ЗАМКНУТЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ: ОТ БИОСФЕРЫ К СИСТЕМАМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБРАТНО

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье приводится краткий обзор современных представлений о природе климатических изменений. Рассмотрены обостряющиеся проблемы биосферных исследований, которые касаются, в частности, дефицита данных и уникальности экосистем. Определено ключевое отличие биосферы от природных экосистем, обеспечивающее длительное, в пределе бесконечное, существование биосферы – сбалансированность круговорота биогенов или замкнутость потоков веществ. Охарактеризованы достоинства лабораторных замкнутых экологических систем (ЗЭС) как инструментов экспериментально-теоретического изучения биосферы. Обсуждается вклад наиболее известных ЗЭС (БИОС-3, микрокосмы Фолсома, Биосфера-2, микро-ЗЭС) в понимание биосферных процессов. Обсуждаются выявленные при математическом моделировании ЗЭС проблемы и парадоксы (парадокс Вернадского–Дарвина, ограничения моделей жёсткого метаболизма), имеющие отношение к известным экологическим парадоксам Мэя и Хатчинсона. Предлагается подход на основе гибкого метаболизма, позволяющий снизить остроту этих парадоксов. С позиции “биосфера как ЗЭС” обсуждаются меры, предлагаемые в рамках так называемой зелёной инициативы, в том числе сокращение углеродного следа домашних животных, переход на электромобили и возобновляемые источники энергии, связывание углерода деревьями. Подчёркивается серьёзность проблемы биосферно-климатических изменений, которая не может быть разрешена без учёта замкнутости веществ в биосфере.

Об авторах

С. И. Барцев

Институт биофизики СО РАН ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Email: bartsev@yandex.ru
Россия, Красноярск

А. Г. Дегерменджи

Институт биофизики СО РАН ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: nn1947@yandex.ru
Россия, Красноярск

