UDC 94:574,4

https://doi.org/10.24158/fik.22.6.2017

Tkačenko Jurij Leonidovič

Kandidát technických věd, docent, docent Moskevského státu technická univerzita pojmenovaný po N.E. Bauman

Morozov Sergej Dmitrijevič

Docent

Moskevská státní technická

Univerzita pojmenovaná po N.E. Bauman

Z HISTORIE VYTVÁŘENÍ UMĚLÝCH EKOSYSTÉMŮ

Tkačenko Jurij Leonidovič

PhD v technických vědách, odborný asistent, Bauman Moskevská státní technická univerzita

Morozov Sergej Dmitrijevič

Docent, Bauman Moskevská státní technická univerzita

ZÁBĚRY DO HISTORIE TVORBY UMĚLÝCH EKOSYSTÉMŮ

Anotace:

Článek se zabývá dokumentárními fakty o vytváření umělých ekosystémů určených pro použití ve vesmíru a pozemských podmínkách. Průkopnická role K.E. Ciolkovského, který jako první vyvinul koncept vytvoření uzavřeného prostředí pro lidi ve vesmíru, a vliv V.I. Vernadsky věnovaný biosféře, o přístupech k výstavbě umělých ekosystémů. Rozhodující příspěvek S.P. Koroljova k první praktické realizaci Ciolkovského projektů na stavbu prototypů vesmírných sídlišť. Nejdůležitější historické etapy tohoto procesu: experimenty "Bios" (SSSR), "Biosphere-2" (USA), "OEEP" (Japonsko), "Mars-500" (Rusko), "Yuegun-1" (Čína).

Klíčová slova:

umělý ekosystém, vesmírná sídla, uzavřený biotop, K.E. Ciolkovskij, S.P. Koroljov, V.I. Vernadského.

Článek popisuje dokumentární fakta tvorby umělých ekosystémů určených pro vesmírné a pozemské aplikace. Studie ukazuje průkopnickou roli K.E. Ciolkovského, který jako první vyvinul koncept uzavřených ekologických systémů pro lidi ve vesmíru a vliv V.I. Vernadského biosféra pracuje na přístupech k budování umělých ekosystémů Článek představuje zásadní příspěvek S. P. Koroljova k první praktické realizaci stavby prototypů vesmírných biotopů podle projektů K. E. Ciolkovského. Článek popisuje hlavní historické fáze tohoto procesu, kterými jsou experimenty jako BIOS (SSSR), Biosphere 2 (USA), CEEF (Japonsko), Mars-500 (Rusko), Yuegong-1 (Čína).

umělý ekosystém, vesmírná stanoviště, uzavřený ekologický systém, K.E. Ciolkovskij, S.P. Koroljov, V.I. Vernadského.

Úvod

Myšlenka potřeby vytvořit umělé uzavřené lidské prostředí se zrodila současně se vznikem snu o letech do vesmíru. Lidé se vždy zajímali o schopnost pohybovat se ve vzduchu a v kosmickém prostoru. Ve XX století. začal praktický vesmírný průzkum a ve 21. století. Kosmonautika se již stala nedílnou součástí světové ekonomiky. Herald kosmonautiky, filozof-kosmista K.E. Ciolkovskij v „Monismu vesmíru“ (1925) napsal: „Technologie budoucnosti umožní překonat zemskou gravitaci a cestovat po celé sluneční soustavě. Po osídlení naší sluneční soustavy se začnou osidlovat další naše sluneční soustavy. mléčná dráha. Člověk bude s obtížemi oddělen od země. „Technologií budoucnosti“ Ciolkovskij myslel nejen raketovou technologii využívající principu tryskového pohonu, ale také systém lidského obydlí ve vesmíru, vybudovaný k obrazu a podobě zemské biosféry.

