1 августа 2018 г
Resilience
Научное сообщество и остальная публика все еще могут извлечь уроки из крупнейшего мезокосмического исследовательского проекта когда-либо проводившегося на земле
Сегодня, когда крайние взгляды на первые годы Биосферы-2 — например, “. . . это устройство – просто кошмар... [1] или “Она спасет Землю и колонизирует космос!”— отступили, можно переосмыслить опыт ее работы в качестве герметично-закрытой экологической системы, поддерживающей человеческое проживание в общей сложности на протяжении трех лет.
Исторически наблюдалось напряжение и враждебность между учеными, вовлеченными в детальную аналитическую работу, и учеными, изучающими явления в больших масштабах. Это прискорбно, потому как для понимания экологии оба подхода необходимы: есть еще много непознанного в базовой биологии и в том, как функционирует наша биосфера. Тем не менее, когда эксперимент еще шел около тридцати лет назад, Биосфера-2 подвергалась критике как со стороны ученых-практиков, не оправдывающих дизайн, так и тех, кто придерживался системных подходов (иногда называемых “холистической наукой”).1,2
Биосферу 2 метафорически называли “циклотроном природных наук.” На пространстве в 3.14 акра, упакованным разнообразной биологической жизнью и окруженном миниатюрными моделями атмосферы и океана, биогеохимические циклы воспроизводились со скоростью, превышающие нормальные в 100 – 1000 раз.3,4
Мои задачи внутри Биосферы 2 включали управление системой переработки сточных вод и системой фуража для нашей фермы, и помощь в исследовании биом дикой природы. Некоторые из поразительных моментов во время экспериментов включали в себя поддержание удивительного биоразнообразия, несмотря на значительные потери видов из-за хищнического поведения “безбилетных” муравьев и перегрузки видами, которые, по расчетам экологических проектировщиков, должны были превалировать.6,7
Одна биома, туманная пустыня, самоорганизовалась в отношении колючего кустарника вместо того, чтобы быть заселенной первоначальными кактусами и травой. Крупные деревья были слабыми из-за уменьшенного освещения, высокого CO2, но зелень росла быстро, некоторые деревья выросли от 3 м до 10 м за два года. Ферма производила 83 % еды для первого состава команды и 100 % для второй, более короткой миссии в 1994 г.8 Система кораловых рифов выжила в первые два года, но потребовала химического вмешательства для поддержания уровней pH и даже прореживания лишних водорослей. Более поздние исследования коралового рифа на Биосфере 2 позволили предсказать влияние роста CO2 и окисления океана в результате глобальных климатических перемен.9
Главным сюрпризом было медленное уменьшение атмосферного кислорода (что свидетельствует о чрезвычайно плотной оболочке) из-за дисбаланса между фотосинтезом и дыханием. Детальное исследование показало, что кислород главным образом адсорбировался в необработанном бетоне и почвах.10 Это позволило провести биомедицинскую проверку команды на предмет гипоксии, несмотря на изменение высоты, эти два фактора обычно неразделимы.11 Установленная система очищения сточных вод с помощью болота, которая направляла очищенную воду на ирригацию фермы, работала исключительно хорошо, как и инновационные подходы к очищению воздуха.12 Трения в команде усугублялись спорами по поводу менеджмента проектом, но мы “биосферники” продолжали работать вместе, объединенные нашей важной задачей и понимая, что все, что вредит здоровью Биосфере 2, вредит и нашему здоровью.13
Я исследую научную и общественную реаакцию на Биосферу 2 в своей последней книге "Раздвигая границы: Уроки Биосферы 2". Проект становится все более актуальным по мере возникающих перед нам беспрецедентных экологических вызовов.
Исследователи, участвующие в Биосфере 2, не ожидали, что привлекут мировое внимание. Когда мы начинали работу по проекту в середине 1980-х, даже термин “биосфера” был неясен. Но общественность реагирует на видимую и реальную науку. Центральные идеи Биосферы 2 — о том, что мы должны знать, как работают экосистемы, и что люди и наши технологии, включая сельское хозяйство могут быть перепрограммированы для интеграции с миром природы — были изначально оптимистичными.14,8 С помощью спутника примерно один миллион людей в сентябре 1993 г мог вживую наблюдать наш выход в биосферу Земли после двух годичного эксперимента.
