Mākslīgo biosfēru vēsture: kāpēc nepieciešama kosmosa siltumnīca. Ekosistēma ir elementāra biosfēras vienība, ko ekosistēma saņem no kosmosa

Skenēja un apstrādāja Jurijs Abolonko (Smoļenska)

JAUNUMS DZĪVĒ, ZINĀTNĒ, TEHNOLOĢIJĀ

PARAKSTĪTĀ POPULĀRĀ ZINĀTNISKĀ SĒRIJA

KOSMONAUTIKA, ASTRONOMIJA

7/1989

Publicēts katru mēnesi kopš 1971. gada.

Yu. I. Grišins
MĀKSLISKĀS TELPAS EKOSISTĒMAS

Šī numura pielikumā:

KOSMOSA TŪRISMS
KOSMONAUTIKAS hronika
ASTRONOMIJAS ZIŅAS

Znanie izdevniecība Maskava 1989

BBK 39,67
D 82

Redaktors I. G. VIRKO

Ievads	3
Cilvēks dabiskā ekosistēmā	5
Apkalpots kosmosa kuģis - mākslīga ekosistēma	11
Vielu stafetes skrējiens bioloģiskajā ciklā	21
Vai ekosistēmas ir efektīvas?	26
Mākslīgās un dabiskās biosfēras ekosistēmas: līdzības un atšķirības	32
Par kosmosa apkalpju bioloģiskajām dzīvības atbalsta sistēmām	36
Zaļie augi kā galvenā saikne bioloģiskajās dzīvības atbalsta sistēmās	39
Sasniegumi un perspektīvas	44
Secinājums	53
Literatūra	54
PIELIKUMS
Kosmosa tūrisms	55
Astronautikas hronika	57
Astronomijas jaunumi	60

Grišins Ju.

D 82

Mākslīgās kosmosa ekosistēmas. - M.: Zināšanas, 1989. - 64 lpp. - (Jaunums dzīvē, zinātnē, tehnoloģijā. Ser. "Kosmonautika, astronomija"; Nr. 7).

ISBN 5-07-000519-7

Brošūra ir veltīta kosmosa kuģu apkalpju dzīvības atbalsta un turpmāko ilgtermiņa funkcionējošo kosmosa struktūru problēmām. Tiek apsvērti dažādi mākslīgo ekoloģisko sistēmu modeļi, ieskaitot cilvēkus un citas bioloģiskās saites. Brošūra paredzēta plašam lasītāju lokam.

3500000000ББК 39.67

ISBN 5-07-000519-7© Izdevniecība Znanie, 1989

IEVADS

XXI gadsimta sākums var nonākt zemes civilizācijas attīstības vēsturē kā kvalitatīvi jauns posms tuvu Saules telpas izpētei: tieša dabisko un mākslīgi radīto kosmosa objektu apmešanās ar ilgu cilvēku uzturēšanos šajos objektos.

Šķiet, ka pavisam nesen zemes mākslīgajā orbītā tika palaists pirmais mākslīgais Zemes pavadonis (1957), pirmais lidojums un Mēness tālākās puses fotografēšana (1959), pirmais cilvēks apmeklēja kosmosu (Yu.A. Gagarin, 1961), kas televīzijā parādīja aizraujošu tiek demonstrēts pilotējama kosmosa gājiena brīdis (A. A. Leonovs, 1965) un pirmie kosmonautu soļi uz Mēness virsmas (N. Ārmstrongs un E. Aldrins, 1969). Bet katru gadu šie un daudzi citi izcilie kosmosa laikmeta notikumi kļūst par pagātni un kļūst par vēstures daļu. Patiesībā tie ir tikai sākums ideju īstenošanai, ko formulēja lielais K. E. Tsiolkovskis, kurš kosmosu uzskatīja ne tikai par astronomisku telpu, bet arī par dzīvotni un cilvēka dzīvi nākotnē. Viņš uzskatīja, ka "ja dzīve neizplatītos visā Visumā, ja tā būtu piesaistīta planētai, tad šī dzīve bieži būtu nepilnīga un pakļauta skumjām beigām" (1928).

Mūsdienās jau tiek prognozēti iespējamie cilvēka bioloģiskās evolūcijas varianti saistībā ar ievērojamas iedzīvotāju daļas pārvietošanu ārpus Zemes, tiek izstrādāti iespējamie kosmosa izpētes modeļi un tiek lēsta kosmosa programmu pārveidojošā ietekme uz dabu, ekonomiku un sociālajām attiecībām. Tiek izskatītas un atrisinātas arī problēmas ar daļēju vai pilnīgu apdzīvotu vietu pašpietiekamību kosmosā ar slēgtu biotehnisko dzīvības atbalsta sistēmu palīdzību, Mēness un planētu bāzes izveidi, kosmosa industriju un būvniecību, ārpuszemes enerģijas avotu un materiālu izmantošanu.

KE Ciolkovska vārdi, ka “cilvēce nepaliks mūžīgi uz Zemes, bet, meklējot gaismu un kosmosu, vispirms kautrīgi iekļūs ārpus atmosfēras un pēc tam iekaros visu Saules telpu” (1911).

Nesenajās starptautiskajās sanāksmēs un forumos par sadarbību kosmosā, lai turpinātu paplašināt zinātniskos pētījumus Zemes un Saules tuvumā, pētot Marsu, Mēnesi un citas Saules sistēmas planētas, tika izteiktas cerības, ka lielu kosmosa programmu īstenošana, kam nepieciešami milzīgi materiāli un tehniski un finanšu izmaksas, veiks daudzu valstu kopīgi centieni starptautiskās sadarbības ietvaros. "Tikai cilvēces kolektīvais prāts spēj pāriet uz zemes tuvuma telpas augstumiem un tālāk uz gandrīz saules un zvaigžņu telpu," sacīja Mihails Gorbačovs, uzrunājot komunistu kustības ārvalstu pārstāvjus - Lielās Oktobra revolūcijas 70. gadadienas svētku dalībniekus.

Viens no vissvarīgākajiem nosacījumiem turpmākai cilvēku kosmosa izpētei ir nodrošināt cilvēku dzīvību un drošas aktivitātes ilgstošas \u200b\u200buzturēšanās un darba laikā kosmosa stacijās, kosmosa kuģos, planētu un mēness bāzēs, kas atrodas tālu no Zemes.

Vispiemērotākais veids, kā atrisināt šo vissvarīgāko problēmu, kā mūsdienās uzskata daudzi vietējie un ārvalstu pētnieki, ir izveidot slēgtas biotehniskās dzīvības atbalsta sistēmas ilgstoši apdzīvotās kosmosa struktūrās, t.i., mākslīgās kosmosa ekoloģiskās sistēmās, kas ietver cilvēkus un citas bioloģiskas saites.

Šajā brošūrā mēs centīsimies izklāstīt šādu sistēmu veidošanas pamatprincipus, sniegt informāciju par lielu zemes eksperimentu rezultātiem, kas veikti, gatavojoties kosmosa biotehnisko dzīvības atbalsta sistēmu izveidei, norādīt problēmas, kuras vēl jāatrisina uz Zemes un kosmosā, lai nodrošinātu šo sistēmu nepieciešamo uzticamību. sistēmas kosmosa apstākļos.

CILVĒKS DABAS EKOSISTĒMĀ

Pirms sūtīt cilvēku garā kosmosa ceļojumā, vispirms mēģināsim atbildēt uz jautājumiem: kas viņam nepieciešams, lai normāli dzīvotu un auglīgi strādātu uz Zemes, un kā tiek atrisināta cilvēka dzīvības atbalsta problēma uz mūsu planētas?

Atbildes uz šiem jautājumiem ir nepieciešamas, lai izveidotu dzīvības atbalsta sistēmas apkalpēm uz pilotējamiem kosmosa kuģiem, orbitālajām stacijām un svešzemju struktūrām un bāzēm. Mēs varam pamatoti uzskatīt mūsu Zemi par milzīgu dabiskas izcelsmes kosmosa kuģi, kurš jau 4,6 miljardus gadu veic savu bezgalīgo orbītas kosmosa lidojumu ap Sauli. Šī kuģa apkalpe šodien sastāv no 5 miljardiem cilvēku. Strauji augošā Zemes populācija, kas līdz XX gadsimta sākumam. bija 1,63 miljardi cilvēku, un uz XXI gadsimta sliekšņa. jau jāsasniedz 6 miljardi, kas ir labākais pierādījums par pietiekami efektīva un uzticama cilvēka dzīvības atbalsta mehānisma esamību uz Zemes.

Tātad, kas cilvēkam vajadzīgs uz Zemes, lai nodrošinātu savu normālo dzīvi un aktivitātes? Diez vai ir iespējams sniegt īsu, bet izsmeļošu atbildi: visi cilvēka dzīves, darbības un interešu aspekti ir pārāk plaši un daudzpusīgi. Atjaunojiet detalizēti vismaz vienu dzīves dienu, un jūs būsiet pārliecināts, ka cilvēkam nav vajadzīgs tik maz.

Cilvēka vajadzību apmierināšana pēc pārtikas, ūdens un gaisa, kas saistīts ar fizioloģiskām pamatvajadzībām, ir galvenais nosacījums viņa normālai dzīvei un aktivitātei. Tomēr šis stāvoklis ir nesaraujami saistīts ar citu: cilvēka ķermenis, tāpat kā jebkurš cits dzīvais organisms, aktīvi pastāv, pateicoties vielu apmaiņai ķermeņa iekšienē un ar ārējo vidi.

Patērējot no vides skābekli, ūdeni, barības vielas, vitamīnus, minerālsāļus, cilvēka ķermenis tos izmanto, lai izveidotu un atjaunotu savus orgānus un audus, vienlaikus saņemot visu dzīvībai nepieciešamo enerģiju no pārtikas olbaltumvielām, taukiem un ogļhidrātiem. Atkritumu produkti tiek izvadīti no ķermeņa vidē.

Kā jūs zināt, vielmaiņas un enerģijas intensitāte cilvēka ķermenī ir tāda, ka bez skābekļa pieaugušais var pastāvēt tikai dažas minūtes, bez ūdens - apmēram 10 dienas un bez ēdiena - līdz 2 mēnešiem. Ārējais iespaids, ka cilvēka ķermenis nemainās, ir maldinošs un nepareizs. Izmaiņas ķermenī notiek nepārtraukti. Saskaņā ar A. P. Mjasņikova (1962) teikto, dienas laikā pieauguša cilvēka ķermenī, kas sver 70 kg, 450 miljardi eritrocītu, no 22 līdz 30 miljardiem leikocītu, no 270 līdz 430 miljardiem trombocītu tiek nomainīti un mirst, aptuveni 125 g olbaltumvielu tiek sadalīti , 70 g tauku un 450 g ogļhidrātu, izdalot vairāk nekā 3000 kcal siltuma, 50% no kuņģa-zarnu trakta epitēlija šūnām, 1/75 no skeleta kaulu šūnām un 1/20 no visām organisma ādas šūnām tiek atjaunotas un iet bojā (t.i., caur ik pēc 20 dienām cilvēks pilnīgi "maina ādu"), aptuveni 140 matiņi uz galvas un 1/150 no visām skropstām utt. izkrīt un tiek aizstāti ar jauniem. Tajā pašā laikā vidēji tiek veiktas 23 040 izelpas, caur plaušām iziet 11 520 litri. gaiss, uzsūcas 460 litri skābekļa, no ķermeņa izdalās 403 litri oglekļa dioksīda un 1,2–1,5 litri urīna, kas satur līdz 30 g cietvielu, iztvaiko caur plaušām 0,4 litri un ar sviedriem izdalās apmēram 0,6 litri ūdens, kas satur 10 g blīvu vielu, veidojas 20 g sebuma.

Tāda ir cilvēka vielmaiņas intensitāte tikai vienas dienas laikā!

Tādējādi cilvēks pastāvīgi, visa mūža garumā, izdala vielmaiņas produktus un siltuma enerģiju, kas organismā veidojas pārtikas sadalīšanās un oksidēšanās, pārtikā uzglabātās ķīmiskās enerģijas izdalīšanās un pārveidošanās rezultātā. Izdalītie vielmaiņas produkti un siltums būtu pastāvīgi vai periodiski jāizņem no ķermeņa, saglabājot vielmaiņas kvantitatīvo līmeni, pilnībā ievērojot tā fizioloģiskās, fiziskās un garīgās aktivitātes pakāpi un nodrošinot ķermeņa vielmaiņas līdzsvaru ar vielu vielas un enerģijas ziņā.

Ikviens zina, kā šīs cilvēka fizioloģiskās pamatprasības tiek realizētas ikdienas reālajā dzīvē: kosmosa kuģa "planēta Zeme" apkalpe piecu miljardu dolāru vērtībā saņem vai ražo visu, kas nepieciešams tās dzīvībai, pamatojoties uz planētas rezervēm un produktiem, kas to baro, dzer un apģērbj, veicina tā pieaugumu. , ar savu atmosfēru aizsargā visas dzīvās būtnes no kosmisko staru nelabvēlīgās ietekmes. Šeit ir daži skaitļi, kas skaidri raksturo galvenā "tirdzniecības" mērogu starp cilvēku un dabu.

Pirmā pastāvīgā cilvēka vajadzība ir elpot gaisu. "Jūs nevarat elpot gaisā," saka krievu sakāmvārds. Ja katram cilvēkam katru dienu nepieciešami vidēji 800 grami skābekļa, tad visiem Zemes iedzīvotājiem gadā vajadzētu patērēt 1,5 miljardus tonnu skābekļa. Zemes atmosfērā ir milzīgas atjaunojamā skābekļa rezerves: ar kopējo Zemes atmosfēras svaru aptuveni 5 ∙ 10 15 tonnas skābeklis ir aptuveni 1/5, kas ir gandrīz 700 tūkstoš reižu vairāk nekā visu Zemes iedzīvotāju gada skābekļa patēriņš. Protams, dzīvnieku pasaule papildus cilvēkiem atmosfēras skābekli izmanto arī citiem oksidācijas procesiem, kuru mērogs uz planētas ir milzīgs. Tomēr reversās reducēšanas procesi ir ne mazāk intensīvi: pateicoties fotosintēzei Saules izstarotās enerģijas dēļ zemes, jūru un okeānu augos, notiek pastāvīga oksidācijas procesos dzīvu organismu izdalītā oglekļa dioksīda saistīšana dažādos organiskos savienojumos ar vienlaicīgu molekulārā skābekļa izdalīšanos. Saskaņā ar ģeoķīmiķu aprēķiniem visi augi uz Zemes gadā izdala 400 miljardus tonnu skābekļa, savukārt 150 miljardus tonnu oglekļa (no oglekļa dioksīda) saista 25 miljardi tonnu ūdeņraža (no ūdens). Deviņas desmitdaļas no šīs produkcijas nāk no ūdens augiem.

Līdz ar to jautājums par cilvēka apgādi ar gaisa skābekli tiek veiksmīgi atrisināts uz Zemes, galvenokārt izmantojot fotosintēzes procesus augos.

Nākamā svarīgākā cilvēka vajadzība ir ūdens.

Cilvēka ķermenī tā ir vide, kurā notiek daudzas vielmaiņas procesu bioķīmiskās reakcijas. Ūdens, kas veido 2/3 no cilvēka ķermeņa svara, spēlē milzīgu lomu viņa dzīves nodrošināšanā. Ūdens ir saistīts ne tikai ar barības vielu uzņemšanu organismā, to absorbciju, izplatīšanos un asimilāciju, bet arī ar galīgo vielmaiņas produktu izdalīšanos.

Ūdens nonāk cilvēka ķermenī kā dzēriens un ar pārtiku. Pieaugušā cilvēka ķermenim nepieciešamais ūdens daudzums svārstās no 1,5 - 2 līdz 10 - 15 litriem dienā un ir atkarīgs no viņa fiziskās aktivitātes un vides apstākļiem. Ķermeņa dehidratācija vai pārmērīga ūdens uzņemšanas ierobežošana izraisa strauju tā funkciju sabrukumu un saindēšanos ar vielmaiņas produktiem, jo \u200b\u200bīpaši ar slāpekli.

Cilvēkam ir nepieciešams papildu ūdens daudzums sanitāro, mājsaimniecības un mājsaimniecības vajadzību nodrošināšanai (mazgāšana, mazgāšana, ražošana, lopkopība utt.). Šī summa ievērojami pārsniedz fizioloģisko normu.

Ūdens daudzums uz Zemes virsmas ir milzīgs; tā tilpums pārsniedz 13,7 × 10 8 km 3. Tomēr dzeršanai piemērota saldūdens daudzums joprojām ir ierobežots. Nokrišņu daudzums (saldūdens), kas vidēji gadā nokrīt uz kontinentu virsmas ūdens cikla rezultātā uz Zemes, ir tikai aptuveni 100 tūkstoši km 3 (1/5 no visiem nokrišņiem uz Zemes). Un tikai nelielu daļu no šīs summas cilvēki efektīvi izmanto.

Tādējādi kosmosa kuģa "Zeme" ūdens rezerves var uzskatīt par neierobežotām, taču tīra saldūdens patēriņam nepieciešama ekonomiska pieeja.

Pārtika kalpo cilvēka ķermenim kā enerģijas un vielu avots, kas iesaistīts audu komponentu sintēzē, šūnu un to strukturālo elementu atjaunošanā. Organismā nepārtraukti tiek veikti olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu bioloģiskās oksidēšanās procesi no pārtikas. Pilnvērtīgā pārtikā jāiekļauj nepieciešamais aminoskābju, vitamīnu un minerālvielu daudzums. Pārtikas vielas gremošanas traktā fermenti parasti sadala vienkāršākos, mazmolekulāros savienojumos (aminoskābes, monosaharīdi, taukskābes un daudzi citi), asinis absorbē un pārnēsā visā ķermenī. Pārtikas oksidēšanās galaprodukti visbiežāk ir oglekļa dioksīds un ūdens, kas no organisma izdalās kā atkritumi. Pārtikas oksidēšanas laikā izdalītā enerģija organismā daļēji uzkrājas enerģētiski bagātinātu savienojumu veidā, daļēji pārvēršas siltumā un izkliedējas vidē.

Ķermenim nepieciešamā pārtikas daudzums galvenokārt ir atkarīgs no tā fiziskās aktivitātes intensitātes. Pamata vielmaiņas enerģija, tas ir, šāda vielmaiņa, kad cilvēks ir pilnīgā atpūtā, vidēji dienā ir 1700 kcal (vīriešiem līdz 30 gadu vecumam, kas sver līdz 70 kg). Šajā gadījumā tas tiek tērēts tikai fizioloģisko procesu (elpošana, sirds darbība, zarnu kustīgums utt.) Īstenošanai un normālas ķermeņa temperatūras (36,6 ° C) pastāvības nodrošināšanai.

Cilvēka fiziskajai un garīgajai aktivitātei ir nepieciešams palielināt ķermeņa enerģijas patēriņu un vairāk pārtikas. Tika konstatēts, ka cilvēka ikdienas enerģijas patēriņš vidēja smaguma garīgā un fiziskā darba laikā ir aptuveni 3000 kcal. Tādam pašam kaloriju saturam jābūt arī cilvēka ikdienas uzturā. Uztura kaloriju saturs tiek aptuveni aprēķināts, pamatojoties uz zināmām siltuma vērtībām, kas izdalās katra olbaltumvielu (4,1 kcal), tauku (9,3 kcal) un ogļhidrātu (4,1 kcal) pilnīgas oksidēšanas laikā. Atbilstošu olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu attiecību uzturā medicīna nosaka atbilstoši cilvēka fizioloģiskajām vajadzībām, un vienā diētas kaloriju satura vērtībā tajā ietilpst no 70 līdz 105 g olbaltumvielu, no 50 līdz 150 g tauku un no 300 līdz 600 g ogļhidrātu. Olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu uztura sastāva izmaiņas parasti rodas ķermeņa fizisko aktivitāšu izmaiņu dēļ, bet ir atkarīgas arī no cilvēka paradumiem, nacionālajām uztura tradīcijām, konkrēta pārtikas produkta pieejamības un, protams, īpašām sociālajām iespējām uztura vajadzību apmierināšanai.

Katrai no uzturvielām organismā ir noteiktas funkcijas. Tas jo īpaši attiecas uz olbaltumvielām, kas satur slāpekli, kas nav citu barības vielu sastāvdaļa, bet ir nepieciešams, lai atjaunotu pašas olbaltumvielas cilvēka ķermenī. Tiek lēsts, ka pieauguša cilvēka organismā dienā tiek iznīcināti vismaz 17 g viņa paša olbaltumvielu, kas jāatjauno ar pārtiku. Līdz ar to šis olbaltumvielu daudzums ir minimālais, kas nepieciešams katra cilvēka uzturā.

Taukus un ogļhidrātus var lielā mērā aizstāt, bet līdz noteiktiem ierobežojumiem.

Parastā cilvēka pārtika pilnībā sedz ķermeņa vajadzības pēc olbaltumvielām, taukiem un ogļhidrātiem, kā arī apgādā to ar nepieciešamajām minerālvielām un vitamīniem.

Tomēr pretstatā neierobežotam skābekļa (gaisa) un dzeramā ūdens krājumam, kas joprojām ir pietiekams uz planētas un kura patēriņš tiek stingri normalizēts tikai noteiktos, parasti sausos reģionos, pārtikas produktu daudzumu ierobežo zemā dabiskā trofiskā (pārtikas) cikla produktivitāte, kas sastāv no trim pamata līmeņi: augi - dzīvnieki - cilvēki. Patiešām, augi veido biomasu, izmantojot tikai 0,2% enerģijas, kas uz Zemes nāk no saules gaismas. Patērējot augu biomasu pārtikai, dzīvnieki savām vajadzībām tērē ne vairāk kā 10 - 12% no viņu uzņemtās enerģijas. Galu galā cilvēks, ēdot dzīvnieku izcelsmes pārtiku, nodrošina sava ķermeņa enerģijas vajadzības ar ļoti zemu sākotnējās saules enerģijas izmantošanu.

Uztura vajadzību apmierināšana vienmēr ir bijis cilvēka grūtākais uzdevums. Dabas iespēju pasīvā izmantošana šajā virzienā ir ierobežota, jo lielāko pasaules daļu klāj okeāni un tuksneši ar zemu bioloģisko produktivitāti. Tikai daži Zemes reģioni, kurus raksturo stabili labvēlīgi klimatiskie apstākļi, starp citu nodrošina augstu vielu primāro produktivitāti, kas nebūt nav vienmēr pieņemama no cilvēku uztura vajadzību viedokļa. Zemes iedzīvotāju skaita pieaugums, tā izplatīšanās visos kontinentos un planētas ģeogrāfiskajās zonās, ieskaitot zonas ar nelabvēlīgiem klimatiskajiem apstākļiem, kā arī dabisko pārtikas avotu pakāpeniska izsīkšana ir novedusi pie stāvokļa, kurā pārtikas vajadzību apmierināšana uz Zemes ir izaugusi par kopīgu cilvēku problēmu. Mūsdienās tiek uzskatīts, ka tikai uztura olbaltumvielu deficīts pasaulē ir 15 miljoni tonnu gadā. Tas nozīmē, ka vismaz 700 miljoni cilvēku visā pasaulē tiek sistemātiski nepietiekami baroti. Un tas notiek neskatoties uz to, ka cilvēce XX gadsimta beigās. kopumā to izceļ diezgan augsta sociālā organizācija, galvenie sasniegumi zinātnes, tehnoloģiju, rūpniecības un lauksaimniecības ražošanas attīstībā, dziļa izpratne par tās vienotību planētas biosfēras sastāvā.

Pārtika ir svarīgs vides faktors ne tikai cilvēkiem, bet arī visiem dzīvniekiem. Atkarībā no pārtikas pieejamības, tā daudzveidības, kvalitātes un daudzuma var būtiski mainīties dzīvo organismu populācijas raksturojums (auglība un mirstība, paredzamais dzīves ilgums, attīstības ātrums utt.). Pārtikas (trofiskās) saiknes starp dzīvajiem organismiem, kā parādīts zemāk, ir gan vielu biosfēras (zemes) bioloģiskais cikls, gan mākslīgās ekoloģiskās sistēmas, tostarp cilvēki.

Zeme ilgu laiku varēs nodrošināt uz tās dzīvojošos cilvēkus ar visu nepieciešamo, ja cilvēce racionālāk un rūpīgāk izmantos planētas resursus, ekoloģiski kompetentā veidā atrisinās dabas pārveidošanas jautājumus, novērsīs bruņošanās sacensības un izbeigs kodolieročus.

Zinātniskais pamats cilvēka dzīvības atbalsta problēmas uz Zemes risināšanai, ko formulējis V.I. V.I.Vernadskis pieņēma, ka, nonākot uz Zemes, noosfērai, kad cilvēks pēta apstākļu telpu, vajadzētu pārvērsties par īpašu kosmosa strukturālo elementu.

SASTĀVOTS KOSMOSA KUĢIS - MĀKSLĪGĀ EKOSISTĒMA

Kā atrisināt problēmu ar kosmosa kuģa apkalpes nodrošināšanu ar dažādiem svaigiem ēdieniem, tīru ūdeni un dzīvību sniedzošu gaisu? Protams, vienkāršākā atbilde ir ņemt līdzi visu nepieciešamo. Tas tiek darīts īslaicīgu pilotējamu lidojumu gadījumos.

Palielinoties lidojuma ilgumam, nepieciešams vairāk krājumu. Tādēļ ir nepieciešams reģenerēt dažas patērējamas vielas (piemēram, ūdeni), pārstrādāt cilvēku atkritumus un dažu kuģu sistēmu tehnoloģisko procesu atkritumus (piemēram, reģenerējamus oglekļa dioksīda sorbentus), lai atkārtoti izmantotu šīs vielas un samazinātu sākotnējās rezerves.

Ideāls risinājums, šķiet, ir pilnīgas (vai gandrīz pilnīgas) vielu aprites ieviešana ierobežotā apdzīvotas vietas "mājas" tilpumā. Tomēr šāds sarežģīts risinājums var būt izdevīgs un praktiski realizējams tikai lielām kosmosa misijām, kas ilgst vairāk nekā 1,5 - 3 gadus (A. M. Genin, D. Talbot, 1975). Izšķirošā loma vielu aprites veidošanā šādās ekspedīcijās parasti tiek piešķirta biosintēzes procesiem. Funkcijas apkalpes apgādei ar pārtiku, ūdeni un skābekli, kā arī vielmaiņas produktu noņemšana un pārstrāde un nepieciešamo apkalpes dzīvotnes parametru uzturēšana uz kuģa, stacijas utt. Tiek piešķirtas tā saucamajām dzīvības atbalsta sistēmām (LSS). Galveno LSS tipu shematisks attēlojums kosmosa apkalpēm ir parādīts attēlā. 1.

