Биосфера-2: миф или реальность?

Тина ХеллвигЯ родилась в Ленинграде и практически всю свою жизнь я прожила в моем любимом городе, получила хорошее университетское образование, защитила кандидатскую, а затем докторскую диссертации. Долгое время работала в одном и академических институтов и параллельно преподавала в ВУЗе, где получила звание профессора. Я люблю путешествовать. За свою жизнь я посетила много разных городов и стран. Хочу поделиться с читателями своими мыслями и впечатлениями от увиденного и пережитого….

Недавно мне посчастливилось посетить одну из достопримечательностей Тусона – «Биосферу-2». Это поразительное сооружение имеет очень интересную историю создания, которая выглядит, как хорошо закрученный детектив. Однако, все по порядку. 

В этот день мы выехали из дома в 9 часов утра, поскольку предстояло проехать больше 100 км до цели нашего путешествия. Через 2 часа пути перед нашим взором открылось панорама, состоящая из каких-то фантастических прозрачных сооружений конической и полукруглой формы, позади которых виднелись закрытые белые полусферы и что-то, напоминающее восточную мечеть.

Создавалось впечатление, что мы приближаемся к какой-то неземной конструкции, которая подошла бы больше для лунного или марсианского пейзажа…

Общий вид Биосферы-2 (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Когда мы подъехали поближе и попытались найти место для парковки, то это удалось сделать с большим трудом. Следует заметить, что когда наша машина ехала по хайвэю, то дорога была почти пустынна, и я решила, что Биосфера-2 из-за своей удаленности от города не очень часто посещается. Но как я была неправа, вся стоянка была забита машинами до отказа. Но нам сказочно повезло, когда мы обнаружили, что одно место сейчас освободиться, т.к. припаркованная машина начала выезд со стоянки. 

Первый вопрос, который у меня возник, когда я разглядывала издали эту конструкцию, зачем и как долго она строилась. Вскоре я получила ответ на эти и многие другие вопросы.

Идея создания модели биосферы Земли

Ученые мужи уже давно задумывались, почему же так сложно прогнозировать поведение биосферы Земли? На ее состояние влияют очень многие факторы. Поэтому сложно проводить теоретические расчеты и создавать математические модели поведения биосферы Земли. Постановка натурного эксперимента невозможна, поскольку, во-первых, это может привести к непредсказуемым последствиям, а, во-вторых, технические возможности современной цивилизации весьма ограничены.

Уже давно в научном мире зрела мысль о создании модели земной биосферы в миниатюре. Такая модель должна была отвечать следующим требованиям: 

• она должна быть изолирована от остального мира;

• в ней должна быть своя атмосфера, почва, океан, тропический лес и ряд других биомов;

• она должна иметь свой растительный и животный мир;

• в замкнутую биосферу извне должны поступать только солнечная энергия и тепло, как это происходит на нашей планете. 

Построив такую замкнутую биосферу, можно было бы начать натурные эксперименты. Например, интересно выяснить, как будет развиваться эта экспериментальная биосфера в будущем, если ее предоставить самой себе. Что произойдет с биосферой, если увеличить концентрацию углекислого газа? Какие изменения можно ожидать, если имитировать глобальное потепление климата? И, безусловно, такой опыт может понадобиться в будущем, при постройке поселений человека на других планетах. 

Большим энтузиастом создание модели замкнутой биосферы был техасский миллиардер Эд Басс. Он же выступил основным спонсором. Разработка конструкций и систем биосферы заняла около 10 лет. В течение этого времени специальные группы ученых собирали по всей Земле разнообразные виды животных и растений для заселения Биосферы – 2, подбирали образцы почвы, тщательно следя за тем, чтобы все было биологически сбалансировано.

Строительство и устройство Биосферы -2

Место для строительства Биосферы-2 было выбрано в пустыне южной Аризоны, у подножья гор Санта-Каталина, недалеко от Тусона. В 1986 г компания «Space Biosphere Ventures» начала строительство этого необычного сооружения. Одно из условий Эда Басса при постройки модели биосферы состояло в том, чтобы можно проследить человеческие отношения в условиях дикой природы и полной изоляции.