Zrození konceptu "vesmírné biosféry"

K.E. Ciolkovskij jako první vyjádřil myšlenku využití přírodních principů a biosférických mechanismů pro reprodukci kyslíku, výživy, sladké vody a likvidaci odpadu vzniklého pro podporu života posádky jeho „tryskového zařízení“. Tuto otázku zvažoval Ciolkovskij téměř ve všech svých vědeckých prací, filozofická a fantastická díla. Možnost vytvoření takového prostředí je podložena pracemi V.I. Vernadského, který odhalil základní principy stavby a fungování biosféry Země. Mezi 1909 a 1910, Vernadsky publikoval sérii poznámek o pozorováních distribuce chemické prvky v zemské kůře a učinil závěr o vedoucí důležitosti živých organismů pro vytváření oběhu hmoty na planetě. Poté, co se Ciolkovskij seznámil s těmito pracemi Vernadského a dalšími pracemi v oblasti tehdy nového vědeckého směru – ekologie, napsal ve druhé části článku „Studium světových prostorů pomocí tryskových zařízení“ (1911): „Jako zemské Atmosféra je čištěna rostlinami s pomocí Slunce, takže může

obnovit naši umělou atmosféru. Stejně jako rostliny na Zemi absorbují nečistoty svými listy a kořeny a na oplátku poskytují potravu, mohou pro nás neustále pracovat rostliny, které si vezmeme na cesty. Stejně jako všechno, co existuje na Zemi, žije ze stejného množství plynů, kapalin a pevných látek, tak i my můžeme navždy žít ze zásoby hmoty, kterou jsme si vzali.

Autorství Ciolkovského patří i projektu vesmírného sídliště pro velký počet obyvatel, pro které je organizována obnova atmosféry, vodních a potravinových zdrojů kvůli uzavřenému koloběhu chemikálií. Ciolkovskij popisuje takovou „kosmickou biosféru“ v rukopisu, který si uchovával až do roku 1933, ale nikdy nebyl schopen dokončit:

„Komunita obsahuje až tisíc lidí obou pohlaví a všech věkových kategorií. Vlhkost je řízena lednicí. Také shromažďuje veškerou přebytečnou vodu odpařenou lidmi. Ubytovna komunikuje se skleníkem, ze kterého dostává vyčištěný kyslík a kam posílá všechny produkty svých exkrecí. Některé z nich ve formě kapalin prostupují půdou skleníků, jiné se přímo uvolňují do jejich atmosféry.

Když třetinu povrchu válce zabírají okna, pak 87 % nejvíce více světlo a 13 % se ztratí. Pasáže jsou všude nepohodlné...“ (V tomto bodě se rukopis přeruší).

První experimentální instalace

Nedokončený rukopis Ciolkovského s názvem „Život v mezihvězdném prostředí“ vydalo nakladatelství Nauka po více než 30 letech – v roce 1964. Iniciátorem vydání byl generální konstruktér kosmické techniky akademik S.P. Koroljov. V roce 1962, on, již má zkušenosti z úspěšné vesmírný let provedl první kosmonaut Yu.A. Gagarin 12. dubna 1961 nastavil zásadně nový vektor pro vývoj vesmírného projektu: „Měli bychom začít vyvíjet „skleník podle Ciolkovského“ s postupně přibývajícími články nebo bloky a měli bychom začít pracovat na „vesmírných sklizních“ . Které organizace budou tyto práce provádět: v oblasti rostlinné výroby a problematiky půdy, vláhy, v oblasti mechanizace a „světlo-teplo-solární“ techniky a jejích řídicích systémů pro skleníky? .

