Tại sao công nghệ hiện đại thất bại trong việc tái tạo dịch vụ tự nhiên?

Khi chúng ta cố gắng tái tạo các phiên bản đơn giản hơn của hệ sinh thái tự nhiên, chúng ta không thể tránh khỏi những sai lầm, tác giả và nhà sinh học Rob Dunn cho biết.

Thực tế đơn giản

Khi là sinh viên sau đại học tại Đại học Connecticut, chúng tôi sống cuộc sống tiết kiệm tương đối. Số tiền dư dả của chúng tôi chủ yếu dành cho vé máy bay đến Nicaragua và Bolivia, nơi chúng tôi tiến hành các dự án nghiên cứu của mình. Do đó, khi chiếc máy hút bụi của chúng tôi bị hỏng, tôi tự nhận trách nhiệm sửa nó. Nhìn bề ngoài, đây là giải pháp rẻ hơn. Tôi tháo máy hút bụi mà không gặp bất kỳ khó khăn nào và xác định được bộ phận bị hỏng. Sau đó, trong quá trình gỡ bộ phận hỏng đó, tôi lại làm hỏng một bộ phận khác.

May mắn thay, tại Willimantic, Connecticut, nơi chúng tôi sống lúc đó, có một cửa hàng bán các phụ tùng máy hút bụi và sửa chữa máy hút bụi. Tôi mua các phụ tùng cần thiết và trở về nhà, nhưng ngay cả khi đã có tất cả các bộ phận trong tay, tôi vẫn không thể lắp lại máy hút bụi. Tôi cố gắng một lần nhưng thất bại, khiến chiếc máy hút bụi phát ra tiếng ồn như máy hủy rác dù vẫn hút được bụi. Cuối cùng, tôi đành mang chiếc máy hút bụi đã tháo rời trong một cái xô đến tiệm sửa chữa. Người chủ tiệm nhìn vào cái xô và nói, không mấy phô trương, Ai cố gắng lắp lại cái này chắc là một kẻ ngốc. Để giữ mặt mũi, tôi đổ lỗi cho hàng xóm, và chủ tiệm nói, Anh cần nói với hàng xóm của mình rằng phá hoại thì dễ hơn là lắp ráp lại. Anh ta có thể đã thêm vào, đặc biệt là khi anh không phải là chuyên gia. Cuối cùng, tôi mua một chiếc máy hút bụi mới.

Việc phá hoại dễ dàng hơn nhiều so với việc lắp ráp lại hoặc xây dựng từ đầu là sự thật đối với cả hệ sinh thái và máy hút bụi. Đây là một quan điểm đơn giản, không hẳn là một quy luật, càng không phải là một định luật. Nó mềm mại hơn so với định luật diện tích-loài, chẳng hạn, và không trực tiếp bằng các giác quan của chúng ta như định luật Erwin. Nó cũng không có tính phổ quát như định luật phụ thuộc. Tuy nhiên, điều này lại có tác động lớn lao. Hãy xem xét nước uống.

Lịch sử của nước uống

Trong suốt ba trăm triệu năm đầu tiên sau khi động vật có xương sống bò lên đất liền, chúng uống nước trong các dòng sông, ao hồ và suối. Phần lớn thời gian, nước đó an toàn. Tuy nhiên, có những ngoại lệ hiếm gặp, ví dụ như nước ở phía hạ lưu của các đập beaver thường chứa ký sinh trùng Giardia. Ký sinh trùng này được đóng góp vào nước bởi beaver, loài thường là nơi trú ngụ của chúng, có nghĩa là beaver gây ô nhiễm hệ thống nước mà chúng quản lý. Nhưng miễn là bạn không uống nước hạ lưu của các khu định cư beaver, ký sinh trùng trong nước là hiếm gặp, cũng như nhiều vấn đề sức khỏe khác. Sau đó, chỉ một khoảnh khắc ngắn trong dòng chảy thời gian, khi loài người định cư thành các cộng đồng lớn ở Lưỡng Hà và những nơi khác, họ bắt đầu tự ô nhiễm hệ thống nước của mình, cho dù bằng chính chất thải của họ hay, khi bắt đầu nuôi gia súc, chất thải của bò, dê hoặc cừu.

