«Лёгкие нашей планеты», или Как душить людей и животных с помощью растений

«Мы культивировали растения как безумные. Мы собирали биомассу, хранили её в подвале, выращивали, выращивали, суетились, пытаясь удалить весь этот углерод из атмосферы. Мы старались предотвратить попадание углерода в воздух. Мы перестали орошать почву, насколько это было возможно, перестали возделывать землю, потому что так мы могли предотвратить попадание парниковых газов в атмосферу», — взволнованно рассказывала Джейн Пойнтер (Jane Poynter) на конференции TED 2009 года.

Восемнадцать лет назад она и семеро её коллег вошли в огромную теплицу в штате Аризона, чтобы провести внутри два года. Под куполом из металла и стекла на территории чуть более гектара поместились океан с коралловым рифом и пляжем, тропический дождевой лес, саванна, прибрежная пустыня, мангровое болото и небольшая ферма. Уровнем ниже, в «Техносфере», скрывались насосы, клапаны, резервуары с водой — сердце, которое заставляло комплекс работать. Проект «Биосфера 2» должен был доказать, что люди могут спроектировать закрытую миниатюрную копию мира и воссоздать родную планету в марсианской колонии. Четверо мужчин и четверо женщин — «биосфереане», как их называли в прессе, — должны были самостоятельно выращивать пищу, проводить исследования и наблюдать за экосистемой.

На следующее утро стало ясно, что что-то пошло не так. За завтраком капитан объявил, что содержание углекислого газа выросло до 521 ppm и на 45% превысило уровень CO2 снаружи.

Ещё через сутки это значение поднялось до 826 ppm. «Но уровень кислорода в атмосфере падал быстрее, чем рос уровень углекислого газа, и это было довольно неожиданно, потому что в тестовом модуле мы наблюдали их согласованное изменение», — вспоминала Джейн Пойнтер. Команда культивировала растения, чтобы «запереть» в них углекислый газ, и пыталась понять, куда пропадает кислород, но безуспешно. «Мы словно играли в атомарные прятки, — рассказывала Джейн, — Мы потеряли семь тонн кислорода и понятия не имели, куда они делись».

Так Biosphere 2 выглядит в наши дни. Источник: Аризонский университет

Через год и четыре месяца обитатели «Биосферы 2» начали испытывать кислородное голодание. Уровень углекислого газа под куполом был в 12 раз выше, чем снаружи. Атмосфера стала разрежённой — как в горах на высоте 5000 метров. Членов команды беспокоила сонливость, заторможенность и затруднённое дыхание. В конце концов кислород внутрь купола пришлось закачивать искусственно.

Расследовать пропажу драгоценного O2 пригласили профессора Колумбийского университета Уоллеса Смита Брокера (Wallace Smith Broecker), знаменитого геохимика и автора термина «глобальное потепление». Ему предстояло найти виновника среди 3800 видов живых существ «Биосферы 2».

В популярном фантастическом романе «Марсианин» есть такой эпизод: герой не решается полностью перекрыть кислород в жилом модуле, где выращивает картофель, несмотря на риск взрыва. «Почва плодородна лишь благодаря размножающимся в ней бактериям. Если я избавлюсь от кислорода, бактерии погибнут», — объясняет он. Анаэробные микроорганизмы без потерь пережили бы такой поворот, но почве действительно необходим O2. Она «дышит», благодаря бактериям, которые потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Именно почвенное дыхание чуть не убило биосфереан. Перед стартом проекта в грунт «Биосферы 2» от души добавили удобрений — в буквальном смысле, на сто лет вперёд. Бактерии устроили пир и принялись выделять углекислый газ с огромной скоростью — в два раза быстрее, чем растения производили кислород. Процессу фотосинтеза мешали стеклянные окна комплекса — они пропускали только 45% окружающего света. А углекислый газ, который должен был возвращаться растениям, вступал в реакцию с бетонными стенами и превращался в карбонат кальция и воду.