Наконец, в 1990-м году было сооружено грандиозное строение, представляющее собой замкнутую природную систему, получившую название «Биосфера-2». Почему Биосфера-2? Потому что под Биосферой-1 подразумевалась наша планета Земля. 

Биосфера-2 представляла собой монументальную конструкцию из стекла и стали. Она занимала площадь чуть больше 1 гектара. Общий объем сооружения составлял около 200 тысяч кубометров. Оно было полностью покрыто стеклянным колпаком, пропускающим 50% солнечного света.

Тропический лес (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

В высоких стеклянных сферах разместились несколько экологических систем в миниатюре: тропический лес, океан, соленый марш, луг, саванна, пустыня. Там были также бассейны для рыб, инсектариум, где обитало свыше 200 видов насекомых, сельскохозяйственная ферма для содержания животных и выращивания различных растений. Кроме того были предусмотрены: жилая часть – комнаты для сотрудников, мастерские и информационно-вычислительный центр, который осуществлял мониторинг за всеми процессами в биосфере.

Океан (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Каждая из экологических систем была отделена от других и имела свой особый климат. Например, испарение воды из океана осуществлялось с помощью вентиляторов. Образующийся таким образом пар поступал в тропический лес, где поддерживалась определенная влажность. Защитные экраны, управляемые компьютерами, позволяли иметь в каждом отсеке соответствующие световые и температурные условия. Специальные «мембраны-легкие» контролировали давление внутри конструкции, чтобы не нарушить ее изоляции.

Пустыня (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Биосфера-2 имела достаточно большой размер, чтобы поддерживать все экосистемы в динамическом равновесии, и в то же время она была довольна миниатюрна, что позволяло легко исследовать все происходящие в ней процессы.

Соленый марш (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Биосфера-2 разрабатывалась специально для того, чтобы люди могли там жить. При этом предполагалось, что они будут изолированы от внешнего мира, а внутри будет осуществляться естественный круговорот различных веществ и воды под действием солнечной энергии. Единственная связь с внешним миром должна была осуществляться через оптико-волоконные кабели для передачи компьютерных данных и по телефонным линиям для переговоров. 

После окончания ее строительства подошло время для начала долговременного эксперимента по выживанию людей в полностью замкнутой и изолированной от внешнего мира системе. Перед этим был проведен конкурс среди добровольцев, которые бы согласились принять участие в этом научном исследовании. После строгого отбора комиссия остановила свой выбор на 8 соискателях. 

Когда мы были в Биосфере-2, то пред началом экскурсии нам показали получасовой фильм об этом уникальном эксперименте, и мы почувствовали себя соучастниками того события, которое свершилось 19 лет тому назад. 

Начало эксперимента века

26 сентября 1991 года 8 человек вошли в закрытую модельную экосистему Биосферы-2. Это были 4 мужчины и 4 женщины. Двери за ними закрылись надолго. Участники проекта должны были там прожить два года в полной изоляции. Это была попытка сымитировать жизнь людей на другой планете в замкнутой экосистеме в условиях, приближенных к жизни на Земле. 

В распоряжение людей были предоставлены довольно комфортные условия для жизни. У каждого была своя спальня, общая кухня, где они могли готовить пищу. В специальных оранжереях они должны были выращивать овощи и фрукты. Имелась также специальная ферма, где они должны были ухаживать за курами, поросятами и козами. Один из научных руководителей проекта, Карл Ходжес, сказал: «Мы разработали комплексную систему питания. Люди не обязаны есть водоросли, у них будут козы, куры, рыбы и прочее. В таком виде модель биосферы в принципе могла бы существовать, развиваться и поддерживать свое равновесие и на Марсе». Одним из обязательных условий для биосферян был экологический тип мышления. К. Ходжес образно сформулировал это так: «Если кто-нибудь бросит что-либо вредное для здоровья человека в водосток системы, он найдет это через пару недель у себя в чашке с кофе!»

