Космический корабль как экосистема
Возможно, лучший способ представить себе экосистему — это задуматься о космическом путешествии. Покидая биосферу, мы должны взять с собой четко ограниченную закрытую среду, которая обеспечивала бы все наши жизненные потребности, а в качестве энергии, поступающей из окружающего пространства* использовать солнечный свет.
Для путешествий, длящихся несколько дней или недель, например на Луну и обратно, нам не требуется полностью автономная экосистема, так как необходимый запас кислорода и пищи можно взять с собой, а углекислота и другие отходы могут быть на короткое время изолированы или обезврежены. Для более длительных путешествий, например на планеты Солнечной системы, или для полетов, имеющих целью основать колонии в космосе, потребуется закрытый или обладающий более полными системами регенерации космический корабль, на котором должны иметься все жизненно важные абиотические вещества и средства для их многократного использования. В нем должны осуществляться сбалансированные процессы продуцирования, потребления и разложения организмами или пх искусственными заместителями. По сути дела, автономный космический корабль представляет собой микроэкосистему, включающую человека. Все пилотируемые космические корабли, запущенные до сих пор, были снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа; в некоторых случаях с помощью физико-химических методов осуществлялась частичная регенерация воды и атмосферных газов. Рассматривалась, но была признана непригодной возможность сочетать в одной системе людей и микроорганизмы, например водоросли и водородные бактерии. Для настоящих регенеративных экосистем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, не получая ничего с Земли, потребовались бы крупные организмы, и в частности такие, которые могли бы идти в пищу человеку, значительное видовое разнообразие, и прежде всего — большие емкости, заполненные воздухом и водой (вспомним сделанное выше замечание о большом объеме пространства, требующемся для рыб или человека).
Поэтому в экосистему придется
![Рис. 2.20. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на I м2 суши и действующие как буфер.]()
Рис. 2.20. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на I м2 суши и действующие как буфер. На рисунке не показана наземная растительность, занимающая большой объем, также помогающая биосфере сглаживать нарушающие воздействия.
включить нечто подобное обычным сельскохозяйственным и другим крупным растительным сообществам.
Основная задача, которую предстоит решить, — чем заменить буферную способность атмосферы и океанов, благодаря которой стабилизируется биосфера в целом. На Земле на каждый квадратный метр суши приходится более 1000 м3 атмосферы и почти 10 000 м3 океана плюс большие объемы постоянной растительности (рис. 2.20). Все они выполняют роль накопителей отходов, регуляторов и регенераторов. Очевидно, что для длительного пребывания человека в космосе часть этой буферной функции должны будут взять на себя механические устройства, работающие на солнечной (и, возможно, атомной) энергии. В двух появившихся несколько лет тому назад обзорах, посвященных этой проблеме и подготовленных для Национального управления па аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), содержатся следующие выводы: «не ясно, можно ли создать искусственную экосистему, совершенно закрытую для притока или оттока веществ, с полной регенерацией и с регуляцией, осуществляемой только ее биологическими компонентами» (MacElroy, Averner, 1978). «На современном этапе развития техники невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения, даже для использования ее на Земле» (Sperlock, Modell, 1978). Создать миниатюрную модель биосферной «системы жизнеобеспечения» для использования ее в космическом поселении будет не только сложно, но и дорого, если учесть то количество горючих ископаемых, которое придется потратить на вывод в космос всех компонентов этой системы.
Мы пока не имеем представления о том, как сконструировать мезокосм с включением в него человека, но даже если бы и узнали, то не известно, могли ли мы себе это позволить, однако некоторые энтузиасты освоения космоса, например физик Джеральд О’Иейл в своей книге «Высокая граница» (O’Neill, 1977), предсказывают, что уже в будущем веке миллионы человек будут жить в космических поселениях, обеспечиваемых функционированием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других нежелательных или непродуктивных организмов, с которыми приходится мириться на Земле. Авторы таких проектов полагают, что успешная колонизация «высокой границы» позволит увеличивать численность человечества и его материальное богатство еще много лет спустя, после того как это станет невоз1- можно на Земле из-за ее ограниченных размеров. Для поддержания таких поселений можно будет использовать солнечную энергию и минеральные богатства спутников планет Солнечной системы и астероидов. Для начала О’Нейл предлагает собрать в космосе вращающуюся (для создания искусственной гравитации) трубообразную станцию диаметром 6,4 км и длиной 32,2 км, содержащую 1294,4 км2 почвы. Примерно половина этой площади будет отведена для интенсивного сельского хозяйства. Такую «небольшую» космическую колонию должны, по мнению О’Нейла, населять 2 млн. человек. Если учесть, что на каждого человека в этой колонии будет приходиться всего около 640 м2 площади почвы, а буферные объемы воздуха и воды будут невелики, возможность поддержания такого поселения без каких бы то ни было поступлений с Земли кажется сомнительной. К тому же на таком спутнике возникнут сложнейшие социальные, экономические и политические проблемы, а также проблема загрязнения среды. Далее в этой книге мы рассмотрим, до какой степени социополитические силы формируют и ограничивают условия жизни и рост человечества на Земле. ^
Как уже отмечалось (с. 28), город[III], особенно промышленный, — неполная или гетеротрофная экосистема, получающая энергию, пищу, волокнистые материалы, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами.
