В самом сердце пустыни в штате Аризона (США) находится уникальное сооружение, которое поражает своей архитектурой и функциональностью. «Биосфера-2» — это научно-исследовательская станция, где пытались создать самодостаточную экологическую систему для жизни человека в условиях космических полетов или колонизации других планет. История этого проекта полна фактов и открытий, которые делают его поистине потрясающим.
Сегодня мы расскажем, как устроена «Биосфера-2» и как работает её экологическая система. Мы рассмотрим основные компоненты этого уникального сооружения и выясним, какие принципы лежат в его основе. Приготовьтесь к захватывающему путешествию в мир науки и технологий, где каждая деталь играет свою роль и где возможности человека не всегда оказываются в полной гармонии с природой.
История создания «Биосферы-2» и первые эксперименты
Если вы не совсем уверены в своих познаниях о природе штата Аризона, вспомните любой вестерн, где бесстрашный шериф преследует главного злодея на фоне головокружительной панорамы Большого Каньона. Вид на Большой Каньон — это и есть квинтэссенция Аризоны. Помимо него, на территории штата находятся четыре невероятно засушливых и жарких пустыни, леса огромных жёлтых сосен и гигантские кактусы величиной с дерево. Тем удивительнее обнаружить в Аризоне рукотворный и невероятно высокотехнологичный оазис — проект «Биосфера-2». Это гигантская лаборатория площадью 1,3 гектара, состоящая из сети герметичных зданий. Под стеклянными куполами, пропускающим около 50% солнечного света, находится несколько независимых экосистем.
Изначально «Биосферу-2» построили для исследования и разработки самоподдерживающихся технологий космической колонизации. Строительство, начавшееся в 1984 году, вели компания Space Biosphere Ventures и миллиардер Эдвард Басс. Сам эксперимент стартовал в сентябре 1991 года. Предполагалось, что исследователи-бионавты будут питаться тем, что вырастет под куполом, дышать кислородом, который выделяют растения, и пить очищенную воду, полученную в результате круговорота.
Четверо мужчин, четыре женщин и 3 тысячи видов растений и животных провели внутри автономных стеклянных куполов два долгих и, как выяснилось позднее, не очень-то счастливых и безопасных года. Несчастные случаи и напряжённые взаимоотношения, недостаток еды и кислорода, непредсказуемое поведение микроорганизмов и насекомых и тщательно скрывавшиеся подтасовки данных — всего этого оказалось достаточно, чтобы признать условную «миссию на Марс» провалившейся.
После неутешительных результатов спонсоры отказались от проекта, и следующий эксперимент в «Биосфере-2» проводил уже Колумбийский университет в 1996 году. И хотя подопытных людей в купола уже не селили, второй эксперимент тоже столкнулся с рядом проблем: конденсировавшаяся под стеклянной крышей вода выпадала в виде дождя в зоне пустыни, микробы и насекомые плодились в огромном количестве, а деревья из-за отсутствия ветра становились хрупкими и ломались.
Разочаровавшись в эксперименте, компания-владелец «Биосферы-2» выставила комплекс на продажу, и в 2011 году огромная лаборатория перешла под контроль Университета Аризоны. О былой славе космического аванпоста сейчас напоминает надпись, сделанная на одной из стен участницей первого эксперимента: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить».
От космического провала к уникальной климатической лаборатории
В настоящее время «Биосфера-2» является крупнейшей в мире закрытой контролируемой средой, где специалисты проводят исследования, чтобы лучше представлять последствия изменения климата и найти решение возникающих проблем.
Внутри этого грандиозного объекта наук о Земле находятся пять 30-летних искусственных экосистем, ограниченных каркасом из стекла и металла. Это крупнейшие в мире контролируемые аналоги тропических лесов, пустынь, саванн, мангровых зарослей и океана. В каждой из этих зон созданы идеальные условия для жизни разнообразных экосистем. Каждая зона имитирует свою собственную природную среду, и все они в совокупности позволяют учёным исследовать и анализировать взаимодействие различных биологических систем.
Тропический лес
Первая зона, тропический лес, поражает богатством растительного и животного мира. Он занимает площадь почти 1900 кв. метров и был создан по образу и подобию лесов бассейна Амазонки. Деревья здесь могут достигать высоты 25 метров — этого достаточно, чтобы их верхушки могли упереться в стеклянный купол.
Перед первой миссией бионавтов в этой зоне было высажено более 400 видов растений из Центральной и Южной Америки. Со временем многие виды исчезли из-за конкуренции и стресса. Сегодня в тропическом лесу обитает около 100 видов растений и несколько видов животных, в основном насекомые. Несмотря на сокращение количества видов, разнообразие тропических лесов поражает воображение. Здесь есть зона с высокими деревьями, террасы с папайей и кофе, имбирный и бамбуковый пояса — они выполняют важную роль в биоме, защищая другие растения от бокового излучения снаружи и соли, которая может залететь из океанского биома, — и высокогорный облачный лес, который из-за высоких температур со временем превратился в болото.
