«Биосфера-2»: от неудачного эксперимента к уникальной лаборатории климата

30 лет назад, 26 сентября 1991 года, в пустыне Аризоны начался один из самых амбициозных и спорных проектов в истории науки. В огромном стеклянном куполе, названном «Биосфера 2», восемь человек закрылись на два года, чтобы проверить возможность создания самодостаточной экосистемы для жизни на других планетах. Они называли себя биосферанами и жили в окружении семи разных биомов, включая тропический лес, океан, саванну и пустыню. Их цель была не только выжить, но и изучать взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой в замкнутом пространстве.

Проект Биосфера 2 был задуман как прототип экстрапланетарного поселения, который мог бы служить моделью для будущих колонизаторов Марса или Луны. Его создатели были не профессиональные ученые, а представители контркультурного театрального коллектива, который занимался экспериментами по саморазвитию и экологии. Они объединились с бизнесменами и собрали около 200 миллионов долларов на реализацию своей мечты.

Однако эксперимент оказался неудачным. Уже через год уровень кислорода в Биосфере 2 упал до опасно низкого значения, а урожайность сельскохозяйственных культур была недостаточной для обеспечения питания биосферанов. Кроме того, в атмосфере Биосферы 2 накопилось слишком много углекислого газа, что привело к росту температуры и гибели многих растений и животных. Биосфераны страдали от голода, усталости и конфликтов между собой. В конце концов, им пришлось нарушить замкнутость системы и дополнительно подавать кислород извне.

Эти проблемы подорвали репутацию проекта и вызвали критику со стороны научного сообщества, которое считало его ненаучным и нерепрезентативным. После окончания первого эксперимента в 1993 году была проведена еще одна попытка замкнутого проживания в Биосфере 2, но она длилась всего шесть месяцев и также закончилась неудачей. В 1994 году проект был продан инвестору Эдварду Бэннону, который хотел использовать Биосферу 2 для коммерческих целей. Однако он не смог реализовать свои планы и в 1996 году передал Биосферу 2 Колумбийскому университету, который начал проводить в ней научные исследования.

С тех пор Биосфера 2 претерпела множество изменений и стала уникальной лабораторией для изучения климата и экологии. В 2011 году ее управление перешло к Аризонскому университету, который сделал ее мировым лидером в области контролируемых экспериментов с экосистемами. В Биосфере 2 ученые могут имитировать различные сценарии глобального потепления, меняя температуру, влажность, освещение и состав атмосферы, и наблюдать за реакцией растений, животных и микроорганизмов. Таким образом, они могут получать ценные данные о том, как изменится наша планета в будущем и как мы можем адаптироваться к этим изменениям.

Одним из самых знаменитых проектов, проведенных в Биосфере 2, был эксперимент с коралловыми рифами, который показал, что повышение температуры океана приводит к отмиранию кораллов. Ученые подняли температуру воды в миллионном бассейне Биосферы 2 до уровня, который ожидается к концу XXI века, и зафиксировали резкое снижение биоразнообразия и продуктивности рифов. Этот результат подтвердил опасения экологов о том, что коралловые рифы, которые являются домом для четверти всех видов морских животных, могут исчезнуть из-за глобального потепления.

В настоящее время в Биосфере 2 проводятся другие интересные исследования, например, по влиянию засухи на тропические леса, по разработке методов восстановления коралловых рифов и по созданию аналога Марса. В марте 2022 года планируется открыть новый модуль Биосферы 2, который будет имитировать условия жизни на Красной планете. В нем будут размещены растения, которые могут выжить в экстремальных условиях, а также специальное оборудование для поддержания давления, температуры и атмосферы, аналогичных марсианским. Этот модуль будет использоваться для тренировки астронавтов и тестирования технологий для будущих миссий на Марс.

Таким образом, Биосфера 2 доказала свою ценность как уникальная платформа для научных экспериментов по изучению климата и экологии. Она позволяет ученым проводить рискованные и новаторские исследования, которые были бы невозможны или нежелательны в природных условиях. Она также служит образовательным центром для студентов и школьников, которые могут посетить ее и поучаствовать в интерактивных экскурсиях по Биосфере 2. Она также привлекает внимание общественности и СМИ, которые следят за ее развитием и достижениями. Биосфера 2 стала примером того, как неудачный эксперимент может превратиться в успешный проект, если подойти к нему с новым подходом.