Как показано на рис. 2.21, город отличается от природной гетеротрофной экосистемы, например устричной банки, I) гораздо более интенсивным метаболизмом на единицу площади, для чего требуется больший приток концентрированной энергии извне (в наше время поступающей главным образом в виде горючих ископаемых); 2) большими потребностями в поступлении веществ извне, например металлов для торговли и промышленности, не считая тех металлов (и сверх тех их количеств), которые необходимы для поддержа- шия жизни; и 3) более мощным и более ядовитым потоком отходов, многие из которых — синтетические соединения, более токсичные, чем естественное сырье, из которого они получены. Следовательно, среда на входе и среда на выходе (см. рис. 2.2 на с. 27) для системы города значительно важнее, чем для такой автотрофной системы, как, например, лес. Сейчас даже в засушливых районах большинство городов имеет широкий «зеленый пояс» или включает в себя автотрофный компонент: деревья, кустарники, травяные газоны, а часто озера и пруды; органическая продукция этого зеленого компонента не играет заметной роли в снабжении механизмов и людей, столь плотно населяющих город и его промышленный район. Без огромных поступлений пищи, горючего, электричества и воды механизмы (автомобили, фабрики и т. д.) прекратили бы работу. Люди либо вскоре погибли бы от голода, либо покинули город. Конечно, городские леса, луга и парки представляют собой огромную эстетическую и рекреационную ценность; они смягчают колебания температуры в городе, уменьшают шумовое и другие загрязнения, предоставляют местообитания певчим птицам и другим мелким животным и т. д. Ho труд и горючее, затрачиваемые на орошение, удобрение, стрижку газонов, обрезку деревьев, удаление срезанных или сброшенных ветвей и листьев, а также другую работу, необходимую для поддержания частных и общественных зеленых зон города, увеличивают энергетические (и денежные) расходы на жизнь в городе. В табл. 2.4 сравнивается «застроенный лес»
![Рис.<div class=]()
2.21. Гетеротрофные экосистемы." /> Рис. 2.21. Гетеротрофные экосистемы. А. Один из естественных «городов» — устричная банка, целиком зависящая от поступления энергии пищи с большой площади окружающей среды. Б. Индустриализованный город, существование которого поддерживается колоссальным притоком топлива и пищи, причем соответственно возникает значительный отток в виде тепла, промышленных и бытовых отходов. Потребности одного квадратного метра города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности такой же площади устричной банки. Они составляют около 4 000 ккал/сут, а в год —около 1,5 млн. ккал. (По Н. Odum, 1971, с разрешения автора и издательства Johu Wiley arid Sons.)
в Мадисоне (шт. Висконсин) с соседним, ненарушенным лесом. Около 30% жилого района покрыто бетоном или занято зданиями и другими «непроницаемыми» объектами, но в пересчете на площадь, занятую растениями, «застроенный лес» благодаря садоводческой деятельности человека и особенно удобрению и орошению характеризуется гораздо большим видовым разнообразием растений и большей продуктивностью. Вынос органического вещества из природного леса невелик или вовсе отсутствует, но более половины годичного прироста в виде древесины, листьев и срезанной травы с застроенной территории вывозится на свалки или для заполнения котлованов. Для общества было бы полезнее, если это органическое вещество использовалось для удобрения почв на полях и огородах. К счастью, теперь появилась тенденция использовать его именно так.
