Естественно-математические науки

Зеленые легкие или голубые жабры?

 
{hsimage|Болота, а не леса, зелёные лёгкие Земли||||} Об одном устойчивом мифе, неудачном эксперименте, системном подходе в экологии и философии Канта 
 
Миф о зелёных лёгких
 
Думаю, не надо объяснять, чем мифологическое познание отличается от научного.
 
В современной науке с её экспериментальным подходом и принципом фальсификации миф сложиться не может. Зато мифы начинают в массе плодиться там, где заканчивается собственно научное исследование и идея выходит в широкие массы. Про один такой миф я и хочу рассказать сегодня.
И звучит этот миф вкратце, как «Леса – зелёные лёгкие планеты». Вроде бы, казалось, всё просто и логично: зелёные деревья, как нас учили на природоведении, потребляют углекислый газ и выделяют кислород. Только вот, есть в этом процессе один подвох. Для начала рассмотрим реакцию фотосинтеза, в результате которой это происходит. В общем виде её можно выразить так:
nCO2 + nH20 → nO2 + (CH2O)n

Или, если объяснить простыми словами, углекислый газ + вода → кислород + углеводы. Углеводы, если кто забыл школьный курс химии, делятся на несколько групп, в зависимости от того, сколько в молекуле звеньев CH2O. Собственно, и название «углеводы» эти вещества получили, поскольку представляют собой соединение угля с водой. Группировки же CH2O собираются в цепочки по три, четыре, пять, шесть группировок. Иногда эти цепочки разомкнуты, иногда образуют замкнутые колечки. Вещества, молекулы которого состоят из одной такой цепочки, называются монсахаридами, примером которых являются глюкоза или фруктоза. Молекулы, состоящие из двух цепочек, называются дисахаридами, примером может служить обычный сахар или сахароза, а также мальтоза, придающая едковатый привкус дешёвому пиву.
 
И более сложными, а также самыми важными в биосфере являются вещества, являющиеся полимерами моносахаридов: крахмал и целлюлоза. Крахмал – базовое питательное вещество, а целлюлоза – строительный материал, из которого состоит, например, вся древесина. То есть в результате фотосинтеза образуется не только кислород, необходимый всем нам, но и пища и строительный материал. Вроде всё просто. Да вот не всё. И в порядке лирического отступления, дальше рассказ пойдёт об одном неудачном эксперименте.
 
Взлёт экспериментаторской мысли

 
{hsimage|Биосфера-2 снаружи. Фото из Википедии ||||} Этот дорогостоящий претенциозный эксперимент был поставлен в начале 1990-х годов в штате Аризона и носил название, ни много, ни мало, «Биосфера 2». Собственно, название должно было символизировать то, что его результатом должно стать построение второй биосферы, как она есть (впрочем, есть и версия о том, что под «Биофсерой 1» подразумевается подобный павильон «Биосфера» на выставке ЭКСПО-67 в Монреале).
 
Для эксперимента выстроили огромный оранжерееподобный комплекс площадью свыше 1,5 гектаров и объёмом свыше 200 тысяч кубометров. На отдельных участках комплекса тщательно были воссозданы пять типов ценозов, для чего комплекс населили животными и растениями более 3000 видов, качество и количество которых было подобрано в соответствии со строгим расчетом на то, чтобы имитировать естественные циклы веществ и энергии, включая производство и разложение живого вещества. 
 
Строители воссоздали кусочек тропического дождевого леса, кусочек пустыни, кусочек саванны, мангровые заросли и небольшой «океан» с коралловым рифом. Шестым ценозом стал кусочек земли, предназначенный для сельского хозяйства живущим внутри людям. Собственно, ради людей этот эксперимент и затевался: он должен был стать прообразом экосистем космических станций будущего. Система была почти полностью изолирована от внешней среды: единственным поступающим во время эксперимента извне ресурсом должен был быть солнечный свет, которого в пустынях Аризоны хватало в достатке.
 
Немудрено, что эксперимент вызывал колоссальный интерес. Строительство заняло свыше десяти лет, а всего в него было вбухано свыше 200 миллионов долларов, благо было кому: спонсором проекта являлся американский нефтяной миллиардер Эдвард Басс. Ещё в те годы мне, старшекласснику, приходилось читать об этом в журнале «Эхо планеты» и, надо сказать, воображение будоражило.
Ну а сам эксперимент начался в сентябре 1991 года, когда в комплекс «Биосфера 2» торжественно заселились восемь человек, и дверь за ними герметично закрылась. Два года им предстояло питаться тем, что вырастет в искусственной экосистеме и дышать кислородом, выработанным растениями внутри оранжереи. Связь с внешним миром осуществлялась только посредством компьютерной сети.
 