Vytvoření prvního uzavřeného světa umělý ekosystém přidělení vesmíru začalo setkáním S.P. Královna a ředitelé Fyzikálního ústavu sibiřská větev Akademie věd SSSR (IP SB AS SSSR) L.V. Kirenského, na kterém Koroljov sdělil Kirenskému své návrhy na „vesmírný skleník“. Poté se ve Fyzikálním ústavu Sibiřské pobočky Akademie věd SSSR konala řada jednání, kde se rozhodovalo o otázce, které oddělení se stane základem pro rozvoj prací na vesmírném programu. Úkolem Koroljova vytvořit umělý ekosystém v utěsněné kapsli, ve které by člověk mohl zůstat po dlouhou dobu v podmínkách okolního prostředí blízko země, bylo pověřeno oddělení prvoků. Toto neobvyklé rozhodnutí, jak se později ukázalo, se ukázalo jako správné: byly to nejjednodušší mikrořasy, které dokázaly posádce plně poskytnout kyslík a čistou vodu.

Je příznačné, že v témže roce - 1964, kdy spatřil světlo poslední Ciolkovského rukopis, byly zahájeny práce na praktickém vývoji vůbec prvního uzavřeného umělého ekologického systému, včetně lidského metabolismu ve vnitřním oběhu hmoty. V oddělení biofyziky Biofyzikálního ústavu Sibiřské pobočky Akademie věd SSSR, později transformovaného na samostatný Biofyzikální ústav Sibiřské pobočky Akademie věd SSSR, byla zahájena výstavba experimentálního zařízení Bios-1. v Krasnojarsku, ve kterém I.I. Gitelzon a I.A. Terskov, který se stal zakladatelem nového směru v biofyzice. Hlavním úkolem bylo zorganizovat zajištění lidského kyslíku a vody. První instalace se skládala ze dvou komponent: přetlakové kabiny o objemu 12 m3, ve které byl ubytován člověk, a speciální nádrže kultivátoru o objemu 20 litrů pro pěstování běžné chlorelly. 7 různě dlouhých experimentů (od 12 hodin do 45 dnů) ukázalo možnost úplného uzavření výměny plynů, tedy zajištění produkce kyslíku a využití oxidu uhličitého mikrořasami. Prostřednictvím životně důležitých procesů chlorelly se také nastavil koloběh vody, při kterém se voda vyčistila v množství potřebném k pití a uspokojení dalších potřeb.

V "Bios-1" experimenty trvající déle než 45 dní nevyšly, protože růst mikrořas se zastavil. V roce 1966, za účelem rozvoje umělého ekosystému obsahujícího nižší i vyšší rostliny, byl Bios-1 modernizován na Bios-2 připojením 8 m3 fytotronu k přetlakové kabině. Fytotron je speciální technické zařízení pro pěstování vyšších rostlin: zeleniny a pšenice při umělém osvětlení a mikroklimatických podmínkách. Vyšší rostliny sloužily jako zdroj potravy pro posádku a zajišťovaly regeneraci vzduchu. Vzhledem k tomu, že vyšší rostliny dávaly i kyslík, bylo možné provádět pokusy za účasti dvou testerů, které trvaly 30, 73 a 90 dní. Závod fungoval do roku 1970.

"Bios-3" byl uveden do provozu v roce 1972. Tato hermetická stavba o velikosti 4pokojového bytu, která je stále v provozu, o objemu 315 m3, byla uspořádána v suterénu Biofyzikálního ústavu Sibiřské pobočky Ruské akademie věd v Krasnojarsku. Uvnitř je instalace rozdělena vzduchotěsnými přepážkami se zámky na čtyři oddělení: dva skleníky pro jedlé rostliny pěstované ve fytotronech metodou hydroponie, která nevyžaduje půdu, oddělení pro chov chlorelly, která produkuje kyslík a čistou vodu, a oddělení pro posádku členů. V obytném prostoru jsou místa na spaní, kuchyň a jídelna, WC, ovládací panel, zařízení na zpracování rostlinných produktů a likvidaci odpadu.

Ve fytotronech posádka pěstovala speciálně vyšlechtěné odrůdy zakrslé pšenice obsahující minimum nepoživatelné biomasy. Pěstovala se i zelenina: cibule, okurky, ředkvičky, salát, zelí, mrkev, brambory, červená řepa, šťovík a kopr. Vybrána byla středoasijská olejnatá rostlina „chufa“, která sloužila jako zdroj rostlinných tuků nepostradatelných pro lidský organismus. Posádka přijímala potřebné bílkoviny pojídáním masových a rybích konzerv.

