потратили два года, заполнив растениями все возможные пустоты. Во второй год мы вырастили примерно на тонну больше продуктов питания, в основном за счет площадей, которые ранее использовались недостаточно ».

Несмотря на множество стратегий, разработанных для обеспечения стабильности систем, заключенных в стеклянный пузырь, вскоре были отмечены серьезные изменения. Как и ожидалось, концентрация углекислого газа в воздухе сильно колебалась. В воздухе за пределами герметичной системы концентрация этого газа составляла около 370 частей на миллион (ppm), и хотя она повышалась (и продолжает расти) на пару частей на миллион в год (она достигла 396 ppm в 2012), концентрации этого парникового газа в остальном относительно стабильны.

Внутри Биосферы 2 суточные колебания составляли целых 600 частей на миллион, с падением в течение дня, когда растения поглощали углекислый газ, с последующим повышением ночью, когда растения выделяли его естественным образом. Нельсон говорит, что «мы могли сидеть в диспетчерской и наблюдать за изменяющимися условиями. Примерно каждые пятнадцать минут уровень углекислого газа пересчитывался, и даже когда вы не можете видеть через окно, вы знаете, когда облако прошло перед солнцем, потому что скорость снижения CO2 будет снижаться по мере снижения фотосинтеза ».

Еще более значительными были сезонные колебания концентрации: зимой уровни составляли 4 000–4 500 частей на миллион, а летом - около 1000. Ученые упорно трудились, чтобы поддерживать более стабильный уровень углекислого газа, например, контролируя поливную воду, чтобы помочь быстрорастущим растениям быстрее удалять CO2 из воздуха. Они также собирали растительный материал в саванне, чтобы хранить его и содержащийся в нем углерод.

Менее ожидаемым было временное накопление следовых газов. Несмотря на то, что были предприняты все меры, чтобы избежать материалов, которые могут выделять токсичные газы, вскоре после закрытия было обнаружено, что что-то их выделяет. Нельсон вспоминает, что «мы обнаружили повышение содержания следовых газов во время анализа воздуха, и ученые снаружи сказали нам, что следы газа появились из-за клея ПВХ или растворителей. Мы разошлись веером, ища, пока в темном углу подвала техносферы кто-то не нашел маленькую бутылочку клея. Когда она была закрыта, крышка имела поперечную резьбу, поэтому из нее выделялись газы, которые мы могли обнаружить. Мы запечатали ее и отложили в сторону, и затем газ начал снижаться ».

Более тревожным с точки зрения благополучия экипажа внутри было изменение уровня кислорода. Начиная с нормальной атмосферной концентрации этого газа чуть ниже 21 процента, уровни неуклонно снижались и через шестнадцать месяцев достигли 14,5 процента. Для биосферы это было эквивалентно уровню кислорода, обнаруженному на высоте около 4000 метров над уровнем моря, и, помимо других симптомов, вызывало головные боли и усталость.

Для начала было непонятно, почему происходит повышение уровня СО2. Одним из предполагаемых источников была активность почвенных микроорганизмов. Считалось, что эти крошечные формы жизни разрушают молекулы углерода в почве быстрее, чем предполагалось, и когда атомы углерода были освобождены от химических связей, которые удерживали их в органическом материале почвы, они соединились с кислородом воздуха, чтобы сформировать СО2. Считалось, что этот процесс может привести к увеличению концентрации углекислого газа при одновременном снижении уровня кислорода.

Однако уровни углекислого газа не выросли так сильно, как ожидалось, и эксперименты показали, что на изменения, измеряемые в воздухе, воздействовал еще один фактор: CO2 поглощался участками открытого бетона внутри Биосферы 2. Скорее как богатые кальцием горные породы в реальном мире, CO2 откладывался в виде карбоната кальция в Биосфере 2, что эквивалентно геологическим месторождениям.

Оглядываясь назад, Аллен считает, что «самая большая инженерная ошибка, которую мы совершили, заключалась в том, что мы оставили голый бетон». Мы его не красили, поэтому внутрь вошли молекулы СО2, уносящие кислород. Было падение кислорода. На это ушло шестнадцать месяцев, но уровень неуклонно падал до такой степени, что люди начинали чувствовать дискомфорт ». Было решено повысить уровень кислорода искусственно, чтобы защитить здоровье биосферы.

Нельсон вспоминает, что «люди, смотрящие на нас со стороны, говорили, что это было похоже на просмотр замедленной съемки. Отчасти это произошло из-за того, что мы сидели на низкокалорийной диете, но также и из-за наличия кислорода. Оно стало настолько низким, что нам пришлось ввести немного кислорода, чтобы восполнить его в помещении. Когда оно упало примерно до 14 процентов, мы все двинулись туда, и кислород в тамбуре составлял около 25 процентов, прежде чем он был выпущен по всей Биосфере 2.

Люди начали смеяться и бегать, а затем я понял, что не слышал звука бега три-четыре месяца. Находясь там, когда был добавлен кислород, вы действительно ценили то, что считаете само собой разумеющимся - чистый воздух, воду и пищу. Без биосферы в воздухе не было бы свободного кислорода. Это ошеломляющий вывод, но мы действительно поняли это. Я попал в облако свежего воздуха, как 95-летний мужчина, и это было похоже на то, что мое тело прошло через десятилетия. Сколько людей благодарят биосферу за кислород?»

Незапланированные изменения наблюдались не только в воздухе. Некоторые виды тропических лесов быстро росли, но страдали от слабости. То же самое произошло и с древесными породами, произрастающими в саванне. Это произошло из-за отсутствия ветров, которые в природе помогают производить прочную и упругую древесину.

Пустыня стала больше походить на калифорнийский чапараль(тип субтропической жестколистной кустарниковой растительности). Мангровые заросли преуспели и быстро росли, но отличались от такой системы в реальном мире, с гораздо меньшим количеством подлеска, вероятно, потому, что стекла уменьшали уровень солнечного света.