Крах

 
Неполадки начались уже через полторы недели. Первая неприятность была связана с тем, что уровень кислорода в комплексе начал падать примерно на полпроцента в месяц. В результате за год он сократился с нормальных 21% до 15%. Такое же содержание кислорода на Земле имеет место в высокогорье, примерно на высоте 4000 метров. Немудрено, что у обитателей «Биосферы 2» появились симптомы горной болезни. Чистоту эксперимента пришлось нарушить: в комплекс начали дополнительно закачивать кислород, причём на первых порах это делали тайком дабы не признаваться публично в раннем провале.
{hsimage|Биосфера-2 внутри. "Саванна" и "океан". Фото из Википедии ||||} На этом злоключения экспериментаторов не кончились. Так, например, последовала вспышка численности растительноядных насекомых, которых пришлось уничтожать вручную – использование ядохимикатов в замкнутом объёме было невозможным. Конденсирующаяся на окнах вода приводила к тому, что в «пустыне» был избыток влаги.  Из-за стресса (видимо, связанного с удушьем) отказались размножаться свиньи. Чтобы сбалансировать питание пришлось высадить бананы и папайю в дождевом лесу, а затем и вовсе завозить продукты, как и кислород, извне.
 
В результате эксперимент прошёл положенные два года, но был признан неудачным: несмотря на допущенные отклонения от режима, эконавты вышли из комплекса, сильно потерявшими в весе и нуждались в реабилитации, как физической, так и психологической, ибо плохое питание и кислородное голодание усугубили конфликтность внутри группы.
 
Комплекс закрыли на трёхлетнее проветривание и реконструкцию. В 1994 году была предпринята вторая попытка эксперимента, но она не продлилась и года – проблемы с газовым балансом устранить не удалось. После этого комплекс был передан Колумбийскому университету, который проводил в нём эксперимент без участия людей уже до 2005 года, после чего его прекратили совсем. Сейчас «Биосфера 2» принадлежит Университету Аризоны и служит, в основном туристическим аттракционом в пригородах городка Оракл.
 
О том, как важно рассматривать экосистему в целом

В чём же была основная причина провала «Биосферы 2»? Почему оказались бесполезны её «зелёные лёгкие»? Дело в том, что газовый баланс экосистемы не описывается только реакцией фотосинтеза. Параллельно в ней протекает процесс, описываемый реакцией, где стрелка повёрнута в обратную сторону, от углеводов с кислородом к воде и углекислому газу. Таким образом, в экосистеме получается замкнутый цикл.
nO2 + (CH2O)n → nCO2 + nH20

{hsimage|Тайга ||||} И процесс этот называется дыханием. Дышат все потребители углеводов, образовавшихся в процессе фотосинтеза (растительноядные существа или консументы первого порядка), дышат те, кто питается этими потребителями (плотоядные существа или консументы второго, третьего и т.д. порядков), дышат бактерии и грибки, разрушающие мёртвую биомассу (редуценты), наконец, дышат сами зелёные растения (продуценты).
 
Впрочем, если рассматривать только это звено в трофической пирамиде, то да, зелёные растения производят кислорода больше, чем потребляют, но вот если брать весь биом леса целиком, то тут дело будет несколько сложнее. Для того, чтобы не весь кислород, вырабатываемый растениями, уходил на дыхание всего биоценоза, надо цикл разомкнуть, то есть сделать так, чтобы из него куда-то выпадали излишки углеводов. В лесу (во всяком случае, спелом, климаксовом лесу) этого не происходит. Вся целлюлоза, будь то опавшие листья или гниющие стволы деревьев, будет разложена на воду и углекислый газ и возвращена микробами в атмосферу.
 
{hsimage|Тропический лес в Таиланде ||||} Особенно быстро происходит это в тропическом дождевом лесу, по иронии судьбы традиционно и носящем звание «зелёных лёгких». Отложения органики там нет вообще никакого, поэтому при вырубке леса его место быстро превращается в бесплодную пустыню. При этом совершенно незаслуженно обойдёнными становятся другие экосистемы, в которых вывод излишков углеводов происходит постоянно в нормальных условиях. Там, где выросшая биомасса консервируется в холодной кислой воде, накапливаясь веками в толстые слои. Узнали? Я говорю о болотах и процессах торфообразования в них.
 