Хотя были и отрицательные стороны такого паблисити, это дало возможность образовать публику. Образование публики было важной частью при раннем планировании Биосферы 2. Ученики во многих школах в США и заграницей проектировали свои собственные мини-биосферы; несколько школьных программ и учебников появились в результате проекта, и у команды была живая связь со школьными группами. Многие классы провели полевые вылазки к Биосфере 2 в Аризоне.
Биосфера 2 была противоречивой по ряду причин. Все, попадающее в поле зрения массмедиа, привлекает критиков. Но среди ученых есть пословица: “Нет противоречий, нет открытий.” И Биосфера 2 определенно была открытием. До нее никто не пытался создать экспериментальную установку с пятью различными биомами внутри, а также фермой и всеми инженерными сооружениями, необходимыми для поддержки мини-биосферы. Эти элементы — необходимый комплекс для изучения функционирования экосистем, их взаимодействия и самоорганизации — не встречался ни в одной экспериментальной установке.15,16
Ребекка Рейдер, написавшая книгу “Мечты о Биосфере” на основе своей гарвардской диссертации, писала, что Биосфера 2 вызвала споры также и потому, что нарушила некоторые общие представления, даже табу, о науке. Одним из нарушений было разрушение “явной интеллектуальной границы между людьми и природой; она не обязательно предполагает, что люди должны учится жить с окружающим их миром.” Рейдер копает еще глубже: она пишет, что “наука была отделена от искусства, а думающий мозг от эмоционального сердца.”17
Страсть к тому, чтобы понять работу природы – часто ключ к работе естествоиспытателей, а для исследователей, участвующих в Биосфере 2, их любовь к новому миру и его биоразнообразию помогла осуществить осторожный менеджмент, собрать данные по экологической самоорганизации, и расширить изучение по мере возникающих ситуаций. Разрушение догм должно продолжаться, если мы хотим встретить во всеоружии экологические вызовы, возникшие из-за человеческой технологической мощи и его чрезмерной популяции.
Г.Т. Одум, которого считают отцом экологического проектирования и одним из создателей системной экологии, давно работал над проблемой привлечения ученых к более крупным задачам. Он отмечал в редакционной заметке 1996 г, опубликованной в Ecological Engineering, что, как и у нашей глобальной биосферы, у Биосферы 2 есть множество масштабов действия. Хотя все масштабы для науки важны, крупное финансирование идет на малые проекты, и гораздо меньше отводится на эксперименты, призванные понять биосферные функции. Крупномасштабные эксперименты нужны для проверки моделей и гипотез на этих уровнях организации.
Одум и Бруно Марино, который был первым директором исследований Биосферы 2 в колумбийском университете в 1995 г, издали около двадцами статей в 1999 г в книге "Биосфера 2: Прошлые и новые исследования". Во введении авторы отмечали, что пришло время для более крупных экспериментальных установок по типу Биосферы 2. Они предположили, что эти установки должны иметь статус национальных лабораторий, и делиться своими ресурсами со многими учеными различных специальностей.18
Это была одна из задач Биосферы 2 — создание множественных лаборатоий по изучению глобальной экологии и испытательных площадок экотехнологий, которые могли бы улучшить интеграцию техносферы и биосферы.12,19 Для больших университетов такая замкнутая биосферы была бы важным источником исследовательских и образовательных программ. Сравнительная биосферика – новая область, которая могла бы дополнять сравнительную планетологию – по мере того, как мы учимся находить наше место и общую судьбу во вселенной.
Проектирование Биосферы 2 потребовало привлечь различных ученых и инженеров и их взаимодействия. Инженеры должны были спроектировать и выбрать оборудование и материалы, которые бы не производили никаких побочных продуктов. Нарушающих жизнь внутри. Техносфера проектировалась с единой главной целью – поддержать жизнь. Мы живем в антропоцене, и такое перепроектирование нашей техносферы должно быть частью новой парадигмы, помогающей осуществить переход к здоровому отношению к нашей планете.