Deset experimentálních kolonizací bylo provedeno v Bios-3 během 70. a počátku 80. let. Tři z nich trvaly několik měsíců. Nejdelší zkušenost s nepřetržitou úplnou izolací tříčlenné posádky trvala 6 měsíců - od 24. prosince 1972 do 22. června 1973. Tento experiment měl složitou strukturu a byl proveden ve třech etapách. Každá etapa měla své vlastní složení výzkumníků. M.P. byly střídavě uvnitř instalace. Shilenko, N.I. Petrov a N.I. Bugreev, který pracoval každý 4 měsíce. Účastník experimentu V.V. Terskikh zůstal v Bios-3 po celých 6 měsíců.

Fytotrony "Bios-3" produkovaly dostatečnou sklizeň obilí a zeleniny za den. Většinu času posádka trávila pěstováním jedlých rostlin ze semen, jejich sklizní a zpracováním, pečením chleba a vařením. V letech 1976-1977. prošel experimentem, který trval 4 měsíce, do kterého byli zapojeni dva testeři: G.Z. Asinyarov a N.I. Bugreev. Od podzimu 1983 do jara 1984 probíhal 5měsíční experiment za účasti N.I. Bugreeva a S.S. Alekseev, který dokončil práci "Bios". N.I. Bugreev tak v té době vytvořil absolutní rekord pobytu v uzavřeném umělém prostředí, v instalaci žil celkem 15 měsíců. Na konci 80. let byl program Bios pozastaven, protože jeho vládní financování se zastavilo.

"Biosféra" za sklem

Štafetu ve vytváření uzavřeného biotopu zvedli Američané. V roce 1984 začala Space Biospheres Ventures budovat Biosphere 2, uzavřené experimentální zařízení na místě v americké Arizonské poušti.

Ideology Biosphere-2 byli Mark Nelson a John Allen, kteří byli prodchnuti myšlenkami V.I. Vernadského, sdružující asi 20 vědců v zahraničí na základě doktríny biosféry. V SSSR vydalo nakladatelství "Thought" v roce 1991 knihu této skupiny autorů "Katalog biosféry", která vyprávěla o nadcházejícím experimentu. Allen a Nelson napsali o svém úkolu vytvořit „kosmické biosféry“ následujícím způsobem: „Vyzbrojeni skvělými nápady, nápady a modely Vernadského a dalších vědců, lidstvo nyní ochotně zvažuje nejen možné způsoby interakce s biosférou, ale také způsoby, jak napomáhat jeho „mitóze“, přizpůsobení našeho pozemského života pro plnou účast na osudu samotného Kosmu vytvořením příležitosti cestovat a žít ve vesmíru.

"Biosféra-2" je kapitálová struktura ze skla, betonu a oceli, která se nachází na území 1,27 hektaru. Objem areálu činil více než 200 tisíc m3. Systém byl utěsněn, to znamená, že mohl být zcela oddělen od vnějšího prostředí. Uvnitř byly uměle vytvořeny vodní a suchozemské ekosystémy biosféry: minioceán s umělým útesem z korálů, tropický prales - džungle, savana, lesy trnitých rostlin, poušť, sladkovodní a slané bažiny. Ten měl podobu klikatého koryta zaplaveného umělým oceánem – ústí osázeného mangrovovými porosty. Biologická společenstva ekosystémů zahrnovala 3800 druhů zvířat, rostlin a mikroorganismů. Uvnitř rezidenčního bytu "Biosphere-2" byly uspořádány pro účastníky experimentu a zemědělská místa, která tvořila celý ranč s názvem Sun Space.

