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, Л. 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 наменивались бы с внешней средой ни энергией, ни массой, а также систем «закрытых» — не обменивающихся со средой веществом, — невозможно.
Свободное копирование