У меня было также личное открытие в результате жизни в Биосфере 2 - понимание того, что наша биосфера поддерживала нашу жизнь и здоровье в таком малом мире. Это было органическое, почти животное понимание, и оно было очень глубоким. Мы должны были стать творческими фермерами, исследователлями, техниками и наблюдателями за атмосферой. Размеры биом установки препятствовали образованию “главных видов” (имеющих непропорционально большое влияние на экосистемы). Поэтому “биосферники” должны были взять на себя эту роль— например, убирать травы в саванне, поскольку у нас не было пасущегося стада. Мы также вмешивались для защиты биоразнообразия путем включения дополнительного света и контролировали инвазивные виды. Наша любовь к мини-биосфере была отражена в поэмах, фильмах, музыке, искусстве во время пребывания в Биосфере-2.
Современные чувства отделения от окружающей среды, такие как “синдром дефицита контактов с природой,” вредны и могут привести к большой социальной дисфункции. Окружающая среда не просто то, что находится вне нас. У нас фундаментально те же отношения с глобальной биосферой Земли, которые я и другие члены команды почувствовали внутри миниатюрной Биосферы 2. Наша главная задача как ученых и земных биосферников была в полном осознании этой связи. И это осознание направляло все наши подходы и действия по отношению к драгоценному миру, поддерживающему жизнь.
Марк Нельсон – директор Института Экотехники и член биоосферного коллектива во время первого эксперимента 1991–1993 гг.
Ссылки
1. M. Nelson, Pushing our Limits: Insights from Biosphere 2, Tucson: University of Arizona Press, 2018.
2. R.L. Walford, “Biosphere 2 as voyage of discovery: The serendipity from inside,” BioScience, 52:259–63, 2002.
3. M. Nelson et al., “Earth applications of closed ecological systems: Relevance to the development of sustainability in our global biosphere,” Advances in Space Research, 31:1649–55, 2003.
4. M. Nelson et al., “The water cycle in closed ecological systems: Perspectives from the Biosphere 2 and laboratory biosphere systems,” Advances in Space Research, 44:1404–12, 2009.
5. J.K. Wetterer et al., “Ecological dominance by Paratrechina longicornis (Hymenoptera: Formicidae), an invasive tramp ant, in Biosphere 2,” The Florida Entomologist, 82:381–88, 1999.
6. L.S. Leigh et al., “Tropical rainforest biome of Biosphere 2: Structure, composition and results of the first 2 years of operation,” Ecological Engineering,13:65–93, 1999
7. M. Finn et al., “Mangrove ecosystem development in Biosphere 2,” Ecological Engineering, 13:173–78, 1999.
8. B.D.V. Marino et al., “The agricultural biome of Biosphere 2: Structure, composition and function,” Ecological Engineering,13:199–234, 1999.
9. C. Langdon et al., “Effect of elevated CO2 on the community metabolism of an experimental coral reef,” doi:10.1029/2002GB001941, Global Biogeochemical Cycles, 2003.
10. J.P. Severinghaus et al., “Oxygen loss in Biosphere 2,” Eos, Transactions American Geophysical Union, 75:33–37, 1994.
11. R.L. Walford et al., “‘Biospheric Medicine’ as viewed from the two-year first closure of Biosphere 2,” Aviation, Space and Environmental Medicine, 67:609–17, 1996.
12. M. Nelson and B.C. Wolverton, “Plants + soil/wetland microbes: Food crop systems that also Clean Air and Water,” Advances in Space Research, 47:582–90, 2011.
13. M. Nelson et al., “Group dynamics challenges: Insights from Biosphere 2 experiments,” Life Sciences in Space Research, 6:79–86, 2015.
14. S.E. Silverstone and M. Nelson, “Food production and nutrition in Biosphere 2: Results from the first mission September 1991 to September 1993,” Advances in Space Research, 18:49–61, 1996.
15. M. Nelson et al., “Using a closed ecological system to study Earth's biosphere: Initial results from Biosphere 2,” BioScience, 43:225–36, 1993.
16. B. Zabel et al., “Construction and engineering of a created environment: Overview of the Biosphere 2 closed system,” Ecological Engineering, 13:43–63, 1999.
17. R. Reider, Dreaming the Biosphere: The Theater of All Possibilities, Albuquerque: University of New Mexico Press, 2009.
18. B.D.V. Marino and H.T. Odum, “Biosphere 2: Introduction and research progress,” Ecological Engineering, 13:3–14, 1999.
19. M. Nelson et al., “‘Modular biospheres’—New testbed platforms for public environmental education and research,” Advances in Space Research, 41:787–97, 2008.
Сноски
[1]