Фитоценоз — единственный из компонентов биоценоза, способный использовать энергию Солнца. Поэтому ему принадлежит ведущее значение.
Неживая природа, среда поставляет живому первичный материал — минеральные вещества и энергию, то есть создает условия, необходимые для жизнедеятельности. Живые организмы (биоценоз) аккумулируют энергию и строят из простых минеральных элементов сложные органические вещества своего тела, а затем вновь возвращают первичные элементы, прошедшие сложный цикл, окружающей среде.
Экосистема — понятие, близкое к понятию биогеоценоза. Однако оно употребляется учеными-специалистами применительно к таким понятиям, как лес, озеро, луг, болото и даже биосфера Земли в целом.
При рассмотрении биосферы Земли в качестве единой экологической системы можно обнаружить, что масса вещества Земли не уменьшается и не увеличивается, а лишь трансформируется, переходя из одного состояния в другое.
Известно, что наряду с биологическим (малым) круговоротом веществ в природе существует геологический (большой) круговорот веществ. Если отмирающие растения и животные оказываются, например, под водой без доступа воздуха и при огромном внешнем давлении, то они не будут разлагаться и вовлекаться, как обычно, в круговорот веществ. А переходя в инертное состояние: в торф, уголь, горные породы, — вовлекаются в геологический круговорот веществ, выпадая из биологического. Большая часть углерода — одного из важнейших элементов — находится в горных породах, например, в виде известняка и мрамора. Геологические процессы, и в частности вулканическая деятельность, возвращают этот углерод в сферу действия биологического круговорота веществ. Этому способствуют также физико-химические условия среды, в течение многих тысячелетий разрушающие горные породы.
Деятельность человека, который занимается добычей торфа, угля, нефти, а затем сжигает или перерабатывает их, также приводит к возврату углерода в биологический круговорот.
Аналогично осуществляется изъятие из этого круговорота и других элементов, накопление их в недоступной для живых организмов форме и последующий их возврат в него.
Таким образом, собственно биологический круговорот веществ на Земле не замыкается полностью, а смыкается с геологическим; геологический же, включающий в себя огромные массы вещества, не может быть воспроизведен в миниатюре.
Как же тогда воспроизвести в микромасштабе круговорот веществ, основываясь на природном оригинале? Очевидно, что построить модель естественного круговорота в искусственной системе невозможно даже со значительными упрощениями. И остается один путь: сузить в этом круговороте до предела геохимический цикл, а из биологических звеньев оставить наиболее важные с их природными экологическими связями.
Если в естественных условиях временная стабилизация круговорота обеспечена громадной массой веществ и сравнительно малой скоростью их движения, то в искусственных системах круговорота с их ограниченным количеством веществ мы столкнемся с большей скоростью их обмена, с большей подвижностью процессов. Кроме того, в искусственных системах будут отсутствовать полициклические процессы, включающие суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы.
Следовательно, при моделировании природных процессов в искусственных системах можно пользоваться лишь методами приближенного подобия.
При создании экологической системы в изолированном пространстве ученым приходится иметь дело с различными объектами живой природы. Эти живые объекты становятся как бы «звеньями» единой цепи вещества и энергии в такой системе. Предполагается, что подобная система может обеспечить все потребности человека, который при этом будет одним из ее функциональных составляющих. Он будет потребителем кислорода, воды и пищи и одновременно поставщиком отходов жизнедеятельности в системе.
Создание модели природного круговорота веществ в ограниченном замкнутом пространстве было бы невозможно без теоретических работ русских ученых, основоположников учения о биосфере и биогеоценологии Л. Берга, А. Григорьева, В. Вернадского, В. Вильямса, В. Докучаева, В. Сукачева и других.
Источником энергии для экологической системы будет излучаемый Солнцем световой поток. Поэтому с точки зрения термодинамики (раздела физики, изучающего характер обмена энергии и вещества через границы систем) такая экосистема представляет собой открытую систему, то есть такую, которая обменивается с внешней средой энергией и массой веществ. А обмен такой неизбежен, так как в искусственных экологических системах, так же как в природе, ряд веществ обязательно будет выпадать из круговорота в так называемые «тупики».
Теоретический максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах определяется в 90–95 процентов. Следовательно, даже в идеальном случае около 5–10 процентов веществ будут выпадать из круговорота и должны восполняться из запасов. Вот почему создание полностью автономных систем, которые были бы термодинамически изолированными, то есть не обменивались бы с внешней средой ни энергией, ни массой, а также систем «закрытых» — не обменивающихся со средой веществом, — невозможно.
Я представил себе огромную оранжерею К. Циолковского с растениями. Микроклимат в ней не вполне подходящ для человека, и поэтому она изолирована от жилого помещения. Необыкновенная сила солнечного света, благоприятные климатические условия оранжереи и специальные вещества, воздействующие на растения, «сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматными плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение искусственно». Так описывал К. Циолковский космический цветущий сад в своем научно-фантастическом труде «Вне Земли». Не только фантастика, но и пророческое предвидение сроднило его с Г. Уэллсом, который в романе «Пища богов» также мечтал о волшебном веществе, способном безгранично увеличивать рост всего живого.
Еще Ч. Дарвин, изучая способность растений к росту, предположил, что в растениях вырабатывается какое-то особое вещество, локализующееся в верхушках стеблей. Именно оно управляет ростом. Полвека спустя советский ученый Н. Холодный экспериментально подтвердил смелую гипотезу Ч. Дарвина. В кончиках корней и верхушках проростков ему удалось обнаружить вещество, сильно активизирующее рост. Распространяясь по стеблю, оно ускоряет деление растительных клеток и способствует их растяжению. А из этих двух процессов складывается рост. Ученым удалось извлечь из растений это чудесное вещество. Из двух миллиардов проростков было получено всего четверть грамма ауксина — так был назван этот ускоритель роста.
Долгое время его состав оставался загадкой. Разгадать ее помогли химики. Оказалось, что таинственный ауксин — это давно известная химикам индолил-уксусная кислота.
Был открыт еще один чудесный препарат — гиббереллин, также выделяемый из растений. Обработанный гиббереллином табак вырастал до небывалой, шестиметровой высоты — почти вдесятеро выше обычного.
На грядках «космического огорода» я представил себе картофель, томаты, свеклу, фасоль, арахис, капусту, лук, редис, укроп, петрушку и другие овощные растения, богатые белками, жирами, углеводами, витаминами. А рядом фруктовые растения. Оранжерея обеспечивает экипаж пищей, водой и воздухом. Калорийность растений достаточна для нормальной жизнедеятельности людей — обитателей космической станции.
Однако создать двухкомпонентную систему «человек — растения» оказалось невозможным: в ней не будет протекать круговорот веществ. Кроме того, высшие растения не могут полностью обеспечить пищевые потребности человека, так же как и низшие — одноклеточные микроскопические водоросли, в частности хлорелла. Причина этого заключается в том, что полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения; растительные же белки скомпенсировать их не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот, а человеческий организм не способен их синтезировать и обычно получает их в готовом виде с пищей животного происхождения. Имеются и другие трудности. Так половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а твердые отходы жизнедеятельности человека без предварительной обработки не могут быть непосредственно использованы для растений в качестве удобрений.