Какие были основные причины неудачи эксперимента с замкнутым проживанием в Биосфере 2?

Основные причины неудачи эксперимента были связаны с непредвиденными и сложными процессами, происходящими в замкнутой системе, которые создатели проекта не смогли учесть или контролировать. Например, они не учли, что бетон, из которого была построена Биосфера 2, будет поглощать кислород и выделять углекислый газ, что привело к снижению уровня кислорода и повышению уровня углекислого газа в атмосфере Биосферы 2. Также они не предусмотрели, что растения и микроорганизмы в почве будут конкурировать за кислород и углерод, что также повлияло на баланс газов. Кроме того, они не смогли подобрать оптимальный состав и количество живых организмов в биосфере, что привело к дисбалансу в пищевых цепях и гибели некоторых видов. Все эти факторы сказались на здоровье и психике биосферанов, которые стали страдать от голода, усталости и конфликтов.

А так же:

• Недостаток солнечного света. Из-за облачности и загрязнения воздуха в Аризоне стеклянная оболочка Биосферы 2 не пропускала достаточно солнечного света для фотосинтеза растений. Это приводило к снижению производства кислорода и углерода, а также к ухудшению качества пищи.
• Нарушение замкнутости системы. Во время эксперимента биосфераны несколько раз нарушали замкнутость системы, выходя из Биосферы 2 или внося в нее дополнительные материалы, такие как пластиковые пакеты, инструменты или еду. Это подрывало целостность и достоверность эксперимента, а также влияло на баланс газов и питательных веществ в биосфере.
• Конфликты между биосферанами. Во время эксперимента биосфераны разделились на две враждующие фракции, которые не могли договориться о целях и методах исследования. Они также испытывали стресс, раздражение и депрессию из-за изоляции, голода и дискомфорта. Это сказывалось на их здоровье, работоспособности и коммуникации.

Что случилось с биосферанами после окончания эксперимента?

После окончания эксперимента биосфераны продолжили свою жизнь и карьеру в разных сферах. Некоторые из них остались связаны с наукой и экологией, другие занялись бизнесом, искусством или образованием. Вот краткий обзор того, что случилось с биосферанами после эксперимента:

• Рой Уолфорд (Roy Walford) — доктор медицинских наук, профессор патологии и геронтологии, автор книг по долголетию. Он умер в 2004 году от бокового амиотрофического склероза.
• Джейн Пойнтер (Jane Poynter) — инженер, предприниматель, автор книг по выживанию в экстремальных условиях. Она основала несколько компаний, связанных с космической отраслью, таких как Paragon Space Development Corporation и World View Enterprises.
• Табер МакКаллум (Taber MacCallum) — инженер, предприниматель, консультант по космическим проектам. Он также основал Paragon Space Development Corporation и World View Enterprises вместе с Джейн Пойнтер, а также участвовал в других исследованиях по жизнеобеспечению в космосе.
• Марк Нельсон (Mark Nelson) — эколог, писатель, преподаватель, член Института экологического технического образования. Он написал несколько книг о Биосфере 2 и других экологических проектах, а также принимал участие в разработке и реализации разных экологических программ.
• Салли Сильверстоун (Sally Silverstone) — ботаник, фермер, преподаватель. Она работала на ферме в Гавайях, а также преподавала биологию и экологию в разных школах и колледжах.
• Абигейл Аллинг (Abigail Alling) — морской биолог, дайвер, руководитель проектов. Она возглавляла Институт Биосферы 2 и участвовала в разных научных экспедициях по изучению морских экосистем.
• Марк Ван Тилло (Mark Van Thillo) — инженер, дайвер, менеджер. Он работал в Институте Биосферы 2 и занимался разными техническими и организационными задачами.
• Линда Ли (Linda Leigh) — микробиолог, садовод, художник. Она продолжала работать в Биосфере 2 как научный сотрудник и куратор растений, а также занималась художественной деятельностью.

Как видите, биосфераны были талантливыми и разносторонними людьми, которые сделали многое для науки и общества после своего участия в эксперименте. Вы можете узнать больше о них на официальном сайте Биосферы 2 здесь или посмотреть документальный фильм «Космический корабль Земля» здесь.