Когда мы смотрели фильм о биосферянах, то на экране можно было видеть «сельскохозяйственную часть» среды их обитания. Симпатичные козочки уже успели обзавестись потомством, куры весело кудахтали в своем доме. Очень интересно было видеть необычную породу мелких пятнистых свиней: они, деловито хрюкая, поглощали корм в загоне. Мы также наблюдали уборку первого урожая. Жители биосферы копали картошку, собирали первые помидоры. А в это время в саду поспевали цитрусовые. И еще мне запомнился один сюжет из фильма. У кого-то из эконавтов был день рождения. Они накрыли праздничный стол из продуктов, выращенных собственными руками. Там было много всяких салатов, а главное украшение стола – симпатичный поросенок. Кругом улыбающиеся лица участников проекта. Создавалось такое впечатление, что все у них идет хорошо. И они вполне счастливы и довольны своей жизнью. Но это было далеко не так.

Расчеты и просчеты

Через пару месяцев после начала эксперимента из Биосферы-2 стали поступать первые тревожные известия. В атмосфере гигантской оранжереи стала возрастать концентрация углекислого газа. Вскоре она превысила критически допустимый уровень. Для его снижения были применены специальные меры извне. Это привело к тому, что была нарушена концепция естественной природной экосистемы.

Вторым неприятным сигналом было то, что снизилась концентрация кислорода. Нормальная концентрация кислорода в атмосфере – 21%, а в Биосфере она составляла 13-14%. Недостаток кислорода привел к тому, что у некоторых участников проекта начались постоянные головные боли, также заметно снизилась их трудоспособность. 

До начала проекта ученые предложили разнообразную диету для участников, включая большое количество овощей и фруктов. В действительности этого достичь не удалось, поскольку вырастить на небольшом участке земли овощи для восьми человек практически невозможно. Кроме этого, «на полях» стали бойко размножаться различные вредители (жуки, бабочки), которые уничтожали значительную часть урожая. Для борьбы с ними эконавты использовали «биологическое оружие»: их естественных врагов – насекомых, которые питаются личинками вредителей.

Еще один факт, который не могли учесть ученые при планировании спектра питания участников эксперимента: симпатичные пятнистые маленькие свиньи почему-то не размножались «на свиноферме», и их пришлось забить. Это временно решило проблему с питанием биосферян. Но были и положительные моменты: козы исправно давали молоко, а курочки несли яйца. 

Тем не менее, пищи обителям биосферы явно не хватало. В фильме можно было видеть их изможденные лица через несколько месяцев жизни в замкнутом пространстве. Оказалось, что почти все участники здорово похудели, изменился и биохимический состав крови: резко упало содержание сахара и холестерина, снизилось количество белых кровяных телец. Многие имели пониженное давление крови. 

Здоровье людей здорово пошатнулось, и руководителям проекта пришлось нарушить условия эксперимента. Они распорядились, чтобы в биосферу начали подкачку кислорода извне, и стали обеспечивать эконавтов дополнительным питанием. Эти нарушения долго скрывались от общественности, дабы продолжить видимость «чистого эксперимента». Но шила в мешке не утаишь, и впоследствии все эти манипуляции были разоблачены. 

Но это еще не все беды, которые обрушились на биосферу и ее обитателей. В экосистеме развелось великое множество муравьев, хотя их участие в эксперименте не планировалось. Вероятно, в данном случае сработал биологический принцип: отсутствие естественных врагов приводит к тому, что наблюдается неограниченный рост популяции потенциальных жертв. Помните, как несколько кроликов, завезенных в Австралию из Англии в середине 19 века, за несколько лет так расплодились в отсутствие врагов, что стали национальным бедствием для всего государства? Нечто подобное случилось и в Биосфере-2, но в несколько меньшем масштабе.

Была еще она большая «заморочка». Оказалось, что почва в биосфере содержала избыток питательных веществ, т.е. была перенасыщена азотом и фосфором. Вследствие этого почвенная микрофлора насчитывала аномальное число бактерий, потреблявших значительное количество кислорода для своей жизнедеятельности. Этим и объяснялась нехватка кислорода для участников проекта. 