Attēls: 1. Kosmosa apkalpes dzīvības atbalsta sistēmu galveno veidu diagrammas: 1 - sistēma krājumos (visi atkritumi tiek izvadīti); 2 - sistēma uzkrājumiem ar daļēju fizikālu un ķīmisku vielu reģenerāciju (FHR) (daļu atkritumu izved, daļu var atjaunot); 3 - sistēma ar daļēju FHR un daļēju bioloģisko vielu reģenerāciju augos (BR) ar atkritumu korekcijas vienību (BC); 4 - sistēma ar pilnīgu slēgtu vielu reģenerāciju (krājumus ierobežo mikrodividimenti). Apzīmējumi: E - izstarojošā vai siltuma enerģija, IE - enerģijas avots, O - atkritumi, BB - biobloks ar dzīvniekiem, punktota līnija - izvēles process

Kosmosa apkalpes LSS ir ļoti sarežģīti kompleksi. Trīs gadu desmiti kosmosa laikmeta ir apstiprinājuši izveidotās LSS pietiekamu efektivitāti un uzticamību, kas veiksmīgi darbojušies padomju kosmosa kuģos Vostok un Sojuz, amerikāņu Mercury, Gemini un Apollo, kā arī orbitālajās stacijās Salyut un Skylab. ". Pētniecības kompleksa Mir darbs ar uzlabotu dzīvības atbalsta sistēmu uz kuģa turpinās. Visas šīs sistēmas ir nodrošinājušas lidojumus vairāk nekā 200 kosmonautiem no dažādām valstīm.

LSS uzbūves un darbības principi, kas pašlaik tiek izmantoti un tiek izmantoti kosmosa lidojumiem, ir plaši pazīstami. To pamatā ir fizikālās un ķīmiskās reģenerācijas procesu pielietošana. Tajā pašā laikā joprojām pastāv atklāta biosintēzes procesu izmantošanas problēma kosmosa LSS un vēl jo vairāk slēgta biotehniskā LSS konstruēšanas problēma kosmosa lidojumiem.

Pastāv dažādi, dažkārt tieši pretēji viedokļi par šādu sistēmu praktiskas ieviešanas iespēju un lietderību kopumā un jo īpaši kosmosa kuģos. Kā argumenti pret tiek minēti: sarežģītība, pētījumu trūkums, enerģijas intensitāte, neuzticamība, nespēja utt. Tomēr pārliecinošs vairākums ekspertu uzskata visus šos jautājumus par atrisinātiem un biotehnisko LSS izmantošanu kā daļu no turpmākajām lielajām kosmosa apmetnēm, Mēness, planētu un starpplanētu bāzēm un citiem attālinātas ārpuszemes struktūras - neizbēgamas.

Apkalpes iekļaušana LSS kopā ar daudzām bioloģisko saišu tehniskajām ierīcēm, kuru darbība tiek veikta saskaņā ar dzīvās vielas attīstības sarežģītajiem likumiem, prasa kvalitatīvi jaunu, ekoloģisku pieeju biotehniskās LSS veidošanai, kurā jāpanāk stabils dinamiskais līdzsvars un vielas un enerģijas plūsmu konsekvence visās saitēs. sistēmām. Šajā ziņā jebkurš pilotējams kosmosa kuģis jāuzskata par mākslīgu ekoloģisko sistēmu.

Apdzīvots kosmosa kuģis ietver vismaz vienu aktīvi funkcionējošu bioloģisko saiti - cilvēku (apkalpi) ar tā mikrofloru. Tajā pašā laikā cilvēks un mikroflora pastāv mijiedarbībā ar kosmosa kuģī mākslīgi izveidotu vidi, nodrošinot bioloģiskās sistēmas stabilu dinamisko līdzsvaru vielas un enerģijas plūsmu ziņā.

Tādējādi, pat pilnībā nodrošinot apkalpes dzīvi kosmosa kuģī uz vielu rezervju rēķina un, ja nav citu bioloģisku saikņu, pilotējamais kosmosa kuģis jau ir mākslīga kosmosa ekoloģiskā sistēma. To var pilnībā vai daļēji izolēt no ārējās vides (kosmosa), tomēr tā enerģijas (termiskā) izolācija no šīs vides ir pilnībā izslēgta. Nepārtraukta enerģijas apmaiņa ar vidi vai vismaz pastāvīga siltuma noņemšana ir nepieciešams nosacījums jebkuras mākslīgas kosmosa ekosistēmas darbībai.

XXI gadsimts cilvēcei izvirza jaunus, vēl vērienīgākus uzdevumus tālākajā kosmosa izpētē. (Acīmredzot precīzāk būs teikt, ka cilvēce šos uzdevumus izvirza pirms XXI gadsimta.) Nākotnes kosmosa ekosistēmas īpašo formu var noteikt atkarībā no kosmosa struktūras mērķa un orbītas (starpplanētu pilotējams kosmosa kuģis, tuvu zemes orbītas stacija, Mēness bāze, Marsa bāze , kosmosa celtniecības platforma, dzīvojamo ēku komplekss uz asteroīdiem utt.), apkalpes skaits, darbības ilgums, enerģijas pieejamība un tehniskais aprīkojums un, protams, noteiktu tehnoloģisko procesu gatavības pakāpe, ieskaitot kontrolētas biosintēzes procesus un vielas kontrolētas pārveidošanas procesus un enerģija ekosistēmu bioloģiskajās saitēs.

Šodien var teikt, ka progresīvās kosmosa izpētes uzdevumi un programmas PSRS un ASV valsts līmenī tika noteikti līdz aptuveni 2000. gadam. Attiecībā uz nākamā gadsimta uzdevumiem zinātnieki joprojām runā prognožu veidā. Tādējādi 1984. gadā publicētā pētījuma rezultāti (kuru 1979. gadā veica Rand Corporation darbinieks, izmantojot aptauju, kurā piedalījās 15 vadošie eksperti Amerikas Savienotajās Valstīs un Lielbritānijā) atklāja ainu, kas atspoguļota šajā tabulā:

Gadi	Skatuves saturs
2020 –2030	Mēness un kosmosa kolonizācija ar lielu cilvēku (vairāk nekā 1000 cilvēku) kontingentu palīdzību.
2020 – 2071	Mākslīgā cilvēka intelekta attīstība.
2024 – 2037	Pirmais pilotētais lidojums uz Jupiteru.
2030 – 2050	Lidojumi Saules sistēmā, izmantojot Saules sistēmas dabas resursus, ieskaitot Mēnesi.
2045 – 2060	Pirmais bezpilota zondes lidojums ārpus Saules sistēmas.
2045 – 2070	Pirmais pilotētais lidojums līdz Saules sistēmas robežām.
2050 – 2100	Kontaktu nodibināšana ar ārpuszemes inteliģenci.

Pazīstamais amerikāņu fiziķis J. O "Nīls, risinot cilvēces nākotnes kosmosa apmetņu problēmas, publicēja savu prognozi 1974. gadā, kurā 1988. gadā bija paredzēts strādāt kosmosā 10 tūkstošiem cilvēku. Šī prognoze nepiepildījās, taču šodien daudzi eksperti tiek uzskatīts, ka līdz 1990. gadam 50-100 cilvēki nepārtraukti strādās kosmosā.

Pazīstamais speciālists doktors Putkamers (Vācija) uzskata, ka laika posmu no 1990. līdz 2000. gadam raksturos zemes tuvumā esošās telpas kolonizācijas sākums, un pēc 2000. gada būtu jānodrošina kosmosa iedzīvotāju autonomija un jāizveido ekoloģiski slēgta biotopu sistēma.

Aprēķini rāda, ka, palielinoties cilvēka uzturēšanās laikam kosmosā (līdz pat vairākiem gadiem), palielinoties apkalpes skaitam un palielinoties kosmosa kuģa attālumam no Zemes, ir nepieciešams veikt bioloģisko palīgmateriālu un galvenokārt pārtikas atjaunošanu tieši uz kosmosa kuģa. Tajā pašā laikā par labu bioloģiskajai LSS liecina ne tikai tehniskie un ekonomiskie (masas-enerģijas), bet arī ne mazāk svarīgi rādītāji par cilvēka bioloģisko ticamību kā noteicošo saiti mākslīgā kosmosa ekosistēmā. Ļaujiet mums sīkāk izskaidrot pēdējo.

Ir virkne pētītu (un līdz šim neizpētītu) cilvēka ķermeņa saistību ar dzīvo dabu, bez kuriem nav iespējama tā veiksmīgā ilgtermiņa dzīve. Tie ietver, piemēram, tā dabiskās trofiskās saites, kuras nevar pilnībā aizstāt ar pārtiku no kuģī uzglabātajām rezervēm. Tātad, daži vitamīni, kas cilvēkam nepieciešami bez grūtībām (pārtikas karotinoīdi, askorbīnskābe utt.), Uzglabāšanas laikā ir nestabili: sauszemes apstākļos, piemēram, C un P vitamīnu derīguma termiņš ir 5-6 mēneši. Kosmosa apstākļu ietekmē laika gaitā notiek vitamīnu ķīmiskā pārstrukturēšana, kā rezultātā viņi zaudē fizioloģisko aktivitāti. Šī iemesla dēļ tie ir vai nu pastāvīgi jāpavairo bioloģiski (svaigas pārtikas veidā, piemēram, dārzeņu veidā), vai arī regulāri jāpiegādā no Zemes, kā tas notika, veicot rekordlielu ikgadējo kosmosa lidojumu Mir stacijā. Turklāt biomedicīnas pētījumi ir parādījuši, ka kosmosa lidojuma apstākļos astronauti prasa vairāk vitamīnu. Tādējādi lidojumu laikā saskaņā ar Skylab programmu astronautu B vitamīnu un C vitamīna (askorbīnskābes) patēriņš palielinājās aptuveni 10 reizes, A vitamīna (axeroftol) - 2 reizes, D vitamīna (kalciferola) - nedaudz vairāk nekā Zemes normas. Tagad ir arī noskaidrots, ka bioloģiskas izcelsmes vitamīniem ir skaidras priekšrocības salīdzinājumā ar attīrītiem šo pašu vitamīnu preparātiem, kas iegūti ar ķīmiskiem līdzekļiem. Tas ir saistīts ar faktu, ka biomasas sastāvā vitamīni ir kombinācijā ar vairākām citām vielām, ieskaitot stimulatorus, un, tos ēdot, tie efektīvāk ietekmē dzīvā organisma metabolismu.

Ir zināms, ka dabīgā augu pārtika satur visas augu olbaltumvielas (aminoskābes), lipīdus (neaizstājamās taukskābes), visu ūdenī šķīstošo un daļēji taukos šķīstošo vitamīnu, ogļhidrātu, bioloģiski aktīvo vielu un šķiedrvielu kompleksu. Šo pārtikas sastāvdaļu loma metabolismā ir milzīga (V.I. Yazdovsky, 1988). Dabiski, ka esošais kosmosa devu sagatavošanas process, kas paredz stingrus apstrādes režīmus (mehāniskos, termiskos, ķīmiskos), var nemazināt dažu svarīgu pārtikas sastāvdaļu efektivitāti cilvēka metabolismā.

Acīmredzot jāņem vērā arī kosmiskā radioaktīvā starojuma iespējamā kumulatīvā ietekme uz pārtikas produktiem, kas ilgu laiku glabājas uz kuģa.

Līdz ar to nepietiek ar vienu pārtikas kaloriju satura atbilstību noteiktajai normai, ir nepieciešams, lai astronauta ēdiens būtu pēc iespējas daudzveidīgāks un svaigāks.

Franču biologu atklājums par tīra ūdens spēju "iegaumēt" dažas bioloģiski aktīvo molekulu īpašības un pēc tam nodot šo informāciju dzīvajām šūnām, šķiet, sāk skaidrot senās tautas gudrības par "dzīvo" un "mirušo" ūdeni. Ja šis atklājums tiks apstiprināts, tad rodas ilgtermiņa kosmosa kuģu ūdens atjaunošanas pamatproblēma: vai ūdens, kas ir attīrīts vai iegūts ar fizikālām un ķīmiskām metodēm vairākos izolētos ciklos, spēj aizstāt bioloģiski aktīvo "dzīvo" ūdeni?

Var arī pieņemt, ka ilgstoša uzturēšanās izolētā kosmosa kuģa tilpumā ar mākslīgiem gāzveida biotopiem, kas iegūti ar ķīmiskiem līdzekļiem, nav vienaldzīga pret cilvēka ķermeni, kura visas paaudzes ir pastāvējušas biogēnas izcelsmes atmosfērā, kuras sastāvs ir daudzveidīgāks. Diez vai nejauši dzīvie organismi spēj atšķirt dažu ķīmisko elementu (ieskaitot stabilos skābekļa izotopus O 16, O 17, O 18) izotopus, kā arī noķert nelielu izotopu ķīmisko saišu stipruma atšķirību H 2 O, CO 2 un utt. Ir zināms, ka skābekļa atoma svars ir atkarīgs no tā rašanās avota: gaisa skābeklis ir nedaudz smagāks nekā skābeklis no ūdens. Dzīvie organismi "izjūt" šo atšķirību, lai gan kvantitatīvi to var noteikt tikai ar īpašiem instrumentiem, masu spektrometriem. Ilgstoša ķīmiski tīra skābekļa elpošana kosmosa lidojuma laikā var izraisīt oksidācijas procesu pastiprināšanos cilvēka ķermenī un patoloģiskas izmaiņas plaušu audos.

Jāatzīmē gaisa īpašā loma cilvēkiem, kuriem ir biogēna izcelsme un kuri ir bagātināti ar augu fitoncīdiem. Fitoncīdi ir bioloģiski aktīvas vielas, kuras pastāvīgi veido augi, kas iznīcina vai nomāc baktērijas, mikroskopiskās sēnes un vienšūņus. Fitoncīdu klātbūtne apkārtējā gaisā parasti ir izdevīga cilvēka ķermenim un liek gaisam justies svaigam. Piemēram, Skylab stacijas trešās amerikāņu apkalpes komandieris uzsvēra, ka viņa apkalpei patika elpot gaisā, kas bagātināts ar citronu fitoncīdiem.

Zināmos gadījumos, kad cilvēki tiek inficēti ar baktērijām, kas apmetas gaisa kondicionieros ("leģionāru slimība"), fitoncīdi būtu spēcīgs dezinfekcijas līdzeklis, un saistībā ar gaisa kondicionēšanas sistēmām slēgtās ekosistēmās viņi varētu šo iespēju novērst. Kā parādīja M. T. Dmitrijeva pētījumi, fitoncīdi var darboties ne tikai tieši, bet arī netieši, palielinot gaisa baktericīdo spēju un palielinot gaismas negatīvo jonu saturu, kas labvēlīgi ietekmē cilvēka ķermeni. Tādējādi gaisā tiek samazināts nevēlamo smago pozitīvo jonu skaits. Fitoncīdi, kas ir sava veida augu aizsargfunkcijas nesēji no apkārtējās vides mikrofloras, ne tikai tiek izlaisti gaisā, kas ap augu, bet arī atrodas pašu augu biomasā. Ar fitoncīdiem bagātākie ir ķiploki, sīpoli, sinepes un daudzi citi augi. Ēdot tos pārtikai, cilvēks veic nemanāmu, bet ļoti efektīvu cīņu pret infekciozo mikrofloru, kas nonāk ķermenī.

Runājot par bioloģisko saišu nozīmi mākslīgajā kosmosa ekosistēmā cilvēkiem, nevar nepamanīt augsto augu īpašo pozitīvo lomu kā faktoru, kas samazina astronautu emocionālo spriedzi un uzlabo psiholoģisko komfortu. Visi astronauti, kuriem kosmosa stacijās bija jāveic eksperimenti ar augstākiem augiem, vērtējumos bija vienprātīgi. Tātad, L. Popovs un V. Ryumins uz orbitālās stacijas Salyut-6 labprāt rūpējās par augiem eksperimentālajās siltumnīcās "Malakhit" (interjera vitrāžu siltumnīca ar tropiskām orhidejām) un "Oasis" (eksperimentālā siltumnīca ar dārzeņu un vitamīnu kultūrām). Viņi apūdeņoja, uzraudzīja augu augšanu un attīstību, veica profilaktiskas pārbaudes un strādāja ar siltumnīcu tehnisko daļu un retos relaksācijas brīžos vienkārši apbrīnoja orhideju dzīvo interjeru. “Mums ir paticis daudz bioloģisko pētījumu. Piemēram, mums bija malahītu instalācija ar orhidejām, un, kad mēs to nosūtījām uz Zemi, mēs jutām kaut kādus zaudējumus, stacija kļuva mazāk ērta. " To pēc piezemēšanās teica L. Popovs. "Darbs ar malahītiem kosmosa kompleksā vienmēr ir sagādājis mums īpašu gandarījumu," piebilda V. Ryumins L. Popovai.

1985. gada 14. oktobra preses konferencē, kas veltīta kosmonautu V. Džiņibekova un G. Grečko orbītā veiktā darba rezultātiem uz orbitālās stacijas Salyut-7, lidojumu inženieris (G. Grečko) sacīja: “Visām dzīvajām būtnēm, katram asnam attieksme pret kosmosu ir īpaša, uzmanīga: viņi atgādina par Zemi, viņi uzmundrina ”.

Tādējādi astronautiem augstāki augi ir vajadzīgi ne tikai kā saite mākslīgā ekoloģiskā sistēmā vai kā zinātnisku pētījumu objekts, bet arī kā pazīstamās sauszemes vides estētiskais elements, dzīvs astronauta pavadonis viņa garajā, grūtajā un intensīvajā misijā. Un vai ne šī estētiskā puse un siltumnīcas psiholoģiskā loma uz kosmosa kuģa bija tā, ko S. P. Koroļevs domāja, gatavojoties gaidāmajiem kosmosa lidojumiem, kā citu jautājumu viņš formulēja šādu jautājumu: “Kas jums var būt uz smagā starpplanētu kosmosa kuģa vai smagas orbītas stacija (vai siltumnīcā) dekoratīvo augu, kam nepieciešamas minimālas izmaksas un uzturēšana? " Un pirmā atbilde uz šo jautājumu jau ir saņemta šodien: tās ir tropiskās orhidejas, kurām, šķiet, patīk kosmiskās stacijas atmosfēra.

Apspriežot ilgtermiņa kosmosa lidojumu uzticamības un drošības nodrošināšanas problēmu, akadēmiķis O. G. Gazenko un citi (1987) pamatoti norāda, ka “dažreiz neapzināta garīga vajadzība pēc saskares ar savvaļas dzīvniekiem kļūst par reālu spēku, ko atbalsta stingri zinātniski fakti, kas norāda uz ekonomisko efektivitāti un mākslīgo biosfēru maksimālās tuvināšanas dabiskajai videi, kas audzināja cilvēci, tehniskā iespējamība. No šī viedokļa stratēģiskais virziens bioloģiskās LSS izveidošanai, šķiet, ir ļoti pareizs ”. Un tālāk: “Mēģinājumi izolēt cilvēku no dabas ir ārkārtīgi neekonomiski. Bioloģiskās sistēmas ir labākas par visām citām, lai nodrošinātu vielu apriti lielās kosmosa apmetnēs. "

Viena no bioloģisko sistēmu būtiskajām priekšrocībām salīdzinājumā ar nebioloģiskajām ir to stabilas darbības potenciāls ar minimālu vadības un vadības funkciju apjomu (E. Ya. Shepelev, 1975). Šī priekšrocība ir saistīta ar dzīvo sistēmu, kas pastāvīgi mijiedarbojas ar vidi, dabisko spēju izlabot izdzīvošanas procesus visos bioloģiskajos līmeņos - sākot no viena organisma vienas šūnas līdz pat populācijām un biogeocenozēm - neatkarīgi no tā, cik lielā mērā cilvēks šos procesus katrā brīdī saprot un kāda ir viņa spēja vai nespēja (vai drīzāk, viņa gatavība) veikt nepieciešamās korekcijas vielu aprites procesā mākslīgā ekosistēmā.

Mākslīgo kosmosa ekosistēmu sarežģītības pakāpe var būt atšķirīga: sākot no vienkāršākajām rezervātu sistēmām, sistēmām ar vielu fizikāli ķīmisko reģenerāciju un atsevišķu bioloģisko saišu izmantošanai ar sistēmām ar gandrīz slēgtu vielu bioloģisko ciklu. Bioloģisko saišu un trofisko ķēžu skaits, kā arī indivīdu skaits katrā saitē, kā jau minēts, ir atkarīgs no kosmosa kuģa mērķa un tehniskajām īpašībām.

Mākslīgās kosmosa ekosistēmas efektivitāti un galvenos parametrus, ieskaitot bioloģiskās saites, var iepriekš noteikt un aprēķināt, pamatojoties uz vielu bioloģiskās aprites dabā kvantitatīvo analīzi un vietējo dabisko ekosistēmu energoefektivitātes novērtējumu. Nākamā sadaļa ir veltīta šim jautājumam.

VIELU RELE BIOLOĢISKĀS APKĀRTĀ

Slēgta ekoloģiskā sistēma, kas izveidota, pamatojoties uz bioloģiskām saitēm, jāuzskata par ideālu LSS turpmākajām lielajām kosmosa apmetnēm. Šādu sistēmu izveide joprojām ir aprēķinu, teorētisko konstrukciju un zemes testēšanas stadijā, lai mijiedarbotos ar atsevišķām bioloģiskām saitēm ar testa komandu.

Eksperimentālās biotehniskās LSS pārbaudes galvenais mērķis ir panākt stabilu praktiski slēgtu vielu ciklu ekosistēmā ar apkalpi un mākslīgi izveidotas biocenozes relatīvi neatkarīgu pastāvēšanu ilgtermiņa dinamiskā līdzsvara režīmā, kas balstīts galvenokārt uz iekšējās kontroles mehānismiem. Tāpēc, lai visefektīvākos no tiem izmantotu biotehniskajā LSS, ir nepieciešams rūpīgi izpētīt Zemes biosfērā esošo vielu bioloģiskās aprites procesus.

Bioloģiskais cikls dabā ir apļveida vielu un ķīmisko elementu stafete (cirkulācija) starp augsni, augiem, dzīvniekiem un mikroorganismiem. Tās būtība ir šāda. Augi (autotrofiski organismi) no atmosfēras absorbē nabadzīgas enerģijas nabadzīgas minerālvielas un oglekļa dioksīdu. Šīs vielas ir iekļautas augu organismu organiskās biomasas sastāvā, kurai ir liels enerģijas daudzums, kas iegūts, pārvēršot saules starojuma enerģiju fotosintēzes procesā. Augu biomasa tiek pārveidota ar dzīvnieku un cilvēku (heterotrofiem organismiem) pārtikas ķēdēm, izmantojot dažas no šīm vielām un enerģiju pašu augšanai, attīstībai un reprodukcijai. Iznīcinošie organismi (iznīcinātāji vai sadalītāji), ieskaitot baktērijas, sēnītes, vienšūņus un organismus, kas barojas ar mirušām organiskām vielām, atkritumus mineralizē. Visbeidzot, vielas un ķīmiskie elementi tiek atgriezti augsnē, atmosfērā vai ūdens vidē. Rezultātā notiek daudzciklu vielu un ķīmisko elementu migrācija caur sazaroto dzīvo organismu ķēdi. Šī migrācija, ko nepārtraukti atbalsta Saules enerģija, veido bioloģisko ciklu.

Atsevišķu vispārējā bioloģiskā cikla ciklu reprodukcijas pakāpe sasniedz 90 - 98%, tāpēc par tā pilnīgu izolāciju var runāt tikai nosacīti. Galvenie biosfēras cikli ir oglekļa, slāpekļa, skābekļa, fosfora, sēra un citu biogēno elementu cikli.

Dabiskajā bioloģiskajā ciklā ir iesaistītas gan dzīvās, gan nedzīvās vielas.

Dzīvā viela ir biogēna, jo tā veidojas, tikai pavairojot uz Zemes jau esošos dzīvos organismus. Nedzīvā viela, kas atrodas biosfērā, var būt gan biogēnas izcelsmes (nokritusi miza un koku lapas, augļi, kas nogatavojušies un atdalīti no auga, posmkāju hitīna integritāti, dzīvnieku ragi, dzīvnieku zobi un mati, putnu spalvas, dzīvnieku ekskrementi uc), kā arī abiogēni. (aktīvo vulkānu emisiju produkti, gāzes, kas izdalās no zemes iekšienes).

Planētas dzīvā viela pēc masas veido nenozīmīgu biosfēras daļu: visa Zemes biomasa sausā masā ir tikai simt tūkstošdaļa no zemes garozas masas (2 × 10 19 tonnas). Tomēr tieši dzīvajai matērijai ir izšķiroša loma zemes garozas "kultūras" slāņa veidošanā, plaša mēroga vielu un ķīmisko elementu stafetes skrējienā starp milzīgu skaitu dzīvo organismu. Tas ir saistīts ar vairākām dzīvās vielas īpašajām iezīmēm.

Metabolisms (vielmaiņa). Metabolisms dzīvā organismā ir visu matērijas un enerģijas pārveidojumu kopums bioķīmisko reakciju procesā, kas nepārtraukti notiek organismā.

Nepārtraukta vielu apmaiņa starp dzīvo organismu un tā vidi ir vissvarīgākā dzīves iezīme.

Galvenie ķermeņa metabolisma rādītāji ar ārējo vidi ir nabadzības daudzums, sastāvs un kaloriju saturs, dzīvā organisma patērētā ūdens un skābekļa daudzums, kā arī pakāpe, kādā organisms izmanto šīs vielas un nabadzības enerģiju. Metabolisma pamatā ir asimilācijas (vielu pārveidošana, kas nonāk ķermenī no ārpuses) un disimilācijas (organisko vielu sadalīšanās, ko izraisa nepieciešamība atbrīvot enerģiju ķermeņa vitālajai aktivitātei) procesi.

Termodinamiskā nesabalansētā stabilitāte. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu (sākumu) darba veikšanai nepietiek tikai ar enerģijas klātbūtni, un ir nepieciešama arī potenciālās starpības vai enerģijas līmeņu klātbūtne. Jebkuras enerģijas sistēmas potenciālās starpības "zuduma" mērs un attiecīgi šīs sistēmas darba spēju zuduma mērs ir entropija.