Структура Биосферы-2

Биосфера 2 — это сложная и уникальная конструкция, которая имитирует различные экосистемы Земли в замкнутом пространстве. Она состоит из трех основных частей: надземной стеклянной оболочки, подземной технологической зоны и жилого модуля для людей. Вот как они устроены:

• Надземная стеклянная оболочка — это прозрачный купол из стекла и стали, который покрывает площадь в 3,14 акра (12 700 кв. м). Она имеет высоту 27,7 метра (91 фут) в самой высокой точке и состоит из трех секций: прямоугольной средней части и двух пирамидальных концов. В ней расположены семь биомов: пустыня, тропический лес, саванна, мангровые болота, океан с коралловым рифом и два антропогенных биома: сельскохозяйственная зона и жилой модуль. Каждый биом имеет свой климат, растительность и животный мир, которые поддерживаются специальными системами регулировки температуры, влажности, освещения и атмосферы. Стеклянная оболочка служит для изоляции биосферы от внешней среды и для использования солнечной энергии.
• Подземная технологическая зона — это сложная система оборудования и трубопроводов, которая обеспечивает работу и поддержание биосферы. В ней находятся более двадцати вентиляционных установок, которые контролируют температуру и влажность воздуха в биосфере, а также системы охлаждения, нагрева, конденсации и осушения. Воздух циркулирует от вентиляционных установок к Энергетическому центру, зданию за пределами стеклянной оболочки, которое также обеспечивает горячую и холодную воду для регулировки температуры и содержит генераторы, которые служат дополнительным источником электроэнергии для биосферы. В технологической зоне также находятся системы очистки и переработки воды, отходов и газов.
• Жилой модуль — это часть биосферы, предназначенная для проживания людей. Он состоит из двух этажей и имеет площадь около 2000 квадратных футов (186 кв. м). В нем есть спальни, кухня, столовая, гостиная, лаборатории и мастерские. Жилой модуль также связан с сельскохозяйственной зоной, где выращиваются продукты питания для людей. Жилой модуль служит для изучения взаимодействия между человеком, технологией и природой в замкнутой системе.

Проводимые исследования

В Биосфере 2 проводятся разнообразные исследования по изучению климата и экологии, которые направлены на понимание влияния глобального потепления на различные экосистемы и на поиск способов адаптации и смягчения его последствий. Некоторые из этих исследований являются уникальными в мире и используют особенности Биосферы 2 как контролируемой среды. Вот некоторые примеры таких исследований:

• Эксперимент с коралловыми рифами. В этом эксперименте ученые подняли температуру воды в миллионном бассейне Биосферы 2 до уровня, который ожидается к концу XXI века, и зафиксировали резкое снижение биоразнообразия и продуктивности рифов. Этот результат подтвердил опасения экологов о том, что коралловые рифы, которые являются домом для четверти всех видов морских животных, могут исчезнуть из-за глобального потепления.
• Эксперимент с тропическим лесом. В этом эксперименте ученые имитировали засуху в тропическом лесе Биосферы 2, закрывая краны, которые подавали воду из подземных источников. Они измеряли изменения в уровне углерода, воды и энергии в лесу, а также в его структуре и составе. Они обнаружили, что засуха приводит к снижению фотосинтеза, роста и биомассы деревьев, а также к повышению смертности некоторых видов.
• Эксперимент с аналогом Марса. В этом эксперименте ученые планируют создать модуль Биосферы 2, который будет имитировать условия жизни на Красной планете. В нем будут размещены растения, которые могут выжить в экстремальных условиях, а также специальное оборудование для поддержания давления, температуры и атмосферы, аналогичных марсианским. Этот модуль будет использоваться для тренировки астронавтов и тестирования технологий для будущих миссий на Марс.