Слишком много удобрений, тусклые окна, стены из «неправильного» материала — этого достаточно, чтобы люди задыхались, и судорожное разведение растений не спасло положение. Журналисты часто называют леса «лёгкими планеты», но опыт «Биосферы 2» показывает, что не всё так просто. Растения дышат так же, как остальные живые существа — потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Днём параллельно идёт процесс фотосинтеза, но по ночам, когда солнечного света нет, они расходуют накопленный O2. Растения производят в несколько раз больше кислорода, чем потребляют, но это не значит, что леса — огромные зелёные кислородные бассейны. Пока одни деревья растут и запасают O2, другие гниют и высвобождают углекислый газ.

Несколько лет назад читатель журнала Nature задал вопрос в рубрике «Спроси работника службы охраны природы»: когда выделится больше CO2 — если сжечь гнилое дерево или если позволить ему разлагаться? Он получил неожиданный ответ: при горении и гниении выделяется одинаковое количество углекислого газа. Но если хочется жечь костры, выброс CO2 можно уменьшить. Древесный уголь, который образуется, когда хворост не догорел до конца, содержит 50—95% углерода. Если раскрошить его на землю, он не будет гнить и сохранится в почве на тысячи лет. В естественных условиях, при гниении, в атмосферу возвращается весь накопленный растением CO2.

«Лёгкими планеты» чаще всего называют тропические дождевые леса. Там деревья гниют очень быстро. Возможно, в тропиках кислород уравнивается углекислым газом, и экосистема вообще не добавляет атмосфере никакого дополнительного O2. Это подтверждает исследование 2002 года: учёные измерили выброс углекислого газа в топях и реках Амазонских лесов и пришли к выводу, что заболоченные участки тропиков выделяют столько же CO2, сколько впитывают сухие. Однако дождевой тропический лес — слишком обширная и сложная экосистема, чтобы её могла «посчитать» одна группа учёных. К тому же разные методы исследования дают разные результаты. Глобальные оценки обмена углекислым газом в системе океан-атмосфера показывают, что дождевые леса выделяют столько же или больше углерода, чем впитывают. Локальные полевые исследования на суше — что всё наоборот.

Амазонский тропический лес. Автор фото: Neil Palmer.

 

Уоллес Брокер — тот самый знаменитый геохимик — уверен, что кислород не закончится, даже если дождевые леса исчезнут:

«Одно из самых распространённых предостережений о будущем планеты — что, вырубая тропические леса, мы подвергаем риску наши запасы кислорода. Существует много причин, по которым дефорестация должна попасть в топ списка экологических грехов, но, к счастью, с запасами кислорода всё в порядке. Проще говоря, наша атмосфера обеспечена таким огромным запасом этого газа, что даже если мы сожжём все запасы ископаемого топлива, все деревья и всю органику почвы, мы израсходуем только несколько процентов доступного кислорода. […] Более того, земные леса не играют ведущей роли в сохранении кислородного запаса, потому что они потребляют его столько же, сколько производят. В тропиках муравьи, термиты, бактерии и грибы съедают практически весь фотосинтезированный O2».

По мнению Брокера, кислородный запас практически неисчерпаем. Среди учёных нет согласия на этот счёт: одни поддерживают профессора, другие опровергают. По разным оценкам, O2 кончится через сотни, тысячи или даже миллиарды лет. Так что если тропические леса полностью вырубят, человечество не задохнётся ещё очень долго.

Это не повод браться за топор. Деревья выполняют важную функцию, которая интересует учёных даже больше, чем способность к фотосинтезу. Они связывают углекислый газ. Растения используют CO2 и солнечный свет, чтобы производить крахмал, глюкозу, целлюлозу и другие углеводы. Глюкоза помогает растениям дышать, а из целлюлозы получаются прочные клеточные оболочки — так деревья превращаются в хранилища газа. Учёные надеются, что это свойство поможет в борьбе с изменением климата. Они готовы сделать многое для того, чтобы CO2 навсегда оседал в растениях и не возвращался обратно. Например, Нин Цзэн (Ning Zeng), климатолог из университета Мэриленда, предложил собирать старую древесину и зарывать её в землю, где она не сможет гнить. Таким образом можно предотвратить выброс огромного количества CO2 в атмосферу. Это довольно трудоёмкий метод, но Цзэн уверен, что осуществимый. Вот только планам учёных мешает вырубка лесов. Дефорестация не только сокращает площадь «складов CO2», но и сама по себе приводит к выделению углекислого газа в атмосферу: когда дерево рубят или сжигают, оно отдаёт накопленный углерод. 12—15% антропогенных выбросов CO2 в атмосферу — следствие уничтожения лесов.

