Земля в иллюминаторе: как космические технологии помогают устойчивому развитию
С начала космической эры прошло всего 65 лет, а пилотируемые полеты на орбиту и запуск техники к дальним уголкам Солнечной системы воспринимаются наравне с земными событиями. Новости из космоса мелькают в нашей ленте каждый день: будь это Илон Маск, который выводит на орбиту спутники Starlink и сажает ступени ракет, Китай, строящий орбитальную станцию, или Россия с запуском новых модулей для МКС. Но эта обыденность лишь кажущаяся — освоение космоса, как и сохранение нашей планеты, задача важная и нетривиальная. Между этими вопросами есть прямая связь — космическая наука устремлена не только в будущее, но и помогает решать проблемы Земли здесь и сейчас. В частности — бороться с изменением климата и достигать целей устойчивого развития (ЦУР).
Спутник всем ЦУР голова
Около трети всех спутников, находящихся на орбите, используются для дистанционного зондирования Земли. Сегодня более чем у 80 государств есть свои аппараты в космосе — ими обзавелись даже такие небогатые страны как Бутан, Непал, Эфиопия и Судан. Те, кто имеет на орбите лишь один спутник, в первую очередь используют его для наблюдения за своей территорией.
Дистанционное зондирование — это как первый паровой двигатель для промышленности, только в сфере наук о планете: революция, перевернувшая понимание людей об устройстве Земли, ее происхождении и климате. Сегодня спутники выдают точнейшие метеорологические и геолокационные сведения, предупреждают о надвигающихся природных катаклизмах, помогают обнаружить экологические катастрофы (пожары, загрязнения, незаконные вырубки и пр.), поставляют данные для климатического моделирования и прогнозирования последствий глобального потепления. Но и это не все — каждая из целей устойчивого развития выигрывает от взаимодействия с космическими технологиями.
Согласно исследованию, опубликованному в научном издательстве BioMed Central, наибольший эффект космическая наука оказывает на Цели, ориентированные на технологии, — «Ликвидация голода», «Здоровье и благополучие» и «Индустриализация, инновации и инфраструктура». Меньше всего спутники помогают в достижении «Гендерного равенства», »Уменьшения неравенства» и «Мира, правосудия и эффективных институтов», поскольку они ориентированы на политический контекст.
Вклад космических наук в улучшение жизни настолько велик, что появилось предложение создать восемнадцатую ЦУР — «Космос для всех». Инициативу запустили студенты из Нидерландов, хотя концепцию поддерживают и крупные организации — управление по вопросам космического пространства ООН (UNOOSA) и американское Национальное космическое общество (NSS). Конечно, применение космических технологий для достижения устойчивого развития не панацея. Да и, как уже писала «Экосфера», непродуманное заселение орбит новыми девайсами угрожает появлением свалок в околоземном пространстве. Однако «дружить» с космосом нужно — задачи, включенные в ЦУР, становятся все более зависимы от орбитальной техники.
И пастухи, и санитары
Космические аппараты даже поддерживают продовольственную безопасность. Спутники позволяют оценить состояние посевов, характеристики почвы и спрогнозировать запас продовольствия в регионе. А еще помогают фермерам оптимизировать посадки, повысить урожайность сельскохозяйственных культур, наладить орошение, адаптироваться к изменению климата и ухаживать за скотом. Так, проект Европейского космического агентства (ЕКА) VGTropics, ориентированный на развивающиеся страны Африки, использует спутниковую связь для определения численности животных в стаде и раннего выявления вспышек зоонозных инфекций.
Еще один пример — картографирование выпаса крупного рогатого скота и овец в Нигере — одной из беднейших стран мира. С помощью спутниковых данных были созданы пастбищные коридоры — это поддержало местное сельское хозяйство и сократило конфликты, вспыхивающие между фермерами из-за борьбы за скудные водные ресурсы и землю. А Восточному Тимору спутники ЕКА помогают выращивать кофе в труднодоступных горных районах. 37% домохозяйств страны напрямую зависят от кофейных плантаций. Данные дистанционного наблюдения позволяют повысить урожайность, улучшить качество кофе, а значит, увеличить доходы людей.
Космические аппараты востребованы и в здравоохранении — они необходимы для телемедицины. К примеру, портативное устройство Tempus Pro по спутниковой связи передает медицинские данные пациентов из удаленных мест врачам, оказывающим дистанционную помощь. В чрезвычайных ситуациях это помогает принять правильные решения о лечении и транспортировке больных.
Также спутники позволяют моделировать распространение инфекций и оценивать риски возникновения эпидемий. Чтобы предугадать движение малярийных комаров, специалисты опираются на спутниковые данные о температуре и влажности. Так врачи понимают, где появятся вспышки заболевания, и размещают в этих местах медицинские центры. Кроме того спутники помогают оценивать целостность озонового слоя, УФ-излучение и уровень загрязнения воздуха, искать источники вредных выбросов и наблюдать за их распространением по регионам — эти показатели важны для поддержания здоровья населения и предупреждения серьезных заболеваний.
Еще одно направление — энергетика. Спутники оценивают ветровые и солнечные характеристики разных районов и находят наилучшие места для строительства альтернативных электростанций. Также спутниковые данные помогают сбалансировать нагрузку между возобновляемыми и традиционными источниками энергии — прогнозы о солнечном свете, облачности и скорости ветра позволят исключить перебои в электроснабжении.
Наконец, на космические аппараты можно положиться во всем, что касается устойчивого управления природными ресурсами. Например, проект OceanMind, использует искусственный интеллект и спутниковые данные для отслеживания незаконного рыболовства в океане. Похожая инициатива — ForestMind — определяет места вырубок и предоставляет информацию об устойчивости лесозаготовок. Спутники также помогают изучать и сохранять биоразнообразие. Подсчет животных — дело трудное, особенно в удаленных регионах. Спутники упрощают эту работу — с их помощью ученые собрали данные о популяциях самых разных видов, например, китов, слонов и пингвинов. По данным отчета о космических технологиях World Economic Forum, спутники пресекают незаконный рыбный промысел, нелегальные лесозаготовки и торговлю дикими животными на сумму более 73 млрд долларов в год.
Главные по климату
Без орбитальных технологий невозможно представить современную климатологию, спутниковые наблюдения без преувеличения позволили совершить настоящую революцию в этой науке. Благодаря данным из космоса, ученые могут делать достоверные выводы о последствиях потепления и выбросов парниковых газов. Спутниковые данные европейской службы мониторинга атмосферы «Коперник» (CAMS) позволили определить, что концентрации углекислого газа и метана ежегодно растут на 0.6% и 0.4% соответственно. В планах ученых — научить космические приборы с такой же точностью измерять еще один «опасный» парниковый газ — закись азота. Кстати, именно «Коперник» оценил влияние пандемии Covid-19 на качество воздуха.
Сегодня на службе у климата стоит более 160 спутников, каждый из которых отвечает за измерение особых показателей. Более того, 26 из 50 основных климатических параметров можно измерить только из космоса.
Первым в мире спутником, заточенным под мониторинг парниковых газов (СО2 и СН4), стал японский GOSAT — его запустили в 2009 году и он до сих пор трудится на орбите. В 2018-м к нему присоединился GOSAT-2 — его функционал позволяет оценивать концентрацию не только углерода и метана, но также водяного пара, озона и других газов. В 2016-м году Китай вывел аппарат TanSat для оценки потоков углекислого газа — спустя два года он составил первую глобальную карту СО2 в атмосфере Земли.
Технологии мониторинга парниковых газов активно развиваются — на смену отдельным аппаратам приходят целые созвездия спутников. Например, совместный проект США и Канады CarbonMapper уже вывел на орбиту три аппарата, а к 2025 году их должно стать 10. Большинство спутников справляются с зондированием больших площадей, но имеют ограничения при измерении выбросов от локальных объектов. То есть спутник понимает, сколько выбросов производит район, но ему сложно распознать от какой инфраструктуры они исходят. Дополнительные «помощники» должны решить проблему. В 2024 году NASA планирует запустить GeoCarb — геостационарную обсерваторию углеродного цикла. Она будет не только измерять основные парниковые газы, но и анализировать работу источников и поглотителей СО2.