Несмотря на многочисленные трудности, через 2 года эксперимент был завершен. 26 сентября 1993 эконавты вышли на свободу из своего добровольного заточения.

Что было потом

Приготовьтесь к неожиданному повороту сюжета. Вероятно, два года, проведенные вместе, когда людей объединяла общая цель выжить в экстремальных условиях и внести свою лепту в науку, привели к тому, что по окончании проекта две пары биосферян поженились. 

Участники постарались извлечь максимальную выгоду из опыта, полученного во время пребывания в биосфере. Все они написали книги, где рассказали о своих приключениях в Биосфере-2. Кто-то опубликовал книгу о биосферной еде и приложил рецепты некоторых блюд. Кстати, эта книга до сих пор пользуется заслуженной популярностью у американцев, поскольку «космические рецепты» помогают похудеть и снизить содержание холестерина в крови.

Но наиболее предприимчивыми оказались два участника проекта Джейн Пойнтер и Табер Маккаллум. Очень скоро они организовали свою компанию и начали выпускать карманные биосферы. Они представляли собой небольшие замкнутые водные экосистемы. В них без какого-либо специального ухода длительное время могли жить водные животные и растения. Основная идея при создании этих игрушек была основана на сбалансированности процессов круговорота вещества внутри экосистемы, при этом солнечная энергия должна поступать снаружи, чтобы круговорот органики мог осуществляться постоянно и на определенном уровне.

Следует добавить, что долгое время Джейн Пойнтер выступала с публичными лекциями о Биосфере-2. В одном из своих выступлений она сказала: «В «Биосфере-2» я полностью осознала, что оказываю значительное влияние на свою биосферу, каждый день, и это имеет обратный эффект на меня, в буквальном смысле».

Хотя первый эксперимент был проведен не так, как было задумано, но, тем не менее, он ответил на многие научные вопросы. Ученые смогли приобрести бесценный практический опыт в наблюдении за живыми экосистемами в закрытой среде.

После первого эксперимента руководители проекта решили в корне изменить условия проведения последующих наблюдений…

В следующем, 1994 году начался второй этап работ в Биосфере-2. Новая команда биосферян состояла из 5 человек. Устроители проекта кардинальным образом поменяли программу. Теперь во главу угла было поставлено проведение исследований учеными-специалистами. В их задачу входило проведение различных научных экспериментов. Специалисты могли находиться в биосфере различное время, это зависело от длительности проведения эксперимента или наблюдения. 

Однако, второй этап длился недолго и был неожиданно прерван из-за ухудшения обстановки в гигантской оранжерее. Произошло это в октябре 1994 г. Вторая группа биосферян была спешно эвакуирована, а здание было опечатано. Через полгода было принято решение снова открыть Биосферу-2, сделать там капитальную уборку и проветрить все помещения. Однако эти меры мало помогли.

Смутные времена

Проект был передан Колумбийскому университету. Новые руководители решили прекратить эксперимент и удалить из сооружения людей, поскольку было неясно, как решить проблему питания и сохранения неизменного состава воздуха. Однако в середине 1996 года ученые начали новый эксперимент, уже без участия людей. Они должны были выяснить:

• действительно ли урожайность некоторых сельскохозяйственных культур повышается с увеличением концентрации углекислого газа; 

• каким образом утилизируется излишек углекислоты в экосистеме.

В этот период исследователи опять столкнулись с рядом проблем. Во-первых, в оранжереях наблюдалась вспышка численности некоторых видов микроорганизмов, а также насекомых (в особенности, муравьев и тараканов). Причину этого явления мы уже знаем. Во-вторых, в утренние часы на стеклянных крышах комплекса в большом количестве конденсировалась вода, и это приводило к тому, по всему лабораторному полигону лился дождь. В-третьих, устроители эксперимента не учли такого природного явления, как ветер. Без него было невозможно раскачивание деревьев, и как следствие – деревья становились хрупкими и ломались.