Список литературы

  1. Neukom R., Steiger N., Gómez-Navarro J.J. et al. No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era // Nature. 2019. V. 571. P. 550–572.
  2. Marcott S.A. et al. A Reconstruction of Regional and Global Temperature for the Past 11,300 Years // Science. 2013. V. 339. P. 1198–1201.
  3. Mulvaney et al. Recent Antarctic Peninsula warming relative to Holocene climate and ice-shelf history // Nature. 2012. V. 489. P. 141–144.
  4. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Ерохин Д.В. Глобальные обобщённые модели биосферы // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2003. № 2. С. 11–29.
  5. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Ерохин Д.В. Глобальная минимальная модель многолетней динамики углерода в биосфере // Доклады АН. 2005. Т. 401 (2). С. 233–237.
  6. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Erokhin D.V. Principle of the worst scenario in the modelling past and future of biosphere dynamics // Ecological Modelling. 2008. V. 216 (2). P. 160–171.
  7. Lenton T.M., Held H., Kriegler E. et al. Tipping Elements in the Earth’s Climate System // PNAS. 2008. V. 105 (6). P. 1786–1793.
  8. Steffen W. et al. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene // PNAS. 2018. V. 115 (33). P. 8252–8259.
  9. Wunderling N., Staal A., Sakschewski B. et al. Recurrent droughts increase risk of cascading tipping events by outpacing adaptive capacities in the Amazon rainforest // PNAS. 2022. V. 119 (32). 11 p. e2120777119.
  10. Лернер А.Я. Начала кибернетики. М.: Наука, 1967.
  11. Гительзон И.И., Ковров Б.Г., Лисовский Г.М. и др. Экспериментальные экологические системы, включающие человека // Сб. Проблемы космической биологии. Т. 28. М.: Наука, 1975. С. 292–311.
  12. Folsome C.E., Hanson J.A. The emergence of materially closed system ecology // Ecosystem Theory and Application / Ed. by N. Polunin. N.Y.: John Wiley & Sons, 1986. P. 269–299.
  13. Brown M.J. Make a Tabletop Biosphere // Make. 2008. V. 10. P. 111–117.
  14. Allen J. Biosphere 2: The Human Experiment. Penguin books, A synergetic press, Inc., 1991.
  15. Nelson M., Dempster W., Alvarez-Romo N., MacCallum T. Atmospheric dynamics and bioregenerative technologies in a soil-based ecological life support system: initial results from Biosphere 2 // Adv. Space Res. 1994. V. 14 (11). P. 417–426.
  16. Ковров Б.Г. Искусственные микроэкосистемы с замкнутым круговоротом веществ как модель биосферы // Биофизика клеточных популяций и над-организменных систем. Сб. научных трудов. Новосибирск: Наука, 1992. С. 62–70.
  17. Barlow C., Volk T. Open systems living in a closed biosphere: a new paradox for the Gaia debate // BioSystems. 1990. V. 23 (4). P. 371–384.
  18. Bartsev S.I. Stoichiometric constraints and complete closure of long-term life support systems // Adv. Space Res. 2004. V. 34. P. 1509–1516.
  19. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г., Сарангова А.Б., Дегерменджи Н.Н. Экологическая биофизика – горизонты развития // Горизонты биофизики. Т. 2. Под ред. А.Б. Рубина. М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2022. С. 209–257.
  20. May R.M. Stability in multi-species community models // Mathematical Biosciences. 1971. V. 12. P. 59–79.
  21. Ives A.R., Carpenter S.R. Stability and diversity of ecosystems // Science. 2007. V. 317. P. 58–62.
  22. Гаузе Г.Ф. Математический подход к проблемам борьбы за существование // Зоол. журн. 1933. № 12. С. 170–177.
  23. Дегерменджи А.Г., Печуркин Н.С., Фуряева А.В. Анализ взаимодействия двух микробных популяций по типу комменсализма в непрерывной культуре // Экология. 1978. № 2. С. 91–94.
  24. Дегерменджи А.Г., Печуркин Н.С., Тушкова Г.И., Фуряева А.В. Механизм устойчивого сосуществования диплоидных и гаплоидных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в проточной культуре // Известия СО АН СССР. Серия “Биологические науки”. 1979. № 5 (1). С. 62–68.
  25. Hutchinson G.E. The paradox of the plankton // The American naturalist. 1961. V. 95 (882). P. 137–145.
  26. Levine J.M., HilleRisLambers J. The importance of niches for the maintenance of species diversity // Nature. 2009. V. 461. P. 254–257.
  27. Салтыков М.Ю., Барцев С.И., Ланкин Ю.П. Зависимость устойчивости моделей замкнутых экосистем от числа видов // Журнал СФУ. Серия “Биология”. 2011. № 4. С. 197–208.
  28. Saltykov M.Yu., Bartsev S.I., Lankin Yu.P. Stability of Closed Ecology Life Support Systems (CELSS) models as dependent upon the properties of metabolism of the described species // Advances in Space Research. 2012. V. 49 (2). P. 223–229.
  29. Bartsev S., Degermendzhi A. The Evolutionary Mechanism of Formation of Biosphere Closure // Mathematics. 2023 V. 11 (14) Article number 3218. https://doi.org/10.3390/math11143218
  30. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Okhonin V.A., Saltykov M.Y. An Integrated Approach to the Assessment of an Ecological Impact of Industrial Products and Processes // Procedia Environmental Sciences. 2012. V. 13. P. 837–846.
  31. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Sarangova A.B. Stability of the Biosphere and Sustainable Development: a Challenge to Biospherics // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2017. V. 10 (2). P. 134–152.
  32. АКРА. Принципы присвоения ESG-рейтингов нефинансовым компаниям. Тематическое приложение 1. 47 с.
  33. О полигонах для разработки и испытаний технологии контроля углеродного баланса. Приказ Мин-обрнауки России № 74 от 5 февраля 2021 г. https://base.garant.ru/400805179/?ysclid=lladhdu47w508707143 (дата обращения 14.08.2023).
  34. Барцев С.И., Дегерменджи А.Г. и др. Влияние неопределённости оценки параметров минимальной биосферной модели на прогноз биосферной динамики // Изв. Самарского НЦ РАН. 2009. № 11 (1–7). С. 1413–1418.
  35. Bartsev S.I., Degermendzhi A.G., Belolipetsky P.V. Carbon Cycle Modeling and Principle of the Worst Scenario // Jordan F., Jorgensen S.E. (eds). Models of the Ecological Hierarchy: From Molecules to the Ecosphere // Elsevier B.V. 2012. P. 447–458.
  36. Барцев С.И., Межевикин В.В., Охонин В.А. Принцип замкнутости и критерии оптимального природопользования и устойчивого развития // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С. 805–814.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (469KB)
Метаданные
3.

Скачать (37KB)
Метаданные

© С.И. Барцев, А.Г. Дегерменджи, 2023