В России мониторинг парниковых газов из космоса развит плохо. Сегодня специализированных аппаратов, измеряющих выбросы, в арсенале Роскосмоса нет, но есть несколько устройств дистанционного зондирования — спутники серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М», «Электро-Л» и «Арктика-М». Они выполняют широкий спектр задач — от социального до экономического мониторинга. Под экологию заточены аппараты «Электро-Л» — они снабжают Росгидромет оперативной информацией о пожарах, загрязнениях, стихийных бедствиях, оценивают состояние атмосферы, водных ресурсов, снежного покрова и измеряют некоторые климатические параметры.
Недавно госкорпорация заявила, что в 2025-28 году на орбиту выведут 14 аппаратов серии «Сфера» — они будут поставлять информацию о мусорных свалках, отслеживать добычу полезных ископаемых, мониторить пожарную обстановку, наблюдать ледовый режим в районе Севморпути и контролировать выбросы парниковых газов. Для этой задачи в Институте им. Келдыша разработан фурье-спектрометр, способный распознавать СО, СО2 и СН4.
Планы на «климат-контроль» есть и у частного российского космоса — компания Success Rockets поставила амбициозную цель: создать глобальный мониторинговый комплекс, определяющий содержание парниковых газов в атмосфере, а также конкретные источники эмиссий и экосистемы, поглощающие углерод. В марте 2021 года «Успешные ракеты» объявили о запуске проекта, в ноябре — уже показывали модель спутника на климатическом саммите в Глазго. Пробный полет первого спутника состоится в конце этого года. В группировку войдут 60 космических аппаратов и 100 наземных станций — к 2030 году система должна заработать в полную мощь.
2030 год подведет итог Целям устойчивого развития. Каких результатов достигнут страны, что человечество приобретет, а что утратит к этому времени — зависит от сегодняшних решений, в том числе в области космических технологий.
Posted in Биоразнообразие, Взгляд, Климат, Наука, Обзор, Сознание, Технологии by Экосфера with comments disabled.
Почему экосистемам и видам нашей планеты необходим генетический ремонт
Климат нашей планеты стремительно меняется, а многим видам животных и растений угрожает вымирание. В то же время другие виды распространяются благодаря человеку, разрушительно воздействуя на экосистемы. Возможно, в будущем биотехнология позволит воскресить некоторые вымершие виды — например, мамонта. Появился даже специальный термин: de-extinction, или «отмена вымирания».
Правда, до воскрешения мамонта и других вымерших животных и растений пока еще далеко – возможно, так же, как пока далеко до терраформирования Марса. Но зато ученые предлагают использовать методы генной инженерии и синтетической биологии для сохранения биоразнообразия и борьбы с инвазивными видами. Работа над такими проектами уже ведется в лабораториях.
Синтезированное биоразнообразие
В 2016 году было опубликовано письмо, авторы которого — специалисты в области синтетической биологии — призвали специалистов по охране природы к сотрудничеству ради сохранения биоразнообразия. Они назвали свой подход синтезированным биоразнообразием и предложили несколько возможных способов применения биотехнологий для спасения видов. Что это за технологии и как они применяются на практике?
Коралловые рифы, устойчивые к потеплению
Коралловые рифы — это естественные очаги биоразнообразия, сравнимые с лесами.
Они поддерживают жизнь около миллиарда человек и служат естественной защитой от штормов и наводнений. При этом потепление климата угрожает самому существованию коралловых рифов. Риф — это своего рода сверхорганизм, состоящий из животного — полипа — и живущей с ним в симбиозе водоросли. Кораллы снабжают водоросли неорганическими веществами, а водоросли дают кораллам продукты фотосинтеза. Повышение температуры воды приводит к тепловому стрессу, убивающему водоросли и обесцвечивающему кораллы. Даже если потепление удастся удержать в рамках 1,5°C, к 2050 году может исчезнуть 90% коралловых рифов и связанных с ними экосистем.
Спасти кораллы способна генная инженерия и направленная эволюция. Ученые из Австралийского института морских наук выявили у кораллов ген HSF1, отвечающий за способность адаптироваться к повышению температуры. Затем они ввели компоненты CRISPR/Cas9 в оплодотворенные яйцеклетки кораллов Acropora millepora, «отключив» этот ген. Личинки с отключенными копиями HSF1 погибали при тепловом стрессе, когда температура воды повышалась с 27 до 34 градусов Цельсия. Напротив, личинки с работающим геном выживали в более теплой воде.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные кластерные повторы) — особые участки бактериальной ДНК, иммунная защита, которую археи и бактерии «используют» против вирусов. Между идентичными повторами последовательностей ДНК бактерий находятся отличающиеся друг от друга фрагменты — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на бактерии. Когда вирус проникает в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью Cas-белков, связанных с CRISPR РНК. Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от вируса. В редактировании геномов чаще всего используется система CRISPR/Cas9, то есть система с белком Cas9, но есть и другие Cas-белки. Так, сотни миллионов лет назад «изобретенная» бактериями система позволяет человеку точно и быстро редактировать геномы.
Ученые из этой команды говорят, что пока рано использовать метод редактирования генома для выведения более термостойких кораллов. Однако он может применяться для расширения знаний о биологии кораллов и их реакции на тепловой стресс. Это позволит точнее спрогнозировать будущее рифов в условиях глобального потепления, а также определить риски и преимущества использования биотехнологий для защиты кораллов.
Исследователи из Университета Мельбурна пошли другим путем — на основе собранных в 2010 году образцов симбиотических водорослей вывели культуру, а затем в серии экспериментов модифицировали ее, постепенно повышая температуру воды. Таким образом в лаборатории получилось вывести термостойкие штаммы водорослей, которые затем поместили в личинки кораллов. Три из десяти теплостойких штаммов смогли защитить коралл от обесцвечивания при недельном воздействии 31-градусной температуры. Предполагается, что в дальнейшем такие полипы будут привиты к существующим кораллам в живой природе — если ученым разрешат это сделать.
Апгрейд черноногого хорька
В Северной Америке живет черноногий хорек — родственник нашего степного и лесного хорьков. Этот вид находится на грани вымирания из-за сокращения кормовой базы. Более того, внутри популяции очень низкое генетическое разнообразие. Из 18 особей, спасенных почти 30 лет назад из прерий США, только семь передали свои гены последующим поколениям. «Каждый (ныне живущий) черноногий хорек происходит от семи особей», — говорит Кимберли Фрейзер, представитель Национального центра охраны черноногих хорьков.
Для решения этой проблемы было предложено ввести в популяцию ДНК, извлеченную из образцов, хранящихся в зоопарках и музеях. В прошлом году генетики секвенировали геномы двух живых хорьков, а также ДНК самца и самки, которые умерли в 1980-х годах и хранятся в криохранилище зоопарка Сан-Диего. Самку Уиллу ученые клонировали, используя замороженные клетки. Ее яйцеклетка была имплантирована в самку домашнего хорька, детеныш которой — самка по кличке Элизабет Энн — стала клоном не оставившей потомков Уиллы.
Черноногому хорьку также угрожает лесная чума, которой он заражается от своей добычи — луговых собачек. Поэтому выращенные в неволе хорьки вакцинируются перед выпуском в дикую природу. Ученые предложили ввести в геном резистентные аллели (варианты генов) домашнего хорька, для которого лесная чума не смертельна, чтобы сделать черноногого хорька более устойчивым к заболеванию. Другое решение — применить генную инженерию для активации врожденных аллелей. Второй подход — добавить устойчивые к чуме аллели домашнего хорька в геном черноногого хорька.
Защита каштанов от инвазивного грибка
Американский каштан зубчатый некогда был широко распространен на востоке США и Канады. Благодаря быстрому росту и устойчивой к гниению древесине американский каштан может помочь в запуске проектов связывания углерода, которые используют для сокращения выбросов. Проблема в том, что сто с лишним лет назад в США были интродуцированы японский каштан городчатый и китайский каштан мягчайший, а вместе с ними завезен паразитический грибок Cryphonectria parasitica. Азиатские каштаны к этому грибку устойчивы, а вот для американского каштана он оказался губителен, вызывая у него болезнь эндотиоз. К середине 20 века исчезло 90 процентов американских каштанов.
В 1990 году генетики Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард из Университета штата Нью-Йорк создали каштаны, устойчивые к болезни, с помощью старой доброй генной инженерии, а точнее трансгенеза. Они вставили в геном каштана ген пшеницы, кодирующий фермент оксалатоксидазу, который расщепляет щавелевую кислоту, выделяемую грибком.
В трансгенезе применяются вирусные векторы или векторы на основе плазмид бактерий, посредством которых в геном клетки вставляются нужные гены. Таким образом организм приобретает свойства, передающиеся его потомкам.