В этом изменчивом, подвижном микромире учёные ведут исследования взаимодействия растений и газов в воздухе и воде. Это даст большее представление о том, как изменение климата влияет на экосистемы.
Прибрежная туманная пустыня
Вторая зона — пустыня — представляет собой сухие и непригодные для жизни земельные участки. Здесь представлены растения, которым необходим малый уровень влажности и небольшое количество осадков. Песчаные дюны, каменистые поверхности и кустарники делают атмосферу этой зоны уникальной и неповторимой.
Первоначально пустынный биом имитировал засушливую пустынную экосистему кустарников в прибрежном климате с зимними дождями и летней засухой. Эти условия в течение первых двух лет существовании зоны дали вырасти густому кустарнику, заросшему травой. Но потом климатические параметры изменили, чтобы имитировать более засушливые условия. Как и следовало ожидать, разнообразие видов растений сократилось, а также исчезли насекомые-опылители, что, несомненно, повлияло на темпы вымирания.
Сейчас эта территория почти полностью заросла солончаками. В дюне установлены смотровые трубки, через которые исследователи наблюдают за ростом корней и мезофауной. А большие искусственные камни поддерживает пресноводные организмы, способные противостоять периодическому высыханию.
Саванна
Следующая зона — саванны — создает иллюзию открытых пространств и постоянного пасущегося практически бесконечного стада животных. Здесь можно встретить деревья, редкий густой кустарник, а также огромные площади с высокой травой. Эта зона также включает в себя искусственное озеро, на котором обитают различные виды водных птиц.
Биом саванны был разработан для выполнения нескольких функций. Его основной целью было создание гидрологической переходной зоны между мезокосмами пустыни и тропических лесов. Растительность здесь состоит преимущественно из съедобных видов и обеспечивает пищей птиц и приматов галаго.
Мангровые заросли
Мангровые заросли — это очень специфическая зона, которая играет важную роль в экологическом равновесии, так как являются убежищем для различных видов растений и животных. Чтобы максимально увеличить видовое разнообразие, в каждом из шести её участков были построены разные типы сообществ.
Здесь можно увидеть множество деревьев, корни которых погружены в воду. Мезокосм мангровых лесов состоит из небольшого количества болот с преобладанием травянистых видов и лесных болот с мангровыми деревьями, покрывающих 80% зоны.
Первоначально здесь на площади 441 кв. метра существовало 542 мангровых леса и 15 пресноводных деревьев. Болотная система была заселена раками, улитками, рыбами-комарами, моллинезиями, грязевыми крабами, сказочными креветками, мангровыми крабами, киллифишами, амфиподами, губками, анемонами и щелкающими креветками. Однако в мангровых зарослях, как и в других зонах, произошло сокращение разнообразия фауны, возможно, вызванное отсутствием приливов и отливов.
Океан
Океанская зона представляет собой огромный бассейн, наполненный 2,6 млн литров воды, где созданы все условия для жизни обитателей настоящего океана. Это полноценная океанская система, изначально разработанная для имитации карибского рифа. Однако после исследований, проведённых Колумбийским университетом, и периода запустения система начала деградировать. Субстрат зарос водорослями и цианобактериями, а первоначальная фауна была утрачена, за исключением двух десятков очень выносливых рыб.
Сейчас эту зону активно возрождают, восстанавливая экосистему коралловых рифов. Выросло и количество населяющих океан живых существ. Здесь обитают около 60 рыб, раки-отшельники, ежи, улитки, анемоны и микроорганизмы.
На текущий момент океан «Биосферы-2» является крупнейшим в мире закрытым мезокосмом, где исследуют химические и биологические изменения в кораллах. Ведь за последние несколько десятилетий мы потеряли примерно половину мировых рифовых кораллов. Большая часть остальных вымрет к середине столетия, если потепление продолжится. Однако учёные «Биосферы-2» уверены, что более выносливые кораллы могут стать основой для будущих рифов. Их исследования будут продолжены — океан сейчас оборудуется для добавления кораллов.
Новые исследования и кое-что, скрытое от глаз
Ещё одна экосистема была добавлена к проекту уже Университетом Аризоны — это Обсерватория эволюции ландшафта. Её сотрудники изучают процесс трансформации бесплодных земель в плодородные, пытаясь найти ответы на вопросы о том, как физические и биологические процессы управляют эволюцией ландшафтов и какую роль в этом играет вода.