• Эксперимент с ландшафтной эволюцией. В этом эксперименте ученые изучают, как меняется рельеф земной поверхности под воздействием ветра, дождя и растительности. Они создали в Биосфере 2 модельный ландшафт, состоящий из песка, глины и скал, и подвергают его различным климатическим условиям. Они измеряют скорость и направление эрозии, осадков и растительного покрова, а также анализируют химический состав почвы и воды. Этот эксперимент помогает понять, как формируются и развиваются природные ландшафты на Земле и на других планетах.
• Эксперимент с почвенным углеродом. В этом эксперименте ученые изучают, как изменение температуры и влажности почвы влияет на ее способность хранить углерод. Они используют специальные контейнеры с почвой из разных биомов Биосферы 2 и подключают их к датчикам, которые мониторят концентрацию углекислого газа, кислорода и водяного пара в почве. Они также добавляют в почву различные виды микроорганизмов, которые участвуют в процессах разложения органического вещества. Этот эксперимент помогает понять, как почва может смягчать или усиливать эффект парниковых газов на климат.
• Эксперимент с атмосферой. В этом эксперименте ученые изучают, как атмосфера Биосферы 2 реагирует на различные факторы, такие как солнечное излучение, температура, ветер и химический состав. Они используют специальное оборудование для измерения концентрации разных газов, таких как углекислый газ, метан, озон и азотные оксиды, а также для определения оптических свойств атмосферы, таких как прозрачность, отражательность и рассеяние света. Они также проводят эксперименты с добавлением или удалением некоторых газов из атмосферы Биосферы 2. Этот эксперимент помогает понять, как атмосфера Земли взаимодействует с другими компонентами климатической системы.

• Эксперимент с вулканическим пеплом. В этом эксперименте ученые изучают, как вулканический пепел, выбрасываемый в атмосферу при извержениях, влияет на климат и экосистемы. Они используют специальные пушки для распыления пепла в атмосферу Биосферы 2 и наблюдают за его осаждением на разных поверхностях, таких как почва, растения и вода. Они также анализируют химический состав и физические свойства пепла, а также его взаимодействие с другими аэрозолями и газами. Этот эксперимент помогает понять, как вулканический пепел может охлаждать или нагревать климат, а также как он может влиять на рост и здоровье растений и животных.
• Эксперимент с генетически модифицированными растениями. В этом эксперименте ученые изучают, как генетически модифицированные растения, которые имеют повышенную устойчивость к стрессовым условиям, таким как засуха, соленость или температурные перепады, могут повлиять на экосистемы и климат. Они выращивают разные виды ГМО-растений в сельскохозяйственной зоне Биосферы 2 и сравнивают их с обычными растениями по разным параметрам, таким как урожайность, потребление воды, выделение углекислого газа и других газов, а также взаимодействие с почвой и микроорганизмами. Этот эксперимент помогает понять, как ГМО-растения могут способствовать продовольственной безопасности и снижению парникового эффекта.
• Эксперимент с биоуглем. В этом эксперименте ученые изучают, как биоуголь, получаемый из сжигания органических отходов при недостатке кислорода, может улучшить качество почвы и уменьшить выбросы парниковых газов. Они добавляют биоуголь в почву разных биомов Биосферы 2 и измеряют его влияние на физические, химические и биологические свойства почвы, а также на рост и состав растений. Они также оценивают потенциал биоугля как средства для хранения углерода в почве на длительный срок. Этот эксперимент помогает понять, как биоуголь может способствовать повышению плодородия почвы и сокращению эмиссии углекислого газа.

Какие перспективы развития имеет Биосфера 2 в будущем?

Биосфера 2 имеет большие перспективы развития в будущем, так как она представляет собой уникальную лабораторию для проведения контролируемых экспериментов с экосистемами. В Биосфере 2 можно имитировать различные сценарии глобального потепления, меняя температуру, влажность, освещение и состав атмосферы, и наблюдать за реакцией растений, животных и микроорганизмов. Таким образом, можно получать ценные данные о том, как изменится наша планета в будущем и как мы можем адаптироваться к этим изменениям. Также в Биосфере 2 можно проводить рискованные и новаторские исследования, которые были бы невозможны или нежелательны в природных условиях. Например, можно экспериментировать с генетически модифицированными растениями, вулканическим пеплом или биоуглем. Кроме того, в Биосфере 2 можно создавать аналоги других планет, таких как Марс или Венера, и изучать их условия и возможности для жизни. Все эти проекты могут способствовать развитию науки, технологии и образования, а также повышению общественного интереса к экологии и космосу.