Dne 26. září 1991 bylo uvnitř komplexu zařízení izolováno 8 osob - 4 muži a 4 ženy. Experimentátoři - "bionauti", mezi nimiž byl ideolog projektu Mark Nelson, se zabývali tradičním zemědělstvím - pěstováním rýže. K tomu sloužily venkovské a dobytčí farmy, používaly se vysoce spolehlivé nástroje, které musely být poháněny pouze svalovou silou člověka. Uvnitř instalace byla vysázena tráva, keře a stromy. Vědci pěstovali rýži a pšenici, sladké brambory a řepu, banány a papája a další plodiny, které dohromady produkovaly 46 druhů rostlinné potravy. Masitá strava byla zajišťována chovem zvířat. Na farmě žila slepice, kozy a prasata. Kromě toho bionauti chovali ryby a krevety.

Potíže začaly téměř okamžitě po zahájení experimentu. O týden později technik Biosphere-2 oznámil, že množství kyslíku v atmosféře postupně klesá a koncentrace oxidu uhličitého se zvyšuje. Ukázalo se také, že farma poskytovala pouze 83 % požadované stravy výzkumníků. V roce 1992 navíc množící se škůdci zničili téměř všechny plodiny rýže. Po celou letošní zimu přetrvávalo zatažené počasí, což vedlo k poklesu produkce kyslíku a výživy rostlin. Umělý oceán se stal kyselým kvůli rozpuštění velkého množství oxidu uhličitého v jeho vodě, kvůli kterému korálový útes zemřel. Začalo vymírání zvířat v džungli a savaně. Během dvou let klesla koncentrace kyslíku za sklem na 14 % místo původních 21 % objemových.

"Bionauti" vyšli v září 1993, po dvouletém pobytu "za sklem". Předpokládá se, že "Biosféra-2" selhala. Vzhledem k malému měřítku modelu se v něm „environmentální katastrofa“ odehrála velmi rychle a ukázala veškerou zhoubnost moderního způsobu řízení člověka, který vytváří environmentální problémy: nedostatek výživy, odstraňování biomasy, znečištění atmosféry a hydrosféra a pokles druhové diverzity. Zkušenost s „Biosférou-2“ měla velký ideologický význam. Jedna z „bionautek“ – Jane Pointer, přednášející po skončení experimentu v „Biosféře-2“, řekla: „Až zde jsem si poprvé uvědomil, jak moc je člověk závislý na biosféře – pokud všechny rostliny zemřou, lidé pak nebudou mít co dýchat a nebudou mít co jíst. Pokud bude všechna voda kontaminovaná, lidé nebudou mít co pít.“ Komplex Biosféra-2 je stále přístupný veřejnosti, neboť jeho autoři věří, že vytvořili zásadně nový základ pro vzdělávání veřejnosti v oblasti ochrany životního prostředí.

prototypy obydlených vesmírné stanice

Instalace vzniklé od druhé poloviny 90. let měly zpočátku jasný účel – modelování systému podpory života kosmické lodi nebo obyvatelné základny pro letové podmínky a průzkum Marsu nebo Měsíce. V letech 1998 až 2001 probíhal výzkum v Japonsku v zařízení CEEF (Closed Ecological Experimental Facility), což je uzavřený umělý ekosystém. Účelem experimentů bylo studovat uzavřené cykly výměny plynů, cirkulace vody a výživy při simulaci podmínek obyvatelné základny na Marsu. Součástí komplexu byla fytotronová jednotka pro pěstování rostlin, oddíl pro chov domácích zvířat (koz), speciální geohydrosférická jednotka simulující suchozemské a vodní ekosystémy a obytný modul pro dvoučlennou posádku. Plocha rostlinných výsadeb byla 150 m2, modul pro hospodářská zvířata - 30 m2, obytný - 50 m2. Autory projektu byli pracovníci Tokyo Aerospace Institute K. Nitta a M. Oguchi. Objekt se nachází na ostrově Honšú ve městě Rokkasho. Neexistují žádné údaje o provádění dlouhodobých experimentů k izolaci lidí v této instalaci, výsledky modelování následků byly zveřejněny globální oteplování klimatu a výzkum migrace radionuklidů ve vnitřních tocích látek.