Продолжением экспериментов занимается команда ученых, возглавляемая Эндрю Ньюхаусом. Ими были выведены деревья, устойчивые к патогенному грибку и это качество наследуется. По словам Пауэлла, некоторые деревья оказались даже более устойчивы к грибку, чем их азиатские родственники. Длительные наблюдения показали, что плоды трансгенных каштанов не отличаются от обычных, а их пыльца, цветы и опавшие листья не наносят вреда насекомым, лягушкам и грибам. Тем не менее, модифицированные каштаны изолированы от окружающего мира двойной оградой и слоем специального пластика, чтобы не допустить разнесения пыльцы.
Борьба с инвазивными видами
Инвазивные виды разрушительны для сформировавшихся за миллионы лет экосистем. Избавление от них — сложная и малоприятная задача, ведь требуется уничтожить сотни тысяч, а то и миллионы особей. Например, таких, как инвазивные виды грызунов или бабочка-огневка на черноморском побережье России, уничтожившая местные самшиты.
Но благодаря генной инженерии появился сравнительно более гуманный способ — технология генного драйва, которая не убивает каждую отдельную особь, а уничтожает популяции инвазивных видов, делая их бесплодными. Генный драйв распространяет в популяции набор определенных генов, предотвращающих ее распространение. В отличие от обычного наследования признаков, наследование под влиянием генного драйва стопроцентное по отношению к заданному признаку.
Потенциально его можно использовать на любых организмах с половым размножением и непродолжительным временем жизни — от комаров до млекопитающих. На млекопитающих — лабораторных мышах — технология была испытана в 2019 году.
С помощью генного драйва можно уничтожить не только инвазивные виды, но и лишить способности переносить вирус таких переносчиков болезней как малярийный комар. Сейчас такие опыты проводятся в Италии. В контролируемом лабораторном помещении выпускаются особи комаров с отредактированным геномом, которые скрещиваются с обычными особями. Их потомство несет этот ген, снова скрещиваясь с другими особями — так ген, а значит, и кодируемый им признак, распространяется в популяции.
Риски
Экологи и некоторые исследователи опасаются, что такие усилия по исправлению ошибок прошлого могут больше навредить, чем помочь. Если генный драйв выйдет из под контроля, гены распространятся за пределы популяции-мишени, вызвав так называемое генетическое загрязнение. Воображение рисует апокалиптические картины крушения экосистем. На технологию даже предлагалось наложить мораторий.
Несколько известных биологов, среди которых Джейн Гудолл, знаменитая исследовательница шимпанзе, в 2016 году подписали открытое письмо в котором предостерегают, что использование генного драйва дает «возможность вмешиваться в эволюцию, определять судьбу целого вида, резко изменять экосистемы и вызывать крупномасштабные изменения окружающей среды способами, которые раньше считались невозможными».
Сторонники применения технологии утверждают, что такой вариант развития событий маловероятен. Как показывают некоторые исследования, генный драйв может встретиться в природе с резистентностью. В большой популяции могут быть особи, обладающие устойчивым к драйву генотипом. Размножаясь, они будут распространять устойчивость к генному драйву.
Кроме того, уже существует своего рода встроенный контроль этой технологии. Молекулярные биологи из Калифорнийского технологического института в Пасадене разработали метод, при котором «генный драйв» начинается только тогда, когда число модифицированных особей в популяции достигает определенного порога. Поэтому особи из других популяций не смогут запустить этот процесс. В популяции, в которой применен генный драйв, его можно будет остановить, добавив в нее не модифицированные особи.
В начале этой статьи была упомянута идея терраформинга Марса. Для терраформинга Красной планеты понадобилось бы создать целую новую биосферу с системой постоянного мониторинга и контроля. Виды в этой биосфере отличались бы от земных, даже если бы создавались на их основе — поскольку они должны быть адаптированы к марсианским условиям. При этом сами эти новые организмы в свою очередь помогали бы преобразовать Марс. Земля, какой мы ее знаем, это и есть ее биосфера. Истощение биосферы превращает Землю в некотором смысле в другую планету — в менее разнообразную и пригодную для жизни. Но пока до колонизации Марса далеко, а вот залатать бреши, пробитые в биосфере Земли человеческой деятельностью нужно уже сейчас. Возможно, со временем на основе биотехнологий будет создана целая система глобального ремонта видов, а значит, и экосистем.
Posted in Биоразнообразие, Взгляд, Климат, Наука, Обзор, Технологии by Экосфера with comments disabled.
Кто на самом деле открыл глобальное потепление? История Михаила Будыко
«У природы нет плохой погоды, — радостно сообщает радио. Впрочем, каждый из нас может поспорить с этим утверждением. Изнывая от небывалой жары в июле 2010 или задыхаясь от дыма якутских пожаров летом 2021, наблюдая все более мощные смерчи или невиданные раньше ливни, мы все становимся немного метеорологами.
Интерес к климату и процессам, происходящим с ним последние годы растет во всем мире. Прямое свидетельство этого — вручение высшей международной научной награды ученым-климатологам. В прошлом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали климатолог Сюкуро Манабэ и океанолог Клаус Хассельман «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления».
Но признание вычислительной климатологии научным сообществом было бы невозможно без исследований отечественных ученых и в первую очередь Михаила Ивановича Будыко. Благодаря советскому ученому, климатология, — ранее наука по преимуществу теоретическая и описательная, — стала наполняться эмпирическими данными и превратилась в прогностическую дисциплину, а отечественная школа климатологии получила мировое признание.
Глобальное потепление — новая реальность
Мы все любим порассуждать о глобальном потеплении, но очень мало знаем о климатологии как науке и ключевых для ее развития событиях. Одним из них был проведенный профессором Будыко в 1971 году Международный симпозиум по физической и динамической климатологии, чьи выводы о влиянии человека на климат опередили научный мейнстрим. Именно здесь впервые прозвучало научно обоснованное мнение о том, что деятельность человека меняет климат нашей планеты.
На конференции Будыко подвел итог своим изысканиям по исследованию теплового и энергетического баланса Земли, неустойчивости полярных льдов и зависимости их площади от изменения климата. Именно он первым показал, что повышение глобальной температуры ведет к исчезновению льдов в Арктике. Это предвидение полностью подтвердилось уже в начале XXI века.
Вместе с Хельмутом Лансбергом Будыко отстаивал идею о том, что человеческая деятельность влияет на климат — с этой идеей участники симпозиума согласились, хотя единого понимания о том, будет ли климат меняться в сторону потепления или похолодания, у них на тот момент не было. Ряд климатологов — Митчел, Лэм и другие — считали, что планете угрожает похолодание из-за влияния аэрозольного загрязнения атмосферы. Будыко и Лансберг, напротив, настаивали на том, что человеческая деятельность — это фактор потепления.
Вот как Будыко вспоминал эту конференцию: «Обычно в конце организаторы говорят какие-то общие слова… Я же вместо общих слов сформулировал идею, показавшуюся всем абсолютно неприемлемой, сказав, что глобальное потепление неизбежно. Я представил некоторые количественные оценки и выразил надежду, что все попытаются заняться этой проблемой, потому что она очень важна. Это вызвало взрыв негодования, все явно демонстрировали крайнее нерасположение к докладчику. Разумеется, никто и не думал больше о том, чтобы благодарить организаторов. Несколько очень известных ученых выступили, сказав, что человеческая деятельность не может оказать никакого влияния на климат, что изменения климата непредсказуемы и что внедрять в умы такие идеи совершенно недопустимо».
Итогом симпозиума стала изданная в 1972 году брошюра Будыко «Влияние человека на климат». Михаил Иванович определил два основных фактора, влияющих на климат: рост производства энергии и увеличение концентрации углекислоты в атмосфере. Так, он подсчитал, что повышение производства энергии на 4-10 % в год в течение 100 лет приведет к тому, что количество тепла, производимое человеком, будет сравнимо с величиной радиационного баланса всей поверхности континентов Земли. Это повлечет за собой значительный рост глобальной температуры. Уже в начале XXI века, как считал Будыко, увеличение температуры будет гораздо выше естественного повышения, которое наблюдалось в начале XX века.
Михаил Иванович указывал так же и на рост содержания углекислого газа в атмосфере со скоростью 0.2% в год. А так как атмосферная углекислота поглощает длинноволновую радиацию, это должно усилить парниковый эффект и способствовать повышению температуры, предполагал Будыко. Сейчас, спустя более чем тридцать лет с момента этого прогноза, мы можем наблюдать его точность.