Hệ thống nước bị phá vỡ

Trong những khu định cư ban đầu đó, con người đã phá vỡ các hệ thống nước mà họ từng dựa vào. Cho đến khi những chuyển đổi văn hóa dẫn đến các trung tâm đô thị lớn, như ở Lưỡng Hà, ký sinh trùng được làm sạch khỏi nước nhờ sự cạnh tranh với các sinh vật khác trong nước và qua việc bị săn đuổi bởi các sinh vật lớn hơn. Phần lớn ký sinh trùng bị cuốn trôi về phía hạ lưu, nơi chúng bị pha loãng, tiêu diệt bởi ánh nắng, cạnh tranh yếu đi hoặc bị ăn. Các quá trình này diễn ra trong hồ và sông, nhưng cũng diễn ra dưới mặt đất khi nước thấm qua lớp đất và vào các tầng ngậm nước sâu (đây là các tầng mà người ta đã lâu đời đào giếng để lấy nước). Nhưng cuối cùng, khi dân số con người tăng lên, nước mà họ phụ thuộc vào bắt đầu chứa nhiều ký sinh trùng hơn mức mà thiên nhiên có thể xử lý. Hệ thống nước tự nhiên đã bị phá vỡ.

Phản ứng của xã hội loài người

Ban đầu, xã hội loài người đã phản ứng với sự phá vỡ này theo một trong hai cách. Một số xã hội phát hiện ra từ rất lâu trước khi hiểu về vi khuẩn rằng sự ô nhiễm phân và bệnh tật có liên quan và tìm cách ngăn chặn ô nhiễm. Ở nhiều nơi, điều này thể hiện qua việc dẫn nước vào thành phố từ những nơi xa xôi hơn. Nhưng nó cũng có thể bao gồm các phương pháp xử lý phân phức tạp hơn. Chẳng hạn, ở Lưỡng Hà cổ đại, ít nhất một số nhà vệ sinh đã tồn tại. Người ta cho rằng có quỷ trú ngụ trong các nhà vệ sinh này, có lẽ báo trước sự hiểu biết về các ký sinh trùng vi khuẩn từ đường phân-miệng (dù cũng có bằng chứng cho thấy một số người thích đi vệ sinh ở nơi thoáng mát).

Tác động rộng hơn

Rộng hơn, tuy nhiên, những phương pháp kiểm soát ký sinh trùng đường phân-miệng hiệu quả, bất kể là phương pháp nào, vẫn là ngoại lệ. Con người chịu đựng và không bao giờ hoàn toàn biết lý do tại sao, một thực tế kéo dài hàng ngàn năm, từ khoảng 4000 TCN đến cuối những năm 1800, khi phát hiện ra mối liên hệ giữa nước bị ô nhiễm và bệnh tật tại London giữa đại dịch mà ngày nay chúng ta biết là dịch tả. Ngay cả lúc đó, phát hiện này ban đầu bị nghi ngờ (và ký sinh trùng đường phân – miệng vẫn là vấn đề đối với phần lớn dân số thế giới), và phải mất hàng thập kỷ trước khi sinh vật gây ô nhiễm thực sự, Vibrio cholerae, được quan sát, đặt tên và nghiên cứu.

Cách ly dòng phân khỏi nguồn nước uống

Khi nhận thức được rằng ô nhiễm phân có thể gây bệnh, các giải pháp đã bắt đầu được thực hiện để tách dòng phân của thành phố khỏi nguồn nước uống. Ví dụ, chất thải của London đã được chuyển hướng khỏi nguồn nước mà người dân London sử dụng. Nếu bạn từng cảm thấy tự hào về sự thông minh của con người, hãy nhớ câu chuyện này và thông điệp của nó – rằng phải đến khoảng chín nghìn năm sau khi các thành phố đầu tiên hình thành, con người mới nhận ra rằng phân trong nước uống có thể khiến họ mắc bệnh.

Ở một vài khu vực, các hệ sinh thái tự nhiên xung quanh thành phố được bảo tồn theo cách mà các quá trình sinh thái diễn ra trong rừng, hồ và tầng nước ngầm có thể tiếp tục đóng vai trò ngăn ngừa ký sinh trùng trong nước. Các cộng đồng đã bảo tồn các hệ sinh thái tự nhiên hiện hữu trong cái mà các nhà sinh thái học gọi là lưu vực, là khu vực đất mà nước chảy qua để đến một điểm cuối nhất định. Trong các lưu vực tự nhiên, nước chảy xuống thân cây, qua lá, vào đất, chảy giữa các viên đá, dọc theo sông và cuối cùng vào hồ hoặc tầng ngầm. Ở một số nơi, việc bảo tồn lưu vực diễn ra một cách ngẫu nhiên hoặc do sự đặc thù của quá trình phát triển đô thị. Ở những nơi khác, điều này là kết quả của khoảng cách giữa các thành phố và các nguồn cung cấp nước. Bản chất của giải pháp này là nước được giữ an toàn nhờ việc lấy từ rất xa. Ở những nơi khác nữa, thành công đạt được nhờ đầu tư mạnh vào các chương trình bảo tồn nhằm đảm bảo sự bảo vệ của rừng xung quanh thành phố. Trường hợp của New York là một ví dụ. Trong tất cả những kịch bản này, con người tiếp tục được hưởng lợi từ các dịch vụ kiểm soát ký sinh trùng của tự nhiên hoang dã, thường mà không nhận thức được điều đó.