Именно болота могут носить звание «зелёных лёгких» с большим правом. Но и это ещё не всё. Основным депонентом углерода на планете Земля являются даже не болота и мангровые заросли. Такую роль в биосфере берёт на себя мировой океан, который связывает углекислый газ и химическим образом, и биологическим. Сколько неразложившихся углеводов оседает на его дно – сказать довольно трудно. Но известно, что в океане углерода содержится примерно в сто раз больше, чем в атмосфере и примерно в 15 раз больше, чем обращается в биоте. И в целом выходит, что Земля скорее имеет «голубые жабры», нежели «зелёные лёгкие».
Так бесславно окончилась история «Биосферы 2». Рассчитав баланс макроорганизмов, её строители не учли неконтролируемое размножение микроорганизмов, которые и потребляли кислород, выбрасывая избытки углекислого газа. Смоделировать этот процесс пока не удаётся: исследования почвенных микробов — довольно дорогостоящее занятие. Дорогостоящих исследований в биологической науке много, но как-то в основном поддерживаются те, что сулят какие-то барыши человеку. На микробов пока деньги давать не спешат, поэтому знаем мы об этом звене в пищевой цепи очень мало. Такое неприятное последствие антропоцентрического рационального подхода.
 
Философское заключение с практическими выводами

Даёт сбой этот подход и в другом. В частности, щекотливый для природоохранных организаций момент заключается в том, что процесс вырубки можно рассматривать как удаление из биоценоза избытков углеводов, а растущий на их месте молодой лес как раз активно депонирует углеводород, откладывая его в растущих стволах. То есть как раз вырубка может называться зелёными лёгкими с большим правом, нежели нетронутый «девственный» лес, ни с кем избытками кислорода не делящийся. Таким образом, если судить рационально, для предохранения атмосферы лес нужно рубить.
И теперь осталось только пояснить, при  чём здесь Кант и его философия. А он важен в основном в плане практического применения фундаментальной науки. Попытки рассматривать природу исключительно как среду обитания человека зачастую обречены на провал, как это случилось  в «Биосфере 2». В природе самой важной ценностью является биоразнообразие, и каких-либо утилитарных причин для его сохранения искать не надо. Даже, казалось бы, такая очевидная вещь, что лес — это  «зелёные лёгкие планеты», может быть элементарно опровергнута и перевёрнута наоборот. И тут самое время вспомнить кантовскую критику рациональной этики. Добро само по себе иррационально. Как иррациональна и охрана биоразнообразия. Ну а дальнейшие выводы каждый для себя может сделать сам.
 
Фото автора, Людмилы Фрадковой 

 
 

 

  • Эксперт

    Спасибо, Людмила.

    Эта точка зрения была в ходу еще в прошлом веке. Тогда сторонники уничтожения «старовозрастных» (теперь называются малонарушенными) лесов произносили как заклинание: «Лес надо рубить, иначе он сгниет». И рубили, чем и подорвали лесозаготовительную базу экономически доступных лесов в Карелии.

    Было бы не плохо представить несколько другое мнение. В этих сложных проблемах вариаций мнений достаточно, но особенно интересны вопросы, касающиеся депонирования углерода в экосистемах (этого Вы коснулись почему-то вскользь). Экономя время, могу предложить поискать соответсвующую информацию на других сайтах. Для примера приведу такой материал: http://www.clicr.ru/uploads/images/file_public_1369.pdf

    По моему, добротная научная работа.

    Один из пунктов касается экосистемных функций хранения углерода (так раздел и назван):

    «Киотский протокол направлен прежде всего на учет антропогенных выбросов
    парниковых газов и частично учитывает только экосистемные функции поглощения и выделения парниковых газов, а точнее – их изменение в результате действий человека. Однако необходимо также учитывать функцию хранения углерода, что, как будет показано ниже, особенно важно для России». (Важно для России!).

    Обратите внимание, что речь идет не столько о лесной растительности, но о лесных экосистемах в целом.