Сам Будыко считал необходимым прогнозировать изменения климата хотя бы на сто лет вперед — как минимум для строительства и проектирования инфраструктуры и зданий. К сожалению, на признание идей советского ученого о глобальном потеплении ушло без малого 20 лет — и это только в научном сообществе.
От шахмат к геофизике
Михаил Иванович Будыко родился 22 января 1920 года и провел первые девять лет жизни в Белоруссии в городе Гомель. Затем его родители вернулись в родной для них Ленинград, где в 1937 году он закончил школу. В начале Великой Отечественной войны Ленинградский политехнический институт(ЛПИ), где работал отец и дядя Михаила Ивановича и учился он сам, был эвакуирован из города на Урал, в Свердловск.
Там будущий отец современной климатологии сближается с Михаилом Исааковичем Юдиным, — одним из ведущих специалистов по динамической метеорологии, — оказавшимся в Свердловске вместе с эвакуированными сотрудниками Главной геофизической обсерватории им. Воейкова (ГГО). 28-летнему Юдину было поручено сформировать в ГГО отдел военной метеорологии. Недолго думая, он приглашает работать в отдел друга по шахматам, Михаила Будыко. Вместе они начинают погружаться в не слишком тогда популярную метеорологическую науку.
Будыко так объяснял свой выбор: «Когда я оканчивал Политехнический институт, шла война, и все было неясно. Совершенно случайно меня пригласили не в физический, а в геофизический институт, который занимался проблемами, связанными с войной. Я и представить не мог, что буду более 50 лет идти начатым путем. Но каждая моя научная статья или книга становилась маленьким шагом, после которого следующий шаг был неизбежен».
Так, почти случайно, определился жизненный путь Михаила Ивановича и вместе с ним направление развития климатологии на ближайшие полвека.
Первые шаги в науке
Неудивительно, что первое исследование Михаила Ивановича находилось на пересечении физики и метеорологии. Оно было посвящено влиянию турбулентности пограничного слоя атмосферы на испарения с «подстилающей поверхности». Здесь впервые проявился свойственный Будыко подход, в котором теория подкреплялась обширными практическими исследованиями. В данном случае, полученная в ЛПИ теоретическая подготовка по аэродинамике была дополнена полевыми исследованиями на почвенных испарителях вблизи Свердловска.
Исследование настолько увлекло его, что вскоре Будыко сел за учебники и сдал требовавшиеся для защиты кандидатской диссертации экзамены. Итогом ее защиты стало создание математической модели турбулентности приземного слоя атмосферы. Будыко предложил использовать индекс устойчивости пограничного слоя, рассчитываемый по разности измеряемых на двух уровнях значений температуры и скорости ветра, и дал ему физическое обоснование. Предложенный индекс до сих пор используется в современных автоматизированных системах метеонаблюдений.
Еще одна важная разработка Михаила Ивановича — «комплексный метод расчета испарения», позволивший многократно увеличить точность метеорологических прогнозов погоды. Предложенный Будыко и его коллегой Лидией Ивановной Зубенок в первые послевоенные годы, этот метод позволяет рассчитать среднемесячные значения испарения с поверхности суши по измеряемым данным об осадках, стоке, температуре, влажности воздуха и влагозапасу в верхнем метровом слое почвы.
Свое 28-летие Михаил Иванович отметил выходом монографии «Испарение в естественных условиях». Она стала и его докторской диссертацией, сделав Будыко первым метеорологом в СССР, получившим столь высокую научную степень до 30 лет. Молодому ученому предложили занять должность заместителя директора Главной геофизической обсерватории им. Воейкова. Увлеченный научными изысканиями Будыко сначала отказался от должности, но масштаб научных исследований убедил его, что в одиночку справиться будет невозможно, и в 1951 году он вступил в должность заместителя директора ГГО, а в 1954 году стал директором обсерватории.
Будыко так вспоминал работу в ГГО: «Я отвечал за всю климатологию в стране… Мне не нужно было ничего ни у кого спрашивать и получать разрешения. Руководство давало деньги, а на что их тратить я решал сам. Когда я только стал директором, в ГГО работали 500 человек. За 20 лет моей работы число сотрудников увеличилось в три раза до 1 500 человек. Но эта свобода не была бесплатной… Времени на самостоятельную научную работу у меня все эти годы было очень мало».
Климатология: от описания к прогнозированию
В начале 50-х Будыко полагал, что климатическая система более или менее замкнута — в ней нет главных или второстепенных процессов, а изменение климата определяется в первую очередь энергией. Это стало краеугольным камнем всех его последующих исследований. Михаил Иванович начал работать вместе с выдающимся российским географом и климатологом Андреем Александровичем Григорьевым. Вместе они пришли к пониманию того, что главным механизмом климата является тепловой баланс поверхности, поддерживаемый солнечной радиацией, с одной стороны, и уходящим излучением, а также явными и скрытыми потоками тепла, с другой.
Важным для понимания климатических изменений является вопрос о строении подстилающей поверхности. Ее изменения, — такие как смена растительности и влажности почв, облачность, — влияют на тепловой баланс, температуру поверхности и атмосферы в целом. Это наблюдение позволило Будыко и Григорьеву предложить свою классификацию климатов Земли и сформулировать периодический закон географической зональности. Их работа имела двойное значение: 1) она выявила главная особенность зональности — ее периодичность; 2) установила количественные показатели для проведения границ ландшафтных зон.
На смену эмпирическим классификациям климата благодаря Будыко пришел анализ данных на основе измеряемых количественных показателей. Это позволило Михаилу Ивановичу и сотрудникам ГГО составить атлас теплового баланса Земли. Их работа была награждена Ленинской премией и получила широкую известность за рубежом. Поняв, как работает связь между температурой воздуха и поверхностью и как это можно выразить количественно, Михаил Иванович разработал энергобалансовую модель климата. Она была опубликована в 1968 году в журнале «Метеорология и гидрология», а через год в английском журнале «Tellus». Схожую модель предложил в то же время Уильям Селлерс. В последующем эти модели получили название «модели Будыко — Селлерса».
Работая над энергобалансовой моделью, Будыко столкнулся с необходимостью проведения оценки ускорения потепления в результате увеличения уровня СО2 в атмосфере. Михаилу Ивановичу предстояло понять, как изменится глобальная температура в случае, если концентрация углекислого газа увеличится вдвое по сравнению с доиндустриальной эпохой. Эмпирические данные для этого можно было получить через исследование палеоклимата. Проведя анализ немногочисленных на тот момент данных по истории климата, ученый предположил, что чувствительность климата составляет около 3 градусов по Цельсию. Будыко установил, что такой рост приведет к разрушительным изменениям окружающей среды. Современные исследования — например, последний доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата — определяют эту величину в том же диапазоне, что и профессор Будыко, за 50 лет до них.
Климат в большой политике
Еще одним шагом к глобальному обсуждению климата и его изменений стало создание так называемой «Рабочей группы № 8» (РГ8). Она возникла по итогам заключенного в 1972 году Соглашения о сотрудничестве в области охраны окружающей среды между СССР и США. Со стороны Советского союза РГ8 бессменно возглавлял Михаил Будыко, и эта группа дала продуктивный пример кооперации ученых даже в самые непростые годы «холодной войны».
Уже к началу 80-х многие советские и американские участники группы установили личные контакты и нашли общие научные интересы. Начался обмен метеорологическими данными между США и СССР, анализ предстоящих изменений климата на основе используемого в СССР метода палеоаналогов и развиваемых в США численных моделей общей циркуляции атмосферы и океана. РГ8 сыграла большую роль не только в развитии научной деятельности, но и в улучшении отношений между странами. Все это не могло бы произойти без работы Михаила Ивановича Будыко.
15-20 июня 1981 года. Будыко — в центре, в светлом костюме. Фото: Wikimedia Commons
В 1992 году, вскоре после распада СССР, деятельность группы была прекращена. Тогда же Михаил Иванович был избран академиком РАН и до конца жизни руководил созданным им отделом, работая над прогнозированием климата будущего.
В 1998 году Михаил Иванович получил почетную премию «Голубая Планета» Фонда Асахи — своего рода аналог Нобелевской премии в области экологии. К премии полагалась денежная часть в размере 400 тысяч долларов. Поскольку ученый не понимал, как их потратить, они долгое время просто лежали у него в квартире в Санкт-Петербурге. Но однажды Будыко узнал, что известный физик Жорес Алферов планирует организовать школу для молодых физиков. Не долго думая, Михаил отсчитал половину премии и передал Алферову.