Nedzīvā dabā notiekošajos procesos darba veikšana izraisa sistēmas entropijas palielināšanos. Tātad siltuma pārnešanai procesa virziens unikāli nosaka otro termodinamikas likumu: no vairāk sakarsēta ķermeņa uz mazāk sasildītu. Sistēmā ar nulles temperatūras starpību (tajā pašā ķermeņu temperatūrā) tiek novērota maksimālā entropija.

Dzīvā viela, dzīvie organismi, atšķirībā no nedzīvās dabas, iebilst pret šo likumu. Nekad neesot līdzsvarā, viņi pastāvīgi strādā pret tās izveidi, kurai, šķiet, likumīgi vajadzētu būt atbilstībai esošajiem ārējiem apstākļiem. Dzīvie organismi pastāvīgi tērē enerģiju, lai uzturētu konkrētu dzīvās sistēmas stāvokli. Šī vissvarīgākā iezīme literatūrā ir pazīstama kā Bauera princips vai dzīves sistēmu stabilas līdzsvara trūkuma princips. Šis princips parāda, ka dzīvie organismi ir atvērtas nesabalansētas sistēmas, kas atšķiras no nedzīvām ar to, ka attīstās entropijas samazināšanās virzienā.

Šī iezīme ir raksturīga visai biosfērai kopumā, kas ir arī līdzsvara nedinamiska dinamiskā sistēma. Sistēmas dzīvā viela ir milzīgas potenciālās enerģijas nesējs,

Spēja pašaudzēt un augsta biomasas uzkrāšanās intensitāte. Dzīvo vielu raksturo pastāvīga vēlme palielināt savu indivīdu skaitu, vairoties. Dzīvā viela, arī cilvēki, mēdz aizpildīt visu mūžam pieņemamo vietu. Dzīvo organismu reprodukcijas intensitāte, to augšana un biomasas uzkrāšanās ir diezgan augsta. Dzīvo organismu reprodukcijas ātrums parasti ir apgriezti proporcionāls to lielumam. Dzīvo organismu lieluma dažādība ir vēl viena dzīvās dabas iezīme.

Augsts vielmaiņas reakciju līmenis dzīvajos organismos, kas ir trīs līdz četras pakāpes lielāks nekā nedzīvā dabā sastopamo reakciju ātrums, ir saistīts ar bioloģisko paātrinātāju - enzīmu - līdzdalību vielmaiņas procesos. Tomēr katras biomasas vienības pieaugumam vai enerģijas vienības uzkrāšanai dzīvam organismam sākotnējā masa jāapstrādā daudzumos, kas ir par vienu vai divām pakāpēm lielāki par uzkrāto.

Spēja daudzveidībai, atjaunošanai un evolūcijai. Biosfēras dzīvo vielu raksturo dažādi, ļoti īsi (kosmiskā mērogā) dzīves cikli. Dzīvo būtņu dzīves ilgums svārstās no vairākām stundām (vai pat minūtēm) līdz simtiem gadu. Dzīvībai svarīgās aktivitātes laikā organismi caur sevi iziet litosfēras, hidrosfēras un atmosfēras ķīmisko elementu atomus, tos sašķirojot un saistot ķīmiskos elementus konkrēta veida organisma biomasas vielu veidā. Turklāt pat organiskās pasaules bioķīmiskās vienotības un vienotības (visi mūsdienu dzīvie organismi pamatā ir olbaltumvielas) ietvaros dzīvo dabu izceļ milzīga morfoloģiskā daudzveidība un matērijas formu dažādība. Kopumā ir vairāk nekā 2 miljoni organisko savienojumu, kas veido dzīvo vielu. Salīdzinājumam ņemiet vērā, ka nedzīvo vielu dabisko savienojumu (minerālu) skaits ir tikai aptuveni 2 tūkstoši. Liela ir arī dzīvās dabas morfoloģiskā daudzveidība: augu valstībā uz Zemes ir gandrīz 500 tūkstoši sugu, bet dzīvniekiem - 1 miljons 500 tūkstoši.

Izveidotajam dzīvajam organismam viena dzīves cikla laikā ir ierobežotas adaptācijas spējas vides apstākļu izmaiņām. Tomēr salīdzinoši īss dzīvo organismu dzīves cikls veicina to pastāvīgu atjaunošanos no paaudzes paaudzē, nododot katras paaudzes uzkrāto informāciju, izmantojot ģenētisko iedzimto aparātu, un nākamo paaudzi ņemot vērā šo informāciju. No šī viedokļa vienas paaudzes organismu īsais dzīves ilgums ir cena, ko viņi maksā par sugas izdzīvošanu kopumā pastāvīgi mainīgajā vidē.

Evolūcijas process ir raksturīgs galvenokārt augstākiem organismiem.

Eksistences kolektivitāte.Dzīvā viela uz Zemes faktiski pastāv biocenozes veidā, nevis atsevišķas izolētas sugas (populācijas). Populāciju savstarpējā saistība ir saistīta ar to trofisko (pārtikas) atkarību viens no otra, bez kura pati šo sugu esamība nav iespējama.

Šīs ir galvenās dzīvās vielas kvalitatīvās īpašības, kas piedalās vielu biosfēras bioloģiskajā ciklā. Kvantitatīvā izteiksmē biomasas uzkrāšanās intensitāte biosfērā ir tāda, ka vidēji ik pēc astoņiem gadiem tiek atjaunota visa Zemes biosfēras dzīvā viela. Pabeidzot dzīves ciklu, organismi atgriež dabā visu, ko dzīves laikā no tās ir paņēmuši.

Biosfēras dzīvās vielas galvenās funkcijas, ko formulējis vietējais ģeologs A. V. Lapo (1979), ietver enerģētisko (biosintēze ar enerģijas uzkrāšanos un enerģijas pārveidošanu trofiskajās ķēdēs), koncentrāciju (vielas selektīva uzkrāšanās), destruktīvu (vielu mineralizācija un sagatavošana iesaistīšanai apritē). ), vidi veidojošās (vides fizikālo un ķīmisko parametru izmaiņas) un transporta (vielas pārnešana) funkcijas.

VAI EKOSISTĒMĀM IR EFEKTIVITĀTE?

Mēģināsim tagad atbildēt uz jautājumu: vai ir iespējams novērtēt vielu bioloģiskā cikla efektivitāti no cilvēka uztura vajadzību apmierināšanas viedokļa kā šī cikla galvenās trofiskās saites?

Aptuvenu atbildi uz šo jautājumu var iegūt, pamatojoties uz enerģijas pieeju bioloģiskās cirkulācijas procesu analīzei un enerģijas pārneses un dabisko ekosistēmu produktivitātes izpēti. Patiešām, ja cirkulācijas vielas tiek pakļautas nepārtrauktām kvalitatīvām izmaiņām, tad šo vielu enerģija nepazūd, bet tiek sadalīta ar virzītām plūsmām. Pārejot no viena bioloģiskā cikla trofiskā līmeņa uz otru, bioķīmiskā enerģija pamazām tiek pārveidota un izkliedēta. Vielas enerģijas transformācija trofiskos līmeņos nenotiek patvaļīgi, bet gan saskaņā ar zināmām likumsakarībām, un tāpēc to kontrolē īpaša biogeocenoze.

Jēdziens "biogeocenosis" ir līdzīgs jēdzienam "ekosistēma", tomēr pirmais veic stingrāku semantisko slodzi. Ja gandrīz jebkuru autonomi esošu dabisku vai mākslīgu biokompleksu sauc par ekosistēmu (skudru pūznis, akvārijs, purvs, nokaltuša koka stumbrs, mežs, ezers, okeāns, Zemes biosfēra, kosmosa kuģa kabīne utt.), Tad biogeocenoze, kas ir viens no ekosistēmas kvalitātes līmeņiem , to konkretizē obligātās augu sabiedrības (fitocenoze) robežas. Ekosistēma, tāpat kā jebkurš stabils dzīvo organismu kopums, kas mijiedarbojas savā starpā, ir kategorija, kas piemērojama jebkurai bioloģiskai sistēmai tikai virsorganismu līmenī, tas ir, atsevišķs organisms nevar būt ekosistēma.

Vielu bioloģiskā cirkulācija ir neatņemama sauszemes biogeocenozes sastāvdaļa. Kā daļa no specifiskām vietējām biogeocenozēm vielu bioloģiskais cikls ir iespējams, bet nav nepieciešams.

Enerģijas savienojumi vienmēr pavada trofiskos savienojumus biogeocenozē. Kopā tie veido jebkuras biogeocenozes pamatu. Kopumā var izšķirt piecus biogeocenozes trofiskos līmeņus (skatīt tabulu un 2. attēlu), caur kuriem visi tā komponenti tiek secīgi sadalīti pa ķēdi. Parasti biogeocenozēs veidojas vairākas šādas ķēdes, kas, atkārtoti sazarojoties un krustojoties, veido sarežģītas barības (trofiskās) sietas.

Trofiskais līmenis un pārtikas ķēdes biogeocenozē

Pirmā trofiskā līmeņa organismi - primārie ražotāji, saukti par autotrofiem (pašbarojošie), ieskaitot mikroorganismus un augstākus augus, veic organisko vielu sintēzes procesus no neorganiskām. Kā enerģijas avotu šī procesa īstenošanai autotrofi izmanto vai nu gaismas saules enerģiju (fototrofus), vai atsevišķu minerālu savienojumu (ķīmotrofu) oksidēšanās enerģiju. Sintēzei nepieciešamo fototrofisko oglekli iegūst no oglekļa dioksīda.

Parasti fotosintēzes procesu zaļajos augos (zemākos un augstākos) var raksturot kā šādu ķīmisko reakciju:

Galu galā no enerģētiski nabadzīgām neorganiskām vielām (oglekļa dioksīds, ūdens, minerālsāļi, mikroelementi) tiek sintezēta organiskā viela (galvenokārt ogļhidrāti), kas ir enerģijas nesējs, kas uzkrājas izveidotās vielas ķīmiskajās saitēs. Šajā reakcijā ir nepieciešams 673 kcal saules enerģijas, lai izveidotu vienu vielas grama molekulu (180 g glikozes).

Fotosintēzes efektivitāte ir tieši atkarīga no augu gaismas apstarošanas intensitātes. Vidēji izstarotās saules enerģijas daudzums uz Zemes virsmas ir aptuveni 130 W / m 2. Šajā gadījumā fotosintētiski aktīva ir tikai daļa no starojuma, kas atrodas viļņu garuma diapazonā no 0,38 līdz 0,71 mikroniem. Ievērojama radiācijas daļa, kas nokrīt uz augu lapas vai ūdens slāņa ar mikro aļģēm, bezjēdzīgi atspoguļojas vai iziet cauri lapai vai slānim, un absorbētais starojums galvenokārt tiek iztērēts ūdens iztvaikošanai augu transpirācijas laikā.

Tā rezultātā visa zemeslodes veģetācijas seguma fotosintēzes procesa vidējā energoefektivitāte ir aptuveni 0,3% no saules gaismas enerģijas, kas nonāk Zemes. Apstākļos, kas ir labvēlīgi zaļo augu augšanai, un ar cilvēku palīdzību atsevišķas augu plantācijas var saistīt gaismas enerģiju ar efektivitāti 5-10%.

Turpmāko trofisko līmeņu organismi (patērētāji), kas sastāv no heterotrofiem (dzīvnieku) organismiem, nodrošina to vitālo aktivitāti galu galā, pateicoties augu biomasai, kas uzkrāta pirmajā trofiskajā līmenī. Augu biomasā uzkrāto ķīmisko enerģiju var atbrīvot, pārveidot siltumā un izkliedēt vidē ogļhidrātu reversās kombinācijas ar skābekli procesā. Izmantojot augu biomasu kā pārtiku, dzīvnieki to oksidē, elpojot. Šajā gadījumā notiek fotosintēzei pretējs process, kurā pārtikas enerģija tiek atbrīvota un ar noteiktu efektivitāti tiek tērēta heterotrofiskā organisma augšanai un vitālajai aktivitātei.

Kvantitatīvā izteiksmē, runājot par biogeocenozi, augu biomasai vajadzētu "apsteigt" dzīvnieku biomasu, parasti vismaz ar divām lieluma pakāpēm. Tādējādi sauszemes dzīvnieku kopējā biomasa nepārsniedz 1-3% no tā augu biomasas.

Heterotrofā organisma enerģijas metabolisma intensitāte ir atkarīga no tā masas. Palielinoties organisma lielumam, vielmaiņas ātrums, kas aprēķināts uz svara vienību un izteikts absorbētā skābekļa daudzumā laika vienībā, ievērojami samazinās. Turklāt relatīvā miera stāvoklī (standarta apmaiņa) dzīvnieka vielmaiņas ātruma atkarība no tā masas, kurai ir funkcija y \u003d cirvis k (x - dzīvnieka svars, UN un k - koeficienti), izrādās taisnība gan vienas sugas organismiem, kas augšanas laikā maina to lielumu, gan dažāda svara dzīvniekiem, bet kas pārstāv noteiktu grupu vai klasi.

Tajā pašā laikā dažādu dzīvnieku grupu apmaiņas līmeņa rādītāji savā starpā jau ievērojami atšķiras. Šīs atšķirības ir īpaši būtiskas dzīvniekiem ar aktīvu vielmaiņu, kam raksturīgi enerģijas patēriņš muskuļu darbam, jo \u200b\u200bīpaši motoriskajām funkcijām.

Dzīvnieku organisma (jebkura līmeņa patērētāja) enerģijas bilanci uz noteiktu laika periodu parasti var izteikt ar šādu vienlīdzību:

E = E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 ,

kur E - pārtikas enerģija (kaloriju saturs) (kcal dienā), E 1 - vielmaiņas pamata enerģija, E 2 - ķermeņa enerģijas patēriņš, E 3 - "tīru" ķermeņa produktu enerģija, E 4 - neizmantoto pārtikas vielu enerģija, E 5 - ekskrementu un ķermeņa izdalījumu enerģija.

Pārtika ir vienīgais dzīvnieku un cilvēka organisma normālās enerģijas uzņemšanas avots, kas nodrošina tā vitālo aktivitāti. Jēdzienam "pārtika" ir atšķirīgs kvalitatīvs saturs dažādiem dzīvnieku organismiem, un tas ietver tikai tās vielas, kuras patērē un izmanto attiecīgais dzīvais organisms un. ir nepieciešami viņam.

Daudzums E cilvēkam vidēji dienā ir 2500 kcal. Bāzes vielmaiņas enerģija E 1 apzīmē vielmaiņas enerģiju pilnīgā ķermeņa atpūtas stāvoklī un bez gremošanas procesiem. Tas tiek tērēts dzīvības uzturēšanai organismā, ir ķermeņa virsmas lieluma funkcija un tiek pārveidots siltumā, ko ķermenis piešķir videi. Kvantitatīvie rādītāji E 1 parasti izsaka īpašās vienībās uz 1 kg masas vai 1 m 2 ķermeņa virsmas. Tātad, personai E 1 ir 32,1 kcal dienā uz 1 kg svara. Uz virsmas vienību - daudzumi E 1 dažādu organismu (zīdītāju) praktiski nav vienāds.

Komponents E 2 ietver ķermeņa enerģijas patēriņu siltuma regulēšanai, kad mainās apkārtējā temperatūra, kā arī dažādām ķermeņa aktivitātēm un darbiem: pārtikas košļāšanai, sagremošanai un asimilācijai, muskuļu darbam, kad ķermenis pārvietojas utt. E 2 būtiski ietekmē apkārtējā temperatūra. Kad temperatūra paaugstinās un nokrītas no ķermeņa optimālā līmeņa, tās regulēšanai nepieciešamas papildu enerģijas izmaksas. Pastāvīgas ķermeņa temperatūras regulēšanas process ir īpaši attīstīts siltasiņu dzīvniekiem un cilvēkiem.

Komponents E 3 ietver divas daļas: paša organisma biomasas (vai populācijas) augšanas enerģiju un papildu ražošanas enerģiju.

Pašas biomasas palielināšanās parasti notiek jaunā augošā organismā, kas nepārtraukti pieņemas svarā, kā arī organismā, kas veido rezerves barības vielas. Šī komponenta daļa E 3 var būt nulle, kā arī ņemt negatīvas vērtības, ja trūkst pārtikas (ķermenis zaudē svaru).

Papildu produktu enerģiju satur vielas, ko organisms ražo reprodukcijai, pasargājot no ienaidniekiem utt.

Katrs cilvēks aprobežojas ar minimālo produktu daudzumu, kas radīts viņa dzīves laikā. Par salīdzinoši augstu otrreizējās ražošanas līmeni var uzskatīt 10-15% (no patērētās barības), kas raksturīgi, piemēram, siseņiem. Tas pats rādītājs zīdītājiem, kas termoregulācijai tērē ievērojamu enerģijas daudzumu, ir 1 - 2% līmenī.

Komponents E 4 ir enerģija, kas atrodas pārtikas vielās, kuras organisms neizmantoja un kuras viena vai otra iemesla dēļ nenonāca ķermenī.

Enerģija E 5, kas atrodas ķermeņa sekrēcijās nepilnīgas pārtikas sagremojamības un asimilācijas rezultātā, veido no 30-60% no patērētās pārtikas (lielajos nagaiņos) līdz 1-20% (grauzējiem).

Dzīvnieku organisma enerģijas pārveidošanas efektivitāti kvantitatīvi nosaka tīras (otrreizējās) produkcijas attiecība pret kopējo patērētās pārtikas daudzumu vai neto produkcijas attiecība pret asimilētās pārtikas daudzumu. Pārtikas ķēdē katras trofiskās saites (līmeņa) efektivitāte (efektivitāte) vidēji ir aptuveni 10%. Tas nozīmē, ka katrā nākamajā pārtikas mērķa trofiskajā līmenī tiek veidoti produkti, kas pēc kaloriju vērtības (vai masas izteiksmē) nepārsniedz 10% no iepriekšējā enerģijas daudzuma. Izmantojot šādus rādītājus, primārās saules enerģijas izmantošanas efektivitāte četru līmeņu ekosistēmas pārtikas ķēdē būs neliela procentu daļa: vidēji tikai 0,001%.

Neskatoties uz šķietami zemo produktu reproducēšanas kopējās efektivitātes vērtību, Zemes galvenā populācija pilnībā nodrošina sev līdzsvarotu pārtikas devu ne tikai uz primāro, bet arī sekundāro ražotāju rēķina. Kas attiecas uz dzīvo organismu atsevišķi, pārtikas (enerģijas) izmantošanas efektivitāte dažās no tām ir diezgan augsta un pārsniedz daudzu tehnisko līdzekļu efektivitātes rādītājus. Piemēram, cūka pārvērš 20% no pārtikas patērētās enerģijas augstas kaloritātes gaļā.

Ekoloģijā ir pieņemts novērtēt patērētājiem ar pārtiku piegādātās enerģijas izmantošanas efektivitāti, izmantojot ekoloģiskās enerģijas piramīdas. Šādu piramīdu būtība slēpjas pārtikas ķēdes saišu vizuālā attēlojumā pakārtota taisnstūru izvietojuma veidā viens virs otra, kuru garums vai laukums atbilst attiecīgā trofiskā līmeņa enerģijas ekvivalentam laika vienībā. Pārtikas ķēžu raksturošanai tiek izmantotas arī skaitļu piramīdas (taisnstūra laukumi atbilst indivīdu skaitam katrā pārtikas aprites līmenī) un biomasas piramīdas (tas pats attiecībā uz organismu kopējās biomasas daudzumu katrā līmenī).

Tomēr enerģijas piramīda sniedz vispilnīgāko priekšstatu par bioloģisko kopienu funkcionālo organizāciju noteiktā pārtikas ķēdē, jo tā ļauj ņemt vērā pārtikas biomasas pārejas dinamiku šajā ķēdē.

MĀKSLĪGĀS UN DABISKĀS BIOSFĒRISKĀS EKOSISTĒMAS: LĪDZĪBA UN ATŠĶIRĪBAS

KE Ciolkovskis bija pirmais, kurš ierosināja kosmosa raķetē izveidot slēgtu visu to cilvēku aprites sistēmu, kas nepieciešama apkalpes dzīvībai, tas ir, slēgtu ekosistēmu. Viņš uzskatīja, ka kosmosa kuģī miniatūrā būtu jāatveido visi galvenie vielu transformācijas procesi, kas tiek veikti Zemes biosfērā. Tomēr gandrīz pusgadsimtu šis priekšlikums pastāvēja kā zinātniskās fantastikas hipotēze.

ASV, PSRS un dažās citās valstīs 50. gadu beigās - 60. gadu sākumā strauji attīstījās praktisks darbs pie mākslīgu kosmosa ekosistēmu izveidošanas, pamatojoties uz vielu bioloģiskās aprites procesiem. Nav šaubu, ka to veicināja astronautikas panākumi, kas kosmosa izpētes laikmetu atklāja ar pirmā mākslīgā Zemes pavadoņa palaišanu 1957. gadā.

Turpmākajos gados, šiem darbiem paplašinoties un padziļinoties, lielākā daļa pētnieku spēja pārliecināt sevi, ka radītā problēma izrādījās daudz sarežģītāka, nekā sākotnēji tika pieņemts. Tas prasīja veikt ne tikai zemes, bet arī kosmosa izpēti, kas, savukārt, prasīja ievērojamas materiālās un finansiālās izmaksas, un to ierobežoja lielu kosmosa kuģu vai pētījumu staciju trūkums. Neskatoties uz to, PSRS šajā periodā tika izveidoti atsevišķi ekosistēmu sauszemes eksperimentālie paraugi, iekļaujot dažas bioloģiskās saites un cilvēkus pašreizējā šo sistēmu vielu aprites ciklā. Tika veikts arī zinātnisko pētījumu komplekss, lai izstrādātu tehnoloģijas bioloģisko objektu kultivēšanai nulles gravitācijā uz kosmosa satelītiem, kuģiem un stacijām: "Kosmos-92", "Kosmos-605", "Kosmos-782", "Kosmos-936", "Salyut-6" Pētījuma rezultāti ļauj šodien formulēt dažus noteikumus, kas tiek ņemti par pamatu nākotnes slēgto kosmosa ekosistēmu un bioloģiskās dzīvības atbalsta sistēmu būvniecībai astronautiem.

Tātad, kas ir kopīgs lielām mākslīgās kosmosa ekosistēmām un dabiskajai biosfērai. ekosistēmas? Pirmkārt, tā ir viņu relatīvā izolācija, viņu galvenie varoņi ir cilvēks un citas dzīvās bioloģiskās saites, vielu bioloģiskā cirkulācija un nepieciešamība pēc enerģijas avota.

Slēgtas ekoloģiskās sistēmas ir sistēmas ar organizētu elementu ciklu, kurā vielas, kuras tiek izmantotas noteiktā ātrumā dažu saišu bioloģiskai apmaiņai, tiek atjaunotas ar tādu pašu vidējo ātrumu no to apmaiņas galaproduktiem līdz sākotnējam stāvoklim ar citām saitēm un tiek atkal izmantotas tajos pašos bioloģiskās apmaiņas ciklos (Gitelzon et al., 1975).

Tajā pašā laikā ekosistēma var palikt slēgta pat tad, ja nav sasniegts pilnīgs vielu cikls, neatgriezeniski patērējot daļu vielu no iepriekš izveidotajām rezervēm.

Dabiskā zemes ekosistēma pēc būtības ir praktiski slēgta, jo cirkulācijas ciklos piedalās tikai sauszemes vielas un ķīmiskie elementi (kosmiskās vielas daļa, kas gadā nokrīt uz Zemes, nepārsniedz 2 ∙ 10-14 procentus no Zemes masas). Zemes vielu un elementu līdzdalības pakāpe daudzkārt atkārtotajos sauszemes cikla ķīmiskajos ciklos ir diezgan liela un, kā jau tika atzīmēts, nodrošina atsevišķu ciklu atveidošanu par 90 - 98%.

Mākslīgā slēgtā ekosistēmā nav iespējams atkārtot visus dažādos procesus zemes biosfērā. Tomēr uz to nevajadzētu tiekties, jo biosfēra kopumā nevar kalpot kā ideāls mākslīgai slēgtai ekosistēmai ar cilvēku, kuras pamatā ir vielu bioloģiskais cikls. Ir vairākas fundamentālas atšķirības, kas raksturo vielu bioloģisko apriti, kas mākslīgi izveidotas ierobežotā, ierobežotā telpā cilvēka dzīves atbalstam.

Kādas ir šīs galvenās atšķirības?

Vielu mākslīgā bioloģiskā cikla mērogu kā līdzekli cilvēka dzīves nodrošināšanai ierobežotā slēgtā telpā nevar salīdzināt ar zemes bioloģiskā cikla mērogu, lai gan pamatlikumus, kas nosaka procesu norisi un efektivitāti tās individuālajās bioloģiskajās saitēs, var izmantot, lai raksturotu šādas saites mākslīgā ekosistēmā. Zemes biosfērā dalībnieki ir gandrīz 500 tūkstoši augu sugu un 1,5 miljoni dzīvnieku sugu, kas noteiktos kritiskos apstākļos (piemēram, sugas vai populācijas nāvē) spēj aizstāt viens otru, saglabājot biosfēras stabilitāti. Mākslīgā ekosistēmā sugu reprezentativitāte un īpatņu skaits ir ļoti ierobežots, kas strauji palielina katra mākslīgā ekosistēmā iekļautā dzīvā organisma “atbildību” un izvirza paaugstinātas prasības tā bioloģiskajai stabilitātei ekstremālos apstākļos.

Zemes biosfērā vielu un ķīmisko elementu cikls ir balstīts uz milzīgu skaitu dažādu, laikā un telpā nesaskaņotu, neatkarīgu un šķērsojošu ciklu, no kuriem katrs tiek veikts raksturīgajā ātrumā. Mākslīgā ekosistēmā šādu ciklu skaits ir ierobežots, katra cikla loma vielu apritē; palielinās daudzas reizes, un ir stingri jāuztur sistēmā norunātie procesu ātrumi kā nepieciešamais nosacījums bioloģiskās LSS stabilai darbībai.

Strupceļa procesu klātbūtne biosfērā būtiski neietekmē dabisko vielu apriti, jo uz Zemes joprojām ir ievērojamas vielu rezerves, kuras vispirms ir iesaistītas ciklā. Turklāt vielu masa strupceļā ir neizmērojami mazāka par Zemes bufera jaudu. Mākslīgajā kosmosā LSS vienmēr pastāvošie vispārējie masas, tilpuma un enerģijas patēriņa ierobežojumi nosaka attiecīgus ierobežojumus bioloģiskās LSS ciklā iesaistīto vielu masai. Jebkura strupceļa procesa klātbūtne vai veidošanās šajā gadījumā ievērojami samazina visas sistēmas efektivitāti, samazina tās slēgšanas ātrumu, prasa atbilstošu kompensāciju no sākotnējo vielu krājumiem un līdz ar to šo krājumu palielināšanu sistēmā.