Сейчас в Обсерватории проводится крупнейший в мире лабораторный эксперимент в области междисциплинарных наук о Земле. Для его проведения были созданы три искусственных ландшафта. Наблюдая за их эволюционными изменениями, исследователи надеются понять процессы взаимодействия и обратной связи между водой, пористыми геологическими средами, микробами и сосудистыми растениями. Их выводы могут иметь решающее значение для улучшения прогнозов реакции критической зоны Земли на будущие климатические условия.
Не забыт в «Биосфере-2» и опыт участников первого эксперимента. Он стал стимулом для дальнейших исследований по созданию самообеспечивающейся среды обитания, которую люди смогут использовать в других мирах. Поэтому «Биосфера-2» продолжает оставаться местом проведения программы подготовки космонавтов. Но в целом исследования, ведущиеся здесь, вышли за пределы самого объекта и включают в себя проекты, объединяющие сельское хозяйство и технологии. Среди них — агровольтаические и модульные контейнерные фермы.
Изменение климата заставляет людей адаптировать существующие сельскохозяйственные практики. Агровольтаика — это стратегическое сочетание солнечных батарей и сельскохозяйственных культур для повышения эффективности роста сельскохозяйственных культур и производства энергии. Солнечные панели защищают посевы от интенсивных солнечных лучей, а растительность выделяет влагу, охлаждая панели наверху.
Недавно компания-производитель аккумуляторных систем хранения энергии подарила проекту 788 солнечных панелей, которые займут более 3 тыс. кв. метров в «Биосфере-2». Монтаж панелей начался этой весной, и учёные надеются скоро продолжить свои агровольтаические исследования с помощью этих панелей, но уделяя особое внимание местной растительности.
В ходе ещё одной попытки внедрить инновации в растениеводстве в меняющемся мире проект «Биосфера-2» обзавёлся гидропонной фермой — транспортным контейнером 12*2,5 метра, который был модернизирован для вертикального выращивания листовой зелени. Второй контейнер, предназначенный для производства фармацевтических препаратов, будет запущен позднее в этом году.
Под солнечными панелями будут выращиваться более высокие культуры, которые невозможно выращивать внутри контейнерной фермы. Таким образом две системы — агровольтаика снаружи и гидропоника внутри — будут дополнять друг друга.
Рассказывая о «Биосфере-2», нельзя не упомянуть и то, что обычно скрыто от глаз посетителей. Речь идёт о том, что здесь называют Техносферой — потрясающей подземной части проекта. Здесь расположены все электрические, водопроводные и механические системы, включая 26 установок обработки воздуха. Эти кондиционеры могут нагревать и охлаждать воздух, удалять из него различные частицы, поддерживать уровень влажности и генерировать конденсат для дождя, тумана и наполнения океана.
Ещё одно здание на территории комплекса представляет собой комплекс Энергоцентра. Лаборатории «Биосферы-2» требуется постоянное электроснабжение. Отключение электроэнергии в солнечный летний день и последующее повышение температуры может нанести непоправимый ущерб биомам «Биосферы-2» в течение всего лишь 20 минут. Внутри Энергоцентра находятся два больших генератора, котлы для нагрева воды и чиллеры для её охлаждения. Большие башни используются для охлаждения воздуха, протягивая его через столб воды.
Значение «Биосферы-2» для настоящего и будущего Земли
Как мы видим, «Биосфера-2» — это не просто интересный научный объект, это воплощение идеи о возможности создания устойчивой среды жизни. Этот уникальный комплекс открывает перед нами двери в мир таинственных и изумительных процессов, которые происходят в нашей планете. Будучи объединены в одну систему, эти зоны демонстрируют нам, насколько хрупкая и удивительная наша Земля.
Исследования, проводимые в «Биосфере-2», имеют огромное значение для настоящего и будущего Земли. Они помогают ученым понять сложные взаимосвязи в природных экосистемах и предсказать последствия изменений климата и окружающей среды. Результаты таких исследований могут быть использованы для разработки эффективных мер по уменьшению выбросов парниковых газов, сохранению биоразнообразия и созданию устойчивых экосистем в будущем.
Взглянуть на эти чудеса природы и науки можно не только учёным, но и простым туристам. Ежедневно «Биосфера-2» приглашает гостей на 90-минутную прогулку с аудиогидом. Кстати, с 1991 года проект посетило более 3 млн туристов. А если визит в Аризону не входит в ваши ближайшие планы, то приобщится к богатому внутреннему миру «Биосферы-2» можно с помощью виртуального гида на сайте проекта.
Но остаётся ещё один вопрос: а почему проект был назван «Биосфера-2»? Где же «Биосфера-1»? А первой биосферой, дорогие друзья, является наша единственная и неповторимая Земля.