***
Михаил Иванович Будыко скончался 10 декабря 2001 года, но его открытия в климатологии и научные прогнозы продолжают быть актуальными и сегодня. Во многом благодаря его научному наследию в России в сентябре 2021 года была принята программа низкоуглеродного развития до 2060 года.
Что нового в историческом отчете МГЭИК: 4 ключевых вывода
Posted in Взгляд, Климат, Наука, Человек by Экосфера with comments disabled.
От кроссовок до водки: как углекислый газ становится ресурсом для производства
Почему CO2 становится ресурсом?
Хорошая новость заключается в том, что технологии по улавливанию CO2 уже существуют. И если улавливание из труб высокоэффективно благодаря высокой концентрации газа, то улавливание из воздуха не требует привязки к конкретным объектам. Но что делать с полученным газом дальше?
В 1977 году итальянский химик Чезаре Маркетти предложил складировать запасы CO2 на дне океанов. Тогда для этого не было подходящих технологий, но сегодня это не только возможно, но и практикуется (как и захоронения в земле, наподобие ядерных отходов). Проблема в том, что таким образом мы просто откладываем решение на неизвестный срок. Можно также использовать газ для повышения добычи нефти и угля — это даже выгодно. Но, опять-таки, это лишь повторное использование газа, который вновь возвращается в атмосферу. Более того, такой подход противоречит целям Парижского соглашения — ведь добыча углеводородов при этом увеличивается, а не сокращается.
Но есть еще одно решение: производить из углекислого газа разнообразные материалы и товары. Безусловный плюс этого подхода — негативная эмиссия и полное исключение CO2 из круговорота веществ в природе. Так что же производят из углекислого газа? Давайте разберемся.
https://ecosphere.press/2021/12/06/pojmaj-menya-esli-smozhesh-kak-rabotayut-tehnologii-zahvata-i-hraneniya-ugleroda/Первые попытки
В 2015 году учеными из университета Джорджа Вашингтона была представлена технология по изготовлению из углекислого газа углеродного волокна и нанотрубок. Вообще этот ультрапрочный и легкий материал, устойчивый к высоким температурам и обладающий высокой силой натяжения, производится еще с конца XIX века, но традиционными способами изготавливать его очень дорого. При этом он активно используется в строительстве, промышленности, медицине, авиа- и машиностроении.
Неудивительно, что разработка ученых по изготовлению углеродного волокна из CO2 была названа «Алмазами с неба». Для процесса требуются только парниковый газ, от которого мы так хотим избавиться, и энергия солнца. Себестоимость в итоге составляет порядка 1000 $ за тонну материала. Сейчас внедрением технологии занимается компания C2CNT, основанная профессором Стюартом Лихтом, разработчиком этого метода. Компания ставит перед собой амбициозные задачи по извлечению CO2 из атмосферы и массовому внедрению своего углеродного волокна.
Дом из углекислого газа
Еще один материал, который человечество может производить из углекислого газа — это абсолютно незаменимый в строительстве бетон. Если для производства традиционного бетона используется известняк, запекаемый в специальных печах при огромной эмиссии CO2 (порядка 8% от всех антропогенных выбросов), то в случае с бетоном из углекислого газа процесс противоположный: углекислый газ не выбрасывается, а наоборот, становится частью изготовленного материала. Такой материал более твердый, прочный, долговечный и, что немаловажно, более дешевый.
Еще один плюс этой технологии — для нее необязательно строить новые предприятия, а достаточно модернизировать уже существующие. Сейчас экологичный бетон пытается внедрить в строительстве канадская компания Carbon Upcycling Technologie, но в целом подобных предприятий насчитывается более десятка.
В принципе, из экологичного бетона и материалов на основе углеродного волокна можно без особых проблем построить дом, но для комфортной жизни мало голых стен и потолка.
Помимо бетона, нам очень сложно представить жизнь без пластика, хоть ученые и бьют тревогу по поводу пластикового загрязнения не первый год, а при производстве полимеров используются большие объемы ископаемого топлива. Но пластик тоже можно производить из улавливаемого из воздуха CO2.
Процесс этот непростой, в нем участвуют микроорганизмы, перерабатывающие углекислоту в биомассу, и сложные катализаторы. Но в перспективе он может оказаться значительно дешевле традиционного способа благодаря доступности основного компонента — углекислого газа. Уже сейчас эти технологии внедряют Ford (первый из автопроизводителей), IKEA, Econic и многие другие.
К «зеленому» будущему на углекислой тяге
Но и это далеко не все. Следующее на очереди — топливо. В принципе, способ производства бензина из углекислого газа известна с начала XX века, но он требует высоких температур и давления, а значит, весьма энергозатратен. Тем не менее, прогресс не стоит на месте.
В Германии еще несколько лет назад было открыто небольшое производство бензина из CO2. Пока что конечный продукт выходит несколько дороже, чем получаемый из ископаемого топлива, но производители уверены, что развитие технологий, наращивание объемов и изменение налоговой политики могут изменить эту ситуацию.
С другой стороны, новейшие разработки, например, японских ученых дают возможность изготавливать топливо значительно проще и дешевле при помощи нетепловой плазмы. Также существует технология производства из углекислого газа метанола, используемого как в качестве топлива, так и в других областях — например, для производства все тех же пластмасс.
Кроссовки, еда и даже… водка
Строительные материалы, пластик, различные виды топлива… На этом возможности по превращению парникового газа в полезные предметы не заканчивается! Выпускающий спортивную обувь швейцарский бренд On выпускает обувь, все компоненты которой сделаны исключительно из извлеченного из воздуха углекислого газа.
Стоимость производства этой пробной пары составила около миллиона долларов.
Тем временем базирующаяся в США фирма Air Company, уже продает парфюм, санитайзеры и — неожиданно! — водку, произведенные из углекислого газа. Для изготовления одной бутылки водки необходимо 0,2 м3 CO2 — так что теперь можно даже выпивать с заботой об атмосфере. К тому же, в такой водке нет никаких вредных примесей, вроде сивушных масел. И хотя цена продукта пока что довольно высока (65–80 долларов на сайте компании), кажется, что виной тому лишь ограниченность масштабов производства.
Из углекислого газа — а точнее из воздуха, содержащего CO2 — можно производить даже еду. Ученые из Лаппеенрантского технологического университета разработали довольно простую технологию изготовления питательной смеси в прямом смысле слова из воздуха. Смесь газов, которой мы дышим, содержит в себе все те же элементы, из которых состоит любой белок — азот, углерод, водород и кислород. Так что для производства еды нужно только электричество, с помощью которого молекулы в газах разбиваются на составные части, и немного бактерий, перерабатывающих все это в белки, жиры и углеводы.
Расчетная мощность завода, строящегося сейчас в Финляндии связанной с университетом компанией Solar Food, составляет 1 миллион тонн смеси в год, что может обеспечить едой 5 миллионов человек. Поскольку стоимость производства зависит только от стоимости электроэнергии и не требует ни доступа к воде, ни плодородных (да и любых других) почв, производство можно развернуть абсолютно в любом регионе. Эта технология способна внести свой вклад в решение проблемы голода (от которого на данный момент страдает порядка 9 процентов населения).
Полученный продукт по вкусу и консистенции похож на обычную пшеничную муку. Возможно, это не слишком привлекательно с гастрономической точки зрения, но зато его можно использовать в качестве основы для производства огромного разнообразия продуктов. К тому же, у смеси неплохой химический состав: 50–60 % белка, 20–25 % углеводом и 5–10% жиров.
Российские разработки
А что же в России? Хотя в отечественных научных центрах, например, в Новосибирске, и ведутся разработки в области производства из CO2, практического применения они пока не находят.
Сейчас речь идет только о планах по улавливанию углекислого газа нефтегазовыми компаниями и его захоронении (вероятно, в Западной Сибири) или использовании для увеличения добычи ископаемого топлива. Например, Роснефть собирается запустить пилотный проект по улавливанию углекислого газа к 2028 году. А потенциал улавливания углерода в России, по оценкам специалистов, составляет больше 1 миллиарда тонн. И все эти тонны можно было бы использовать для производства, не отставая от других стран.
Что дальше?