Vielu bioloģiskā cikla vissvarīgākā iezīme aplūkotajās mākslīgajās ekosistēmās ir cilvēka noteicošā loma vielu cikla kvalitatīvajās un kvantitatīvajās īpašībās. Cikls šajā gadījumā galu galā tiek veikts, lai apmierinātu personas (apkalpes) vajadzības, kas ir galvenā braukšanas saite. Pārējie bioloģiskie objekti ir cilvēka vides uzturēšanas funkciju izpildītāji. Pamatojoties uz to, katra bioloģiskā suga mākslīgā ekosistēmā rada optimālākos apstākļus pastāvēšanai, lai sasniegtu sugas maksimālo produktivitāti. Zemes biosfērā biosintēzes procesu intensitāti galvenokārt nosaka saules enerģijas pieplūdums noteiktā reģionā. Vairumā gadījumu šīs iespējas ir ierobežotas: Saules starojuma intensitāte uz Zemes virsmas ir apmēram 10 reizes mazāka nekā ārpus Zemes atmosfēras. Turklāt katram dzīvajam organismam, lai izdzīvotu un attīstītos, pastāvīgi jāpielāgojas dzīves apstākļiem, jārūpējas par pārtikas atrašanu, tam tērējot ievērojamu daļu savas vitālās enerģijas. Tāpēc biosintēzes intensitāti Zemes biosfērā nevar uzskatīt par optimālu no bioloģiskās LSS galvenās funkcijas - cilvēka uztura vajadzību apmierināšanas - viedokļa.

Atšķirībā no Zemes biosfēras, mākslīgās ekosistēmas izslēdz liela mēroga abiotiskos procesus un faktorus, kuriem ir ievērojama, bet bieži akla loma biosfēras un tās elementu veidošanā (laika un klimatiskās ietekmes, noplicinātās augsnes un neizmantojamās teritorijas, ūdens ķīmiskās īpašības utt.).

Šīs un citas atšķirības veicina ievērojami lielāku matērijas transformācijas efektivitāti mākslīgajās ekosistēmās, lielāku cikla ciklu realizācijas ātrumu un augstākas cilvēka bioloģiskās dzīvības atbalsta sistēmas efektivitātes vērtības.

PAR BIOLOĢISKĀS DZĪVES ATBALSTA SISTĒMĀM

Bioloģiskais LSS ir mākslīgi veidots īpaši atlasīti, savstarpēji saistīti un savstarpēji atkarīgi bioloģiski objekti (mikroorganismi, augstāki augi, dzīvnieki), patērējamas vielas un tehniski līdzekļi, kas slēgtā slēgtā telpā nodrošina cilvēka fizioloģiskās pamatvajadzības pēc pārtikas, ūdens un skābekļa, galvenokārt balstoties uz ilgtspējīgu bioloģisko vielu apriti.

Nepieciešamā dzīvo organismu (bioloģisko objektu) un tehnisko līdzekļu kombinācija bioloģiskajā LSS ļauj šīs sistēmas saukt arī par biotehniskām. Tajā pašā laikā par tehniskajiem līdzekļiem saprot apakšsistēmas, blokus un ierīces, kas nodrošina nepieciešamos apstākļus biokompleksā iekļauto bioloģisko objektu normālai dzīvei (gāzes vides sastāvs, spiediens, temperatūra un mitrums, dzīvojamās telpas apgaismojums, sanitāri higiēniskie ūdens kvalitātes rādītāji, operatīvā savākšana, apstrāde atkritumu iznīcināšana utt.). Galvenie bioloģiskās LSS tehniskie līdzekļi ietver enerģijas piegādes un enerģijas pārvēršanas gaismā apakšsistēmas, atmosfēras gāzes sastāva regulēšanu un uzturēšanu slēgtā telpā, siltuma kontroli, kosmosa siltumnīcas blokus, virtuvi un ūdens un gaisa fizikāli ķīmiskās reģenerācijas līdzekļus, ierīces apstrādei, transportēšanai un mineralizācijai. atkritumus citiem. Vielu procesu atjaunošanai sistēmā var efektīvi veikt arī ar fizikāli ķīmiskajām metodēm (skat. 52. lpp.).

Bioloģiskie objekti LSS kopā ar cilvēkiem veido biokompleksu. Biokompleksā iekļauto dzīvo organismu suga un skaits tiek noteikts tā, lai visā noteiktajā periodā tas varētu nodrošināt stabilu, līdzsvarotu un kontrolētu vielu apmaiņu starp biokompleksa apkalpi un dzīvajiem organismiem. Biokompleksa lielums (mērogs) un biokompleksā sastopamo dzīvo organismu sugu skaits ir atkarīgs no vajadzīgās produktivitātes, LSS slēgšanas pakāpes un tiek noteikts saistībā ar kosmosa struktūras īpašajām tehniskajām un enerģētiskajām iespējām, tās darbības ilgumu un apkalpes locekļu skaitu. Dzīvo organismu izvēles principus biokompleksa sastāvā var aizņemties no dabisko sauszemes kopienu un kontrolēto biogeocenozu ekoloģijas, pamatojoties uz izveidotajām bioloģisko objektu trofiskajām attiecībām.

Bioloģisko sugu izvēle bioloģisko LSS trofisko ciklu veidošanai ir visgrūtākais uzdevums.

Katram bioloģiskajam objektam, kas piedalās bioloģiskajā LSS, tā dzīvei ir nepieciešama noteikta dzīves telpa (ekoloģiskā niša), kurā ietilpst ne tikai tīri fiziska telpa, bet arī noteiktas bioloģiskās sugas nepieciešamo dzīves apstākļu komplekss: tā dzīvesveida, barošanās veida un vides apstākļu nodrošināšana. Tāpēc, lai veiksmīgi darbotos dzīvie organismi kā saikne bioloģiskajā LSS, to aizņemto vietu apjoms nedrīkst būt pārāk ierobežots. Citiem vārdiem sakot, apdzīvotam kosmosa kuģim jābūt minimāliem minimāliem izmēriem, zem kuriem tiek izslēgta iespēja tajā izmantot bioloģiskās LSS saites.

Ideālā gadījumā visai sākotnēji uzglabātajai vielu masai, kas paredzēta apkalpes dzīvības uzturēšanai un ieskaitot visus dzīvos iedzīvotājus, būtu jāpiedalās vielu apritē šajā kosmosa objektā, neievadot tajā papildu masas. Tajā pašā laikā šāda slēgta bioloģiskā LSS ar visu cilvēkam nepieciešamo vielu atjaunošanos un neierobežotu darbības laiku šodien ir drīzāk teorētiska, nekā praktiski reāla sistēma, ja mēs paturam prātā tās variantus, kas tuvākajā nākotnē tiek apsvērti kosmosa ekspedīcijās.

Termodinamiskā nozīmē (enerģijas ziņā) nevienu ekosistēmu nevar aizvērt, jo pastāvīga ekosistēmas dzīvo daļu enerģijas apmaiņa ar apkārtējo telpu ir tās pastāvēšanas nepieciešamais nosacījums. Saule var kalpot kā brīvas enerģijas avots kosmosa kuģu bioloģiskajam LSS Saules tuvumā. siltumenerģija.

Īpašs jautājums, kas rodas saistībā ar dzīvo organismu izmantošanu kosmosa lidojumos, ir tas, kā ilgstošs bezsvara stāvoklis tos ietekmē? Atšķirībā no citiem kosmosa lidojuma un kosmosa faktoriem, kuru ietekmi uz dzīvajiem organismiem var atdarināt un izpētīt uz Zemes, bezsvara ietekmi var noteikt tikai tieši kosmosa lidojumā.

ZAĻIE AUGI KĀ BIOLOĢISKĀS DZĪVES ATBALSTA SISTĒMU GALVENĀ SAITE

Augstākie sauszemes augi tiek uzskatīti par galvenajiem un, visticamāk, bioloģiskās dzīvības atbalsta sistēmas elementiem. Viņi spēj ne tikai ražot pārtiku cilvēkiem, kas pēc augstas kvalitātes kritērijiem ir augstas kvalitātes, bet arī atjaunot ūdeni un atmosfēru. Atšķirībā no dzīvniekiem augi spēj sintezēt vitamīnus no vienkāršiem savienojumiem. Gandrīz visi vitamīni veidojas augu lapās un citās zaļajās daļās.

Augstāku augu biosintēzes efektivitāti galvenokārt nosaka gaismas režīms: palielinoties gaismas plūsmas jaudai, fotosintēzes intensitāte palielinās līdz noteiktam līmenim, pēc kura notiek fotosintēzes gaismas piesātinājums. Maksimālā (teorētiskā) fotosintēzes efektivitāte saules gaismā ir 28%. Reālos apstākļos blīvām kultūrām ar labiem audzēšanas apstākļiem tas var sasniegt: 15%.

Optimālā fizioloģiskā (fotosintētiski aktīvā) starojuma (PAR) intensitāte, kas nodrošināja maksimālu fotosintēzi mākslīgos apstākļos, bija 150-200 W / m2 (Nichiporovich, 1966). Augu produktivitāte (vasaras kvieši, mieži) sasniedza 50 g biomasas dienā no 1 m 2 (līdz 17 g graudu no 1 m 2 dienā). Citos eksperimentos, kas veikti ar mērķi izvēlēties gaismas režīmus redīsu kultivēšanai slēgtās sistēmās, sakņaugu raža bija 22 līdz 24 dienu laikā līdz 6 kg uz kvadrātmetru ar bioloģisko produktivitāti līdz 30 g biomasas (sausā svarā) uz kvadrātmetru dienā (Lisovskis). , Šilenko, 1970). Salīdzinājumam mēs atzīmējam, ka laukā vidējā labības dienas produktivitāte ir 10 g uz 1 m 2.

Biocikls: "augstāki augi - cilvēks" būtu ideāls cilvēka dzīvības atbalstam, ja ilgā kosmosa lidojumā būtu iespējams apmierināties tikai ar augu olbaltumvielām un taukiem un ja augi spētu veiksmīgi mineralizēt un izmantot visus cilvēku atkritumus.

Kosmosa siltumnīca tomēr nespēs atrisināt visu jautājumu loku, kas piešķirts bioloģiskajai LSS. Piemēram, ir zināms, ka augstāki augi nespēj nodrošināt virknes vielu un elementu dalību ciklā. Tādējādi augi nātriju nelieto, atstājot atklātu NaCl (galda sāls) cikla problēmu. Augu molekulārā slāpekļa fiksācija nav iespējama bez mezglu augsnes baktēriju palīdzības. Ir arī zināms, ka saskaņā ar cilvēka uztura fizioloģiskajām normām, kas apstiprinātas PSRS, vismaz pusei no ikdienas olbaltumvielu daudzuma uzturā jābūt dzīvnieku izcelsmes olbaltumvielām, un dzīvnieku taukiem - līdz 75% no kopējās tauku normas uzturā.

Ja diētas augu daļas kaloriju saturs saskaņā ar iepriekšminētajām normām ir 65% no kopējās diētas kaloriju vērtības (Salmonas-6 stacijas kosmonauta ikdienas uztura vidējā kaloriju vērtība bija 3150 kcal), tad, lai iegūtu nepieciešamo augu biomasas daudzumu, siltumnīca ar aptuveno platību viena persona vismaz 15 - 20 m 2. Ņemot vērā augu atkritumus, kas netiek patērēti pārtikā (apmēram 50%), kā arī nepieciešamību pēc pārtikas konveijera nepārtrauktai ikdienas biomasas pavairošanai, siltumnīcas faktiskā platība jāpalielina vismaz 2 - 3 reizes.

Siltumnīcas efektivitāti var ievērojami palielināt, papildus izmantojot iegūtās biomasas neēdamo daļu. Ir dažādi biomasas izmantošanas veidi: barības vielu iegūšana ekstrakcijas vai hidrolīzes ceļā, fizikāli ķīmiskā vai bioloģiskā mineralizācija, tieša lietošana pēc atbilstošas \u200b\u200bkulinārijas apstrādes, izmantošana kā dzīvnieku barība. Šo metožu ieviešanai nepieciešams izstrādāt atbilstošus papildu tehniskos līdzekļus un enerģijas izmaksas, tāpēc optimālo risinājumu var iegūt, tikai ņemot vērā kopējos ekosistēmas tehniskos un enerģētiskos rādītājus kopumā.

Sākotnējā bioloģiskās LSS izveides un izmantošanas stadijā atsevišķi jautājumi par pilnīgu vielu apriti vēl nav atrisināti, daļa patērējamo vielu tiks ņemta no rezervēm, kas paredzētas kosmosa kuģī. Šajos gadījumos siltumnīcai tiek piešķirta funkcija atjaunot minimālo nepieciešamo vitamīnu saturošo svaigo garšaugu daudzumu. Siltumnīca ar stādīšanas laukumu 3-4 m 2 var pilnībā apmierināt vienas personas vajadzības pēc vitamīniem. Šādās ekosistēmās, pamatojoties uz daļēju biocikla izmantošanu, augstāki augi - cilvēki, galveno slodzi uz vielu atjaunošanos un apkalpes dzīvības uzturēšanu veic sistēmas ar fizikāli ķīmiskām apstrādes metodēm.

Praktiskās kosmonautikas dibinātājs S.P. Korolevs sapņoja par lidojumu kosmosā, kuru nesaistīja nekādi ierobežojumi. Tikai šāds lidojums, pēc S.P.Koroleva domām, nozīmēs uzvaru pār elementiem. 1962. gadā viņš formulēja prioritāro uzdevumu kopumu kosmosa biotehnoloģijai šādi: “Mums jāsāk attīstīt“ siltumnīca saskaņā ar Ciolkovska teikto ”, pakāpeniski veidojot saites vai blokus, un jāsāk strādāt ar“ kosmosa ražu ”. Kāds ir šo kultūru sastāvs, kādas kultūras? To efektivitāte, lietderība? Kultūru atgriezeniskums (atkārtojamība) no pašu sēklām, pamatojoties uz siltumnīcas ilgtermiņa pastāvēšanu? Kuras organizācijas veiks šo darbu: uz augkopības līnijas (un augsnes, mitruma utt. Jautājumiem), uz mehanizācijas un "gaismas-siltuma-saules" tehnoloģiju un tās siltumnīcu regulēšanas sistēmām utt.? "

Šis formulējums faktiski atspoguļo galvenos zinātniskos un praktiskos mērķus un uzdevumus, kuru sasniegšana un risināšana ir jānodrošina pirms "Ciolkovska siltumnīcas" izveidošanas, tas ir, tādas siltumnīcas, kas ilgā lidojumā kosmosā piegādās cilvēkam nepieciešamo svaigumu. augu izcelsmes pārtiku, kā arī attīra ūdeni un gaisu. Nākamo starpplanētu kuģu kosmosa siltumnīca kļūs par to dizaina neatņemamu sastāvdaļu. Šādā siltumnīcā būtu jānodrošina optimāli apstākļi augstāku augu sēšanai, augšanai, attīstībai un savākšanai. Siltumnīcai jābūt aprīkotai arī ar ierīcēm gaismas un gaisa kondicionēšanas izplatīšanai, barības vielu šķīdumu sagatavošanas, izplatīšanas un piegādes vienībām, transpirācijas mitruma savākšanai utt. Padomju un ārvalstu zinātnieki tuvākajā nākotnē veiksmīgi strādā pie šāda apjoma siltumnīcu izveidošanas kosmosa kuģiem.

Kosmosa augu audzēšana joprojām ir attīstības sākumposmā, un tai ir vajadzīgi jauni īpaši pētījumi, jo daudzi jautājumi, kas saistīti ar augstāko augu reakciju uz ekstremāliem kosmosa lidojuma apstākļiem un galvenokārt ar bezsvara stāvokli, joprojām ir neskaidri. Bezsvara stāvoklis ļoti būtiski ietekmē daudzas fiziskas parādības, uz dzīvo organismu vitālo aktivitāti un uzvedību, pat uz borta aprīkojuma darbību. Tāpēc dinamiskā bezsvara ietekmes efektivitāti var novērtēt tikai tā sauktajos lauka eksperimentos, ko veic tieši uz orbitālajām kosmosa stacijām.

Eksperimenti ar augiem dabiskos apstākļos tika veikti agrāk Saljutas stacijās un Kosmos satelītos (Kosmos-92, 605, 782, 936, 1129 utt.). Īpaša uzmanība tika pievērsta augstāko augu audzēšanas eksperimentiem. Šim nolūkam tika izmantotas dažādas īpašas ierīces, kurām katrai tika piešķirts noteikts nosaukums, piemēram, "Vazon", "Gaismas bloks", "Fiton", "Biogravistat" utt. Katra ierīce, kā likums, bija paredzēta vienas problēmas risināšanai. Tādējādi, salīdzinot stādu audzēšanas procesu nulles gravitācijā un centrbēdzes spēku darbības laukā, tika izmantota neliela centrifūga "Biogravistat". Ierīcē "Vazon" sīpolu audzēšanas procesi uz spalvām tika praktizēti kā vitamīnu papildinājums astronautu diētai. Ierīcē "Svetoblok" pirmo reizi nulles gravitācijā ziedēja Arabidopsis augs, kas iestādīts izolētā kamerā uz mākslīgas barības vielas, un ierīcē "Fiton" tika iegūtas Arabidopsis sēklas. Pētniecības instalācijās "Oasis" tika atrisināts plašāks uzdevumu klāsts, kas sastāv no audzēšanas, apgaismojuma, ūdens apgādes, piespiedu ventilācijas un telemetriskās temperatūras kontroles sistēmas. Augā "Oasis" kultivēšanas režīmi ar elektrisko stimulāciju tika izstrādāti zirņu un kviešu augiem, lai mazinātu nelabvēlīgo faktoru ietekmi, kas saistīta ar gravitācijas neesamību.

Amerikas Savienotajās Valstīs tika veikti vairāki eksperimenti ar augstākiem augiem lidojumā kosmosā Skylab, Spacelab un Kolumbijas (Shuttle) klājā.

Daudzi eksperimenti ir parādījuši, ka augu audzēšanas problēma kosmosa objektos apstākļos, kas ievērojami atšķiras no parastajiem zemes, vēl nav pilnībā atrisināta. Joprojām nav nekas neparasts, piemēram, kad augi pārstāj augt ģeneratīvajā attīstības stadijā. Joprojām ir jāveic ievērojams daudzums zinātnisko eksperimentu, lai uzlabotu augu audzēšanas tehnoloģiju visos to augšanas un attīstības posmos. Būs arī jāizstrādā un jāpārbauda augu kultivatoru modeļi un atsevišķi tehniskie līdzekļi, kas palīdz novērst dažādu kosmosa lidojuma faktoru negatīvo ietekmi uz augiem.

Papildus augstākiem zemes augiem zemākus augus uzskata arī par autotrofiskas saites elementiem slēgtās ekosistēmās. Tajos ietilpst ūdens fototrofi - vienšūnu aļģes: zaļā, zilganzaļā, diatomi utt. Viņi ir galvenie organisko primāro vielu ražotāji jūrās un okeānos. Visplašāk zināmās saldūdens mikroskopiskās aļģes Chlorella, kuru daudzi zinātnieki dod priekšroku kā galveno slēgtās kosmosa ekosistēmas saiknes bioloģisko objektu.

Hlorellas kultūru raksturo vairākas pozitīvas iezīmes. Asimilējot oglekļa dioksīdu, kultūra atbrīvo skābekli. Intensīvi kultivējot, 30-40 litri hlorellas suspensijas var pilnībā nodrošināt gāzes apmaiņu vienai personai. Šajā gadījumā veidojas biomasa, kas saskaņā ar bioķīmisko sastāvu ir pieņemama lietošanai kā barības piedeva un ar atbilstošu apstrādi kā piedeva cilvēka uzturā. Olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu attiecība hlorellas biomasā var atšķirties atkarībā no audzēšanas apstākļiem, kas ļauj kontrolēt biosintēzes procesu. Laboratorijas kultivēšanas laikā intensīvas hlorellas kultūru produktivitāte svārstās no 30 līdz 60 g sausnas no 1 m 2 dienā. Eksperimentos ar īpašiem laboratorijas kultivatoriem ar lielu apgaismojumu hlorellas raža sasniedz 100 g sausnas no 1 m 2 dienā. Hlorellu vismazāk ietekmē bezsvara stāvoklis. Tās šūnām ir spēcīgs celulozi saturošs apvalks, un tās ir visizturīgākās pret nelabvēlīgiem eksistences apstākļiem.

Hlorellas kā saites mākslīgā ekosistēmā trūkumi ietver neatbilstību starp CO2 asimilācijas koeficientu un cilvēka elpošanas koeficientu, nepieciešamību pēc paaugstinātas CO2 koncentrācijas gāzes fāzē, lai efektīvi darbotos bioloģiskās reģenerācijas saikne, dažas neatbilstības hlorellas aļģu vajadzībām attiecībā uz biogēniem elementiem ar šo elementu klātbūtni cilvēka ekskrementos, nepieciešamība pēc īpašas hlorellas šūnu apstrādes, lai panāktu biomasas sagremojamību. Vienšūņu aļģēm kopumā (jo īpaši hlorelai), atšķirībā no augstākiem augiem, nav regulēšanas pielāgojumu, un, lai kultūra droši darbotos efektīvi, nepieciešama automātiska biosintēzes procesa vadība.

Maksimālās efektivitātes vērtības eksperimentos visu veidu aļģēm ir robežās no 11 līdz 16% (teorētiskā gaismas enerģijas izmantošanas efektivitāte mikroaļģēs ir 28%). Tomēr augsta kultūraugu produktivitāte un zems enerģijas patēriņš parasti ir pretrunīgas prasības, jo maksimālās efektivitātes vērtības tiek sasniegtas ar salīdzinoši zemu kultūraugu optisko blīvumu.

Pašlaik vienšūnu aļģu hlorella, kā arī daži citi mikro aļģu veidi (cinedesmus, spirulina utt.) Mākslīgajās ekosistēmās tiek izmantoti kā autotrofiskās saites bioloģiskie paraugi.

Sasniegumi un perspektīvas

Uzkrājoties praktiskai pieredzei zemes tuvuma kosmosa izpētē un attīstībā, kosmosa pētījumu programmas kļūst arvien sarežģītākas. Galvenie bioloģiskās LSS veidošanās jautājumi turpmākajām ilgtermiņa kosmosa ekspedīcijām ir jāatrisina jau šodien, jo zinātniskie eksperimenti, kas veikti ar bioloģiskās LSS saitēm, ilgstoši atšķiras no sākuma līdz pat galīgā rezultāta iegūšanas brīdim. Tas jo īpaši ir saistīts ar relatīvi garajiem attīstības cikliem, kas objektīvi pastāv daudzos dzīvajos organismos, kas izvēlēti kā bioloģiskās LSS saites, kā arī nepieciešamībai iegūt ticamu informāciju par biolinku trofisko un citu saišu ilgtermiņa sekām, kas dzīviem organismiem parasti var izpausties tikai nākamajos paaudzēm. Šādu bioloģisko eksperimentu paātrināšanas paņēmieni vēl nepastāv. Tieši šis apstāklis \u200b\u200bprasa daudz laika pirms laika veikt eksperimentus ar enerģijas un masas pārneses procesu izpēti bioloģiskajā LSS, ieskaitot cilvēkus.

Ir skaidrs, ka galvenie jautājumi par bioloģiskās LSS izveidi kosmosa apkalpēm ir iepriekš jāizstrādā un jāatrisina zemes apstākļos. Šiem nolūkiem ir izveidoti un tiek veidoti īpaši tehniski un biomedicīnas centri, tostarp jaudīgas pētījumu un testēšanas bāzes, liela apjoma spiediena-spiediena kameras, stendi, kas imitē lidojuma kosmosā apstākļus utt. Sarežģītos zemes eksperimentos, kas veikti spiediena spiediena kamerās, piedaloties testētāju grupām, tiek noteikta sistēmu un saišu savietojamība savā starpā un ar cilvēkiem, tiek noteikta bioloģisko saišu stabilitāte ilgstoši funkcionējošā mākslīgā ekosistēmā, tiek novērtēta pieņemto lēmumu efektivitāte un uzticamība, kā arī tiek izvēlēta bioloģiskā LSS opcija tā galīgajam padziļinātajam pētījumam attiecībā uz konkrētu kosmosa objektu vai lidojumu.

60. un 70. gados PSRS tika veikti vairāki unikāli zinātniski eksperimenti, kuru mērķis bija radīt bioloģisko LSS mākslīgo kosmosa ekosistēmu apkalpēm. 1968. gada novembrī PSRS tika pabeigts ilgs (viena gada) eksperiments ar trīs testētāju piedalīšanos. Tās galvenie mērķi bija pārbaudīt un pilnveidot sarežģītas LSS tehniskos līdzekļus un tehnoloģijas, kuru pamatā ir fizikāli ķīmiskās vielu reģenerācijas metodes un bioloģiskā metode cilvēku vajadzību pēc vitamīniem un šķiedrvielām papildināšanai, kultivējot zaļās kultūras siltumnīcā. Šajā eksperimentā siltumnīcas sējumu platība bija tikai 7, 5 m 2, biomasas produktivitāte uz cilvēku vidēji bija 200 g dienā. Kultūru komplektā bija Khibiny kāposti, gurķu zāle, ūdenskreses un dilles.

Eksperimenta gaitā tika noteikta iespēja normāli audzēt augstākus augus slēgtā tilpumā, tajā uzturoties personai, un atkārtoti lietojot transpirācijas ūdeni bez tā reģenerācijas substrāta apūdeņošanai. Siltumnīcā tika veikta daļēja vielu reģenerācija, nodrošinot minimālu izolāciju pārtikā un skābeklī - par 3 - 4%.

1970. gadā PSRS ekonomisko sasniegumu izstādē tika demonstrēts dzīvības atbalsta sistēmas eksperimentāls modelis, kuru prezentēja PSRS Vissavienības zinātniski pētnieciskā biotehniskā institūta Glavmikrobioprom un kas bija paredzēts, lai noteiktu optimālo biotehnisko bloku kompleksa sastāvu un to darbības veidu. Modeļa dzīvības uzturēšanas sistēma tika izstrādāta, lai neierobežotu laika periodu apmierinātu trīs cilvēku vajadzības pēc ūdens, skābekļa un svaigiem augu produktiem. Galvenos reģenerācijas blokus sistēmā attēloja aļģu kultivators ar 50 l tilpumu un siltumnīca ar izmantojamo platību aptuveni 20 m 2 (3. attēls). Dzīvnieku pārtikas produktu pavairošana tika piešķirta vistu kultivatoram.

