Ю. Одум - Основы экологии (1975) (1135319), страница 180
Текст из файла (страница 180)
Колебания равновесия между АК и ДК должны поддерживаться в очень узких пределах на протяжении всего пребывания в космосе, хотя интенсивность метаболизма космонавта может значительно колебаться в зависимости от тяжести работы, диеты, суточных ритмов и других влияющих на метаболизм факторов. Точно так же АК растения изменяется в зависимости ЧАСТЬ К ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ от содержания в среде питательных веществ. Так, Эли и Майерс (1964) сообщают, что метаболизм мыши в течение 82 дней эксперимента «мышь — водоросли» был очень неустойчив, что осложняло проблему баланса АК/ДК. О подобных затруднениях сообщают также Бауман и Томас (1961). До сих пор еще не удалось добиться длительного сохранения баланса АК/ДК в двухвидовой экосистеме даже при использовании многочисленных внешних регуляторов.
Одновидовая популяция водорослей весьма нестабильна даже при выращивании в непрерывной культуре, где необходимые факторы (питательные вещества, свет, температура и т. п.) поддерживаются на постоянном уровне. Несмотря на применение довольно изощренных устройств, все же происходят большие колебания плотности популяции. Таким образом, основное возражение против использования двухвидовой (человек и какой-либо один вид организмов) системы жизнеобеспечения связано с ее недостаточной надежностью.
При снижении или нарушении метаболизма в популяции водоросли космонавт не мог бы обратиться к альтернативным источникам энергии, воды или кислорода (нет разнообразия, характерного для трофической сети) — мрачная перспектива для человека, находящегося за несколько сот тысяч километров от Земли. Все трудности, описанные здесь для двухвидовой системы жизнеобеспечения, полностью соответствуют условиям, вызывающим сукцессию от молодых к более зрелым, но менее активным сообществам в природе.
Вероятность длительного сохранения устойчивости системой, в ко. торой имеется только один «цветущий» вид-продуцент, по-видимому, очень невелика, если не тратить огромных количеств энергии на регуляцию. Для того чтобы система, аналогичная представленной на фиг. 246, была практична, регуляторы (показанные на схеме маленькими кружками) должны быть необычайно большими и сложными, а следовательно, они будут поглощать очень много энергии. В начале 60-х годов была предложена система жизнеобеспечения хемосннтезнрующие бактерии — человек, в которой водоросли можно было бы заменить водородными бактериями (фиг. 246).
На сегодняшний день о свойствах такой системы известно очень мало, так как внимание исследователей было направлено главным образом на методы культивирования, характеристики роста, биохимию и генетику бактерий (Бонджерс, 1964а, 1964Ь; Рипески, 1962, 1966). Как уже говорилось в гл. 1, хемосинтезирующие бактерии окисляют многие неорганические вещества, получая энергию, необходимую для ассимиляции углекислого газа в клеточные структуры (следовательно, они хемоавтотрофы). Ряд видов бактерий могут использовать таким способом молекулярный водород, в том числе некоторые псевдомонады, которых относят к роду Нуг/гойепотопаз, Важно отметить, что эти бактерии, которых культивируют и изучают в качестве возможных компонентов систем жизнеобеспечения, являются не облигатными фиксаторами водорода, а факультативными гетеротрофами, живущими в природе за счет органического вещества почвы. Важно также отметить, что, функционируя как автотрофы, они не выделяют кислорода, которым, следовательно, нужно обеспечить космонавта каким-то иным путем.
Хемосинтезирующая экосистема объединяла бы в себе признаки системы с механической регенерацией и фотосинтезирующей системы. Кислород и водород получают путем электролиза воды, как в системе с механической регенерацией (ср. фиг. 245 и 246), но образующийся водород не выбрасывается, а используется водородными бактериями для восстановления СОН образования воды и построения протоплазмы'бактерий. Космонавт мог бы использовать получаемый при электролизе кислород ГЛ. е. ЭКОЛОГИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА 639 для дыхания, а бактерий — теоретически — в качестве пищи; сам он поставлял бы при этом воду, углекислый газ и питательные вещества для дальнейшего метаболизма бактерий.
Теоретически замкнутую сбалансированную систему можно было бы построить в соответствии со следующими уравнениями: Электролиз: Электрическая аи,е ан .~- 30„ аиертия Биосинтез„осуществляемый водородными бактериями: 6Н + 20а+ СОа — е СН,О+5НеО. Дыхание человека: СНеО+ Оа — и СОа+ НаО. Преимущества такой системы — низкая масса и небольшая потребность в энергии. Согласно обзору Дженкинса (1966), система «электролиз — Нуг(годелотолаэ» будет иметь вдвое меньшую массу и потребности ее в энергии (в расчете на одного человека) будут на несколько порядков ниже, чем у биорегенерационнай системы с водорослями, для которой необходимо контролируемое искусственное освещение. Однако эта новая система будет обладать всеми недостатками, связанными с выращиванием и потребностями в питательных веществах, которые были описаны для водорослевой системы, а сверх того и рядом дополнительных недостатков.