Modelování uzavřeného biotopu při simulaci dlouhodobých vesmírných letů se provádí v Institutu biomedicínských problémů (IMBP) Ruské akademie věd (Moskva), založeném M.V. Keldysh a S.P. Koroljova v roce 1963. Základem této práce je studium lidí dlouhodobě pobývajících v izolovaných podmínkách uvnitř komplexu Mars-500. Experiment na 520denní izolaci posádky začal v červnu 2010 a skončil v listopadu 2011. Experimentu se zúčastnili mužští výzkumníci: A.S. Sitev, S.R. Kamolov, A.E. Smoleevskij (Rusko), Diego Urbina (Itálie), Charles Romain (Francie), Wang Yue (Čína). Součástí jednoho z modulů areálu je skleník pro pěstování zeleniny. Plocha výsadby nepřesahuje 14,7 m2 v objemu 69 m3. Skleník sloužil jako zdroj vitamínů, doplnění a zkvalitnění stravy účastníků experimentu. Komplex Mars-500 je založen na fyzikálně-chemických, nikoli biologických procesech, které posádce poskytují kyslík a čistou vodu pomocí konzervovaných potravin, a proto se výrazně liší od instalace Bios-3.

Koncepčně nejblíže projektu Bios je čínský komplex Yuegun-1 (Lunar Palace). Komplex reprodukuje podmínky měsíční základny. Yuegong-1 byl vyvinut na Pekingské univerzitě letectví a kosmonautiky profesorem Li Hongem. Tvůrcům čínského komplexu radili vědci z Moskvy a Krasnojarska.

Komplex Yuegong-1 zaujímá plochu 160 m2 o objemu 500 m3 a skládá se ze tří půlválcových modulů. První modul je obytný, který obsahuje salón, kajuty pro tři členy posádky, systém zpracování odpadu a místnost osobní hygieny. V dalších dvou modulech jsou umístěny skleníky pro výrobu rostlinná potrava. Pěstované rostliny tvořily více než 40 % stravy posádky. Z hlediska vody a vzduchu bylo uzavřené prostředí instalace 99 %.

Stavba instalace Yuegong-1 byla dokončena 9. listopadu 2013. Od 23. prosince do 30. prosince 2014 prováděli testeři, kterými byli dva vysokoškoláci, zkušební osazení Lunárního paláce. Samotný experiment probíhal 105 dní – od 3. února do 20. května 2014. Zúčastnila se ho posádka tří lidí: muž Xie Beizhen a dvě ženy Wang Minjuan a Dong Chen. Experiment skončil úspěšně a byl široce hlášen v čínských médiích. Závěr

Prezentovaná historie vzniku uzavřených umělých ekosystémů je fragmentem globálního historický proces vývoj lidstva. Člověk díky své schopnosti myslet vytvořil praktickou kosmonautiku a dokázal svou schopnost překročit planetu. Hluboké studium biosférických mechanismů budování a fungování biotopu umožní lidem vytvářet příznivé podmínky na planetách a jejich satelitech, asteroidech a dalších vesmírných tělesech. Tato činnost umožní uvědomění si významů lidské existence.

V A. Vernadsky psal o šíření života na Zemi a ve vesmíru. Pouze člověk se svou myslí je schopen vést expanzi naší biosféry dále, až k rozvoji studovaných hranic Kosmu. Lidstvo potřebuje rozšířit biosféru na asteroidy a nejbližší vesmírných těles jít dál, za studované hranice vesmíru. To je důležité pro zachování nejen naší biosféry, ale i samotného biologického druhu člověka. V důsledku průzkumu blízkozemského prostoru, Sluneční soustavy a poté vnějšího prostoru, jak předvídal Ciolkovskij, mohou být vytvořeny dynamické populace lidstva - to znamená, že část lidí bude trvale žít na vesmírných základnách mimo Země. Historie jako věda tak překročí planetární rámec a stane se skutečnou historií nejen Země, ale i Kosmu.