Attēls: 3. Siltumnīcas izskats

PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Fizikas institūtā tika veikta virkne eksperimentālu pētījumu par ekosistēmām, ieskaitot cilvēku. Eksperiments ar divu saišu sistēmu "cilvēks - mikroaļģes" (hlorella), kas ilga 45 dienas, ļāva izpētīt masas pārnesi starp sistēmas un vides saitēm un panākt vispārēju vielu aprites slēgšanas rādītāju, kas vienāds ar 38% (atmosfēras un ūdens reģenerācija).

Eksperiments ar trīs saites sistēmu "cilvēks - augstāki augi - mikro aļģes" tika veikts 30 dienas. Mērķis ir izpētīt cilvēku saderību ar augstākiem augiem ar pilnīgi slēgtu gāzes apmaiņu un daļēji slēgtu ūdens apmaiņu. Tajā pašā laikā tika mēģināts slēgt augu (dārzeņu) biomasas barības ķēdi. Eksperimenta rezultāti parādīja, ka eksperimenta laikā nav savstarpējas nomācošas ietekmes uz sistēmas saitēm, izmantojot vispārējo atmosfēru. Tika noteikts vienlaidu dārzeņu stādīšanas platības minimālais lielums, lai pilnībā apmierinātu vienas personas vajadzību pēc svaigiem dārzeņiem izvēlētajā audzēšanas režīmā (2,5 - 3 m 2).

Ieviešot sistēmā ceturto saiti - mikrobu kultivatoru, kas paredzēts nepārtikas augu atkritumu apstrādei un to atgriešanai sistēmā - tika uzsākts jauns eksperiments ar personu, kas ilga 73 dienas. Eksperimenta laikā saišu gāzes apmaiņa bija pilnībā slēgta, gandrīz pilnībā - ūdens apmaiņa (izņemot paraugus ķīmiskai analīzei) un daļēji - pārtikas apmaiņa. Eksperimenta laikā tika atklāts augstāku augu (kviešu) produktivitātes samazinājums, ko izskaidroja ar augu metabolītu vai ar to saistītās mikrofloras uzkrāšanos barības vielā. Tika secināts, ka nav lietderīgi ieviest saiti cieto cilvēku ekskrementu mineralizācijā sistēmā, pamatojoties uz četru saišu bioloģiskās sistēmas tehniskajiem un ekonomiskajiem rādītājiem.

1973. gadā tika pabeigts sešu mēnešu eksperiments ar trīs cilvēku apkalpes dzīvības atbalstu slēgtā ekosistēmā ar kopējo tilpumu aptuveni 300 m 3, kurā papildus testētājiem tika iekļauti arī augstāku un zemāku augu savienojumi. Eksperiments tika veikts trīs posmos. Pirmajā posmā, kas ilga divus mēnešus, visas apkalpes vajadzības pēc skābekļa un ūdens apmierināja augstāki augi, kuru vidū bija kvieši, bietes, burkāni, dilles, rāceņi, sakņu zaļumi, redīsi, gurķi, sīpoli un skābenes. Notekūdeņi no sadzīves nodalījuma tika ievadīti kviešu uzturvielu vidē. Cietas un šķidras apkalpes sekrēcijas tika noņemtas no spiediena tilpuma uz ārpusi. Apkalpes uztura vajadzības daļēji apmierināja augsti augi un daļēji dehidrēta pārtika no rezervēm. Katru dienu augstāku augu savienojumā no apmēram 40 m 2 nolaišanās laukuma tika sintezēti 1953 g biomasas (sausā svarā), ieskaitot 624 g pārtikas masas, kas sastādīja 30% no kopējās apkalpes vajadzības. Tajā pašā laikā vajadzība pēc trim cilvēkiem ar skābekli tika pilnībā apmierināta (apmēram 1500 litri dienā). Sistēmas "cilvēks - augstāki augi" slēgšana šajā posmā bija 82%.

Eksperimenta otrajā posmā siltumnīcas daļa tika aizstāta ar apakšējo augu saiti - hlorelu. Apkalpes vajadzības pēc ūdens un skābekļa tika apmierinātas ar augstākiem (kviešu un dārzeņu kultūrām) un zemākiem augiem, apkalpes šķidruma izdalījumi tika nosūtīti uz aļģu reaktoru un cietās izdalījumi tika žāvēti, lai ūdens atgrieztos cirkulācijā. Ekipāža tika barota tāpat kā pirmajā posmā. Kviešu augšanas pasliktināšanās tika atklāta, palielinoties notekūdeņu daudzumam, kas piegādāts ar uzturvielu barotni vienā stādāmās platības vienībā, un tas bija uz pusi.

Trešajā posmā augstāku augu saitē bija atstātas tikai dārzeņu kultūras, un aļģu reaktors veica galveno slodzi uz izolācijas tilpuma atmosfēras atjaunošanos. Augu barības vielu šķīdumam netika pievienoti notekūdeņi. Neskatoties uz to, šajā eksperimenta posmā tika konstatēta augu intoksikācija ar izolācijas tilpuma atmosfēru. Sistēmas, ieskaitot hlorelu, slēgšana, izmantojot cilvēka šķidruma izdalīšanos, palielinājās līdz 91%.

Eksperimenta laikā īpaša uzmanība tika pievērsta jautājumam par laika svārstību izlīdzināšanu ekipāžas eksometabolītu apmaiņā. Šajā nolūkā testētāji dzīvoja pēc grafika, kas ekosistēmas autonomas pastāvēšanas laikā nodrošināja ekosistēmas pārvaldības nepārtrauktību un masas pārneses līmeņa vienmērīgumu. Eksperimenta 6 mēnešus sistēmā bija 4 testētāji, no kuriem viens tajā pastāvīgi dzīvoja, un trīs - katrs pa 6 mēnešiem, nomainot pēc grafika.

Eksperimenta galvenais rezultāts ir pierādījums iespējai ieviest bioloģisko dzīvības atbalsta sistēmu ierobežotā telpā, autonomi kontrolējot no iekšpuses. Testētāju fizioloģisko, bioķīmisko un tehnoloģisko funkciju analīze neatklāja nekādas virziena izmaiņas, ko izraisīja viņu uzturēšanās mākslīgajā ekosistēmā.

1977. gadā PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Fizikas institūtā tika veikts četru mēnešu eksperiments ar mākslīgu slēgtu ekosistēmu "cilvēks - augstāki augi". Galvenais uzdevums ir atrast veidu, kā saglabāt augstāku augu produktivitāti slēgtā ekosistēmā. Tajā pašā laikā tika pētīta arī iespēja palielināt sistēmas noslēgtību, palielinot apkalpes pārtikas devas reproducēto daļu. Eksperimentā piedalījās divi testētāji (pirmajās 27 dienās - trīs testētāji). Fitotrona sētā platība bija aptuveni 40 m 2. Kultūru komplektā augstākiem augiem bija kvieši, čufu, bietes, burkāni, redīsi, sīpoli, dilles, kāposti, gurķi, kartupeļi un skābenes. Eksperimentā iekšējās atmosfēras piespiedu cirkulācija tika organizēta gar kontūru “dzīvais nodalījums - fitotroni (siltumnīca) - dzīvojamais nodalījums”. Eksperiments bija iepriekšējā eksperimenta turpinājums ar slēgtu ekosistēmu “cilvēks - augstāki augi - zemāki augi”.

Eksperimenta gaitā, kura pirmais posms atveidoja iepriekšējā apstākļus, atklājās augu fotosintēzes samazināšanās, kas sākās no 5. dienas un turpinājās līdz 24 dienām. Tad tika ieslēgta atmosfēras termokatalītiskā attīrīšana (pēc uzkrāto toksisko gāzveida piemaisījumu sadedzināšanas), kā rezultātā tika noņemta atmosfēras inhibējošā iedarbība uz augiem un atjaunota fitotronu fotosintētiskā produktivitāte. Sakarā ar papildu oglekļa dioksīdu, kas iegūts, sadedzinot salmus un celulozi, apkalpes uztura reproducējamā daļa tika palielināta līdz 60% no svara (līdz 52% pēc kaloriju satura).

Ūdens apmaiņa sistēmā bija daļēji slēgta: dzeramā un daļēji sanitārā ūdens avots bija augu transpirācijas mitruma kondensāts, barības barotne ar notekūdeņu piedevu tika izmantota kviešu apūdeņošanai, un ūdens bilance tika uzturēta, ievadot destilētu ūdeni tādos daudzumos, kas kompensē šķidruma izdalīšanos no sistēmas ...

Eksperimenta beigās netika atrastas testētāju ķermeņa negatīvas reakcijas uz slēgtās sistēmas apstākļu sarežģīto efektu. Augi testētājiem pilnībā nodrošināja skābekli, ūdeni un lielāko daļu augu pārtikas.

Tajā pašā 1977. gadā tika pabeigts pusotra mēneša eksperiments ar diviem testētājiem PSRS Veselības ministrijas Medicīnisko un bioloģisko problēmu institūtā. Eksperiments tika veikts, lai pētītu slēgtas ekosistēmas modeli, kurā ietilpa siltumnīca un hlorellas augs.

Veiktie eksperimenti parādīja, ka, veicot atmosfēras un ūdens bioloģisko atjaunošanos mākslīgā ekosistēmā ar zaļo augu palīdzību, zemākiem augiem (hlorella) ir lielāka bioloģiskā saderība ar cilvēkiem nekā augstākiem. Tas izriet no fakta, ka dzīvojamā nodalījuma atmosfēra un cilvēku izdalījumi nelabvēlīgi ietekmēja augstāku augu attīstību un bija nepieciešama papildu siltumnīcā nonākošā gaisa fizikāli ķīmiskā apstrāde.

Ārzemēs darbs, kas vērsts uz daudzsološa LSS izveidošanu, visintensīvāk tiek veikts Amerikas Savienotajās Valstīs. Pētījumi tiek veikti trīs virzienos: teorētiskais (struktūras, sastāva un konstrukcijas raksturlielumu noteikšana), eksperimentālais pamats (atsevišķu bioloģisko saišu pārbaude) un eksperimentālais lidojums (bioloģisko eksperimentu sagatavošana un veikšana ar pilotējamiem kosmosa kuģiem). NASA centri un uzņēmumi, kas tiem izstrādā kosmosa kuģus un sistēmas, nodarbojas ar bioloģiskās LSS izveidošanas problēmu. Universitātes ir iesaistītas daudzos daudzsološos pētījumos. NASA ir izveidojusi biosistēmu nodaļu, kas koordinē darbu pie programmas kontrolētas biotehnoloģijas LSS izveidei.

Projekts par grandiozas mākslīgas struktūras izveidošanu ASV ar nosaukumu "Biosphere-2" izraisīja lielu vides speciālistu interesi. Šī stikla, tērauda un betona konstrukcija ir pilnībā noslēgta 150 000 m 3 apjomā un 10 000 m 2 platībā. Viss apjoms ir sadalīts liela mēroga nodalījumos, kuros tiek veidoti dažādu Zemes klimatisko zonu fiziskie modeļi, tostarp tropu mežs, tropiskā savanna, lagūna, seklās un dziļās okeāna zonas, tuksnesis utt. Biosfērā-2 atrodas arī testētāju dzīvojamās telpas, laboratorijas, darbnīcas, lauksaimniecības siltumnīcas un zivju dīķi, atkritumu pārstrādes sistēmas un citas pakalpojumu sistēmas un tehniskie līdzekļi, kas nepieciešami cilvēku dzīvībai. Biosfēras-2 nodalījumu stikla griestiem un sienām būtu jānodrošina starojošās saules enerģijas plūsma tās iedzīvotājiem, kuru vidū pirmajos divos gados būs astoņi brīvprātīgie testētāji. Viņiem būs jāpierāda aktīvas dzīves un aktivitātes iespēja izolētos apstākļos, pamatojoties uz vielu iekšējo biosfēras cirkulāciju.

Ekotehnikas institūts, kurš 1986. gadā vadīja Biosphere-2 izveidi, šogad plāno pabeigt tā celtniecību. Projektam pievienojušies daudzi cienījami zinātnieki un tehniskie speciālisti.

Neskatoties uz ievērojamām darba izmaksām (vismaz 30 miljoni ASV dolāru), projekta īstenošana ļaus veikt unikālus zinātniskus pētījumus ekoloģijas un Zemes biosfēras jomā, lai noteiktu iespēju izmantot atsevišķus "Biosfēras-2" elementus dažādās ekonomikas nozarēs (ūdens bioloģiskā attīrīšana un reģenerācija). gaiss un pārtika). "Šādas konstrukcijas būs nepieciešamas apdzīvotu vietu izveidošanai kosmosā un, iespējams, dažu veidu dzīvo būtņu saglabāšanai uz Zemes," saka ASV astronauts R. Šveikarts.

Minēto eksperimentu praktiskā nozīme ir ne tikai atsevišķu problēmu risināšanā, veidojot slēgtas kosmosa ekosistēmas, ieskaitot cilvēkus. Šo eksperimentu rezultāti ir ne mazāk svarīgi, lai izprastu ekoloģijas likumus un medicīniski bioloģiskos pamatus cilvēka pielāgošanai ekstremāliem vides apstākļiem, noskaidrotu bioloģisko objektu potenciālu intensīvās audzēšanas režīmos, izstrādātu bezatkritumu un videi draudzīgas tehnoloģijas, lai apmierinātu cilvēku vajadzības pēc augstas kvalitātes pārtikas, ūdens un gaisa mākslīgā mākslā izolētas apdzīvotas struktūras (zemūdens apmetnes, polārās stacijas, ģeologu apmetnes Tālajos Ziemeļos, aizsardzības struktūras utt.).

Nākotnē jūs varat iedomāties veselas pilsētas bez atkritumiem un videi draudzīgas. Piemēram, Starptautiskā Sistēmu analīzes institūta direktors C. Marchetti uzskata: “Mūsu civilizācija spēs pastāvēt mierīgi un turklāt labākos apstākļos nekā pašreizējie, ieslēgti salu pilsētās, kas ir pilnīgi pašpietiekamas, neatkarīgas no dabas peripetijām, kurām nav vajadzīgas dabiskas dabas. izejvielās, kā arī dabiskajā enerģijā un ko garantē piesārņojums. " Mēs piebilstam, ka tam ir nepieciešams izpildīt tikai vienu nosacījumu: visas cilvēces centienu apvienošana mierīgā radošā darbā uz Zemes un kosmosā.

SECINĀJUMS

Lielu mākslīgu ekosistēmu, tostarp cilvēku, radīšanas problēmas veiksmīgam risinājumam, kura pamatā ir pilnībā vai daļēji slēgts vielu bioloģiskais cikls, ir liela nozīme ne tikai turpmākajā astronautikas progresā. Laikmetā, kad "ar tik biedējošu skaidrību mēs redzējām, ka otrā, ekoloģiskā fronte tuvojas kodol-kosmosa draudu priekšā un ir tai līdzīgā līmenī" (no PSRS ārlietu ministres E. A. Ševardnadzes runas Ģenerāldirektora 43. sesijā ANO asambleja), viens no reālajiem veidiem, kā iziet no tuvojošās vides krīzes, var būt praktiski bez atkritumiem un videi draudzīgu intensīvu agrorūpniecisko tehnoloģiju radīšana, kuru pamatā jābūt vielu bioloģiskajam ciklam un efektīvākai saules enerģijas izmantošanai.

Šī ir principiāli jauna zinātniska un tehniska problēma, kuras risināšanas rezultātiem var būt liela nozīme vides aizsardzībā un aizsardzībā, jaunu intensīvu un bezatkritumu biotehnoloģiju attīstībā un plašā izmantošanā, autonomu automatizētu un robotu kompleksu izveidē pārtikas biomasas ražošanai, pārtikas programmas risināšanai augstā līmenī. mūsdienu zinātnes un tehnikas līmenī. Kosmiskais nav atdalāms no zemes, tāpēc šodien kosmosa programmu rezultāti dod ievērojamu ekonomisko un sociālo efektu visdažādākajās valsts ekonomikas jomās.

Kosmoss kalpo un tai vajadzētu kalpot cilvēkiem.

LITERATŪRA

Blinkins S.A., Rudņickaja T.V.Fitoncīdi mums apkārt. - M.: Zināšanas, 1981. gads.

Gazenko O. G., Pestov I. D., Makarov V. I.Cilvēcība un telpa. - Maskava: Nauka, 1987.

Dadykin V.P. Kosmosa augu audzēšana. - M.: Zināšanas, 1968. gads.

Dajo R. Ekoloģijas pamati. - M.: Progress, 1975. gads.

Slēgta sistēma: cilvēks - augstāki augi (četru mēnešu eksperiments) / Red. G. M. Lisovskis. - Novosibirska-zinātne, 1979. gads.

Kosmonautika. Enciklopēdija. / Red. V.P.Gluško - M.: Padomju enciklopēdija, 1985.

Lapo A.V.Pagājušo biosfēru pēdas. - M.: Zināšanas, 1987.

A.A.NičiporovičsZaļo lapu efektivitāte. - M.: Zināšanas 1964. gadā.

Kosmosa bioloģijas un medicīnas pamati. / Red. Par G. Gazenko (PSRS) un M. Kalvinu (ASV). - T. 3 - M.: Nauka, 1975. gads.

Plotņikovs V.V. Ekoloģijas krustcelēs. - M.: Doma, 1985. gads

Sytnik K.M., Brion A.V., Gordetsky A.V.Biosfēra, ekoloģija, dabas aizsardzība. - Kijeva: Naukova Dumka, 1987.

Eksperimentālās ekoloģiskās sistēmas, ieskaitot cilvēku / Red. V.N.Čerņigovskis. - M.: Nauka, 1975. gads

Yazdovsky V.I.Mākslīgā biosfēra. - M.: Nauka, 1976. gads

pieteikumu

KOSMOSA TŪRISMS

V. P. MIKHAILOV

Tūristu uzplaukuma apstākļos, kas sākās visur 60. gados, eksperti vērsa uzmanību uz iespēju ceļot kosmosā tūrisma vajadzībām.

Kosmosa tūrisms attīstās divos virzienos. Viens no tiem ir tīri sauszemes - bez lidojuma kosmosā. Tūristi apmeklē sauszemes objektus - kosmodromus, lidojuma vadības punktus, "zvaigžņu" pilsētas, kosmosa tehnoloģiju elementu izstrādes un ražošanas uzņēmumus, apmeklē un novēro kosmosa kuģu un nesējraķešu palaišanu.

Zemes kosmosa tūrisms sākās 1966. gada jūlijā, kad tika organizētas pirmās autobusu ekskursijas pa NASA Keipta Kenedija palaišanas vietām. 70. gadu sākumā autobusu tūristi apmeklēja kompleksa Nr. 39 vietu, no kuras astronauti pacēlās, lidojot uz Mēnesi, vertikālu montāžas ēku (angāru virs 100 m augsta), kur tika samontēts un izmēģināts nesējraķete Saturn-V un piestiprināts kosmosa kuģis. Apollo kuģis, unikālas kāpurķēžu šasijas novietošana, kas nesējraķeti nogādā uz starta laukumu, un daudz kas cits. Īpašā kinoteātrī viņi vēroja kosmosa notikumu kinohronikas. Toreiz vasarā katru dienu šādu ekskursiju veica līdz 6-7 tūkstošiem tūristu, bet zemajā sezonā aptuveni 2 tūkstoši.Neorganizēti tūristi palielināja apmeklētāju plūsmu par aptuveni 20-25%.

Jau no paša sākuma šādas ekskursijas ir guvušas plašu popularitāti. Jau 1971. gadā viņu četrmiljonais dalībnieks tika ierakstīts. Dažu palaišanas laikā (piemēram, uz Mēnesi) tūristu skaits bija simtiem tūkstošu.

Vēl viena joma ir tiešais kosmosa tūrisms. Lai gan šodien tas ir tikai sākuma stadijā, izredzes ir plašas. Papildus tīri tūristu aspektam šeit jāpatur prātā stratēģiskie un ekonomiskie aspekti.

Stratēģiskais aspekts ir iespējama daļēja cilvēces pārvietošana Saules sistēmā. Protams, tas ir tālās nākotnes jautājums. Pārmitināšana notiks simtiem gadu un tūkstošgades. Cilvēkam ir jāpierod dzīvot kosmosā, tajā jāiemitinās, jāuzkrāj noteikta pieredze - ja, protams, nenotiek kādas zemes vai kosmiskas kataklizmas, kad šis process ir jāpaātrina. Un kosmosa tūrisms ir labs modelis, kā praktizēt šo procesu. No otras puses, tūristu ceļojumu laikā uzkrātā pieredze par cilvēka dzīves nodrošināšanu kosmosā, iepazīšanās ar aprīkojumu, dzīvības atbalsta ierīcēm kosmosā ļaus cilvēkam veiksmīgāk dzīvot un strādāt uz Zemes vides degradācijas apstākļos, izmantot kosmosa "zemes" tehniskos līdzekļus un sistēmas.

Kosmosa tūrisma ekonomiskais aspekts ir ļoti svarīgs arī astronautikai. Daži eksperti uzskata, ka kosmosa tūrisms, kas koncentrēts uz kosmosa tūristu personīgo līdzekļu izmantošanu, ir nozīmīgs kosmosa programmu finansēšanas avots. Pēc viņu domām, kravas satiksmes pieaugums kosmosā kosmosa tūrisma rezultātā, salīdzinot ar pašreizējo 100 reizes (kas ir reāli), savukārt 100–200 reizes samazinās kravas vienības palaišanas īpašās izmaksas visai kosmonautikai kopumā, nepiesaistot papildu valsts investīcijas.

Pēc ekspertu domām, cilvēces ikgadējie izdevumi tūrismam tiek izteikti aptuveni 200 miljardu mārciņu apmērā. Art. Nākamajās desmitgadēs kosmosa tūrisms var sastādīt 5% no šī rādītāja, t.i., 10 miljardus mārciņu. Art. Tiek uzskatīts, ka, ja kosmosa tūres izmaksas ir optimāli līdzsvarotas un tajā pašā laikā tiek nodrošināta pietiekami augsta lidojuma drošība (salīdzināma vismaz ar mūsdienu pasažieru reaktīvo līnijpārvadātāju lidojumu drošības līmeni), tad aptuveni 100 miljoni cilvēku paustu vēlmi nākamajās desmitgadēs veikt kosmosa ceļojumus. Saskaņā ar citām aplēsēm kosmosa tūristu plūsma līdz 2025. gadam sasniegs 100 tūkstošus cilvēku gadā, un nākamajos 50 gados to skaits, kas atradušies kosmosā, sasniegs aptuveni 120 miljonus cilvēku.

Cik šajās dienās var maksāt kosmosa tūre? Novērtēsim "tūres" augšējo robežu. PSRS kosmonautu apmācība ir aptuveni 1 miljons rubļu, sērijveida nesējraķete maksā 2 - 3 miljonus rubļu, dubultais kosmosa kuģis - 7 - 8 miljoni rubļu. Tādējādi "lidojums diviem" sastādīs aptuveni 11-13 miljonus rubļu, neskaitot tā saukto zemes atbalstu. Šo skaitli varētu ievērojami samazināt, ja kosmosa kuģis būtu izgatavots tīri tūristu versijā: nevis piebāzt to ar izsmalcinātu zinātnisko aprīkojumu, tādējādi palielinot pasažieru skaitu, lai sagatavotu viņus lidojumam nevis pēc kosmonautu programmas, bet gan pēc vienkāršākas utt. būtu interesanti precīzāk noteikt ceļojuma lidojuma izmaksas, taču tas būtu jādara. ekonomisti raķešu un kosmosa tehnoloģiju jomā.

Ir arī citi veidi, kā samazināt tūristu kosmosa ceļojumu izmaksas. Viens no tiem ir īpaša atkārtoti izmantojama tūristu kuģa izveide. Optimisti uzskata, ka lidojuma izmaksas uz otrās un trešās paaudzes kosmosa transporta kuģiem būs samērīgas ar lidošanas ar pasažieru lidmašīnu izmaksām, kas iepriekš noteiks masveida kosmosa tūrismu. Neskatoties uz to, eksperti uzskata, ka ekskursijas izmaksas pirmajiem tūristiem būs aptuveni 1 miljons USD. Nākamajās desmitgadēs tā strauji samazināsies un sasniegs 100 tūkstošus USD. Tā kā tiek sasniegta optimāli piesātināta kosmosa tūrisma infrastruktūra, ieskaitot kosmosa kuģu floti viesnīcas Zemes orbītā un uz Mēness, tiešsaistes tūrisma aprīkojuma ražošana, apmācība drošības pasākumu jomā utt. Masveida tūrisma apstākļos ceļojuma izmaksas samazināsies līdz 2 tūkstošiem ASV dolāru. Tas nozīmē, ka kravas palaišanas kosmosā izmaksām nevajadzētu būt lielākām par USD 20 / kg. Pašlaik šis skaitlis ir 7-8 tūkstoši.

Kosmosa tūrismā joprojām ir daudz grūtību un neatrisinātu problēmu. Tomēr kosmosa tūrisms ir 21. pagrieziena realitāte. Pa to laiku 260 cilvēki no desmit pasaules valstīm jau ir devuši ieguldījumu vienā no Amerikas organizācijām, kas ir sākusi strādāt šajā virzienā, naudu kosmosa tūristu lidojuma izstrādei un ieviešanai. Vairākas ASV ceļojumu aģentūras ir sākušas pārdot biļetes uz pirmo Zemes-Mēness tūristu lidojumu. Izlidošanas datums ir atvērts. Tiek uzskatīts, ka tas parādīsies biļetē pēc 20-30 gadiem.

Tomēr amerikāņi nav pirmie, kas šeit ierodas. 1927. gadā Maskavas Tverskaja ielā notika pirmā starptautiskā kosmosa kuģu izstāde. Tajā tika sastādīti to cilvēku saraksti, kuri vēlas lidot uz Mēnesi vai Marsu. Bija daudz gribētāju. Varbūt kāds no viņiem vēl nav zaudējis cerības doties pirmajā tūristu ceļojumā kosmosā.

KOSMONAUTIKAS hronika *

* Turpinājums (sk. Nr. 3, 1989). Saskaņā ar dažādu informācijas aģentūru un periodisko materiālu datiem tiek sniegti dati par dažu mākslīgo Zemes satelītu (AES) palaišanu, sākot ar 1989. gada 15. novembri. Satelīta “Cosmos” palaišana nav reģistrēta. Par tiem regulāri ziņo, piemēram, žurnāls "Priroda", un mēs sūtām ieinteresētus lasītājus. Atsevišķs pielikums ir veltīts pilotējamiem kosmosa lidojumiem.