Наземные растения производят только половину земного кислорода. Другую половину поставляют одноклеточные водоросли и цианобактерии — фитопланктон. Благодаря хлорофиллу водные микроорганизмы не слишком отличаются от наземных собратьев: они так же получают питательные вещества из углекислого газа и солнечного света. CO2 планктон «запирает» в собственном теле. Если одноклеточная водоросль разлагается или попадается хищнику, углерод остаётся в приповерхностных водах. Когда фитопланктон мирно тонет, он уносит углерод на дно — так микроорганизмы хоронят 10 гигатонн углерода ежегодно.

«Больше планктона» не значит «больше кислорода». Если в воде слишком много питательных веществ, фитопланктон начинает быстро размножаться, и вода «зацветает». Цветение длится от нескольких недель до нескольких месяцев, но отдельные микроорганизмы редко живут дольше пары дней. Когда они умирают и опускаются на дно, за дело принимаются бактерии. Процесс разложения множества планктонных организмов расходует слишком много кислорода, и водные животные начинают задыхаться. Они покидают опасное место или умирают — так в океанах и озёрах появляются «мёртвые зоны».

Некоторые виды фитопланктона содержат пигменты — от красного до коричневого. Цветение таких организмов называют «красным приливом».
На фото: цветение Lingulodinium polyedrum у берегов Сан-Диего. Источник: Flickr.

Фитопланктон не всегда безобиден, зато неприхотливые микроскопические водоросли могут размножаться там, где ни одно земное растение не выжило бы. Компания Techshot, в сотрудничестве с НАСА, разрабатывает способ производства кислорода на Марсе, с помощью марсианской почвы. Учёные собираются доставить на красную планету сине-зелёные водоросли (цианобактерии). «Это реальная возможность поддержать миссию на Марс и обеспечить её кислородом без необходимости доставлять тяжёлые канистры с газом, — объясняет главный научный сотрудник Techshot Юджин Боуленд (Eugene Boland), — Давайте пошлём микробов и позволим им сделать за нас тяжёлую работу».

К низким температурам и давлению лучше всего приспособится фитопланктон из Антарктики. Сейчас исследователи отбирают подходящие организмы и проверяют их в камере, симулирующей марсианские условия: они хотят выяснить, сможет ли планктон выжить и вырабатывать кислород. Если испытания пройдут успешно, на Красную планету вместе с марсоходом отправят экспериментальную установку. Она прибудет на участок, где есть жидкая вода, внедрится в грунт, наберёт в герметичный контейнер почвы и выпустит туда земные бактерии. Специальный сенсор обнаружит продукты метаболизма (например, кислород) или их отсутствие, и установка сообщит об этом на Землю через спутник связи на орбите Марса.

Тестовая камера в «марсианской комнате» компании Techshot Inc. Источник: NASA.

Если проект Techshot и НАСА увенчается успехом, в будущем людям удастся изменить марсианскую атмосферу и подстроить её «под себя» — а там и до колонизации недалеко. Но сначала придётся разобраться, как воссоздать подходящие земные экосистемы, не нарушив тонкого баланса. Понять, как на родной планете устроен углеродный и кислородный баланс в разных типах лесов, разобраться в тонкостях работы почвенного дыхания и узнать, как все компоненты системы взаимодействуют друг с другом. Потому что в реальности всё гораздо сложнее, чем в статьях про «лёгкие планеты».

Автор — Юлия Коровски