Hệ sinh thái tự nhiên và khả năng ngăn ngừa ký sinh trùng

Ở một vài khu vực may mắn, các dịch vụ của tự nhiên vẫn còn đủ để giữ nước uống không có ký sinh trùng. Tuy nhiên, câu chuyện phổ biến hơn là những hệ thống nước mà các thành phố phụ thuộc không được bảo tồn đủ, hoặc quy mô ô nhiễm và sự phá vỡ hệ thống nước tự nhiên đã vượt quá khả năng kiểm soát ký sinh trùng của lượng rừng, sông, và hồ được bảo tồn. Sự gia tăng nhanh chóng về dân số và đô thị hóa làm hỏng nhiều sông, ao và tầng ngầm từ góc độ của khả năng ngăn ngừa ký sinh trùng. Do đó, những người quản lý các hệ thống nước đô thị đã quyết định rằng cần phải xử lý nước ở quy mô lớn để cung cấp nước uống không có ký sinh trùng cho đông đảo dân cư thành phố.

Các nhà máy xử lý nước bắt đầu được phát triển vào đầu những năm 1900, và họ sử dụng nhiều công nghệ mô phỏng các quá trình xảy ra trong các hệ sinh thái nước tự nhiên, dù một cách khá thô sơ. Họ thay thế quá trình di chuyển chậm qua cát và đá bằng các bộ lọc, và sự cạnh tranh, săn mồi của các sông, hồ và tầng ngầm bằng các chất diệt sinh vật như clo. Đến khi nước đến nhà dân, ký sinh trùng đã bị loại bỏ và phần lớn clo cũng đã bay hơi. Cách tiếp cận này đã cứu sống hàng triệu người và vẫn là giải pháp khả thi duy nhất cho phần lớn thế giới. Nhiều hệ thống nước của chúng ta, đặc biệt là hệ thống nước đô thị, hiện nay đã quá ô nhiễm để có thể tin cậy dùng làm nước uống chưa qua xử lý. Trong các bối cảnh như vậy, ít có lựa chọn nào khác ngoài việc xử lý nước để cố gắng đảm bảo an toàn.

Nghiên cứu về vi khuẩn trong nước uống

Gần đây, cộng tác viên của tôi, Noah Fierer, đã dẫn đầu một nhóm lớn các nhà nghiên cứu, bao gồm cả tôi, trong một dự án so sánh các vi sinh vật liên quan đến nước máy có nguồn gốc từ các tầng ngầm tự nhiên chưa qua xử lý (như từ giếng hộ gia đình) với các vi sinh vật có nguồn gốc từ các cơ sở xử lý nước. Chúng tôi tập trung vào một nhóm vi sinh vật được gọi là mycobacteria không gây bệnh lao. Các vi khuẩn này, như tên gọi của chúng cho thấy, là họ hàng của vi khuẩn gây bệnh lao. Chúng cũng là họ hàng của vi khuẩn gây bệnh phong. Dù không nguy hiểm như hai loại ký sinh trùng này, chúng cũng không hoàn toàn vô hại. Số lượng ca mắc các vấn đề về phổi và thậm chí tử vong do mycobacteria không gây bệnh lao ở Hoa Kỳ và một vài quốc gia khác đang tăng lên. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi muốn hiểu xem những vi khuẩn này có liên quan nhiều hơn đến nước từ các nhà máy xử lý hay nước từ giếng và các nguồn không qua xử lý.

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã nghiên cứu các vi sinh vật trong nước máy bằng cách tập trung vào một môi trường mà vi sinh vật thường tích tụ, là vòi sen. Qua nghiên cứu, chúng tôi phát hiện ra rằng mycobacteria không gây bệnh lao, vốn không phổ biến trong các suối tự nhiên hoặc hồ, thậm chí là trong những dòng suối và hồ bị ô nhiễm bởi chất thải con người, lại phổ biến hơn nhiều trong nước từ các nhà máy xử lý, đặc biệt là nước chứa clo (hoặc chloramine) còn lại nhằm ngăn chặn ký sinh trùng sống sót trên đường từ nhà máy xử lý nước đến vòi nước của người dùng. Nói chung, lượng clo trong nước càng cao thì mycobacteria càng nhiều. Tôi nhấn mạnh lại: các ký sinh trùng này phổ biến hơn trong nước đã được xử lý để loại bỏ ký sinh trùng.