1988. gada 15. NOVEMBRIS Padomju Savienībā pirmo reizi tika izmēģināta universālās raķešu un kosmosa transporta sistēmas Energia izmēģinājuma palaišana ar atkārtoti lietojamu kosmosa kuģi Buran. Pēc divu orbītu bezpilota lidojuma veikšanas orbitālais transportlīdzeklis Buran veiksmīgi automātiskā režīmā piezemējās Baikonuras kosmodroma piezemēšanās joslā. Kosmosa kuģis "Buran" ir būvēts pēc bezgaitas lidmašīnas ar mainīgu slaucīšanas delta spārnu. Tas spēj veikt kontrolētu nolaišanos atmosfērā ar sānu manevru līdz 2000 km. Kuģa garums ir 36,4 m, spārnu plētums ir aptuveni 24 m, kuģa, kas stāv uz šasijas, augstums ir lielāks par 16 m. Palaišanas svars ir lielāks par 100 tonnām, no kurām 14 tonnas ir degviela. Tās kravas nodalījumā var ievietot kravu, kas sver līdz 30 tonnām. Priekšgala nodalījumā ir iebūvēta hermetizēta kabīne apkalpei un aprīkojums, kura tilpums pārsniedz 70 m 3. Galvenā piedziņas sistēma atrodas kuģa astes daļā, divas manevrēšanas motoru grupas atrodas astes daļas galā un korpusa priekšpusē. Karstuma aizsargpārklājums, kas sastāv no gandrīz 40 tūkstošiem individuāla profila flīžu, ir izgatavots no īpašiem materiāliem - augstas temperatūras kvarca un organiskām šķiedrām, kā arī no oglekļa bāzes izgatavota materiāla. Pirmais atkārtoti lietojamā kosmosa kuģa "Buran" lidojums paver kvalitatīvi jaunu posmu padomju kosmosa pētījumu programmā.

1988. gada 10. decembrī nesējraķete Proton palaida orbītā nākamo (19.) padomju televīzijas apraides satelītu Ekran. Palaists ģeostacionārā orbītā 99 ° E pozīcijā. (starptautiskais reģistrācijas indekss "Stationar T"), šie satelīti tiek izmantoti, lai pārraidītu televīzijas programmas viļņu garumu decimetra diapazonā uz Urālu un Sibīrijas reģioniem abonentu uztvērējiem kolektīvai lietošanai.

1988. gada 11. decembrī no Kourou kosmodroma Franču Gviānā ar Rietumeiropas nesējraķetes Ariane-4 palīdzību ģeostacionārā orbītā tika palaisti divi sakaru pavadoņi - angļu Sky-Net-4B, kas pieder Luksemburgas konsorcijam SES Astra-1. Satelīts Astra-1 ir paredzēts televīzijas programmu pārsūtīšanai uz vietējiem izplatīšanas centriem Rietumeiropas valstīs. Satelītam ir 16 vidējas jaudas retranslatori, no kuriem lielāko daļu iznomā British Telecom. Paredzētā Astra-1 satelīta atrašanās vieta ir 19,2 ° W. e. Sākotnēji bija paredzēts, ka britu satelīts tiks palaists ar amerikāņu kosmosa kuģa palīdzību. Tomēr Challenger avārija 1986. gada janvārī izjauca šos plānus, un nolemšanai palaišanai tika izmantots nesējraķete Ariane. Divu satelītu palaišanu veica nesējraķete Ariane-4, kas aprīkota ar diviem cietā un divu šķidruma propelentu pastiprinātājiem. Konsorcijs "Arianspace" potenciālajiem patērētājiem paziņoja, ka šis raķetes modelis spēj 3,7 tonnas smagu kravu nogādāt pārsūtīšanas orbītā ar apogeja augstumu 36 tūkstoši km. Šajā versijā "Ariane-4" tiek izmantots otro reizi. Pirmā LV palaišana šādā konfigurācijā bija testa. Tad 1988. gadā ar tās palīdzību orbītā tika palaisti trīs satelīti: Rietumeiropas meteoroloģiskais "Meteosat-3" un radioamatieris "Amsat-3", kā arī amerikāņu sakaru virsnieks "Panamsat-1".

1988. gada 22. decembrī PSRS Molniya LV tika nogādāts ļoti elipsveida orbītā ar apogeja augstumu 39 042 km Ziemeļu puslodē, nākamais (32.) AES Molniya-3 tika palaists, lai nodrošinātu tālsatiksmes telefona un telegrāfa radiosakaru sistēmas darbību un televīzijas programmu pārraidi. par "Orbit" sistēmu.

1988. gada 23. DECEMBRĪ no Sichan kosmodroma ar nesējraķetes "Great March-3" palīdzību tika palaists ĶTR 24. satelīts. Tas ir ceturtais Ķīnas sakaru pavadonis, kas palaists ģeostacionārā orbītā. Ar satelīta nodošanu ekspluatācijā tiks pabeigta visu nacionālo televīzijas programmu pārsūtīšana uz retranslāciju caur satelītu sistēmu. Satelīta palaišanas laikā bija klāt Ķīnas Tautas Republikas Valsts padomes premjerministrs Li Pengs.

1988. gada 25. decembrī nesējraķete Sojuz orbītā palaida automātisko kravas kosmosa kuģi Progress-39, kas paredzēts Padomju Savienības orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja pie stacijas 27. decembrī, no tās atkāpās 1989. gada 7. februārī un tajā pašā dienā ienāca atmosfērā un beidza pastāvēt.

1988. gada 28. decembrī Molniya LV ar nākamo (75.) sakaru pavadoni Moliya-1 palaida ļoti elipsveida orbītā ar apogeja augstumu 38 870 km Ziemeļu puslodē. Šis satelīts tiek izmantots kā daļa no satelītu sistēmas, ko Padomju Savienībā izmanto tālruņa un telegrāfa radio sakariem, kā arī televīzijas programmu pārraidei caur Orbita sistēmu.

1989. gada 26. janvārī Proton LV palaida PSRS nākamo (17.) sakaru pavadoni "Horizon". Palaists ģeostacionārajā orbītā 53 ° E. utt., viņš saņēma starptautiskās reģistrācijas indeksu "Stationar-5". AES "Gorizont" izmanto, lai pārraidītu televīzijas programmas uz zemes staciju "Orbita", "Maskava" un "Intersputnik" tīklam, kā arī sazinātos ar kuģiem un lidmašīnām, izmantojot papildu retranslatorus.

1989. gada 27. janvārī nesējraķeti Ariane-2 ar satelītu Intelsat-5A (paraugs F-15) palaida pārvietošanas orbītā, lai to izmantotu starptautiskā konsorcija ITSO globālajā komerciālajā satelītsakaru sistēmā. Pārvietots uz stacionāru stāvokli 60 ° E ģeostacionārā orbītā. Satelīts aizstās tur izvietoto Intelsat-5A satelītu (F-12 paraugs), kas palaists 1985. gada septembrī.

1989. gada 10. februārī nesējraķete Sojuz palaida automātisko kravas kosmosa kuģi Progress-40, kas paredzēts padomju orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja pie stacijas 12. februārī un no tās atkāpās 3. martā. Pēc atvilkšanas tika veikts eksperiments, lai atklātā telpā izvietotu divas lielas daudzsavienojumu struktūras, kas bija salocītas uz kosmosa kuģa Progress-40 ārējās virsmas. Pēc borta automātikas pavēles šīs struktūras tika atvērtas pēc kārtas. To izvietošana tika veikta, izmantojot elementus no materiāla ar formas atmiņas efektu. 5. martā uz kuģa tika aktivizēta piedziņas sistēma. Bremzēšanas rezultātā kuģis ienāca atmosfērā un beidza pastāvēt.

1989. gada 15. februārī nākamā (76.) sakaru satelīta Molniya-1 ziemeļu puslodē PSRS LV Molniya tika nogādāta ļoti elipsveida orbītā ar apogeja augstumu 38 937 km. Šis satelīts ir iekļauts Padomju Savienībā izmantotajā satelītu sistēmā tālruņa un telegrāfa radio sakariem, kā arī televīzijas programmu pārraidei caur Orbit sistēmu.

16. martā PSRS Sojuz LV palaida automātisko kravas kosmosa kuģi Progress-41, kas paredzēts Padomju orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja pie stacijas 18. martā.

Pilotu lidojumu hronika 1

1 Turpinājums (1989. gada 3. nr.).

2 Iekavās ir norādīts lidojumu skaits kosmosā, ieskaitot pēdējo.

3 Ekspedīcija uz Mir staciju.

4 stacijas Mir apkalpē palika kosmonauti A. Volkovs un S. Krikalevs. 1988. gada 21. decembrī kopā ar J.-L. V. Titovs un M. Manarovs no Mir stacijas atgriezās Chretien zemē, veicot garāko lidojumu kosmonautikas vēsturē, kas ilga 1 gadu.

ASTRONOMIJAS ZIŅAS

TINI BRĪNUMZEMĒ

Mēs jau savās mazajās piezīmēs minējām par vienu no dažu Lielās apvienošanās modeļu kosmoloģiskajām sekām - par kosmoloģisko pavedienu esamības prognozēšanu. Tās ir viendimensiju paplašinātas struktūras ar lielu lineāru masas blīvumu (~ Ф 0 2, kur Ф 0 ir nulles vakuuma vidējā vērtība) un biezums ~ 1 / Ф 0.

Starp daudzajiem reālistiskajiem Lielās apvienošanās modeļiem (jo ir arī nereāli modeļi) visveiksmīgākās ir tās shēmas, kurās ietilpst spoguļa daļiņas, kuru īpašības pēc īpašībām ir stingri simetriskas attiecīgajām parastajām daļiņām. Spoguļu dvīņus iegūst ne tikai vielas daļiņas (elektroni, kvarki), bet arī mijiedarbības daļiņas un nesēji (fotoni, W-baloni, gluoni utt.). Šāda veida shēmās pilnīgas simetrijas pārrāvums noved pie pārejas no parastajām daļiņām uz spoguļdaļiņām. Šajos modeļos redzamos pavedienus sauc par Alises pavedieniem. Tos no "parastajiem" kosmoloģiskajiem pavedieniem atšķir šāds papildu īpašums: staigājot pa pavedienu, mainās objekta spekulitāte.

No šī "skatāmā stikla" īpašuma izriet, ka pati spekulitātes definīcija kļūst relatīva: ja makroskopisku objektu mēs uzskatām par parastu, kad mēs staigājam apkārt pavedienam no kreisās puses, tad tas izrādās spogulisks, ja pavediens tiek izlaists apkārt no labās puses (vai otrādi). Turklāt elektromagnētiskais starojums, ko mēs uztveram kā parasti pa kreisi no Alises pavediena, pa labi no viņas, būs spekulārs. Mūsu parastie elektromagnētiskie uztvērēji to nevar reģistrēt.

Bet tas viss ir teorētiski. Vai ir iespējamas alisa pavedienu novērošanas izpausmes? Visas īpašības, kas piemīt parastajiem kosmoloģiskajiem pavedieniem, piemīt arī Alises pavedieniem. Bet atšķirībā no pirmajiem Alises pavedieniem, to evolūcijas gaitā viņiem jāmaina daļiņu un gaismas staru relatīvā spekulitāte. Spoguļa daļiņu esamība noved pie tā, ka zvaigznēm un, iespējams, lodveida kopām vajadzētu būt vienādai spekulitātei, un galaktikas un lielākas neviendabīgums (kopas, superkopas) sastāv no vienāda skaita spoguļa un parastajām daļiņām. Turklāt to vidējās īpašības (spektrs, spilgtums, masas un ātruma sadalījums utt.) Ir vienādas. Tāpēc, ja mēs nevaram "atrisināt" galaktiku atsevišķās zvaigznēs, tad mēs pat nevaram pamanīt Alises kvēldiega pāreju starp tām un galaktiku, jo gan spekulārie, gan parastie galaktikas spilgtumi un spektri ir pilnīgi simetriski.

Jūs varat mēģināt noteikt Alises pavediena izpausmi (kā, starp citu, jebkura rakstura kosmoloģisko pavedienu) pēc gāzes kvēlojošā trieciena trieciena viļņā. Pēdējais veidojas, kad vielu traucē kvēldiega koniskais gravitācijas lauks. Tiesa, gāzes kvēlspuldzi triecienvilnī aiz kvēldiega ir grūti atdalīt no šādas gāzes kopējā spilgtuma fona. Tas pats attiecas uz KMB temperatūras traucējumiem kvēldiega virzienā. Tāpēc visdaudzsološākais, pēc teorētiķu domām, ir Alises pavediena izraisītā gravitācijas lēcas efekta meklēšana.

VAI PASTĀVĪGI?

Mēs runājam par Ņūtona gravitācijas konstanti G... Ir daudz teoriju, kas paredz nepieciešamību to mainīt. Tomēr ne tikai tas, bet arī citas fundamentālās konstantes - piemēram, dažos virsstīgu teorijas modeļos šīm konstantēm vajadzētu mainīties līdz ar Visuma vecumu (līdz ar Visuma paplašināšanos) G, piemēram, vajadzētu samazināties).

Neviens no līdz šim veiktajiem eksperimentiem nesniedz nekādus pierādījumus par neatbilstību. G... Ir noteiktas tikai šādu izmaiņu augšējās robežas - apmēram 10-11 daļas gadā. Nesen amerikāņu zinātnieki apstiprināja šo novērtējumu, novērojot bināro radio pulsāru.

PSR 1913 + 16 binārais pulsārs, kas tika atklāts 1974. gadā, sastāv no neitronu zvaigznes, kas riņķo ap citu kompaktu objektu. Tas ir tik paveicies, ka tā orbītas perioda maiņas ātrums ir zināms ar pārsteidzoši lielu precizitāti.

Vispārējā relativitāte paredz, ka šāda binārā sistēma izstaro gravitācijas viļņus. Šajā gadījumā mainās binārā pulsāra orbitālais periods. Tās izmaiņu ātrums tika prognozēts, pieņemot pastāvību G, lieliski sakrīt ar novēroto.

Amerikāņu zinātnieku novērojumi ļauj novērtēt mainīguma robežu G ar nelielu atšķirību starp novērojumiem un vispārējās relativitātes prognozēm. Šis aprēķins, kā jau minēts, dod vērtību 10-11 daļām gadā. Tātad, visticamāk G nekad nemainās.

"LIGHT ECHO" SUPERNOVOY-87

Austrālijas un Amerikas astronomi ir atklājuši diezgan spēcīgu LMC Supernovas infrasarkanā starojuma pieaugumu. Pats šāda starojuma fakts nav nekas īpašs. Tās uzliesmojums nav saprotams un negaidīts.

Ir ierosinātas vairākas hipotēzes. Saskaņā ar vienu no tiem, pulsārs "spīd" gāzē, kuru izstaro eksplodētā zvaigzne (tomēr pulsāra starojumam jābūt īsākam viļņa garumam). Saskaņā ar otro hipotēzi, sprādziena gāzes kondensējas cietās makrodaļķu daļiņās, kuras karsējot izstaro infrasarkano starojumu.

Arī trešā hipotēze ir "putekļaina". Tūkstošus un tūkstošus gadu pirms sprādziena sākotnējā zvaigzne zaudēja gāzi, kas savāca ap to. Putekļainais apvalks ap Supernovu stiepās gandrīz gaismas gadu - tik ilgi pagāja, kamēr gaisma no eksplodējošās zvaigznes sasniedza putekļu mākoni. Sakarsētie putekļi atkal izstaro infrasarkano staru diapazonā, un starojums prasa vēl gadu, lai sasniegtu Zemes novērotājus. Tas izskaidro laiku, kas pagājis no supernovas sprādziena reģistrēšanas līdz infrasarkanā starojuma zibspuldzes noteikšanai.

PĀRTRAUKTĀ MASA

Ja mūsdienu zvaigžņu evolūcijas teorija ir pareiza (un šķiet, ka par to nav pamata šaubīties), tad zemas masas zvaigznēm (kuru masa ir mazāka par Saules masu) nav "temperamenta" beigt savu dzīvi planētas miglāja formā - kvēlojošs gāzes mākonis, kura centrā sākotnējās zvaigznes atlikums.

Tomēr diezgan ilgi šis aizliegums tika noslēpumaini pārkāpts - daudzos gadījumos planētas miglāja masa izrādījās mazāka par Saules masu. Angļu un holandiešu astronomi izpētīja trīs spilgtus planētu miglājus (vai drīzāk to vājos apvalkus). Izmantojot viņu iegūtos spektrus, tika aprēķināta gan aploksnes, gan paša miglāja masa. Masu deficīta problēma ir kļuvusi skaidra - aploksnē ir daudz vairāk vielas nekā pašā miglājā. Sākotnēji zvaigznēm - planētu miglāju "organizatoriem" - vajadzētu būt smagākām. Trūkstošā masa atrodas čaulā.

Bet tad radās jauns noslēpums. Gāzes temperatūras, kas aprēķinātas miglājam un aploksnei, ir atšķirīgas - aploksne izrādījās 2 reizes karstāka nekā miglājs. Šķiet, ka tam vajadzētu būt otrādi, jo centrālajai zvaigznei ir jāsilda aploksnes gāze. Viens no pieņēmumiem, kas izskaidro šo paradoksu: enerģiju aploksnes sildīšanai nodrošina ātrs "vējš", kas pūš no centrālās zvaigznes.

BRĪDINĀJUMS - Zibspuldze

Amerikas satelīts SMM, kas paredzēts Saules izpētei, paredzēja tā priekšlaicīgu "bojāeju" - deorbitāciju. Dati, kas iegūti ar šī satelīta palīdzību, liek domāt, ka, pēc Nacionālās okeānu un atmosfēras pārvaldes ekspertu domām, nākamos četrus gadus mēs pavadīsim paaugstinātas Saules aktivitātes atmosfērā. Ar visām no tā izrietošajām sekām - magnētiskām vētrām, kas kavē radiosakaru un navigāciju, traucē radaru darbību, radot ļoti noteiktas briesmas: kosmosa kuģu apkalpēm, satelītu smalko elektronisko daļu sabojāšanai utt.

Saules uzliesmojumi izstaro skarbu ultravioleto starojumu, kas silda atmosfēras augšējo daļu. Rezultātā palielinās tā augšējās (nosacītās) robežas augstums. Īsāk sakot, atmosfēra ir "traucēta", kas galvenokārt ietekmē satelītus zemā orbītā. Viņu dzīves ilgums saīsinās. Savulaik tas notika ar amerikāņu staciju Skylab, kas atstāja orbītu pirms grafika. Tāds pats liktenis, kā jau minēts, gaida SMM satelītu.

Saules aktivitātes cikli ir zināmi jau ilgu laiku, taču šo parādību izraisošo procesu raksturs joprojām nav pilnībā izprasts.

JAUNIE TELESKOPI

Mauna Kea kalns (4170 m, Havaju salas, ASV) drīz kļūs par astronomisko Meku. Papildus teleskopiem, kas jau pastāv observatorijā, kas atrodas uz šī kalna, tiek projektēti (un jau tiek būvēti) jauni, jaudīgāki optiskie teleskopi.

Kalifornijas universitāte būvē 10 metru teleskopu, kuru paredzēts pabeigt un uzstādīt 1992. gadā. Tas sastāvēs no 36 sešstūra konjugētiem spoguļiem, kas izvietoti trīs koncentriskos gredzenos. Elektroniskie sensori, kas uzstādīti visos segmenta spoguļu galos, datorā pārsūtīs datus par to pašreizējo atrašanās vietu un orientāciju viens pret otru, kas izsniegs komandas aktīvajiem spoguļu diskdziņiem. Rezultātā mehāniskās pārvietošanās un vēja slodžu ietekmē tiek nodrošināta kompozītmateriālu virsmas un tās formas nepārtrauktība.

Tajā pašā Mauna Kea 1995. gadā ir paredzēts uzstādīt 7,5 metru teleskopu, ko izstrādājuši japāņu zinātnieki. Tas atradīsies vairāk nekā simts metru attālumā no Amerikas. Šis "sparģelis" pārstāvēs visspēcīgāko optiski-interferometrisko sistēmu, kas ļaus jums apskatīt milzīgus attālumus, izpētīt kvazārus un atklāt jaunas zvaigznes un galaktikas.

Četrus atsevišķus teleskopus (katrs 8 m diametrā), ko optiskā šķiedra apvieno vienā fokusa plaknē, Dienvidu observatorijā (Čīle) paredzēts uzbūvēt 8 Rietumeiropas valstis - šīs observatorijas līdzīpašnieces. Pirmā spoguļa (t.i., pirmā teleskopa) būvniecību paredzēts pabeigt līdz 1994. gadam, bet pārējos trīs - līdz 2000. gadam.

KAS NĀK

Kā jūs zināt, Marsa atmosfērā ir diezgan augsta oglekļa dioksīda koncentrācija. Šī gāze izplūst kosmosā, tāpēc tās pastāvīgā koncentrācija ir jāsaglabā uz kāda avota rēķina.

Eksperti uzskata, ka šāds avots ir reti sastopamais minerālu skapolīts uz Zemes (uz mūsu planētas tas ir pusdārgakmens, kas papildus ogleklim, silīcijam, skābeklim, arī nātriju, kalciju, hloru, sēru, ūdeņradi) var uzglabāt lielu daudzumu oglekļa dioksīda. kā daļu no tā kristāla struktūras (karbonāts). Uz Marsa ir daudz skapolīta.

Tēma: “Cilvēks un viņa vieta dabā”.

Mērķi.

Izglītības:

• turpināt sistemātisku darbu pie elementāra holistiska pasaules attēla veidošanas starp jaunāko klašu skolēniem;
• iepazīstināt ar pilsētu un ciematu mākslīgajām ekosistēmām kā cilvēka dzīves (dzīvesvietas) vietu;
• iemācīt saskatīt atšķirību seno cilvēku un mūsdienu cilvēka saimniecībās, izprast mākslīgo ekosistēmu specifiku;
• iemācīt studentiem atrast pretrunas starp cilvēka ekonomiku un dabu un ieteikt veidus, kā tās novērst;
• veidot ekoloģiska tipa ekonomikas koncepciju, harmoniski apvienojot to ar dabu.

Attīstība:

• attīstīt spēju izzināt un izprast apkārtējo pasauli, jēgpilni pielietot iegūtās zināšanas izglītības, izziņas un dzīves uzdevumu risināšanai;
• attīstīt runu, loģisko domāšanu;

Izglītība:

• izkopt cieņu pret apkārtējo dabu, ekonomisku dabas resursu izmantošanu, gādīgu attieksmi pret pasauli.

Nodarbības veids: mācība jauna materiāla apguvē.

Apmācības veids: problemātiska.

Nodarbības galvenie posmi:

1. Jaunu zināšanu ieviešana, balstoties uz iepriekšējo pieredzi.
2. Jaunu zināšanu pavairošana.

Aprīkojums:

• videoieraksti pilsētas un ciema ekosistēmas demonstrēšanai;
• darba lapa;
• atskaites shēmas;
• ilustrācijas par saprātīgu civilizācijas un dabas apvienojumu.

NODARBĪBU LAIKĀ

I. Uzlabotas zināšanas un problēmu izklāsts.

1. Puiši, šodien mums ir pirmā nodarbība mūsu mācību grāmatas pēdējā sadaļā un viss mūsu kurss "Miers un cilvēks". Šīs sadaļas nosaukums, manuprāt, ir mazliet neparasts. Un kāda ir tā īpatnība?

Uz tāfeles ir piezīme: "Kā mēs varam dzīvot?"

Izrādās, ka šis jautājums uztrauc daudzus cilvēkus uz mūsu planētas neatkarīgi no tā, kurā valstī viņi dzīvo un kādā valodā viņi savstarpēji sazinās. Bet galvenais ir tas, ka šie cilvēki nav vienaldzīgi pret mūsu planētas, mūsu kopējo māju likteni.

Esmu pārliecināts, ka jums un man nevajadzētu palikt malā un mēģināt atrast atbildi uz šo jautājumu.

Vai jūs zināt, kas ir konference? Un vai ir iespējams nosaukt mūsu mācību konferences nodarbība”?

Vārdnīca: “Konference- tikšanās, dažādu, tostarp izglītības organizāciju, tikšanās, lai apspriestu visus īpašos jautājumus. "

(Bērni darba lapā izlasa vārda "konference" interpretāciju un apspriež uzdoto jautājumu).

Un tagad es ierosinu, pārdomājot mūsu īpašo jautājumu “Kā mēs tiešraide?" un " Cilvēks un viņa vieta dabā”, Atcerieties to, ko mēs zinām, uzzinājām.

2. Blitz - viktorīna "Pārbaudi savas zināšanas":

1. Urālu kalni sašķeļ Eiropu un Āziju;
2. Ameriku atklāja Kristofers Kolumbs;
3. Volga, Ob, Jeņisejs, Lena, Amūra - mūsu valsts upes;
4. Antarktīdas dienvidos ir arī citi kontinenti;
5. Ja jūs rūpīgi rūpējaties par ūdens, gaismas, t.i. ietaupiet enerģiju, tad daba tiks saglabāta, un cilvēki dzīvos vieglāk;
6. Sahāras tuksnesis atrodas Dienvidamerikā;
7. Ceļotāji devās viens otru apciemot no salas uz salu kājām;
8. Pārtikas augu vākšana un savvaļas dzīvnieku medīšana ir senākā cilvēka nodarbošanās;
9. Ekosistēma ir tik zema dzīvas un nedzīvas dabas sadraudzība, kurā visi jūtas kā mājās.
10. Ekoloģiskā sistēma ir Zemes dzīvā apvalka šūna.

(Bērni uzklausa šos apgalvojumus un darba lapas tabulā ievieto “+”, ja piekrīt apgalvojumam, un “-”, ja nepiekrīt apgalvojumam. Pēc uzdevuma izpildīšanas skolotājs uz tāfeles izliek kontrolsarakstu, un studenti veic izpildītā uzdevuma paškontroli un pašpārbaudi.).

3. Krustvārdu mīklas atrisināšana pāros.

1. Ekosistēmas zinātnieks.
2. Dzīvi organismi, kas ēd citus organismus.
3. Mazākie "slaucītāji".
4. Organismi, kurus ēd "ēdāji".

4. Problemātisks dialogs.

Jā, tie ir mūsu draugi Lena un Miša. Klausīsimies viņus ...