1. Svět filozofie. Ve 2 svazcích T. 2. M., 1991. 624 s.

2. Ciolkovskij K.E. Průzkum průmyslových prostor: sbírka děl. M., 1989. 278 s.

3. Fotokopie rukopisů K.E. Ciolkovskij [ Elektronický zdroj]. URL: http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (přístup 25.04.2017).

4. Grishin Yu.I. Umělé vesmírné ekosystémy. M., 1989. 64 s. (Novinka v životě, vědě, technice. Kosmonautika, řada astronomie. č. 7).

5. Gitelzon I.I., Degermendzhi A.G., Tikhomirov A.A. Uzavřené systémy podpory života // Věda v Rusku. 2011. č. 6. S. 4-10.

6. Degermendzhi A.G., Tikhomirov A.A. Vytváření umělých uzavřených ekosystémů pro pozemní a vesmírné účely // Bulletin Ruské akademie věd. 2014. V. 84, č. 3. S. 233-240.

7. Katalog biosféry. M., 1991. 253 s.

8. Nelson M., Dempster W.F., Allen J.P. "Modulární biosféry" - Nové platformy pro testování životního prostředí pro veřejné environmentální vzdělávání a výzkum // Pokroky ve výzkumu vesmíru. 2008 sv. 41, č. 5. R. 787-797.

9. Nitta K. CEEF, Uzavřený ekosystém jako laboratoř pro určování dynamiky radioaktivních izotopů, Ibid. 2001 sv. 27, č. 9. R. 1505-1512.

10. Grigorjev A.I., Morukov B.V. "Mars-500": předběžné výsledky // Země a vesmír. 2013. č. 3. S. 31-41.

11. Paveltsev P. "Yuegun-1" - nástupce projektu BIOS-3 // Cosmonautics News. 2014. V. 24, č. 7. S. 63-65.

Lidstvo potřebovalo všechny znalosti shromážděné vědci za stovky let k zahájení vesmírných letů. A pak člověk čelil novému problému - pro kolonizaci jiných planet a lety na dlouhé vzdálenosti je nutné vyvinout uzavřený ekosystém, včetně - poskytnout astronautům jídlo, vodu a kyslík. Doručování jídla na Mars, který je 200 milionů kilometrů od Země, je drahé a obtížné, logičtější by bylo najít způsoby, jak produkovat jídlo, které lze snadno implementovat za letu a na Rudé planetě.

Jak mikrogravitace ovlivňuje semena? Jaká zelenina by byla neškodná, kdyby se pěstovala v půdě bohaté na těžké kovy na Marsu? Jak založit plantáž na palubě vesmírné lodi? Odpovědi na tyto otázky hledali vědci a astronauti více než padesát let.

Na obrázku je ruský kosmonaut Maxim Suraev, jak objímá rostliny v instalaci Lada na palubě Mezinárodní vesmírné stanice, 2014.

Konstantin Ciolkovskij v The Purposes of Astronautics napsal: „Představme si dlouhou kuželovitou plochu nebo trychtýř, jehož základna nebo široký otvor je pokryt průhledným kulovým povrchem. Je přímo obrácena ke Slunci a trychtýř se otáčí kolem své dlouhé osy (výšky). Na neprůhledných vnitřních stěnách kužele je vrstva vlhké půdy s rostlinami zasazenými v ní. Navrhl tedy uměle vytvořit gravitaci pro rostliny. Rostliny by měly být vybrány plodné, malé, bez silných kmenů a částí, které nefungují na slunci. Kolonizátory tak lze částečně opatřit biologicky aktivními látkami a mikroprvky a regenerovat kyslík a vodu.

