9. Замкнутые трофические системы

Решение многих задач на Земле и за ее пределами требует создания искусственных, полностью или поч­ти полностью замкнутых трофических систем или даже небольших биосфер. В таких системах с участием ор­ганизованных в трофические цепи организмов различ­ных видов и должен происходить круговорот веществ, как правило, для поддержания жизни больших и малых сообществ людей или животных. Формирование искусс­твенных замкнутых трофических систем и искусствен­ных микробиосфер имеет непосредственное прикладное значение при освоении космического пространства, мирового океана и пр.

Проблема создания замкнутых трофических систем, в особенности необходимых при длительных космичес­ких полетах, давно волнует исследователей и мысли­телей. По этому поводу были развиты многие фунда­ментальные идеи. В отношении таких конструируемых человеком систем были выдвинуты важные, хотя в ря­де случаев и нереальные требования. Речь идет о том, что трофические системы должны быть а высокой степени продуктивными, надежными, должны обладать высокими скоростями и полнотой дезактивации токси­ческих компонентов. Ясно, что реализовать такую систему исключительно трудно. Действительно, выс­казывались сомнения о возможности конструирования безопасной и надежной экосистемы (обзор: Odum, 1986). Тем не менее следует попытаться хотя бы оп­ределить максимальную емкость трофической системы, образно говоря, выяснить, каким должен быть ма­ленький остров, пригодный для жизни Робинзона Кру­зо, если он будет накрыт прозрачным, но непроница­емым колпаком.

В качестве примера можно привести недавно раз­работанную модель искусственной биосферы (биосфера II), которая является стабильной замкнутой систе­мой и необходима для жизни в различных областях космического пространства, в том числе на Луне и Марсе (обзор: Allen, Nelson, 1986). Она должна мо­делировать условия жизни на Земле, для чего следу­ет хорошо знать природные технологии нашей плане­ты. Кроме того, такая биосфера должна содержать инженерные, биологические, энергетические, инфор­мационные открытые системы, живые системы, накап­ливающие свободную энергию, и т. д. Как и биосфе­ра, искусственная биосфера должна включать в себя подлинную воду, воздух, скалы, землю, раститель­ность и т. д. Она должна моделировать джунгли, пустыни, саванну, океан, болота, интенсивное зем­леделие и т. д., напоминающие родину человека (рис. 1.8). При этом оптимальное отношение искус­ственного океана и поверхности суши должно состав-

лять не 70:30, как на Земле, а 15:85. Однако океан в искусственной биосфере должен быть по крайней мере в 10 раз более эффективным, чем настоящий.

Недавно эти же исследователи (Allen, Nelson,

1986. представили описание модельного комплекса связанных искусственных биосфер, разработанных для продолжительной жизни 64-80 человек на Марсе. Каж­дая из таких 4 биосфер, радиально расположенных по отношению к так называемому техническому центру, служит жизненным пространством для 6-10 человек. В техническом центре находится резервный океан для смягчения окружающей среды и поддержания замкнутой системы в целом. Существуют также биологическая, транспортная, горная и оперативная группы, а также госпиталь для визитеров с Земли, Луны или других частей Марса.

Конкретные проблемы питания в космосе при дли­тельных полетах выходят за пределы этой книги. Тем не менее следует сказать, что при длительных поле­тах в космическом аппарате создается микромир, изолированный от привычной для человека среды на долгое, а в некоторых случаях и на неопределенно долгое время. Особенности этого микромира, и в частности особенности его трофики, во многом опре­деляют существование системы в целом. По всей ве­роятности, одной из самых важных ступеней биоти­ческого круговорота служит деградация продуктов жизнедеятельности. Значение процессов деградации часто недооценивается. В частности, при обсуждении проблемы пищевых ресурсов человек традиционно рас­сматривается как высшее и конечное звено трофичес­кой цепи (обзоры: Odum, 1986; Biotechnology..., 1989, и др.). Между тем такая постановка проблемы уже привела к формированию серьезных экологических дефектов, так как экологическая система может быть устойчивой лишь при сочетании эффективного поступ­ления и расхода веществ. Примеры этому весьма мно­гочисленны. К одному из них относится драматичес­кий эпизод в Австралии, где произошло разрушение растительных покровов пометом овец и коров из-за отсутствия жуков-навозников.

Во всех случаях проблемы деградации продуктов жизнедеятельности и элиминации самых ослабленных членов популяции чрезвычайно важны. Недавно разви­ваемая точка зрения неожиданно получила подтверж­дение. При моделировании длительного межпланетного полета экипажа, состоящего из 10 человек, калифор­нийские исследователи обнаружили, что круговорот веществ значительно улучшается, если в систему, включающую человека, растения, водоросли, бактерии и т. д., введены две козы. Улучшение в этой систе­ме циркуляции веществ достигается в некоторой сте­пени за счет появления в рационе молока и, следо­вательно, дополнительных полноценных пищевых компонентов (в том числе белков), но в значительно большей степени благодаря ускорению процессов дег­радации растительных остатков в желудочно-кишечном тракте коз. Понимание трофической системы как ди­намических циклов, а не цепей или пирамид с на­чальными и конечными звеньями, по-видимому, будет способствовать не только более правильному отраже­нию действительности, но и более разумным действи­ям, по крайней мере уменьшающим вредное влияние на окружающую среду.

По всей вероятности, при создании искусственных биосфер в дальнейшем также могут быть обнаружены многие интересные феномены, так как мы еще не зна­ем всех способов формирования минимального, но уже удовлетворительного трофического цикла. Существует ряд указаний на то, что в небольшой по численности группе людей бактериальная популяция желудочно-ки­шечного тракта может быть неустойчивой. Со време­нем она будет беднеть, особенно если будут приме­няться какие-либо вмешательства лечебного характе­ра с использованием антибиотиков. Поэтому для вос­становления кишечной микрофлоры космических экипа­жей было бы весьма целесообразно иметь некоторый банк бактерий. Кроме того, при длительных косми­ческих полетах не могут быть исключены мутации растений и бактерий, входящих в трофический цикл. Это может приводить к серьезным нарушениям свойств соответствующих организмов и их биологической ро­ли. Эти обстоятельства необходимо иметь в виду, так как, по всей вероятности, трофическая система (искусственная микротрофосфера) космического ко­рабля должна быть не только достаточно современ­ной, но и гибкой, что сможет обеспечить ее опреде­ленные изменения. В этом плане обращает на себя внимание оптимистическое предсказание, что уже в XXI в. миллионы человек смогут жить в космических поселениях (O'Neill, 1977) (см. также гл. 5).