Lena: Cilvēks, attīstot zinātni un tehnoloģijas, pārkāpj dabiskās ekosistēmas. Tātad viņš var dzīvot bez viņiem?

Miša: Nē, Lena, tu kļūdies. Cilvēkam, tāpat kā jebkuram citam organismam, ir vajadzīgi citi viņa ekosistēmas pārstāvji, jo viņam ir jāelpo, jāēd, jāpiedalās vielu ciklā.

Un atkal trešo reizi mēs dzirdam to pašu vārdu. Cik no jums pievērsa viņam uzmanību? Patiešām, šis vārds "Ekosistēma". (Tusēšanās uz dēļa).

Kas ir ekosistēma?

(Bērni darba lapā meklē vārdnīcu un sniedz dažādas definīcijas.)

Kādas tur ir ekosistēmas?

- Dabiski - dabisks;
- mākslīgs Vai ekosistēmas rada cilvēka rokas.

Sniedziet dabisko ekosistēmu piemēru; mākslīgās ekosistēmas.

5. Problēmas izklāsts.

Bērni, kā jūs domājat, kurā no uzskaitītajām ekosistēmām ir vieta cilvēkam, jums un man?

II. Dalīšanās zināšanās.

1. Mūsu konferencē apsveriet jautājumus, kas mums jāizpēta un jāapspriež:

• divas cilvēku saimniecības;
• kur persona dzīvo;
• kā zinātnes un tehnikas sasniegumi ietekmē cilvēku dzīvi, kā tie ir noderīgi, kā kaitīgi un kādas briesmas slēpjas to lietošanā.

2. Patstāvīga iepazīšanās ar diviem cilvēku ekonomikas veidiem, izmantojot mācību grāmatas lappuses.

3. Kolektīvs darbs ar klasi, izmantojot problēmu sarunu, lai sistematizētu iegūtās zināšanas:

• Ko darīja senie cilvēki?
• Vai tie atšķīrās no savvaļas dzīvniekiem ar to, kā viņi saņēma pārtiku?
• Ja viņi piesavinātos gatavos dabas resursus, kā viņu ekonomiku varētu nosaukt? Veido vārdu no darbības vārda “piemērots”, atbildot uz jautājumu, kāda veida mājsaimniecība? (Pielietojot).
• Kāpēc cilvēki vēlāk iemācījās audzēt mājdzīvniekus un kultivētos augus?
• Kur cilvēki sāka dzīvot?
• Kas kļuva par viņu galveno nodarbošanos?
• Ja cilvēki sāka ražot pārtiku un citus dzīvībai nepieciešamus produktus, tad kā jūs varat saukt viņu ekonomiku? Veido vārdu no darbības vārda “ražot”, atbildot uz jautājumu, kāda veida mājsaimniecība? (Produktīvs)

4. Divu ekoloģisko piramīdu demonstrēšana:

• Kurš no tiem simbolizē piesavinošos ekonomiku, un kura ir ražojošā ekonomika?
• Kuras no tām var korelēt ar dabisko ekosistēmu, bet kuras ar mākslīgo ekosistēmu?
• Kā jūs sauktu šo ekosistēmu?

(Lauka, dārza, sētas, mājputnu mājas, lopkopības saimniecības ekosistēma - lauksaimniecības ekosistēma)

Šī ir pirmā mākslīgā ekosistēma, ko cilvēki ir radījuši. Šeit dzīvo lauksaimnieki, kas nodarbojas ar lauksaimniecības darbu.

Otra mākslīgā ekosistēma, ko cilvēki radījuši savai dzīvei, ir pilsētas ekosistēma.

Ja lauki, dārzi, lopu dārzi atgādina dabiskās ekosistēmas, tad pilsēta ir pārsteidzoša pretrunā ar dabisko vidi. Tā vietā, lai čaukstētu lapas un dziedātu putnus, mēs pilsētā dzirdam motoru troksni, bremžu čīkstēšanu, tramvaja riteņu skaņas uz sliedēm. Līdzenumā no daudzstāvu ēkām paceļas akmens kalni. Diemžēl pilsētā ir maz zaļo augu. Tieši zaļumu trūkuma vai trūkuma dēļ cilvēki - pilsētnieki nedēļas nogalēs cenšas pamest pilsētu savas dachas dēļ, mežā, elpot svaigu gaisu, atpūsties no pilsētas trokšņiem. Dažreiz cilvēki uzskata, ka mūsdienu cilvēks ir gandrīz neatkarīgs no dabas. Tas ir ļoti bīstams malds.

Atcerieties! Cilvēku pagātnē, tagadnē un nākotnē ar dabu saista daudzi neredzami pavedieni. Parūpējies par viņu!

Neskatoties uz visu, pilsēta ir ekosistēma, ko cilvēki ir izveidojuši, lai tajā dzīvotu.

5. 2. uzdevuma izpildīšana 59. lpp.

• Kādas iespējas cilvēks ieguva, veidojot mākslīgas ekosistēmas?
• Kādas ir attiecības starp dabisko un mākslīgo ekosistēmu? Kāpēc?
• Kas ir cilvēka spēks?
• Vai tas vienmēr ir bijis izdevīgs cilvēkiem un apkārtējai dabai?
• Vai cikls dabā ir slēgts vai nav?
• Kas notiek cilvēku vadības ietekmē? (Vides piesārņojums, augu un dzīvnieku pazušana, zemes auglības samazināšanās, degvielas trūkums utt.)

6. 3. uzdevuma izpildīšana 59. lpp.

• Kādas ir viņa rīcībā esošās personas spēka lietošanas sekas?
• Pie kā tas noved?
• Kas jālabo?
• Ja apgrozība kļūst slēgta, tad šāda veida ekonomiku var saukt par ... (ekoloģisku).
• Ko darīt? Vai mēs varam palīdzēt?

Atpakaļ pie koncepcijas "ekosistēma".

(Definīcija ir izlikta uz tāfeles)

Ekosistēma - tās ir tādas attiecības (kopiena) starp dzīvo un nedzīvo dabu, kurā visi tās iedzīvotāji jūtas kā mājās.

7. Darbs ar atslēgvārdiem:

• Sadraudzība
• Dzīvā daba
• Nedzīvā daba
• Viss? Kas ir visi?
• Kā ir mājās?

III. Seminārs par pašu pielietošanu un iegūto zināšanu izmantošanu.

• Atbildes uz jautājumiem 59. lpp.
• Veicat 2-3 uzdevumus pēc savas izvēles (1, 4, 5, 7, 8).
• Aizpildiet tabulu darba lapā. Aprēķiniet punktu daudzumu, un jūs uzzināsiet, vai jūs labi rūpējaties par dabu pilsētas ekosistēmā.

		1
		1
		1
		1
Es visu ziemu baroju putnus.		2
Es netraucēju putnus pie ligzdas.		1
Es uztaisīju dzīvojamo māju putnu ligzdošanai.		3
		1
Es iestādīju koku.		5

13–16 punkti - jūs esat lielisks biedrs, dabas aizstāvis. Ikviens var ņemt no jums piemēru.

9-12 punkti - jūs zināt, kā draudzēties ar dabu.

Mazāk par 9 ballēm - jums ir par ko padomāt. Centieties būt uzmanīgāks pret apkārtējo dabu.

IV. Apkopojot stundas - konferences rezultātus.

• Viedokļu apmaiņa par uzdevumu izpildi;
• Ko jaunu jūs uzzinājāt stundā?
• Kāpēc cilvēka vara ir liels drauds visai apkārtējai pasaulei?

Cilvēkam ir divi ceļi. Pirmais ir visiem cilvēkiem, kas kopā lido kosmosā un apmesties uz citām planētām. Bet pat tad, ja tas kļūst iespējams, tas nebūs ļoti drīz, varbūt pēc simtiem un simtiem gadu.

Otrs veids ir pielāgoties dabai, iemācīties to neiznīcināt, neizjaukt labi izveidojušos ekonomiku, mēģināt sākt atjaunot iznīcināto un sabojāto. Un uzmanīgi izturēties pret pašreizējo dabu, aizsargājot to, kas paliek pāri. Varbūt šis ceļš ir vienīgais iespējamais.

V. Mājas darbs.

12. nodarbība, 6. uzdevums.

1. PAPILDINĀJUMS

DARBA LAPA

Students (-i) ____________________________

TĒMA: “Kā mēs varam dzīvot?
Cilvēks un viņa vieta dabā ”.

Plāns.

1. Divas cilvēku saimniecības.
2. Kur cilvēks dzīvo.
3. Kā mēs varam dzīvot.

1. vingrinājums. Blitz ir viktorīna.

2. uzdevums. Krustvārdu mīkla.

1. Ekosistēmas zinātnieks.
2. Dzīvi organismi, kas ēd citus organismus (augus un dzīvniekus).
3. Gāze, kas nepieciešama visu dzīvo organismu elpošanai.
4. Ko ekosistēma iegūst no kosmosa?
5. Mazākie "slaucītāji".
6. Organismi, kas apstrādā dzīvo organismu atkritumus un atliekas.
7. Augu orgāns, kurā notiek nedzīvu vielu pārveidošanās par organisko materiālu visiem organismiem.
8. Augšējā apstrāde, lai palielinātu augu ražu.
9. Organismi, no kuriem ēd ēdāji.
10. Augšējais auglīgais zemes slānis, no kura augs saņem ūdeni un barības vielas.

3. uzdevums. Jaunu jēdzienu atklāšana.

1.____________________

2.____________________

3.____________________

4.____________________

5.____________________

6.____________________

7.____________________

8.____________?_______

4. uzdevums. Tabula ir pārbaude.

Noderīgs bizness	Izpildes zīme	Punkti
Izejot no istabas, es izslēdzu gaismu.		1
Izejot no vannas istabas, es izslēdzu krānu.		1
Es cenšos mežā un parkā neplūkt ziedus.		1
Es nelaužu kokus uguns dēļ, bet es ņemu nokaltušu koku.		1
Es visu ziemu baroju putnus.		2
Es netraucēju putnus pie ligzdas.		1
Es uztaisīju putnu ligzdošanas māju.		3
Es rūpējos par istabas augiem un dzīvniekiem.		1
Es iestādīju koku.		5

2. PAPILDINĀJUMS

VĀRDNĪCA.

KONFERENCE - tikšanās, dažādu, tai skaitā izglītības organizāciju, tikšanās, lai pārrunātu visus īpašos jautājumus.

EKOSISTĒMA- dzīvie organismi, kas dzīvo kopā, un zemes gabals, kurā viņi jūtas kā mājās.

EKOSISTĒMA- neliela daļa biosfēras. Šajā sistēmā var atrast daudz biosfēras elementu: gaiss, augsne, ūdens, ieži.

EKOSISTĒMA- dzīvās un nedzīvās dabas vienotība, kurā dažādu profesiju dzīvie organismi spēj kopīgi uzturēt vielu ciklu.

EKOSISTĒMA -tā ir dzīvo organismu kopiena, kas ir vienota ar vietu, kurā viņi dzīvo.

EKOSISTĒMA -tās ir tādas attiecības starp dzīvo un nedzīvo dabu, kurā visi iedzīvotāji jūtas kā mājās.

Tātad ekosistēmā mēs redzam dzīvībai svarīgas kopienas, kas sastāv no daudziem organismiem, mijiedarbību ar raksturīgiem vides faktoriem, kas iedarbojas uz šo kopienu. Ekosistēmas parasti klasificē pēc vissvarīgākajiem vides faktoriem. Tātad viņi runā par jūras, sauszemes vai sauszemes, piekrastes vai piekrastes, lacustrine vai limnic ekosistēmām utt. Kā tiek veidota ekosistēma?

Tam parasti ir četri galvenie elementi:

1. Nedzīvā (abiotiskā) vide. Tie ir ūdens, minerāli, gāzes, kā arī nedzīvās organiskās vielas un humuss.

2. Ražotāji (ražotāji). Tajos ietilpst dzīvās būtnes, kas spēj veidot organiskas vielas no neorganiskiem vides materiāliem. Šo darbu galvenokārt veic zaļie augi, kas no saules enerģijas ražo organiskos savienojumus no oglekļa dioksīda, ūdens un minerāliem. Šo procesu sauc par fotosintēzi. Tas atbrīvo skābekli (O 2). Augu radītās organiskās vielas nonāk pārtikā dzīvniekiem un cilvēkiem, skābeklis tiek izmantots elpošanai.

3. Patēriņš (patērētāji). Viņi izmanto augu izcelsmes produktus. Organismus, kas barojas tikai ar augiem, sauc par pirmās kārtas patērētājiem. Dzīvniekus, kuri ēd tikai (vai galvenokārt) gaļu, sauc par otrās kārtas patērētājiem.

4. Reduktori (destruktori, sadalītāji). Šī organismu grupa noārda mirušu radību atliekas, piemēram, augu atliekas vai dzīvnieku līķus, pārvēršot tos atkal par izejvielām - ūdeni, minerālvielām, CO 2, kas ir piemērots ražotājiem, atkal pārveidojot to komponentos par organisko vielu.

Reduktori ir daudz tārpu, kukaiņu kāpuru un citu mazu augsnes organismu. Baktērijas, sēnītes un citi mikroorganismi, kas dzīvo vielu pārveido par minerālu, sauc par mineralizatoriem.

Ekosistēma var būt arī mākslīga. Mākslīgās ekosistēmas piemērs, kas ir ārkārtīgi vienkāršots un nepilnīgs salīdzinājumā ar dabisko, ir kosmosa kuģis. Tās pilotam ilgi jādzīvo ierobežotajā kuģa telpā, iztikt ar ierobežotu pārtikas, skābekļa un enerģijas daudzumu. Tajā pašā laikā ir vēlams, ja iespējams, reģenerēt un atkārtoti izmantot izlietotos vielu un atkritumu krājumus. Šim nolūkam kosmosa kuģī ir paredzētas īpašas reģenerācijas vienības, un nesen tika veikti eksperimenti ar dzīviem organismiem (augiem un dzīvniekiem), kuriem vajadzētu piedalīties kosmonauta atkritumu apstrādē, izmantojot saules gaismu.

Salīdzināsim kosmosa kuģa mākslīgo ekosistēmu ar jebkuru dabisko, piemēram, dīķa ekosistēmu. Novērojumi rāda, ka organismu skaits šajā biotopā saglabājas - ar dažām sezonālām svārstībām - pārsvarā nemainīgs. Šo ekosistēmu sauc par stabilu. Līdzsvars tiek uzturēts līdz ārējo faktoru maiņai. Galvenie no tiem ir ūdens ieplūde un aizplūde, dažādu barības vielu ieplūde un saules starojums.

Dīķa ekosistēmā dzīvo dažādi organismi. Tātad, pēc mākslīgā rezervuāra izveidošanas to pakāpeniski kolonizē baktērijas, planktons, pēc tam zivis un augstāki augi. Kad attīstība ir sasniegusi noteiktu maksimumu un ārējā ietekme ilgstoši nemainās (ūdens, vielu, radiācijas pieplūdums, no vienas puses, un aizplūšana vai iztvaikošana, vielu atdalīšana un enerģijas aizplūšana - no otras puses), dīķa ekosistēma stabilizējas. Tiek izveidots līdzsvars starp dzīvajām būtnēm.

Tāpat kā vienkāršota mākslīgā kosmosa kuģa ekosistēma, arī dīķa ekosistēma ir pašpietiekama. Neierobežotu augšanu kavē mijiedarbība starp ražojošajiem augiem, no vienas puses, un dzīvniekiem un augiem, patērētājiem un sadalītājiem, no otras puses.

Palīgmateriālu var pavairot tikai tik ilgi, kamēr tie nepārsniedz pieejamo barības vielu daudzumu. Ja viņi pārmērīgi vairosies, to skaita pieaugums apstāsies pats no sevis, jo viņiem nebūs pietiekami daudz pārtikas. Savukārt ražotājiem nepieciešama pastāvīga minerālvielu piegāde. Reduktori jeb destruktori noārda organisko vielu un tādējādi palielina minerālu daudzumu. Viņi atkal laiž atkritumus apgrozībā. Un cikls sākas no jauna: augi (ražotāji) absorbē šos minerālus un ar saules enerģijas palīdzību no tiem atkal ražo ar enerģiju bagātas barības vielas.

Daba strādā ārkārtīgi ekonomiski. Organismu radītā biomasa (viņu ķermeņa viela) un tajā esošā enerģija tiek pārnesta uz pārējo ekosistēmu: dzīvnieki ēd augus, citi dzīvnieki ēd pirmo, cilvēks ēd gan augus, gan dzīvniekus. Šo procesu sauc par pārtikas ķēdi. Pārtikas ķēžu piemēri: augi - zālēdājs - plēsējs; labība - lauka pele - lapsa; lopbarības augi - govs - cilvēks. Katra suga parasti barojas no vairākām un vienīgajām sugām. Tāpēc pārtikas ķēdes ir savstarpēji saistītas, veidojot pārtikas tīklu. Jo spēcīgāk organismus savā starpā savieno barības tīkli un cita veida mijiedarbība, jo sabiedrība ir izturīgāka pret iespējamiem traucējumiem. Dabiskas, netraucētas ekosistēmas cenšas panākt līdzsvaru. Līdzsvara stāvokļa pamatā ir biotisko un abiotisko vides faktoru mijiedarbība.

Slēgto ciklu uzturēšana dabiskajās ekosistēmās ir iespējama divu faktoru dēļ: sadalītāju (sadalītāju) klātbūtne, kas izmanto visus atkritumus un atlikumus, un pastāvīga saules enerģijas piegāde. Pilsētu un mākslīgajās ekosistēmās sadalītāju ir maz vai vispār nav, un atkritumi - šķidri, cieti un gāzveida - uzkrājas, piesārņojot vidi. Šādu atkritumu ātru sadalīšanos un pārstrādi var veicināt, veicinot sadalītāju attīstību, piemēram, kompostējot. Šādi cilvēks mācās no dabas.

Enerģijas patēriņa ziņā dabiskās un antropogēnās (cilvēka radītās) ekosistēmas ir līdzīgas. Gan dabiskajai, gan mākslīgajai ekosistēmai - mājām, pilsētām, transporta sistēmām - nepieciešama ārēja enerģijas piegāde. Bet dabiskās ekosistēmas enerģiju saņem no gandrīz mūžīga avota - Saules, kas turklāt “ražo” enerģiju, nepiesārņo vidi. Cilvēks, gluži pretēji, ražošanas un patēriņa procesus galvenokārt baro no enerģijas gala avotiem - ogles un naftas, kas kopā ar enerģiju rada putekļus, gāzes, siltumu un citus atkritumus, kas kaitē videi un kurus nav iespējams apstrādāt pašas mākslīgās ekosistēmas ietvaros. Neaizmirsīsim, ka pat tad, ja patērē tādu "tīru" enerģiju kā elektrība (ja to ražo termoelektrostacijā), rodas gaisa piesārņojums un vides termiskais piesārņojums.

UDC 94: 574,4

https://doi.org/10.24158/fik.2017.6.22

Tkačenko Jurijs Leonidovičs

tehnisko zinātņu kandidāts, asociētais profesors, Maskavas Valsts tehniskās universitātes asociētais profesors nosaukts N.E. Baumans

Morozovs Sergejs Dmitrijevičs

vecākais pasniedzējs

Maskavas valsts tehniskais

n.E. nosaukta universitāte Baumans

NO MĀKSLĪGO EKOSISTĒMU VEIDOŠANAS VĒSTURES

Tkačenko Jurijs Leonidovičs

Tehnisko zinātņu doktors, docents, Baumana Maskavas Valsts tehniskā universitāte

Morozovs Sergejs Dmitrijevičs

Maskavas Baumana Valsts tehniskās universitātes vecākais pasniedzējs

Māksliniecisko ekosistēmu vēstures ieskati

Anotācija:

Rakstā aplūkoti dokumentāli fakti par mākslīgo ekosistēmu izveidi, kas paredzētas izmantošanai kosmosā un zemes apstākļos. K.E. pioniera loma Ciolkovskis, kurš pirmais izstrādāja slēgta biotopa radīšanas koncepciju cilvēkiem kosmosā, un V.I. Biosfērai veltītais Vernadskis par pieejām mākslīgo ekosistēmu veidošanai. Izšķirošais S.P. Koroļevs pirmajā praktiskajā Tsiolkovska projektu īstenošanā kosmosa apmetņu prototipu būvniecībai. Aprakstīti šī procesa svarīgākie vēsturiskie posmi: eksperimenti "Bios" (PSRS), "Biosphere-2" (ASV), "OEER" (Japāna), "Mars-500" (Krievija), "Yuegong-1" (Ķīna).

Atslēgvārdi:

mākslīgā ekosistēma, kosmosa apmetnes, slēgts biotops, K.E. Ciolkovskis, S.P. Koroļevs un V.I. Vernadskis.

Rakstā aprakstīti mākslīgo ekosistēmu "radīšanas, kas paredzēti kosmosa un zemes lietošanai, dokumentālie fakti. Pētījums parāda KE Ciolkovska vadošo lomu, kurš pirmais izstrādāja slēgtu ekoloģisko sistēmu koncepciju cilvēkiem kosmosā un VI Vernadska ietekmi". s biosfēra strādā pie pieejām mākslīgo ekosistēmu konstruēšanai. Rakstā parādīts izšķirošais S.P. Koroļevam kosmosa dzīvotņu prototipu veidošanas pirmajai praktiskajai īstenošanai saskaņā ar K.E. Ciolkovska projekti. Rakstā aprakstīti galvenie šī procesa vēsturiskie posmi, kas ir tādi eksperimenti kā BIOS (PSRS), Biosfēra 2 (ASV), CEEF (Japāna), Mars-500 (Krievija), Yuegong-1 (Ķīna). ).

mākslīgā ekosistēma, kosmosa biotopi, slēgta ekoloģiskā sistēma, K.E. Ciolkovskis, S.P. Koroļevs, V.I. Vernadskis.

Ievads

Ideja par nepieciešamību radīt mākslīgu slēgtu cilvēka vidi dzima vienlaikus ar sapņa par kosmosa lidojumiem parādīšanos. Cilvēkus vienmēr ir interesējusi spēja pārvietoties gaisā un kosmosā. XX gadsimtā. sāka praktiskus kosmosa pētījumus, un XXI gs. astronautika jau ir kļuvusi par pasaules ekonomikas neatņemamu sastāvdaļu. Kosmonautikas priekštecis, kosmista filozofs K.E. Ciolkovskis rakstā Visuma monisms (1925) rakstīja: “Nākotnes tehnoloģija ļaus pārvarēt zemes smagumu un ceļot pa visu Saules sistēmu. Pēc mūsu Saules sistēmas noregulēšanas sāks apdzīvot citas mūsu Piena Ceļa Saules sistēmas. Cilvēks ar grūtībām atdalīsies no zemes. " Ar "nākotnes tehnoloģiju" Ciolkovskis domāja ne tikai raķešu tehnoloģiju, izmantojot reaktīvās piedziņas principu, bet arī cilvēka dzīves vietu kosmosā, kas veidots pēc zemes biosfēras tēla un līdzības.

Jēdziena "kosmosa biosfēra" dzimšana

K.E. Ciolkovskis pirmais ierosināja ideju par dabai līdzīgu principu un biosfēras mehānismu izmantošanu skābekļa, pārtikas, saldūdens reproducēšanai un iegūto atkritumu apglabāšanai savas "reaktīvās ierīces" apkalpes dzīvības uzturēšanai. Šo jautājumu Ciolkovskis izskatīja gandrīz visos savos zinātniskajos darbos, filozofiskajos un fantastiskajos darbos. Šādas vides radīšanas iespēju pamato V.I. Vernadskis, kurš atklāja Zemes biosfēras uzbūves un darbības pamatprincipus. Laika posmā no 1909. līdz 1910. gadam Vernadskis publicēja virkni piezīmju, kas veltītas ķīmisko elementu izplatības novērojumiem zemes garozā, un secināja, ka dzīvo organismu vadošā loma matērijas aprites radīšanā uz planētas. Iepazinies ar šiem Vernadska darbiem un citiem darbiem toreiz jaunā zinātniskā virziena - ekoloģijas jomā, Ciolkovskis raksta "Pasaules telpu izpēte ar strūklas ierīcēm" (1911) otrajā daļā rakstīja: "Tā kā zemes atmosfēru attīra augi ar Saules palīdzību, tā var

atjaunojas arī mūsu mākslīgā atmosfēra. Tāpat kā augi uz Zemes ar savām lapām un saknēm absorbē piemaisījumus un dod pārtiku pretī, tāpat augi, kurus esam sagūstījuši ceļojumos, var pastāvīgi strādāt mūsu labā. Tā kā viss, kas pastāv uz Zemes, dzīvo ar tādu pašu daudzumu gāzu, šķidrumu un cietvielu, tāpēc mēs varam mūžīgi dzīvot ar uzņemto matēriju. "

Ciolkovska autorība pieder arī kosmosa apmetnes projektam, kas paredzēts lielam skaitam iedzīvotāju, kuriem tiek slēgta ķīmisko vielu cikla dēļ organizēta atmosfēras, ūdens un pārtikas resursu atjaunošana. Ciolkovskis rokrakstā apraksta šādu "kosmisko biosfēru", kuru viņš saglabāja līdz 1933. gadam, bet nekad nespēja pabeigt:

“Kopienā ir līdz tūkstoš cilvēku, abu dzimumu un visu vecumu cilvēki. Mitrumu regulē ledusskapis. Viņš arī savāc visu cilvēku iztvaicēto lieko ūdeni. Hostelis sazinās ar siltumnīcu, no kuras tas saņem attīrītu skābekli un uz kurieni sūta visus izdalījumu produktus. Daži no tiem šķidrumu veidā iekļūst siltumnīcu augsnē, citi tiek tieši izlaisti viņu atmosfērā.

Kad trešdaļu cilindra virsmas aizņem logi, tiek iegūti 87% visvairāk gaismas un tiek zaudēti 13%. Paseļi visur ir neērti ... ”(Šajā brīdī rokraksts pārtraucas).

Pirmās eksperimentālās instalācijas

Ciolkovska nepabeigto rokrakstu ar nosaukumu Dzīve starpzvaigžņu vidē izdevniecība Nauka publicēja vairāk nekā 30 gadus vēlāk - 1964. gadā. Izdevumu aizsāka kosmosa tehnoloģiju ģenerāldizaineris akadēmiķis S.P. Koroļovs. 1962. gadā viņam, jau pieredzot veiksmīga kosmosa lidojuma pieredzi, ko veica pirmais kosmonauts Yu.A. Gagarins 1961. gada 12. aprīlī uzstādīja fundamentāli jaunu vektoru kosmosa projekta izstrādei: “Būtu nepieciešams sākt“ siltumnīcas attīstību saskaņā ar Ciolkovska teikto ”, pakāpeniski palielinot saites vai blokus, un mums jāsāk strādāt ar“ kosmosa kultūrām ”. Kuras organizācijas veiks šo darbu: augkopības un augsnes, mitruma, mehanizācijas un "gaismas-siltuma-saules" tehnoloģiju un tās siltumnīcu regulēšanas sistēmu jomā? " ...