Согласно данным, представленным учеными из Мичиганского университета, переработка углекислого газа в промышленных масштабах способна сократить мировую эмиссию CO2 на 10 %. Конечно, одного этого недостаточно, чтобы остановить глобальное потепление: главным способом борьбы с ним все равно должно оставаться сокращение выбросов. Но вместе с другими мерами использование углекислого газа как сырья для производства других продуктов может помочь нам не превратить нашу планету в «Необитаемую Землю».
Posted in Взгляд, Климат, Наука, Технологии by Экосфера with comments disabled.
Что скрывает вечная мерзлота: отвечает геокриолог Алексей Маслаков
Э: Алексей, здравствуйте. Начнем с самого главного: почему вечная мерзлота оказалась не такой уж и вечной, и почему она сейчас тает?
АМ: Для того, чтобы понять это, давайте сначала определимся с тем, что такое вечная мерзлота. Вечная мерзлота — это грунты горной породы или отложения, которые находятся при температуре 0 градусов по Цельсию или ниже. В зависимости от научной школы различаются и подходы к определению, что такое вечная мерзлота: западные научные школы считают, что если два года грунт не оттаивал — это уже вечная мерзлота, в российских научных школах считают, что вечна мерзлота — отложения, которые не оттаивали 50-100 лет. Также, по мнению российских научных школ, на территории вечной мерзлоты должен обязательно быть лед. Можно выделить три фактора, определяющих вечную мерзлоту: низкая температура, лед и пребывание в замерзшем состоянии не менее двух лет.
Э: Вечная мерзлота — это и те грунты, которые находятся в горах? Или вечная мерзлота находится только за полярным кругом?
АМ: Вечная мерзлота занимает 66% территории России. Находится она далеко не только за полярным кругом. Если смотреть на карту России, то границу можно провести примерно следующим образом: это север Кольского полуострова, это полуостров Канин нос, это Большеземельская тундра на восточно-европейской равнине, потом в районе Урала она уходит на юг до субширотного течения реки Оби — это территория города Ханты-Мансийска, дальше спускается до города Красноярска и где-то в районе Байкала зона вечной мерзлоты спускается от России и уходит в Монголию. А на Дальнем востоке она вклинивается в Приморском крае.
Э: Существует ли карта вечной мерзлоты?
АМ: Да, конечно, карты вечной мерзлоты действительно есть. Если вы увидите карту мировую, то будете удивлены, узнав, что среди стран, где есть вечная мерзлота, фигурируют Иран и Турция. Там ее можно найти в горах. Более того, вечная мерзлота есть и в горах тропиков, субтропиков и экваториального пояса. Например, моим коллегой подтверждено существование вечной мерзлоты на Гавайях. Там есть вулкан, у которого кратер обращен в северную сторону, и на нем породы не оттаивают в течении года. Вообще, лед в горных породах является самым распространенным материалом во вселенной, а косвенные данные подтверждают наличие мерзлоты, например, на Марсе.
Э: Сколько парниковых газов содержится в вечной мерзлоте? Как можно сравнить выбросы в результате таяния вечной мерзлоты с антропогенными выбросами?
АМ: Во-первых, нужно отметить, что на Земле наблюдается потепление климата. Мерзлота также является продуктом этого климата, и, так как климат теплеет, то и мерзлота начинает теплеть и таять. Во-вторых, есть так называемые петли положительной обратной связи. В мерзлоте находится просто гигантское количество органики. Это может быть торф, корешки растений, гнезда белок, орехи, целые трупы мамонтов или пещерных львов.
Этой органики очень много по сравнению с другими системами нашей планеты: в среднем в трехметровом слое вечной мерзлоты находится 1700 петаграммов. Чтобы быть понятным: один петаграмм — это миллиард тонн. При этом в атмосфере органики — т.е. углекислого газа и метана — в два раза меньше. Наблюдаемое потепление климата провоцирует оттаивание вечной мерзлоты. Оттаивание происходит темпами примерно 0,3-0,4 градуса Цельсия за 10 лет: в одних районах где-то 0,2, в других — 0,5, где-то 0,7. А если говорить про скорость оттаивания, то глубина слоя почвы, оттаивающей летом, составляет примерно от 0,7 до 1,5 сантиметра в год для Чукотки. Когда органика оттаивает, то микробы, находящиеся в вечной мерзлоте, начинают ее перерабатывать, превращая в углекислый газ и метан. Соответственно, таяние мерзлоты провоцирует больший выброс парниковых газов, а парниковые газы создают парниковый эффект и нагревают Землю еще больше.
Э: Вы говорите, что за летний сезон оттаивает от 0,7 до 1,5 сантиметров почвы, а зимой она опять замерзает?
АМ: Я уже 10 лет провожу измерения того, как меняется высота поверхности земли и глубина оттаивания почвы. Можно наблюдать интересное явление, когда сезонный талый слой достигает своих максимальных отметок и начинает растапливать нижние слои. Бывает, что в теплые годы энергии хватает, чтобы растопить два лишних сантиметра почвы, и тогда этот лед начинает стекать в виде грунтовых вод. Пустоты, образовавшиеся в результате оттаивания льда, никуда не пропадают, а грунт сверху давит, и земля оседает. Зимой же, после осенних дождей, происходит промерзание этих отложений, избыток объема выталкивает грунт обратно: так называемый процесс пучения. Процессы осадки и пучения компенсируют друг друга. Однако в результате климатических процессов грунт просаживается все глубже и глубже. И, по моим личным измерениям, глубина просадки грунта за 7 лет на приморских равнинах Чукотки в некоторых местах достигла 15 сантиметров! На этой мерзлоте стоят дороги, дома, линии электропередач, целые города.
Э: …и те же самые нефтеперерабатывающие и газоперерабатывающие станции, на которых часто происходят аварии.
АМ: Не исключено. В статье в журнале Nature, опубликованной в 2018 году, говорится, что к 2050 году — то есть через 30 лет — 70% всей инфраструктуры на вечной мерзлоте будет подвержено деформациям.
Э: У нас много городов, построенных на вечной мерзлоте, газопроводы, линии электропередач — это все будет разрушаться?
АМ: Если мы рассматриваем нефтегазопромыслы, то они были построены в основном в 1970-х годах, в эпоху Брежнева. В те времена вечная мерзлота считалась действительно вечной. Предполагалось, что температура не будет меняться в течение всего срока эксплуатации сооружений. Однако, начиная с 90-х эта парадигма начала ломаться, и оказалось, что мерзлота также меняется, как меняется и климат, а спроектированные сооружения не учитывали изменения среды.
Приведу пример: как вы знаете, все здания, которые стоят на вечной мерзлоте, стоят на сваях. Но держатся они не за счет того, что сваи опираются на землю, а за счет того, что сваи смерзаются с мерзлотой. И сила этого смерзания тем сильнее, чем сильнее окружающий холод. Допустим, строители рассчитывали, что при температуре -3 градуса по Цельсию нужно 100 свай с определенным заложением глубины. И дом стоял, пока не начиналось растепление мерзлоты. А когда температура начала повышаться, несущая способность свай начала падать. В итоге здания продавливают мерзлоту и происходят деформации типа трещин в стенах.
Это происходит уже сейчас. По оценкам сотрудников географического факультета МГУ, в некоторых поселениях до 99% зданий находятся в аварийном состоянии в результате таяния мерзлоты. Если мы говорим про Норильск, то речь идет о 50-70% зданий так или иначе деформированных.
Э: И что же делать?
АМ: Прогресс не стоит на месте. В 70-80-е годы здания строились тяжелые — на основании бетона, блоков, кирпичей. Естественно, нагрузка от них была очень высокой. Сейчас здания строятся более легкие. Они не требуют большого заглубления свай, поэтому не так сильно зависят от почвы. Могу предложить: во-первых, нужно старые фонды выводить из эксплуатации, если это возможно, и бюджет позволяет строить новые облегченные конструкции, которые учитывают фактор меняющейся среды. Во-вторых, выполнить ремонтные и профилактические работы для стабилизации грунтов-оснований. К примеру, на Чукотке дома трескаются, но не из-за потепления, а из-за протечки труб: вода попадает на мерзлоту и растепляет ее.
Э: Катастрофа в Норильске повлияла на подход компаний и администраций городов, расположенных в зоне вечной мерзлоты, к вопросам инфраструктуры и ее сохранности?