Таблица 2Л. Сравнение естественного леса и прилегающей к нему застроенной лесистой местности в Мадисоне, шт. Висконсин. (Неопубликованная рукопись G. J. Lawson, G. Cottam, О. L. Loucks.)
| | Естественный лес | Застроенный лес |
| Число видов деревьев | 10 | 75 |
| Число видов кустарника | 20 | 74 |
| Биомасса деревьев (средняя сухая масса над | | |
| земных частей), кг*м~2 | 27 | 10 |
| Годовая чистая продукция всей растительно | | |
| сти, кг-м-2 Чистая продукция на занятой площади (в случае застроенной местности без учета | 812 | 719 |
| | |
| 30% площади, где лес вырублен), г-м~2 | />812 | 1027 |
| Внесение удобрений, кг-га-1 | 0 | 136 |
| Годовой экспорт органических веществ, г-м~2 | 0 | 497 |
| Затраты воды на орошение | 0 | Большие (точно не известны) |
Изучив лужайку в пригороде, Фолк (Falk, 1976) обнаружил, что баланс между поступлением и выходом довольно близок к таковому кукурузного поля или естественной влажной прерии, хотя на газоне птицы съедали в 30 раз больше насекомых и семян, чем в сравнимой прерии. Ежегодные энергетические дотации для газона, такие, как труд, бензин, удобрения и т.
д., оцениваются в 528 ккал*м~2; примерно столько же требуется на то, чтобы вырастить хороший урожай кукурузы. Так что состоятельные обитатели пригородов живут не хлебом единым: они готовы тратить на лужайку перед домом столько же энергии, сколько ее сложено в пищу, поступающую к ним на стол. И разумеется,
![]()
![Рис. 2.22. Урбанизация в США.]()
Рис. 2.22. Урбанизация в США. Для большой (и быстро растущей) части страны плотность населения составляет 19,3 человека на I км2 или выше (все заштрихованные области на рис. -4) и, что еще важнее, здесь высока плотность использования энергии (см. рис, Ei где темными пятнами показан свет, заметный ночью со спутника).
продажа оборудования и химикатов для ухода за газонами составляет важный род занятий в пригородах.
Быстрая урбанизация и рост городов в последние полвека изменили лик Земли, по-видимому, сильнее, чем все другие виды деятельности человека за всю его историю. На двух картах (рис. 2.22) показан размах урбанизации и влияния городов в США. На карте А (с. 92) штриховкой разной частоты покрыты районы с плотностью населения 50 и более человек на I квадратную милю. Рис. 2.22, Б представляет собой фотокарту, скомпонованную из негативов, полученных ночью со спутника; темные участки — города, пригороды и плотно заселенные сельские местности, освещенные электрическим светом. В сущности, эта карта показывает плотность распределения энергии (использования электричества). Зоны с плотностью энергии, достигающей городского уровня, сейчас сплошной полосой простираются от Бостона до Вашингтона, от Питтсбурга до Кливленда и Детройта, вдоль западных и южных берегов озера Мичиган, восточного побережья Флориды и участков Калифорнийского побережья.
Даже в развивающихся странах города растут гораздо быстрее, чем общая численность населения. Площадь суши, занятая городами, не так уж велика — всего 1—5% в разных районах мира.
Ho, воздействуя на свои обширные среды на входе и на выходе, города изменяют природу водных путей, лесов и полей, не говоря уже об атмосфере и океанах. Город может влиять на удаленный от него лес не только непосредственно загрязнением воздуха или спросом на продукты леса, но и косвенно, изменяя принципы лесоводства. Например, большой спрос на бумагу и изделия из нее оказывает очень сильное экономическое давление, под действием которого естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и разного возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста, специально предназначенные для переработки в бумажную массу.
Ночной снимок со спутника (рис. 2.22,Б) наглядно показывает, что потребление энергии делает города «горячими точками». Акр или гектар города потребляет в 1000 или более раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности (подробнее этот вопрос будет рассматриваться в гл. 3). Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов по сравнению с климатом окружающей местности. Как правило, в городах теплее (см. рис. 2.23), в них повышена облачность, меньше солнечного света, больше мороси и тумана, чем в прилежащей сельской местности. Строительство городов (особенно строительство вилл и промышленных предприятий в пригородах) стало в США ведущей причиной эрозии почвы, угрожающей свести к нулю результаты мер по сохранению почв в сельскохозяйственных районах, которые обошлись очень недешево. Экологически разумная система охраны почв сложилась в результате объединенных усилий правительственных органов и университетов после возникновения «пылевой чаши» [IV] и связанных с эрозией почвы катастроф 30-х годов. Проблемы городских экосистем требуют для своего решения не меньших усилий.