Pasaulē pirmās slēgtās mākslīgās ekosistēmas izveide kosmosa vajadzībām sākās ar S.P. Koroļevs un PSRS Zinātņu akadēmijas (IF SB AS PSRS) Sibīrijas nodaļas Fizikas institūta direktors L.V. Kirenskis, kurā Koroļevs Kirenskim nodeva savus priekšlikumus par "kosmosa siltumnīcu". Pēc tam notika virkne sanāksmju PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Fizikas institūtā, kur tika izlemts jautājums par to, kura nodaļa kļūs par pamatu darba izvietošanai kosmosa programmā. Koroļova izvirzītais uzdevums izveidot mākslīgu ekosistēmu noslēgtā kapsulā, kurā cilvēks ilgu laiku varēja uzturēties vidē, kas ir tuvu zemes apstākļiem, tika uzticēts vienšūņu departamentam. Šis neparastais lēmums, kā vēlāk izrādījās, izrādījās pareizs: tās bija visvienkāršākās mikro aļģes, kas spēja pilnībā nodrošināt apkalpi ar skābekli un tīru ūdeni.

Zīmīgi, ka tajā pašā 1964. gadā, kad tika publicēts pēdējais Ciolkovska rokraksts, tika sākts darbs pie vēsturē pirmās slēgtās mākslīgās ekoloģiskās sistēmas praktiskas izstrādes, kas cilvēka metabolismu ietvēra vielas iekšējā apritē. PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Fizikas institūta biofizikas nodaļā, kas vēlāk pārveidota par neatkarīgu PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Biofizikas institūtu, Krasnojarskā sākās eksperimentālās iekārtas "Bios-1" celtniecība, kurā I.I. Gitelzons un I.A. Terskovs, kurš kļuva par jauna virziena dibinātājiem biofizikā. Galvenais uzdevums bija organizēt skābekļa un ūdens piegādi cilvēkiem. Pirmā instalācija sastāvēja no divām sastāvdaļām: hermetizēta kabīne ar tilpumu 12 m3, kuras iekšpusē tika izmitināta persona, un īpaša kultivatora tvertne ar 20 litru tilpumu hlorellas audzēšanai. Septiņi dažāda ilguma eksperimenti (no 12 stundām līdz 45 dienām) ir parādījuši spēju pilnībā aizvērt gāzes apmaiņu, tas ir, nodrošināt skābekļa ražošanu un oglekļa dioksīda izmantošanu mikroaļģēs. Izmantojot vitāli svarīgos hlorellas procesus, tika izveidota arī ūdens cirkulācija, kuras laikā ūdeni attīra tādā daudzumā, kāds nepieciešams dzeršanai un citu vajadzību apmierināšanai.

"Bios-1" eksperimentos, kas ilga vairāk nekā 45 dienas, neizdevās, jo mikroaļģu augšana apstājās. 1966. gadā, lai izveidotu mākslīgu ekosistēmu, kas satur gan zemākus, gan augstākus augus, "Bios-1" tika modernizēts uz "Bios-2", savienojot fitotronu ar tilpumu 8 m3 ar spiediena salonu. Fitotron ir īpaša tehniska ierīce augstāku augu audzēšanai mākslīgā apgaismojumā un mikroklimata apstākļos: dārzeņi un kvieši. Augstāki augi kalpoja kā pārtikas avots apkalpei un nodrošināja gaisa atjaunošanos. Tā kā augstāki augi deva arī skābekli, bija iespējams veikt eksperimentus, piedaloties diviem testētājiem, kas ilga 30, 73 un 90 dienas. Instalācija darbojās līdz 1970. gadam.

"Bios-3" tika nodots ekspluatācijā 1972. gadā. Šī 4 istabu dzīvokļa izmēra hermētiski noslēgtā konstrukcija, kas joprojām darbojas, ar tilpumu 315 m3, tika uzcelta SB RAS Biofizikas institūta pagrabā Krasnojarskā. Iekšpusē instalāciju sadala ar noslēgtām starpsienām ar gaisa bloķētājiem četros nodalījumos: divas siltumnīcas ēdamajiem augiem, kas fitotronos audzēti ar hidroponisko metodi, kurai nav nepieciešama augsne, nodalījums hlorellas audzēšanai, kas ražo skābekli un tīru ūdeni, un nodalījums apkalpes locekļu izmitināšanai. Dzīvojamā nodalījumā ir gulēšanas vietas, virtuve un ēdamistaba, tualete, vadības panelis, ierīces augu produktu pārstrādei un atkritumu izvešanai.

Fitotronos apkalpe izaudzēja īpaši audzētas punduru kviešu šķirnes, kas satur vismaz neēdamu biomasu. Tika audzēti arī dārzeņi: sīpoli, gurķi, redīsi, salāti, kāposti, burkāni, kartupeļi, bietes, skābenes un dilles. Tika izvēlēta Centrālāzijas eļļas rūpnīca "chufa", kas kalpoja kā cilvēka organismam neaizstājamu augu tauku avots. Apkalpe saņēma nepieciešamās olbaltumvielas, ēdot gaļas un zivju konservus.

Septiņdesmitajos gados un astoņdesmito gadu sākumā Bios-3 tika veiktas desmit pārbaudes norēķini. Trīs no tiem ilga vairākus mēnešus. Visilgākā trīs cilvēku komandas nepārtrauktas pilnīgas izolācijas pieredze ilga 6 mēnešus - no 1972. gada 24. decembra līdz 1973. gada 22. jūnijam. Šim eksperimentam bija sarežģīta struktūra un tas tika veikts trīs posmos. Katram posmam bija savs pētnieku sastāvs. Instalācijas iekšpusē atradās M.P. Šilenko, N.I. Petrovs un N.I. Bugrejevs, kurš nostrādāja katrs 4 mēnešus. Eksperimenta dalībnieks V.V. Terskihs visus 6 mēnešus pavadīja Bios-3.

Fitotroni "Bios-3" dienā nodrošināja pietiekamu graudu un dārzeņu ražu. Apkalpe lielāko daļu laika pavadīja ēdamo augu audzēšanā no sēklām, ražas novākšanai un pārstrādei, maizes cepšanai un ēdiena gatavošanai. 1976.-1977. 4 mēnešus ilga eksperiments, kurā piedalījās divi testētāji: G.Z. Asinjarovs un N.I. Bugreev. No 1983. gada rudens līdz 1984. gada pavasarim tika veikts 5 mēnešu eksperiments, piedaloties N.I. Bugreev un S.S. Aleksejevs, kurš pabeidza "Bios" darbu. N.I. Tādējādi Bugrejevs tajā laikā uzstādīja absolūtu rekordu par uzturēšanos slēgtā mākslīgā vidē, kopumā instalācijā nodzīvojot 15 mēnešus. Astoņdesmito gadu beigās Bios programma tika iesaldēta, jo tās valsts finansējums tika pārtraukts.

"Biosfēra" aiz stikla

Amerikāņi pārņēma stafeti, izveidojot slēgtu biotopu. 1984. gadā Space Biospheres Ventures sāka būvēt slēgto eksperimentālo objektu Biosphere-2, kas atrodas ASV Arizonas tuksnesī.

Biosfēras-2 ideologi bija Marks Nelsons un Džons Alens, kurus pārņēma V.I. Vernadskis, apvienojis apmēram 20 zinātniekus ārzemēs, pamatojoties uz biosfēras teoriju. PSRS izdevniecībā "Mysl" 1991. gadā tika izdota šīs autoru grupas grāmata "Biosfēras katalogs", kurā aprakstīts gaidāmais eksperiments. Alens un Nelsons par saviem uzdevumiem izveidot "kosmiskās biosfēras" rakstīja: "Apbruņojusies ar Vernadska un citu zinātnieku lieliskajiem dizainiem, idejām un modeļiem, cilvēce tagad labprāt apsver ne tikai iespējamos mijiedarbības veidus ar biosfēru, bet arī veidus, kā veicināt tās" mitozi ". pielāgojot mūsu zemes dzīvi pilnīgai līdzdalībai paša Kosmosa liktenī, radot iespēju ceļot un dzīvot kosmosā ”.

Biosfēra-2 ir stikla, betona un tērauda izgatavota kapitāla struktūra, kas atrodas 1,27 hektāru platībā. Kompleksa tilpums bija vairāk nekā 200 tūkstoši m3. Sistēma bija noslēgta, tas ir, to varēja pilnībā nodalīt no ārējās vides. Tās iekšienē mākslīgi tika atjaunotas biosfēras ūdens un sauszemes ekosistēmas: mini okeāns ar mākslīgu rifu, kas veidots no koraļļiem, tropu mežs - džungļi, savanna, ērkšķaini meži, tuksnesis, saldūdens un sālsūdens purvi. Pēdējais izpaudās kā līkumota upes gultne, ko pārpludināja mākslīgs okeāns - ieteka, kas apstādīta ar mangrovju biezokņiem. Ekosistēmu bioloģiskajās kopienās bija 3800 dzīvnieku, augu un mikroorganismu sugas. "Biosfēra-2" iekšpusē eksperimenta dalībniekiem bija izvietotas dzīvojamās telpas un lauksaimniecības teritorijas, kas veidoja veselu rančo, sauktu par Saules kosmosu.

1991. gada 26. septembrī struktūru kompleksā tika izolēti 8 cilvēki - 4 vīrieši un 4 sievietes. Eksperimentētāji - "bionauti", kuru vidū bija projekta ideologs Marks Nelsons, nodarbojās ar tradicionālo lauksaimniecību - rīsu audzēšanu. Tam izmantoja lauku un lopkopības saimniecības, izmantoja ļoti uzticamus rīkus, kurus nācās aktivizēt tikai ar cilvēka muskuļu spēku. Iekārtas iekšpusē tika stādītas zāles, krūmi un koki. Pētnieki kultivēja rīsus un kviešus, saldos kartupeļus un bietes, banānus un papaijas, kā arī citas kultūras, kas kopā ļāva iegūt 46 dažādu augu pārtikas veidus. Gaļas devu nodrošināja lopkopība. Lopkopības saimniecībā atradās vistas, kazas un cūkas. Turklāt bionauti audzēja zivis un garneles.

Grūtības sākās gandrīz tūlīt pēc eksperimenta sākuma. Pēc nedēļas Biosphere-2 tehniķis ziņoja, ka skābekļa daudzums atmosfērā pakāpeniski samazinās un palielinās oglekļa dioksīda koncentrācija. Tika arī konstatēts, ka saimniecība nodrošināja tikai 83% no pētnieku pieprasītās diētas. Turklāt 1992. gadā vairošanās kaitēkļu kodes iznīcināja gandrīz visas rīsu kultūras. Visu šī gada ziemu laika apstākļi bija duļķaini, kā rezultātā samazinājās skābekļa ražošana un augu barība. Mākslīgais okeāns paskābinājās, jo tā ūdenī izšķīdināja liels daudzums oglekļa dioksīda, kā rezultātā koraļļu rifs nomira. Sākās dzīvnieku izmiršana džungļos un savannā. Divu gadu laikā skābekļa koncentrācija aiz stikla nokrita līdz 14% sākotnējo 21% tilpuma vietā.

Bionauti iznāca 1993. gada septembrī, pēc divu gadu uzturēšanās aiz stikla. Tiek uzskatīts, ka "Biosfēra-2" izgāzās. Modeļa mazā mēroga dēļ tajā esošā "ekoloģiskā katastrofa" notika ļoti ātri un parādīja visu mūsdienu vides pārvaldības veida kaitīgo iedarbību uz cilvēku, kas rada vides problēmas: uztura trūkums, biomasas izņemšana, atmosfēras un hidrosfēras piesārņošana, sugu daudzveidības samazināšanās. "Biosfēra-2" pieredzei bija liela ideoloģiska nozīme. Viena no "bionautēm" - Džeina Pointere, lasot lekcijas pēc eksperimenta beigām "Biosfērā-2", teica: "Tikai tad es pirmo reizi sapratu, cik cilvēks ir atkarīgs no biosfēras - ja visi augi iet bojā, tad cilvēkiem nebūs ko elpot, un nebūs ko ēst. Ja viss ūdens būs piesārņots, cilvēkiem nebūs ko dzert ”. Biosfēras-2 komplekss joprojām ir pieejams sabiedrībai, jo tā autori uzskata, ka ir izveidojuši principiāli jaunu pamatu sabiedrības izglītošanai vides aizsardzības jomā.

Apdzīvoto kosmosa staciju prototipi

Kopš 90. gadu otrās puses izveidotajām instalācijām sākotnēji bija skaidrs mērķis - kosmosa kuģa vai apdzīvotas bāzes dzīvības uzturēšanas sistēmas modelēšana lidojuma apstākļiem un Marsa vai Mēness izpētei. Laikā no 1998. līdz 2001. gadam pētījumi tika veikti Japānā CEEF (Closed Ecological Experimental Facility), kas ir slēgta mākslīgā ekosistēma. Eksperimentu mērķis bija izpētīt slēgtos gāzes apmaiņas, ūdens cirkulācijas un uztura ciklus, vienlaikus simulējot apdzīvotās Marsa bāzes apstākļus. Kompleksā bija fitotroniskā vienība augu audzēšanai, nodalījums mājdzīvnieku (kazu) audzēšanai, īpaša ģeohidrosfēras vienība, kas simulē zemes un ūdens ekosistēmas, un apdzīvojams modulis divu cilvēku apkalpei. Stādīšanas platība bija 150 m2, lopkopības modulis - 30 m2, dzīvojamais - 50 m2. Projekta autori bija Tokijas Aviācijas un kosmosa institūta darbinieki K. Nitta un M. Oguči. Iekārta atrodas Honshu salā Rokkasho pilsētā. Nav datu par ilgtermiņa eksperimentiem, lai izolētu cilvēkus šajā objektā; ir publicēti globālās sasilšanas seku modelēšanas rezultāti un pētījumi par radionuklīdu migrāciju vielas iekšējās plūsmās.

Slēgta biotopa simulācija ilgtermiņa kosmosa lidojumu imitēšanai tiek veikta M. V. dibinātajā Biomedicīnisko problēmu institūtā (IBMP) RAS (Maskava). Keldišs un S.P. Koroļevs 1963. gadā. Šī darba pamatā ir cilvēku ilgstošas \u200b\u200buzturēšanās izolētos apstākļos kompleksā Mars-500 izpēte. Eksperiments par 520 dienu apkalpes izolāciju sākās 2010. gada jūnijā un beidzās 2011. gada novembrī. Eksperimentā piedalījās vīriešu pētnieki: A.S. Sitevs, S.R. Kamolovs, A.E. Smoļevskis (Krievija), Djego Urbina (Itālija), Čārlzs Romēns (Francija), Vangs Jue (Ķīna). Viens no kompleksa moduļiem ietver siltumnīcu dārzeņu audzēšanai. Stādīšanas platība nepārsniedz 14,7 m2 69 m3 tilpumā. Siltumnīca kalpoja kā vitamīnu avots, lai papildinātu un uzlabotu eksperimenta dalībnieku uzturu. Mars-500 komplekss ir balstīts uz fizikāli ķīmiskajiem, nevis bioloģiskajiem procesiem, nodrošinot apkalpi ar skābekli un tīru ūdeni, izmantojot konservus, tāpēc tas ievērojami atšķiras no Bios-3 instalācijas.

Konceptuāli Bios projektam konceptuāli vistuvākais ir Ķīnas komplekss Yuegong-1 (Mēness pils). Komplekss atveido Mēness bāzes apstākļus. "Yuegong-1" Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitātē izstrādāja profesors Li Hong. Ķīnas kompleksa veidotājiem konsultēja zinātnieki no Maskavas un Krasnojarskas.

Yuegong-1 komplekss aizņem 160 m2 lielu platību un tilpumu 500 m3 un sastāv no trim puscilindriskiem moduļiem. Pirmais modulis ir viesistaba, kurā atrodas salons, kajītes trim apkalpes locekļiem, atkritumu apstrādes sistēma un personīgās higiēnas telpa. Divos pārējos moduļos atrodas siltumnīcas augu pārtikas ražošanai. Audzētie augi veidoja vairāk nekā 40% apkalpes uztura. Ūdens un gaisa ziņā augu vide bija slēgta par 99%.

Yuegong-1 instalācijas būvniecība tika pabeigta 2013. gada 9. novembrī. No 2014. gada 23. decembra līdz 30. decembrim testētāji, kas bija divi universitātes studenti, veica Mēness pils izmēģinājuma norēķinu. Pats eksperiments tika veikts 105 dienas - no 2014. gada 3. februāra līdz 20. maijam. Tajā piedalījās trīs cilvēku apkalpe: vīrietis Sji Beižens un divas sievietes - Vanga Minjuana un Donga Čena. Eksperiments bija veiksmīgs un plaši atspoguļots Ķīnas plašsaziņas līdzekļos. Secinājums

Piedāvātā slēgtās mākslīgo ekosistēmu izveides vēsture ir globālā vēsturiskā cilvēka attīstības procesa fragments. Pateicoties viņa spējai domāt, cilvēks radīja praktisku astronautiku un pierādīja savu spēju iziet ārpus planētas. Padziļināts biotopu uzbūves un darbības biosfēras mehānismu izpēte ļaus cilvēkiem radīt labvēlīgus apstākļus uz planētām un to pavadoņiem, asteroīdiem un citiem kosmiskiem ķermeņiem. Šī darbība ļaus saprast cilvēka eksistences nozīmi.

IN UN. Vernadskis rakstīja par dzīvības izplatīšanos virs Zemes un kosmosa. Tikai cilvēks ar prātu spēj virzīt mūsu biosfēras paplašināšanos tālāk līdz Kosmosa izpētīto robežu attīstībai. Cilvēcei ir jāpaplašina biosfēra līdz asteroīdiem un tuvumā esošajiem kosmosa ķermeņiem, lai tiktu tālāk par pētītajām Visuma robežām. Tas ir svarīgi ne tikai mūsu biosfēras, bet arī ļoti bioloģisko cilvēka sugu saglabāšanai. Tsiolkovska paredzētās izpētes rezultātā vispirms no Zemes tuvumā esošās telpas, Saules sistēmas un pēc tam no attālinātās telpas var izveidoties dinamiskas cilvēces populācijas - tas ir, daži cilvēki pastāvīgi dzīvos uz kosmosa bāzes ārpus Zemes. Tādējādi vēsture kā zinātne pārsniegs planētas ietvaru un patiešām kļūs ne tikai par Zemes, bet arī par Kosmosa vēsturi.

1. Filozofijas pasaule. 2 t. T. 2. M., 1991, 624 lpp.

2. Ciolkovsky K.E. Rūpnieciskās telpas izpēte: darbu kolekcija. M., 1989.278 lpp.

3. K.E. fotokopijas Ciolkovsky [Elektroniskais resurss]. URL: http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (piekļuves datums: 25.04.2017.).

4. Grišins Yu.I. Mākslīgās kosmosa ekosistēmas. M., 1989.64 lpp. (Jaunums dzīvē, zinātnē, tehnoloģijā. Sērija "Kosmonautika, astronomija". Nr. 7).

5. Gitelzons I.I., Degermendži A.G., Tihomirovs A.A. Slēgtas dzīvības atbalsta sistēmas // Zinātne Krievijā. 2011. Nr. 6. S. 4-10.

6. Degermendži A.G., Tihomirovs A.A. Mākslīgu slēgtu ekosistēmu izveide zemes un kosmosa vajadzībām // Vestnik RAN. 2014. T. 84, Nr. 3. S. 233–240.

7. Biosfēras katalogs. M., 1991, 253 lpp.

8. Nelsons M., Dempsters W. F., Alens Dž. "Moduļu biosfēras" - jaunas izmēģinājumu platformas sabiedrības vides izglītībai un pētījumiem // Advances in Space Research. 2008. sēj. 41, Nr. 5. R. 787–797.

9. Nitta K. CEEF, slēgta ekosistēma kā laboratorija radioaktīvo izotopu dinamikas noteikšanai // Turpat. 2001. sēj. 27, Nr. 9. R. 1505-1512.

10. Grigorjevs A.I., Morukovs B.V. "Mars-500": provizoriski rezultāti // Zeme un Visums. 2013. Nr. 3. S. 31-41.

11. Pavelcevs P. "Yuegun-1" - projekta BIOS-3 pēctecis // Kosmonautikas ziņas. 2014. T. 24, Nr. 7. S. 63-65.

1935. gadā A. Tenslijs ieviesa jēdzienu "ekosistēma" 1940 V.N. Sukačovs - "Biocenoze"

Jaukta meža ekosistēma

1 - veģetācija 2 - dzīvnieki 3 - augsnes iedzīvotāji 4 - gaiss 5 - pati augsne

Ekosistēma - atvērta, bet neatņemama, stabila dzīvu un nedzīvu sastāvdaļu sistēma, kas vēsturiski izveidojusies noteiktā teritorijā vai akvatorijā.

Ekosistēmu klasifikācija pēc lielumaVisas ekosistēmas ir sadalītas 4 kategorijās

Mikroekosistēmas

Mezoekosistēmas

Makroekosistēmas (milzīgas viendabīgas telpas, kas stiepjas simtiem kilometru (lietus meži, okeāns))

Globālā ekosistēma (biosfēra)

Klasifikācija pēc atvērtības pakāpesAtvērts nozīmē spēju apmainīties ar enerģiju un informāciju ar vidi.

Izolēts

Slēgts

Atveriet ∞

Klasifikācija ir balstīta uz tādu komponentu kā veģetācija. To raksturo statiskais un fizioloģiskais raksturs.

Dzīvības formas klasifikācijas

Woody \u003d koks

Zālaugu \u003d pļava un stepe

Puskrūms \u003d tundra un tuksnesis

Ekosistēmas produktivitātes klasifikācija

Tuksneša mežs

Ekosistēmas struktūra

Savienojumu veidi ekosistēmā

Trofiskais (ēdiens)

Tropu (enerģija)

Teleoloģiskais (informatīvais)

Barības ķēde Ir pārtikas saišu secība, no kurām katra ir dzīvs organisms.

zāles zaķa vilks

Trofiskais līmenis - organismu grupa, kas piešķirta jebkuram pārtikas piramīdas posmam.

alnis vanags

zāles zaķa vilks

lapsas cilvēks

īstenojot trofiskās saites, darbojas 3 organismu funkcionālās grupas:

Autotrofi (augi ir organismi, kas sintezē neorganiskās organiskās vielas)

Heterotrofi (organismi, kas fotosintēzes vai ķīmiskās sintēzes laikā nespēj sintezēt neorganiskās organiskās vielas. Viņi ēd gatavas vielas)

Reduktori (Iznīcinātāji) (organismi (baktērijas un sēnītes), kas iznīcina dzīvās būtnes mirušās atliekas, pārvēršot tās par neorganiskiem un vienkāršākajiem organiskiem savienojumiem.)

Neliels (bioloģisks) vielu cikls dabā

Enerģijas savienojumi (tropiski)

Pakļauties divi ekoloģijas likumi

Ekoloģiskās akumulatīvās enerģijas likums Šī ir raksturīga daudzu ekosistēmu spēja saskaņot ķermeņa saņemto enerģiju sarežģītās organiskās vielās un uzkrāt enerģiju milzīgos daudzumos.

Biogēnās plūsmas likums

Efektivitāte (cilvēks) \u003d 50% Efektivitāte (daba) \u003d 10%

Informācijas saites

Ekosistēmās informāciju var pārsūtīt dažādos veidos:

Uzvedība

(augos tas joprojām nav zināms)

Ekosistēmas īpašības

Integritāte - ekosistēmas īpašība darboties kā vienots organisms

Ilgtspējība - ekosistēmas spēja izturēt sistēmu no ārpuses

Kompozīcijas pastāvība ir ekosistēmas spēja saglabāt sugu sastāvu relatīvi nemainīgā stāvoklī.

Pašregulācija - ekosistēmas spēja caur bioloģiskiem orgāniem automātiski regulēt sugu skaitu.

Biosfēra. Struktūra un funkcija

Biosfēra - 1875. gadā austriešu biologs Suess.

Šī ir atmosfēras apakšējā daļa, visa hidrosfēra, tās zemes litosfēras augšdaļa, kurā dzīvo dzīvi organismi.

Dzīvības rašanās teorija

Kosmoloģiskā Šī hipotēze balstās uz ideju, ka dzīve tika atnesta no kosmosa

Teoloģisks

A.I. teorija Oparina

Oparins savam eksperimentam paņēma pudeli ar cukura šķīdumu

Piliens koacervē absorbēja cukuru. Parādījās šūnas membrānas līdzība.

1924. gadā Oparins publicē monogrāfiju "Dzīves izcelsme". 1926. gadā V.I. Vernadskis. Vernadska monogrāfijā izceļas 2 postulāti

Planētas bioķīmiskā loma dabā pieder dzīviem organismiem.

Biosfērai ir sarežģīta organizācija.

Biosfēras sastāvs

Biosfēras sastāvā Vernadskis izceļ 7 vielu veidi:

Inerts - viela, kas dabā pastāv pirms pirmo dzīvo organismu parādīšanās (ūdens, kalnu tvaiki, vulkāniskā lava)

Bioinert - organiskas izcelsmes viela ar nedzīvām īpašībām. Dzīvo organismu (ūdens, augsne, atmosfēras garoza, nogulumu ieži, māla materiāli) un inerto (abiogēno) procesu kopīgās darbības rezultāts.

Biogēns - organiskas izcelsmes viela, kas dzīves laikā nonāk vidē. (atmosfēras gāzes, ogles, eļļa, kūdra, kaļķakmens, krīts, meža grīda, augsnes humuss utt.)

Radioaktīvs

Izkaisītie atomi - 50 km

Kosmiskas izcelsmes viela

Dzīvā matērija - visi dzīvie organismi, kas dzīvo dabā

Organismu īpašības

Dzīves visuresamība - dzīvo organismu spēja dzīvot visur

Redoksa reakciju ieviešana

Spēja veikt ķīmisko elementu migrāciju

Spēja veikt gāzes migrāciju

Spēja dabā veikt nelielu vielu ciklu

Spēja uzkrāt ķīmiskos elementus savos audos un koncertēt