АМ: Безусловно. После аварии нас, мерзлотоведов, стали срочно привлекать к анализу ситуации. Честно сказать, я не берусь оценивать, что явилось причиной утечки дизеля. Но хочу отметить, что такая авария обнажила очень большую проблему: много объектов инфраструктуры и объектов инженерного назначения находятся в предаварийном состоянии.
Э: Как образуются знаменитые кратеры в вечной мерзлоте?
АМ: Вы знаете, эти кратеры впервые были обнаружены в 2014 году. Снимки кратеров произвели огромное впечатление, и вызвали интерес не только российского научного сообщества. но и мирового. Диаметр найденного кратера составлял примерно 20 метров, а глубина примерно 40 метров, однако вскоре он был затоплен грунтовыми водами и превратился в озеро. Кратеры образуются из-за того, что на месте этой дыры раньше был небольшой бугор пучения с областью высокого давления в центре. Видимо, произошел «хлопок» и — как пробка из шампанского — из-за высокого давления из бугра выплеснулась вода и газы, образовав полость. Кстати, это случилось всего в нескольких метрах от газопровода. Поэтому мы не исключаем, что такие хлопки могут происходить на территории нефтегазопроводов с известными последствиями. А второй интересный факт состоит в том, что таких кратеров обнаружили около пяти — оказывается, что они существовали и раньше. И появилась гипотеза, что некоторые озера в мерзлоте образовались именно в результате такого взрыва.
Э: Почему необходимо проводить мониторинг вечной мерзлоты?
АМ: Для того, чтобы понять, почему важна система мониторинга, нужно внимательнее посмотреть на текущую ситуацию. В 90-е большинство скважин было закрыто, исследования стали проводиться изолированными группами из разных институтов, за это даже не платили. Поэтому те данные, которые мы имеем — они очень разрозненные. Кто-то до сих пор пользуется советскими термометрами, которые спускаются в скважину и выстраиваются там несколько часов, кто-то пользуется резисторами — у всех у них различная погрешность. Поэтому всероссийская система мониторинга нужна для того, чтобы унифицировать методы измерения вечной мерзлоты и собирать данные в единую базу. Существует также международная система мониторинга, объединяющая порядка 1500 скважин и все эти данные собираются в едином центре данных. С помощью этой системы данных можно анализировать в каких регионах температура мерзлоты растет, в каких она понижается. Так мы можем определить каковы диапазоны изменяющейся среды.
Э: Есть ли среди этих 1500 скважин Всемирной системы мониторинга мерзлоты российские скважины?
АМ: Российские скважины там есть, но люди делают измерения в них на волонтерских началах. Поэтому хорошо бы было, чтобы на мониторинг выделили финансирование — тогда можно было бы получать более полные данные. Кроме того, государственная сеть подразумевает обустройство новых скважин, в тех регионах где недостаточно информации.
Э: Вы сами в проекте создания системы государственного мониторинга как-то участвуете?
АМ: Лично я нет, но я близко знаком с коллегами, которые участвуют. Я в этой организации глобального мониторинга некоторые функции исполняю и вижу, как происходит сбор данных. Но сами я данные не собираю, потому что моя территория — это Чукотский полуостров, и там нет ни одной скважины пробуренной в мерзлоте глубже, чем на два метра. И мы даже не знаем, какая там температура, мы можем только по косвенным данным и архивным свидетельствам эту температуру узнать.
Э: Алексей, вы наверняка слышали о таком проекте как Плейстоценовый парк — что вы о нем думаете?
АМ: Это очень амбициозный проект Сергея Афанасьевича Зимова. Они взяли в аренду небольшой участок Тундры на северо-востоке России, примерно 160 га. Огородили его забором и запустили в него бизонов, лошадей, овцебыков и прочих травоядных. Их гипотеза в том, что в плейстоцене существовали мамонты, которые питались злаковыми и удобряли их своим навозом. Происходил очень быстрый оборот углерода, и этот углерод активно захоранивался. Существовавшая тогда экосистема тундростепи позволяла депонировать этот газ в почву.
По гипотезе Зимова, возвращение мегафауны позволит превратить почвы тундры в активный резервуар углерода, помогающий в борьбе с потеплением климата. Сейчас уже видно, что парк, в котором много злаковых, очень пышный по сравнению с окружающей его тундрой. Теория Зимова была принята мировым сообществом с интересом, у него есть много публикаций в журнале Nature. То, как он представляет результаты проекта, выглядит потрясающе, но действительно ли это поможет в извлечении углерода из атмосферы и можно ли масштабировать проект на всю тундровую зону, я сказать не могу.
Э: Спасибо вам за интересный рассказ! А сейчас наш традиционный вопрос, который мы задаем всем гостям: какая недавняя новость связанная с экологией или климатом вызвала у вас самую сильную реакцию?
АМ: Меня больше всего будоражит новость, что ученые находят в мерзлоте все новые и новые организмы, которые оживают. В том, что штаммы сибирской язвы оживают в могильниках Ямала нет ничего необычного, но вот когда просыпаются вирусы 30 000 лет, находившиеся в замерзшем состоянии — это уже другая история. И они могут нести потенциальную опасность — большую, чем коронавирус.
Posted in Климат, Лица, Наука, Человек by Экосфера with comments disabled.
Как мицелий становится материалом будущего
Фото: canva
В последние несколько лет вокруг грибов возник настоящий культ: дизайнеры посвящают им модные коллекции, шеф-повара изобретают новые ферментированные блюда и напитки, психологи рекомендуют их для лечения депрессивных состояний, а диетологи — для усиления иммунитета и борьбы с хроническими заболеваниями.
Грибы спасают нас не первый раз. Египтяне упоминали лечебные свойства плесневых грибов еще в папирусах XV века до н.э., хотя официальная медицина признала эти свойства лишь в 1928 году, когда Александр Флеминг открыл пенициллин. Этот антибиотик совершил настоящий переворот в истории современной медицины и спас миллионы человеческих жизней.
Сегодня же многочисленных представителей царства грибов (большинство которых по-прежнему не исследованы или не известны науке) все чаще призывают себе на помощь экологи.
Пожиратели мусора
Разнообразие грибов, их умение приспосабливаться к окружающим условиям и хитросплетения образуемых ими систем поражает: чтобы заглянуть в этот мир, достаточно почитать книгу «Запутанная жизнь. Как грибы меняют мир, наше сознание и наше будущее» Мерлина Шелдрейка.
Правда, грибы нередко обладают токсичными свойствами, но правда и в том, что многие из них имеют способность расщеплять ядовитые вещества и перерабатывать их в более безопасные. Этот процесс называется микоремедиацией, и сегодня экологи находят пути ее использования в борьбе с загрязнениями природы.
Вот лишь некоторые варианты применения. Питер МакКой, миколог-самоучка с 16-летним стажем и основатель движения Radical Mycology, обнаружил, что при помощи обыкновенных вешенок можно утилизировать сигаретные окурки — самый распространенный в мире мусор. За несколько недель мицелий поглощает ацетат целлюлозы, из которого сделан фильтр, так как по своей структуре он схож с органическим целлюлозным волокном — любимой питательной средой вешенок. Наличие в окурках токсичных смол, как оказалось, не является проблемой для грибов. Как утверждает Питер, грибницу можно «приучить» к любому питательному рациону — главное, знакомить ее с новой субстанцией постепенно.
Дизайнер из Бельгии Одри Шпейер используя те же научные выводы основала стартап PuriFungi и разработала пепельницу из грибов. Окурки, оставленные в такой пепельнице, за 1-2 месяца перерабатываются мицелием, а из оставшегося после этого биоматериала можно создавать новые такие же пепельницы.
С 2017-го года ведутся исследования плесневого гриба Aspergillus tubingensis, который прославился своей способностью за несколько недель разлагать полиуретан, а в настоящее время широко используется для производства ферментов и аскорбиновой кислоты. Ученым предстоит узнать, сможет ли этот гриб стать решением мировой проблемы загрязнения пластиком.
Грибы способны очищать воду и почву после разливов нефти и утечки тяжелых металлов — уже сейчас для этих целей можно использовать специальные ферменты грибкового происхождения. Фильтры из мицелия применяется для очистки воды — этот процесс получил название микофильтрация. Их устанавливают в дренажных трубах для того, чтобы избежать заражения водоемов тяжелыми металлами или фекальными колиформными бактериями.
