Из пустыни — в сияющий оазис
Издалека Biosphere 2 выделяется на фоне кактусов и креозота пустыни Сонора, словно сверкающий оазис — колония из стекла и ярких белых конструкций. Несмотря на то что она находится недалеко от Тусона, штат Аризона, она выглядит почти как колония на другой планете.
Когда один из 100 000 ежегодных посетителей комплекса переступает порог, он видит целый мир — от тропического леса, переливающегося 50 оттенками зелёного и кишащего жизнью, до миниатюрного экспериментального океана. Ближе к концу экскурсии посетитель попадает в сравнительно бесплодный на вид эксперимент под названием Landscape Evolution Observatory (Observatory), где жизнь пытается закрепиться на измельчённой вулканической породе, первоначально извергнутой древним аризонским вулканом.
Именно эти склоны, где жизнь колонизирует и преобразует суровый ландшафт, наша команда считает ключом к будущему человечества — как на Земле, так и, в конечном итоге, на других планетах.
Biosphere 2: от человеческого эксперимента 1990-х годов до исследовательской лаборатории
Biosphere 2 впервые прославилась как человеческий эксперимент 1990-х годов, в ходе которого группа из восьми исследователей на два долгих года была помещена в её 3 акра разнообразных экосистем. Цель состояла в том, чтобы проверить жизнеспособность замкнутой экологической системы для поддержания жизни человека в космосе.
Сегодня мы — эколог глобальных изменений, астроном и докторант, специализирующийся на микробной биогеохимии, вместе с нашей командой коллег — превратили Biosphere 2 в испытательный полигон для понимания того, как жизнь преобразует ландшафты, от локальных территорий до целых планет.
Мы надеемся использовать полученные знания, чтобы помочь сохранить биоразнообразие, обеспечить доступ к пресной воде и повысить продовольственную безопасность. Для решения этих задач необходимо понять, как почва, горные породы, вода и микробы вместе влияют на трансформацию ландшафтов, от локальных до планетарных масштабов.
За пределами Земли: терраформирование
За пределами Земли эти же принципы применяются к задаче терраформирования: науке превращения других миров в пригодные для жизни. Жизнь не просто существует на поверхности Земли. Организмы глубоко влияют на геологию планеты, а также на состав атмосферы. Биология может превратить бесплодные среды в пригодные для жизни экосистемы.
Это произошло с эволюцией цианобактерий — первых микроскопических организмов, использующих кислородообразующий фотосинтез. Цианобактерии насытили атмосферу кислородом 2–3 миллиарда лет назад.
Атмосферный кислород, в свою очередь, сделал возможным новый суперзаряженный метаболизм жизни, называемый аэробным, или использующим кислород, дыханием. Аэробное дыхание производило столько энергии, что оно стало доминирующим способом для организмов получать энергию, необходимую для жизни, что в конечном итоге сделало возможным появление многоклеточной жизни.
Кислород, произведённый фотосинтезирующими цианобактериями, также попал в верхние слои атмосферы, образуя другой вид кислорода, известный как озон, который, защищая поверхность Земли от стерилизующего ультрафиолетового излучения, позволил жизни распространиться на суше.
Биосфера и погода: как жизнь меняет планету
Биология снова изменила планету, когда жизнь, распространившаяся на суше 400 миллионов лет назад, дала биологический толчок химическому и геологическому процессу, известному как выветривание. Выветривание происходит, когда углекислый газ в атмосфере химически реагирует с материалом на поверхности Земли — например, с горными породами, минералами и водой — для создания почв, насыщенных питательными веществами, которые могут поддерживать растения и другие живые организмы.
На Земле выветривание сначала было обусловлено чисто физическими и химическими процессами. Однако, как только растения распространились из океанов на сушу, их корни ввели углекислый газ непосредственно в почву, где реакции выветривания были наиболее сильными. Этот процесс выкачал углекислый газ из атмосферы. Снижение уровня углекислого газа в атмосфере затем охладило Землю, превратив планету-парник в планету с более умеренным климатом, каким мы его знаем сегодня.
Когда жизнь колонизирует новый, ранее бесплодный ландшафт, она запускает процесс первичной сукцессии. В этом процессе первые биологические организмы — простые микробы — расширяются до взаимодействующих сообществ, состоящих из разных видов организмов, которые усложняются и увеличивают биоразнообразие по мере того, как они изменяются и адаптируются к своей новой среде.
Исследование Biosphere 2: как микробы и растения меняют ландшафт
Лаборатория эволюции ландшафта Biosphere 2 идеально подходит для тщательного изучения того, как выветривание и первичная сукцессия работают вместе. Эти процессы происходят на малом, молекулярном уровне, но становятся важными только на больших территориях.
Лаборатория состоит из трёх склонов, покрывающих 300 квадратных ярдов, которые выглядят как три гигантских плантера в форме лотков, сделанных из стали, заполненных измельчённой горной породой вместо плодородной почвы. Дождь, который падает на них, просачивается в поверхность и стекает по склону, чтобы вытечь вдоль нижнего края, где он собирается и тщательно измеряется на предмет его химического и биологического состава.
Мы используем биологические инструменты, чтобы понять, как микробы и простые растения распространяются по более крупным, изначально бесплодным, измельчённым горным склонам. Эти методы включают метагеномику, которая может идентифицировать все формы микробной жизни на склоне, и метаболомику, которая может изучать органические молекулы, которые микробы и растения производят и используют в своём взаимодействии друг с другом и с окружающей средой.
Применение исследований Biosphere 2 для терраформирования Марса
Страны, такие как Соединённые Штаты и Китай, планируют высадить людей на Марс, а компания SpaceX строит грандиозные планы по отправке туда миллиона колонистов. Если люди когда-нибудь надеются выращивать растения на поверхности Красной планеты, изучение того, как создать там раннюю сукцессию, окажется решающим.
В лаборатории эволюции ландшафта Biosphere 2 мы фокусируемся на экспериментах в камерах, которые имитируют марсианские условия, чтобы выяснить, что потребуется для детоксикации марсоподобных почв, чтобы микробы и растения могли там жить.
Один из первоначальных подходов заключается в использовании бактерий, разлагающих перхлорат, набранных из экстремальных условий на Земле, для преобразования перхлората в безвредный хлорид. Таким образом, эксперименты в Biosphere 2 информируют науку о терраформировании Марса. Вместе с прогрессом, достигнутым в других областях, таких как поиск способов сделать Марс достаточно тёплым для поддержания жидкой воды, восстановление бесплодных сред на Земле может стать ключом к жизни на Марсе в один прекрасный день.