Hậu quả của việc sử dụng clo trong xử lý nước

Khi chúng ta clo hóa nước, hoặc sử dụng các chất diệt sinh vật tương tự, chúng ta tạo ra một môi trường độc hại cho nhiều vi sinh vật (bao gồm nhiều ký sinh trùng lây qua đường phân – miệng). Điều này đã cứu sống hàng triệu người. Tuy nhiên, sự can thiệp này cũng thúc đẩy sự tồn tại của một loại ký sinh trùng khác, mycobacteria không gây bệnh lao, vốn tương đối kháng clo. Kết quả là, việc sử dụng clo tạo ra các điều kiện để mycobacteria không gây bệnh lao phát triển mạnh. Là một loài, chúng ta đã tháo dỡ một hệ sinh thái tự nhiên và lắp ráp lại nó, dù tinh tế hơn nhiều so với việc tôi lắp lại máy hút bụi của mình, nhưng dẫu sao cũng không hoàn hảo.

Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực phát triển những thiết bị ngày càng tinh vi hơn để xử lý nước, bao gồm cả cách loại bỏ mycobacteria không gây bệnh lao khỏi hệ thống nước. Trong khi đó, những thành phố đầu tư vào việc bảo tồn rừng và các hệ thống nước cùng với các dịch vụ của chúng, và do đó ít phụ thuộc vào lọc nước và clo hóa (hoặc thậm chí không cần đến), đang ở trong tình trạng đáng ghen tị khi có rất ít mycobacteria không gây bệnh lao trong nước máy và vòi sen của họ. Nói cách khác, họ có một vấn đề ít phải giải quyết.

Phục hồi hệ sinh thái tự nhiên và xử lý nước

Trong hàng trăm triệu năm, các loài động vật đã phụ thuộc vào các dịch vụ của tự nhiên để giảm số lượng ký sinh trùng trong nguồn nước. Con người, khi sản sinh một lượng lớn các chất ô nhiễm từ cơ thể và lan rộng chúng, đã vượt quá khả năng của các hệ sinh thái thủy sinh trong việc cung cấp những dịch vụ này. Chúng ta sau đó đã phát minh ra các nhà máy xử lý nước để thay thế cho các dịch vụ tự nhiên của các hệ sinh thái thủy sinh. Nhưng khi làm như vậy, chúng ta tạo ra một hệ thống hoạt động nhưng không thực hiện được tất cả những điều mà hệ thống tự nhiên làm được, mặc dù đã đầu tư rất nhiều.

Đã có một sự mất mát trong quá trình tái tạo này. Một phần vấn đề là về quy mô (sự gia tăng lớn đã dẫn đến sự gia tăng lớn trong lượng phân mà con người tạo ra trên toàn cầu), nhưng đó cũng là vấn đề về sự hiểu biết của chúng ta. Chúng ta chưa hoàn toàn hiểu cách các hệ sinh thái rừng thực hiện dịch vụ của chúng, như những dịch vụ liên quan đến việc kiểm soát số lượng ký sinh trùng. Chúng ta cũng chưa hiểu đầy đủ các điều kiện mà các hệ sinh thái thực hiện dịch vụ này và khi nào thì không. Vì vậy, khi chúng ta cố gắng thiết kế và tái tạo các phiên bản đơn giản hơn của các hệ sinh thái đó, chúng ta luôn mắc phải những sai lầm.

So sánh kinh tế giữa bảo tồn và tái tạo tự nhiên

Điều đáng lưu ý ở đây là tôi không đưa ra lập luận rằng bảo tồn thiên nhiên nhất thiết phải rẻ hơn tái tạo thiên nhiên. Có một số lượng lớn tài liệu xem xét câu hỏi kinh tế này, đo lường các yếu tố như (1) chi phí bảo tồn một lưu vực, (2) giá trị ròng của các dịch vụ do lưu vực đó cung cấp, và (3) các ngoại tác tiêu cực dài hạn liên quan đến việc phụ thuộc vào một cơ sở xử lý nước thay vì bảo tồn lưu vực. Các ngoại tác là những chi phí mà các nền kinh tế tư bản thường quên tính vào, như ô nhiễm và phát thải carbon. Trong một số trường hợp, thực sự là nhiều trường hợp, các dịch vụ hệ sinh thái tự nhiên cung cấp kinh tế hơn so với các dịch vụ thay thế. Trong các trường hợp khác, thì không phải như vậy. Nhưng đây không phải là điểm chính của tôi.

Điều tôi muốn nhấn mạnh, thay vào đó, là ngay cả trong những trường hợp mà giải pháp kinh tế nhất (dưới bất kỳ tiêu chí nào) là thay thế một hệ sinh thái tự nhiên hoạt động bằng công nghệ, việc này thường dẫn đến việc tạo ra các bản sao của các hệ thống tự nhiên thiếu đi những thành phần quan trọng và, nói chung, hành xử giống như hệ thống tự nhiên chứ không phải là hệ thống tự nhiên.