Год в «Звездолёте».

Божко Андрей Николаевич

Первые попытки использовать зеленые растения для этой цели предпринял один из основоположников советского ракетостроения, А. Цандер. В 1915–1919 годах он выращивал овощи на древесном угле, который выполнял роль облегченного заменителя почвы, а для питания растений использовал отходы жизнедеятельности человека.

В наши дни мечта К. Циолковского о создании круговорота веществ в отрыве от Земли принимает реальные очертания благодаря интенсивным исследованиям по созданию так называемой «экологической системы», которая позволила бы осуществить искусственный круговорот веществ, подобный земному.

Как известно, «экология» (от греч. oikos — дом) — обширная часть биологии, изучающая взаимные

связи между живыми организмами в природе.

Совокупность всего живого на Земле вместе со средой обитания образует своеобразную оболочку Земли — биосферу.

Живые организмы, ассимилируя вещества, накапливаясь и размножаясь в процессе роста и развития, активно воздействуют на окружающую среду, изменяют ее. Без них невозможно формирование, существование и развитие почвенного покрова, где развивается жизнь в ее многообразном проявлении.

По мнению многих ученых, современная атмосфера Земли, являясь средой существования живых организмов, возникла также в результате их жизнедеятельности. В формировании структуры, состава и энергетики биосферы живые организмы играют ведущую роль благодаря их способности к обмену веществ и энергии с окружающей средой.

Подсчеты показывают, что общий вес живого на нашей планете составляет около 0,01 процента от веса планеты. Однако если суммировать всю массу живых организмов, когда либо появлявшихся на Земле, то получается величина, намного превышающая массу земного шара. Вот почему так велика роль живого на Земле.

На первый взгляд кажется, что между живой и неживой природой существуют непреодолимые различия. Однако, несмотря на отличия, между ними имеется неразрывное единство: в их основе находятся химические элементы и соединения — общие для всего живого и неживого. Их взаимосвязь и взаимообусловленность заключаются в том, что живые организмы не могут существовать без окружающей неживой природы, ибо она дает им энергию и простейшие соединения для построения их клеток и тканей.

Взаимовлияние и взаимозависимость всего живого и окружающей неживой природы были подмечены давно. В 1898 году выдающийся русский ученый-натуралист В. Докучаев впервые высказал мысль о необходимости изучения комплекса явлений и предметов земной поверхности в целом, в их взаимодействии и взаимообусловленности. Идея о единстве природных компонентов: поверхностных горных пород с присущим им рельефом, почвами, животными и растениями и т. д. — привела к делению всей биосферы Земли на элементарные, однородные внутри себя участки, территории или акватории с прилегающими к поверхности слоями воздуха, с водой и грунтом, населенных группировками живых организмов. Такие участки советский академик В. Сукачев в 1942 году назвал биогеоценозами (от греческого bios — жизнь, ge — земля, koinos — сообщество). Они стали объектом изучения новой науки — биогеоценологии.

Установлено, что биогеоценоз — это не простая совокупность растений, животных и других природных тел, каждое из которых существует самостоятельно, независимо от других, это не простая сумма, а особая сложно организованная форма существования организмов и их среды. В результате взаимного воздействия отдельных частей друг на друга постоянно и непрерывно совершается обмен веществом и энергией.

На любом участке земной поверхности все живые организмы образуют единое целостное сообщество — биоценоз, — являющееся составной частью биогеоценоза. Оно включает в себя фитоценозы — сообщества, образованные растениями, зооценозы — совокупность животных и микробоценозы — сообщества микроорганизмов.

Фитоценоз — единственный из компонентов биоценоза, способный использовать энергию Солнца. Поэтому ему принадлежит ведущее значение.

Неживая природа, среда поставляет живому

первичный материал — минеральные вещества и энергию, то есть создает условия, необходимые для жизнедеятельности. Живые организмы (биоценоз) аккумулируют энергию и строят из простых минеральных элементов сложные органические вещества своего тела, а затем вновь возвращают первичные элементы, прошедшие сложный цикл, окружающей среде.

Экосистема — понятие, близкое к понятию биогеоценоза. Однако оно употребляется учеными-специалистами применительно к таким понятиям, как лес, озеро, луг, болото и даже биосфера Земли в целом.

При рассмотрении биосферы Земли в качестве единой экологической системы можно обнаружить, что масса вещества Земли не уменьшается и не увеличивается, а лишь трансформируется, переходя из одного состояния в другое.

Известно, что наряду с биологическим (малым) круговоротом веществ в природе существует геологический (большой) круговорот веществ. Если отмирающие растения и животные оказываются, например, под водой без доступа воздуха и при огромном внешнем давлении, то они не будут разлагаться и вовлекаться, как обычно, в круговорот веществ. А переходя в инертное состояние: в торф, уголь, горные породы, — вовлекаются в геологический круговорот веществ, выпадая из биологического. Большая часть углерода — одного из важнейших элементов — находится в горных породах, например, в виде известняка и мрамора. Геологические процессы, и в частности вулканическая деятельность, возвращают этот углерод в сферу действия биологического круговорота веществ. Этому способствуют также физико-химические условия среды, в течение многих тысячелетий разрушающие горные породы.

Деятельность человека, который занимается добычей торфа, угля, нефти, а затем сжигает или перерабатывает их, также приводит к возврату углерода в биологический круговорот.

Аналогично осуществляется изъятие из этого круговорота и других элементов, накопление их в недоступной для живых организмов форме и последующий их возврат в него.

Таким образом, собственно биологический круговорот веществ на Земле не замыкается полностью, а смыкается с геологическим; геологический же, включающий в себя огромные массы вещества, не может быть воспроизведен в миниатюре.

Как же тогда воспроизвести в микромасштабе круговорот веществ, основываясь на природном оригинале? Очевидно, что построить модель естественного круговорота в искусственной системе невозможно даже со значительными упрощениями. И остается один путь: сузить в этом круговороте до предела геохимический цикл, а из биологических звеньев оставить наиболее важные с их природными экологическими связями.

Если в естественных условиях временная стабилизация круговорота обеспечена громадной массой веществ и сравнительно малой скоростью их движения, то в искусственных системах круговорота с их ограниченным количеством веществ мы столкнемся с большей скоростью их обмена, с большей подвижностью процессов. Кроме того, в искусственных системах будут отсутствовать полициклические процессы, включающие суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы.

Следовательно, при моделировании природных процессов в искусственных системах можно пользоваться лишь методами приближенного подобия.

При создании экологической системы в изолированном пространстве ученым приходится иметь дело с различными объектами живой природы. Эти живые объекты становятся как бы «звеньями» единой цепи вещества и энергии в такой системе. Предполагается, что подобная система может обеспечить все потребности человека, который при этом будет одним из ее функциональных составляющих. Он будет потребителем кислорода, воды и пищи и одновременно поставщиком отходов жизнедеятельности в системе.