В целях безопасности в 1997 году проект Биосфера-2 был закрыт. Американцы вложили в этот один из самых дорогих научных проектов 20 века около 200 миллионов долларов, чтобы ответить на вопрос, сможет ли уменьшенная копия биосферы Земли существовать и функционировать автономно. К большому сожалению, все эксперименты закончились неудачно. И в итоге искусственная биосфера стала непригодной для жизни… 

Несколько лет Биосфера-2 простояла безо всякого употребления. Владельцы никак не могли решить, что делать с комплексом зданий и землей, где оно расположено. Продать за ту огромную сумму, которая была вложена в проект, не представлялось возможным. Покупателей просто не нашлось.

Новые хозяева

Решение было найдено в начале 21 века. В 2001 году министр энергетики США подписал с Колумбийским университетом соглашение об использовании строений комплекса для нужд его министерства. Это было основание, чтобы начать финансирование новых экспериментов в Биосфере-2. Основные исследования были сфокусированы на изучении отклика различных экосистем в связи с глобальным и локальным изменениями климата. 

10 января 2005 года компания-владелец уникального комплекса выставила лабораторию на продажу. Он был продан компании CDO Ranching & Development LP, которая приобрела лот путем двух сделок. Она заплатила 9 млн. долларов за здания, в том числе биосферные купола и студенческую деревню и еще 40 млн. долларов за землю вокруг собственности. В июне 2007 Университет штата Аризоны стал управлять Биосферой-2.

Что сейчас можно увидеть в Биосфере-2

Самостоятельно следует посетить жилой корпус, где проводился эксперимент с эконавтами: спальни, кухню, лаборатории, центр управления и аграрную зону, где биосферяне выращивали овощи и животных, чтобы обеспечить свое питание.

Подземные инженерные сооружения комплекса (Фото: Тина Xеллвиг, личный архив)

Лучше всего с экскурсоводом отправиться в оранжереи, где до сих пор экспонируются несколько биомов: океан, мангровые заросли, саванна, пустыня и ливневый тропический лес. Экскурсовод показывает посетителям сложные инженерные подземные сооружения, которые обеспечивают функционирование замкнутых экосистем биосферы.

"Легкие" Биосферы-2 (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Особого внимания заслуживает посещение круглых полусфер – «легких» Биосферы-2, которые поддерживают газовый состав атмосферы в строениях. Особенно потрясает воображение 20-ти тонная металлическая конструкция, которая парит в пространстве за счет разницы в давлении воздуха.

Коралловый риф (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

Интересно самостоятельно посетить выставку в цокольном этаже, расположенном под океаном. Через стеклянные окна можно наблюдать жизнь кораллового рифа, посмотреть панорамы различных глубоководных биоценозов и сфотографироваться на память с каким-нибудь симпатичным морским животным.

Жизнь на дне искусственного океана (Фото: Тина Хеллвиг, личный архив)

В довольно просторном морском музее можно совершить экскурсию по воображаемому дну окена, где в натуральную величину представлены разнообразные морские биоценозы с губками, кораллами, морскими звездами. Этой рай для детей. Они очень любят фотографироваться на фоне морской экзотики. Кроме того, ребята могут порыться в настоящем морском песке и найти на память что-нибудь интересное, например, раковину редкого морского моллюска.

Морской музей (Фото: Эрик Хеллвиг, личный архив)

После трехчасовой прогулки, набравшись положительных впечатлений и узнав много интересного об истории создания и функционирования Биосферы-2, мы покидали это красивое место. Однако осталась небольшая грустинка. 

Когда этот проект находился в стадии разработки, национальная космическая комиссия США полагала, что можно создать в недалеком будущем году поселения на Луне и на Марсе. Было подсчитано, что потребуются не менее 3-4 лет жизни в условиях, которые были примерно воспроизведены в Биосфере-2, чтобы проделать путь к далеким планетам и вернуться обратно. Как мы видели, эту задачу решить не удалось из-за разных неполадок и просчетов.