Даже слабонаселенные, удаленные от городов районы (на рис. 2.22,А не заштрихованы) могут подвергаться сильному их влиянию, поскольку из таких районов в города поступают продукты питания, минеральное сырье, вода и другие материалы. Кроме того, влияние загрязнений воды и воздуха может ощущаться очень далеко от города.
Можно оценить размер среды на входе какого-либо из американских городов, если учесть, что на душу населения в промышленно-городских районах США расходуется в день пищи примерно с 0,8 га сельскохозяйственных угодий, бумажных и деревянных изделий — с 0,4 га лесных угодий и воды — около 7570 л.
![Рис. 2.23. Вашингтон, представляющий собой своеобразный «теплый остров», где осенью и весной теплее, чем в прилегающей местности.]()
Рис. 2.23. Вашингтон, представляющий собой своеобразный «теплый остров», где осенью и весной теплее, чем в прилегающей местности. А. Обозначены средние даты первых осенних заморозков. Б. Обозначены средние даты последних весенних заморозков. (Данные подготовлены С. A. WoolIum, Бюро погоды США.)
Таким образом, для того чтобы кормить, одевать, поить и умывать город, занимающий 259 км2, с населением в I млн. человек, требуется гораздо большая площадь; лишь для производства продуктов питания необходимо около 0,8 млн. га или 8090 км2. Для получения ежедневно 7,6 млрд. л воды необходим очень большой водосборный бассейн даже в районах с обильными осадками. В засушливой западной части США только обширные горные водосборные бассейны могут обеспечить водой такие большие города, как Денвер, Тексон и Лос-Анджелес, и здесь используются или будут вскоре использоваться практически все поверхностные воды (они уже «приписаны» законом к городам, но этими законными правами пока не везде пользуются).
Хотя среда на выходе города, как правило, меньше, географическое распространение кислых дождей, источники которых — промышленные районы (см. с. 10—11), показывает, что этот компонент городской экосистемы расширяется. В развивающихся странах города характеризуются менее интенсивным «городским метаболизмом», соответственно меньшим потреблением энергии и менее обширными средами на входе и на выходе. Ho отсутствие в этих городах очистных сооружений для бытовых и промышленных стоков часто приводит к более сильному воздействию на окружающую природу, чем это наблюдается в окрестностях городов в технически развитых районах мира.
Современный город — паразит своего сельского окружения. При существующем порядке хозяйствования город не производит или почти не производит пищи или других органических веществ, не очищает воздух и не возвращает или почти не возвращает в круговорот воду или неорганические вещества. Город, по крайней мере теоретически, можно рассматривать и с другой точки зрения, считая, что он находится в симбиотических отношениях с окружающей его местностью, поскольку производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая всем этим сельское окружение и получая взамен также товары и услуги. Город или урбанизированный район в своих административных границах или в том виде, в каком он показан на картах, не имеет какой-то особой «экологии», отграниченной от экологии окружающей сельской местности. Социологи слишком часто полагают, что экология города как наука занимается изучением взаимодействия человека и среды только в застроенной части города. Это слишком узкое понимание. Чтобы воспринимать город и его проблемы в их реальной сложности, мы должны преодолеть узость нашего мышления и вынести границы наших активных действий далеко за пределы города. Город можно считать экосистемой в полном смысле слова только в том случае, если мы учитываем его обширные среды на входе и на выходе. Одно из имеющихся, к сожалению, в США препятствий для такого разумного подхода — давно укоренившееся и во многом порочное политическое разделение между городом и сельской местностью. Оно поддерживает постоянную политическую «войну» и недальновидные своекорыстные местнические интересы, но в перспективе может затронуть интересы отдельных штатов и страны в целом. Пока городские и сельские лидеры не научатся ставить общие интересы выше частных, управление городом как функциональной экосистемой останется только на бумаге.
Более подробные сведения о городах и их проблемах можно найти в работах Сааринена, Девиса, Лоури, Гендерсона, Уорда и Ныоленда (Saarinen, 1943: Davis, 1965: Lowry, 1967; Henderson, 1974; Ward, 1976; Newland. 1980).