А кроме того экологи пытаются поставить супер-способности грибов на борьбу с радиацией: оказалось, что грибковые колонии Cryptococcus neoformans, разросшиеся на стенах энергоблока Чернобольской АЭС, «питаются» энергией гамма-излучения и превращают ее в химическую энергию — этот процесс схож с фотосинтезом у растений.
Микоремедиация проникает даже в сферу ритуальных услуг — в Нидерландах, например, изобрели гробы на основе мицелия, которые преобразуют тело умершего в питательные вещества для растений.
Целительная сила
Антибактериальные свойства грибов используются не только в медицине (для производства антибиотиков), в нутрициологии (в качестве БАДов и супер-фудов) и в косметологии (в виде экстрактов и ферментов в составе кремов).
Сейчас ученые пытаются с их помощью остановить массовую гибель пчел. Вымирание пчел — одна из самых острых проблем современной экологии, побочный эффект интенсивного развития сельского хозяйства с постоянным использованием инсектицидов. Но кроме того, колонии пчел по всему миру поражают различные вирусные заболевания. Возможность использования грибов для борьбы с вирусами подсказали сами пчелы — они частенько употребляют в пищу мицелий. Во время экспериментов в корм пчелам добавляли экстракт трутовика Ganoderma resinaceum, и результаты оказались оптимистичными: пчелы стали в 79 раз реже заражаться вирусом деформированного крыла и в 45 тысяч раз — вирусом Лейк Синай (LSV).
О микофабрикации — создании новых материалов на основе мицелия — мы уже писали. Новые экологичные в производстве, биоразлагаемые ткани, строительные и упаковочные материалы постепенно проникают практически во все сферы нашей жизни. Сейчас их взяла на вооружение индустрия косметических средств: в продаже появились одноразовые маски для лица, патчи для век и спонжи для макияжа, созданные по технологии MycoFlex™.
Существуют и не совсем очевидные пути, как грибы могут улучшить экологию планеты. Например, экологи считают, что грибы способны защитить от гибели тропические леса, если начать использовать их… для производства альтернативного корма для рыбных хозяйств. Финская компания EniferBio в этом году опубликовала исследование, согласно которому гриб Paecilomyces varioti и извлекаемый из него белок под названием Pekilo смогут заменить сою. В XX веке Pekilo активно использовался для корма свиней и кур в Финляндии, но в 1991-м году его производство прекратилось.
Рыбная промышленность напрямую зависит от выращивания соевых бобов — основного компонента корма для рыб. Спрос на продукты аквакультуры и потребление рыбы в мире постоянно растут (за последние полвека они почти удвоились), а вместе с ними расширяются и плантации бобов. Это одна из причин обезлесения: ради плантаций сои уничтожаются огромные площади дождевых лесов Амазонии.
Инженеры экосистем
Но самые главные суперспособности грибов скрыты от нас под поверхностью земли — в колоссальной подземной сети, которые ученые иногда называют wood-wide web. Масштабы этой сети и удивительные ее способности мы по-прежнему знаем очень мало. Но самое важное нам уже известно: эти сети могут стать ключом к решению климатических проблем, вызванных выбросами диоксида углерода — ежегодно они поглощают около 5 млрд. тонн углекислого газа. Речь, конечно же, о микоризных сетях, без которых существование растительного мира на земле было бы невозможно.
Микориза — это симбиотическая связь мицелия с корневой системой растений, и примерно 90% всех известных науке сосудистых растений состоят в отношениях такого симбиоза с грибами.
Грибы и растения обмениваются питательными и минеральными веществами, влагой и химическими сигналами. Растения благодаря грибам получают необходимые для них фосфорные соединения и азот, а также цинк и медь, в ответ снабжая грибы углеродом. Но грибы не только «кормят» растения, но и обеспечивают защиту от болезней, помогают поддерживать связь одного растения с другим. Этот процесс начался около 500 миллионов лет назад — как показали исследования, именно грибница обеспечила необходимые условия для того, чтобы морские растения смогли переселиться на сушу и начать эволюционировать самостоятельно. Это вызвало сокращение уровня диоксида углерода в атмосфере планеты на 90%.
Сегодня микоризные сети все так же поглощают гигантские объемы углерода и помогают уменьшить последствия самой большой экологической проблемы современности. Благодаря грибнице, не все углеродные выбросы отправляются в атмосферу — треть из них оседает в почве — деревья поглощают СО2 в процессе фотосинтеза и «передают» его через корни под землю (около 75% всего углерода на планете оседает в почве). Ученые установили, что в лесах с развитыми микоризными сетями деревья поглощают диоксид углерода особенно эффективно. Кроме того, микоризные грибы поддерживают плодородный слой почвы, уберегая его от эрозии и вымывания. Благодаря им питательные вещества не вымываются вместе с дождями.
При этом микоризные сети по-прежнему очень мало изучены. Ученым сложно постичь эти живые организмы во всем их немыслимом масштабе: достаточно вспомнить гиганта из Орегона, самый огромный организм на планете — грибница опенка темного из заповедника Малур разрослась на площади почти в 9 гектаров.
Почему микоризные сети умирают?
Одной из главных причин уничтожения микоризных грибов стало сельское хозяйство, набравшее в XX веке немыслимые прежде обороты. От микоризы во многом зависит плодородие почвы, и знания об этом тысячелетиями использовались в традиционном земледелии. Но современное сельское хозяйство сделало свою ставку не на уникальные способности грибов, а на минеральные удобрения и интенсивное вспахивание. Из-за этого грибные сети, формировавшиеся столетиями, гибнут.
Ситуацию усугубляют такие признаки глобального экологического кризиса, как пожары, засуха и обезлесивание. Кроме того уничтожение грибницы связывают с загрязнением атмосферы кислотными оксидами и оксидами азота. Исследования показывают, что в лесах, где выпадают кислотные осадки, вырастает меньше деревьев, образующих микоризные связи.
С гибелью микоризных грибов нарушается привычный баланс в природе. И главные последствия, конечно же, отражаются на изменениях климата: высвобождение даже 0,1% процента углерода из почвы на территории Европы будет равнозначно объему выхлопных газов от 100 млн. автомобилей.
Как защитить грибы?
Ответить на этот вопрос сложно, так как большинство грибов не изучены (из 3,8 млн видов грибов науке не известны более 90%), масштабы микоризных сетей сложно оценить, а их исчезновение никак не задокументировано.
В 2018-м году ученые из Великобритании опубликовали отчет, посвященный проблеме защиты грибов. Исследователи сравнили статистику по животным, растениям и грибам, упомянутым в Красной книге Международного союза охраны природы и природных ресурсов, МСОП. В этом списке указаны виды, находящиеся под угрозой исчезновения — 68 тысяч животных, более 25 тысяч растений и… всего лишь 56 грибов. В актуальной версии Красной книги грибов уже 280, но это все еще капля в море.
Чтобы попытаться защитить микоризные сети ученые по всему миру занялись созданием глобальной карты мицелия. Определить масштаб и расположение грибницы по всему миру непросто, поэтому на сайте Общества защиты подземных сетей SPUN, инициировавшего проект, привлекают к участию волонтеров. Общество запустило бесплатное обучение для «миконавтов» — тех, кто будет заниматься сбором почвенных проб. Это позволит создать новое мировое сообщество защитников грибов — как профессиональных ученых, так и обычных людей. Кроме того, на сайте организации публикуются простые советы, как помочь микоризным грибам. Главный из них: не оголять почву, прикрывать ее листьями и высаживать растительность, чтобы мицелий получал питательные вещества.
Более глубокое понимание микоризных сетей позволит со временем не только создать законодательную базу для их защиты, но и, вероятно, откроет новые способы борьбы с проблемой парниковых газов. Уже сейчас исследователи говорят о том, что микоризные сети могут стать альтернативой техногенным средствам очистки воздуха от диоксида углерода.
Тем более, что существующие технологии улавливания CO2 на данный момент повышают загрязнение атмосферы, а производство подобных машин неизбежно нарушает экологическое равновесие — добыча металлов, строительство и транспортировка оставляют свой углеродный след. В отличие от грибов — которые незаметно делают свое дело в тесной связи с окружающими организмами.
Но какой бы безграничный потенциал в борьбе с парниковым эффектом не скрывал в себе таинственный и хрупкий мир грибов, реализоваться он сможет лишь в том случае, если мы снизим свои скорости — производства, потребления и перемещений по планете и научимся жить в симбиозе с окружающей природой — как грибы.
Posted in Биоразнообразие, Взгляд, Климат, Наука, Технологии by Экосфера with comments disabled.