Космический корабль как искусственная экосистема

Итак, в экосистеме мы видим взаимодействие жизненного сообщества, состоящего из множества организмов, с характерными факторами среды, действующими на это сообщество. Экосистемы классифицируют обычно по наиболее важным факторам среды. Так, говорят о морских, наземных или сухопутных, береговых или литоральных, озерных или лимнических экосистемах и так далее.

Как построена экосистема?

Обычно она состоит из четырех основных элементов:

1. Неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также неживые органические вещества и гумус.
2. Продуценты (производители). К ним относятся живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества. Такую работу выполняют главным образом зеленые растения, производящие с помощью солнечной энергии из двуокиси углерода, воды и минеральных веществ органические соединения. Этот процесс называют фотосинтезом. При нем высвобождается кислород (О₂). Органические вещества, производимые растениями, идут в пищу животным и человеку, кислород используется для дыхания.
3. Консументы (потребители). Они используют растительную продукцию. Организмы, питающиеся только растениями, называют консументами первого порядка. Животные, питающиеся только (или преимущественно) мясом, называются консументами второго порядка.
4. Редуценты (деструкторы, разлагатели). Эта группа организмов разлагает остатки отмерших существ, например растительные остатки или трупы животных, превращая их снова в исходное сырье - воду, минеральные вещества и СО₂, которое пригодно для продуцентов, превращающих эти составные части снова в органические вещества. Редуценты - это многие черви, личинки насекомых и другие мелкие почвенные организмы. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, превращающие живое вещество в минеральное, называются минерализаторами.

Экосистема может быть и искусственной. Пример искусственной экосистемы, крайне упрощенной и неполной по сравнению с естественными, - космический корабль. Его пилоту приходится жить долгое время в замкнутом пространстве корабля, обходясь ограниченными запасами пищи, кислорода и энергии. При этом желательно по возможности восстанавливать и вторично использовать израсходованные запасы вещества и отходы. Для этого в космическом корабле предусмотрены специальные установки регенерации, а в последнее время ведутся опыты и с живыми организмами (растениями и животными), которые должны участвовать в переработке отходов жизнедеятельности космонавта, используя энергию солнечного света.

Сравним искусственную экосистему космического корабля с какой-либо естественной, например экосистемой пруда. Наблюдения показывают, что количество организмов в этом биотопе остается - с некоторыми сезонными колебаниями - в основном постоянным. Такую экосистему называют стабильной. Равновесие сохраняется, пока не изменятся внешние факторы. Основные из них - приток и отток воды, поступление различных питательных веществ, солнечное излучение.

В экосистеме пруда живут различные организмы. Так, после создания искусственного водохранилища оно постепенно заселяется бактериями, планктоном, затем рыбами, высшими растениями. Когда развитие достигло определенной вершины и внешние воздействия остаются долгое время неизменными (приток воды, веществ, излучения, с одной стороны, и отток или испарение, вынос веществ и отток энергии - с другой), экосистема пруда стабилизируется. Между живыми существами устанавливается равновесие.

Как и упрощенная искусственная экосистема космического корабля, экосистема пруда способна к самоподдержанию. Неограниченному росту препятствуют взаимодействия между растениями-продуцентами, с одной стороны, и животными и растениями консументами и редуцентами - с другой.

Консументы могут размножаться лишь до тех пор, пока не перерасходуют запас имеющихся питательных веществ. Если они размножатся чрезмерно, увеличение их численности прекратится само по себе, так как им не хватит пищи. Продуцентам в свою очередь требуется постоянное поступление минеральных веществ. Редуценты, или деструкторы, разлагают органические вещества и этим увеличивают запас минеральных веществ. Они же снова пускают в оборот отходы жизнедеятельности. И круговорот начинается снова: растения (продуценты) поглощают эти минеральные вещества и с помощью солнечной энергии снова производят из них богатые энергией питательные вещества.

Природа действует в высшей степени экономно. Созданная организмами биомасса (вещество их тел) и содержащаяся в ней энергия передаются остальным членам экосистемы: животные поедают растения, другие животные поедают первых, человек поедает и растения и животных. Этот процесс называют пищевой цепью. Примеры пищевых цепей: растения - растительноядное животное - хищник; злак - полевая мышь - лиса; кормовые растения - корова - человек. Как правило, каждый вид питается не одним-единственным видом. Поэтому пищевые цепи переплетаются, образуя пищевую сеть. Чем сильнее организмы связаны между собой пищевыми сетями и другими взаимодействиями, тем устойчивее сообщество против возможных нарушений. Естественные, ненарушенные экосистемы стремятся к равновесию. Состояние равновесия основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды.

Поддержание замкнутых круговоротов в естественных экосистемах возможно благодаря двум факторам: наличию разложителей (редуцентов), которые используют все отходы и остатки, и постоянному поступлению солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, и отходы - жидкие, твердые и газообразные - накапливаются, загрязняя окружающую среду. Способствовать быстрейшему разложению и вторичному использованию таких отходов можно, поощряя развитие редуцентов, например, путем компостирования. Так человек учится у природы.

В отношении поступления энергии природные и антропогенные (созданные человеком) экосистемы сходны. И природным, и искусственным экосистемам - домам, городам, системам транспорта - требуется подвод энергии извне. Но естественные экосистемы получают энергию от практически вечного источника - Солнца, которое к тому же, "производя" энергию, не загрязняет окружающую среду. Человек, напротив, питает процессы производства и потребления в основном за счет конечных источников энергии - угля и нефти, которые наряду с энергией дают пыль, газы, тепловые и другие отходы, вредящие окружающей среде и не поддающиеся переработке внутри самой искусственной экосистемы. Не забудем, что и при потреблении такой "чистой" энергии, как электроэнергия (если она произведена на тепловой электростанции), происходит загрязнение воздуха и тепловое загрязнение среды.