    Вот еще одна выдержка:

    «По данным МГЭИК (2007; 2000) с 1850 г. по 1998 г. в результате действий
    человека в атмосферу было выброшено около 406 Гт углерода в виде СО2. 2/3
    этого количества (270 млрд. т) образовалось в результате сжигания ископаемого топлива и производства цемента и 1/3 (136 Гт) в результате землепользования, главным образом при нарушениях лесных экосистем. По другим оценкам эмиссия углерода в результате антропогенной трансформации экосистем в течение последних 200 лет могла быть существенно выше — до 200-220 Гт (Ecosystems…, 2005; House et al., 2002), то есть более 40% суммарной эмиссии углерода. За всю историю человечества в результате уничтожения природных экосистем и нерационального землепользования в атмосферу было выброшено больше углерода, чем всей промышленностью (Данилов-Данильян и др., 2005; Залиханов и др., 2006)».

    Еще: «Лесные экосистемы после пожаров, рубок или повреждений насекомыми на
    несколько лет превращаются в источники углерода (рис. 28)». Это доказанное утверждение тоже, думаю, нужно учесть.

    Можно утверждать, что в любой дискусси есть минимум два мнения. Так или иначе, мнения могут быть подтверждены исследованиями (фактами), а могут быть ими не подтверждены.

    В этом смысле привожу еще одну цитату из указанной работы:

    «Ранее считалось, что старые леса перестают поглощать углерод и существуют при его нулевом балансе. Даже в этом случае они чрезвычайно важны как хранилища больших количеств запасенного ранее углерода, и эту функцию невозможно заменить другими формами землепользования (Canadell et al., 2007a;
    Field, Kaduk, 2004; Knohl et al., 2009). Однако ряд исследований показал, что
    старые леса во многих случаях продолжают поглощать углерод, причем вероятность функционирования лесных экосистем как источников углерода не увеличивается с возрастом (рис. 31, Knohl et al., 2009; Luyssaert et al., 2008), а определяется изменением локальных гидрологических и климатических условий».

    Спасибо, Людмила, еще раз!

  • Сергей Знаменский

    Спасибо на добром слове.
    [quote name=»Гардения»]Прочитаешь про открытие иногда, а потом думаешь: что же с этим знанием теперь делать — то?[/quote]
    «Великие знания рождают многие печали» или, по более простому, «меньше знаешь — лучше спишь». :)
    Ну а выбор «что делать» всегда остаётся за обладателем знания. По тому же Канту, что угодно, но за свои поступки придётся отвечать.

  • Сергей Знаменский

    Спасибо на добром слове, Григорий Борисович. Очень приятно.
    Что до «принципа фальсификации», то это термин из философии науки, введённый в 1935 году Карлом Поппером и касается критерия научности предложенной гипотезы. До этого считали, что дабы считаться научной, теории необходимо быть принципиально доказуемой. Этот принцип назывался [i]принципом верификации[/i]. Многие, собственно, так думают до сих пор. «Да ни фига подобного!» — сказал Поппер. Чтобы быть научной, теория как раз должна быть принципиально опровергаемой. И этот принцип и получил название «приницпа фальсификации». Петрик, не к обеду будь он помянут, тут не при чём. :)

    Чтобы объяснить суть приниципа, приведу пример, известный в широких научных кругах как «Чайник Рассела» (его придумал где-то в те же годы Бертран Рассел). Предположим, что где-то между Землёй и Марсом летает по странной орбите маленький фарфоровый чайник, который невозможно увидеть ни в один телескоп. Доказать такую теорию возможно? В приниципе, да – найти этот самый чайник и торжественно продемонстрировать скептикам. А опровергнуть можно? А вот нет. Если его не нашли, то это значит, что его просто не нашли, а он всё равно летает. Из-за этого гипотезу о существовании чайника нельзя считать научной. Это объект мифологии, религии, искусства. Это если вкратце.

  • Гардения

    Спасибо за интересную и неожиданную информацию. Парадоксально и интригующе.
    «О сколько нам открытий чудных
    Готовят просвещенья дух
    И опыт, сын ошибок трудных,
    И гений, парадоксов друг…»
    Прочитаешь про открытие иногда, а потом думаешь: что же с этим знанием теперь делать — то?

  • Г. Салтуп

    Отличная публикация!
    Даже мне, троечнику по химии, многое прояснилось.
    Один вопрос (уточнение) к автору: — что за принцип «фальсификации» в современной науке?
    «В современной науке с её экспериментальным подходом и принципом фальсификации (?!) миф сложиться не может.»
    В соврменной истории мифов сложилось много как раз из-за фальсификации фактов (Петрик и проч.)
    М.б. неудачное использование терминов?