Нет никаких оснований надеяться, что водородные бактерии окажутся подходяшей для человека пищей, не говоря уже о том, что они могут легко «переключиться» на гетеротрофность, вместо того чтобы «заниматься» фиксацией водорода. Более того, в условиях радиационного стресса в космосе высокопродуктивные штаммы, выведенные в лаборатории, могут претерпеть обратную мутацию н дать иепродуктивные штаммы, а вторжение фага может вообще разрушить всю систему. Иными словами, мы вновь сталкиваемся со знакомой ситуацией — высокая продуктивность и низкая надежность. Во всяком случае, в настоящее время создается впечатление, что Нудгодепотопаз скорее может служить дополнительным «сборщиком» СО» в системе с частичной регенерацией, чем самым важным звеном в замкнутой системе.
В общем из многих критериев, которым должна удовлетворять система жизнеобеспечения, только два имеют первостепенное значение: 1) соответствие условиям космического корабля и 2) стабильность и надежность. Две простые микробные экосистемы (фотосинтетическая и хемосинтетическая) могут быть достаточно маленькими и легкими н, таким образом, удовлетворяют первому требованию. Однако эти простые системы по существу своему нестабильны и требуют больших затрат энергии на регуляцию. Вероятность разлаживания двухвидовой (человек и микроорганизм) связи в результате сукцессионных процессов или стресса во время продолжительного космического путешествия довольно велика, Использование таких простых экосистем подвергает космонавта серьезному риску, и от дальнейшей работы над ними как над основой системы жизнеобеспечения следовало бы отказаться.
Помимо всего прочего, к проблеме биорегенерации неприменим узко инженерный подход. Организмы нельзя «проектировать» и «испытывать», как транзисторы или батареи, предназначенные для выполнения какой-то одной функции или для решения одной определенной проблемы. Организмы эволюционировали вместе с другими организмами как единое целое, и они выполняют множество функций, которые должны быть ЧАСТЬ 3. ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ 640 строго согласованы со всеми другими функциями экосистемы. Ясно, что «минимальной экосистемой» для человека должна быть многовидовая экосистема. Положение дел с многовидовой системой жизнеобеспечения Как мы убедились, человек, вероятно, не сможет жить лишь с одним или двумя видами автотрофных микроорганизмов, которые обеспечивали его жизненные потребности. Но, кроме того, необходимо выяснить, какие потребуются ему дополнительные биотическне и физические компоненты.
Иными словами, каков минимум разнообразия, необходимый для заданной временной стабильности? Мы не можем ответить на этот вопрос сейчас и не сможем сделать это до тех пор, пока те, кто разрабатывает биорегенерационные системы, не станут лучше представлять себе основные экологические принципы, например связи между стабильностью и разнообразием, биогеохимические циклы, пищевые цепи, развитие экосистемы (сукцессии) и т. п.
Идея о максимальном выходе при минямальном размере должна быть отвергнута в пользу экологического правила, утверждающего, что «оптимальная эффективность всегда меньше максимальной». Иными словами, мы должны «проектировать вместе с природой», а не отбрасывать ее. А для этого надо делать упор на экосистемы, находящиеся в зрелом, илн «климаксном», состоянии н обладающие высокой степенью саморегуляции, а следовательно, устойчивые к возмущениям н менее подверженные сукцессионным изменениям. Преимущества зрелой многовидовой системы жизнеобеспечения неоднократно обсуждались как в американской (Голуэке, Освальд н Макгохи, 1959; Тауб, 1963; Паттен, 1963а; Г. Т. Одум, 1963; Ю.
П. Одум, 1966; Кук и др., 1968 и другие работы), так и в советской литературе (Шепелев, 1965; Ивлев, 1966). Основное препятствие на пути к использованию зрелой экосистемы — это, как уже говорилось, высокое отношение биомассы к продуктивности и, следовательно, очень большие размеры. Г. Одум (1963) установил, что всего лишь около 20/о продукции фотосинтеза зрелой экосистемы уходит на поддержание дыхания всех компонентов системы, за исключением единственного крупного консумента.
Основываясь на этих расчетах, он установил, что минимальная экосистема для одного человека должна занимать площадь около 1 га. Учет психосоциальных потребностей человека как долговременного чле. на изолированного сообщества может потребовать расширения этой минимальной площади до 4 — 5 га. Если это действительно соответствует величине минимальной экосистемы, то мы должны обеспечить каждому мужчине, каждой женщине и каждому ребенку по меньшей мере по 4 га как часть системы их жизнеобеспечения. При этом мы не должны ограничивать себя существующимн в настоящее время пределами «полезного груза», который может быть запущен в пространство, так как в будущем станет возможным собирать крупные космические станции из запущенных по отдельности составных частей. Запуск очень большого полезного груза значительно упростится благодаря использованию орбитальной космической станции нли Луны, на которой гравитационное притяжение очень мало.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