V roce 1962 si hlavní konstruktér OKB-1 Sergej Korolev stanovil úkol: „Měli bychom začít vyvíjet „Skleník (OR) podle Ciolkovského“ s postupně přibývajícími články či bloky a měli bychom začít pracovat na „vesmírných plodinách“. “.

Rukopis K.E. Ciolkovskij "Album vesmírných cest", 1933.

SSSR vypustil první umělou družici Země na oběžnou dráhu 4. října 1957, dvacet dva let po Ciolkovského smrti. Již v listopadu téhož roku byla do vesmíru vyslána kříženka Laika, první ze psů, kteří měli lidem otevřít cestu do vesmíru. Lajka zemřela na přehřátí za pouhých pět hodin, ačkoli let byl naplánován na týden - tentokrát by bylo dost kyslíku a jídla.

Vědci se domnívají, že problém vznikl kvůli genetické orientaci - sazenice by se měla dostat ke světlu a kořen - opačným směrem. Vylepšili Oázu a další expedice vzala na oběžnou dráhu nová semena.

Luk narostl. Vitalij Sevastjanov oznámil Zemi, že šípy dosáhly deseti až patnácti centimetrů. „Jaké šípy, jaký luk? Chápeme, že je to vtip, dali jsme vám hrášek, ne cibuli, “řekli ze Země. Palubní inženýr odpověděl, že astronauti vzali z domu dvě žárovky, aby je zasadili nad plán, a uklidnil vědce - téměř všechen hrách vyklíčil.

Rostliny ale odmítaly kvést. V této fázi zemřeli. Stejný osud čekal i tulipány, které vykvetly v instalaci Buttercup na severním pólu, nikoli však ve vesmíru.

Cibule se ale jíst dala, což se v roce 1978 úspěšně povedlo kosmonautům V. Kovalenokovi a A. Ivančenkovovi: „Odvedli dobrou práci. Možná nám teď bude dovoleno jíst cibuli za odměnu.

Technika - mládež, 1983-04, str. 6. Hrách v závodě Oasis

Kosmonauti V. Rjumin a L. Popov v dubnu 1980 obdrželi malachitovou instalaci s kvetoucími orchidejemi. Orchidejím se daří v kůře a dutinách stromů a vědci se domnívali, že by mohly být méně náchylné ke geotropismu, schopnosti rostlinných orgánů orientovat se a růst určitým směrem vzhledem ke středu zeměkoule. Květy po pár dnech opadaly, ale zároveň se u orchidejí vytvořily nové listy a vzdušné kořeny. O něco později s sebou sovětsko-vietnamská posádka V. Gorbatko a Pham Tuay přivezla vzrostlého Arabidopsis.

Rostliny nechtěly kvést. Semena vyklíčila, ale například orchidej ve vesmíru nevykvetla. Vědci potřebovali pomoci rostlinám vyrovnat se s beztíží. To se dělo mimo jiné pomocí elektrické stimulace kořenové zóny: vědci věřili, že elektromagnetické pole Země může ovlivnit růst. Další metoda zahrnovala plán popsaný Tsiolkovským na vytvoření umělé gravitace - rostliny byly pěstovány v odstředivce. Pomohla odstředivka - klíčky byly orientovány podél vektoru odstředivé síly. Nakonec se astronauti dočkali. Ve Světobloku kvetla Arabidopsis.

Na obrázku níže je vlevo skleník Fiton na palubě Saljutu-7. Poprvé v tomto orbitálním skleníku prošla Talyina rezukhovidka (Arabidopsis) úplným vývojovým cyklem a dala semena. Uprostřed - "Svetoblok", ve kterém Arabidopsis poprvé rozkvetla na palubě Saljutu-6. Vpravo je palubní skleník „Oasis-1A“ na stanici „Salyut-7“: byl vybaven systémem měřeného poloautomatického zavlažování, provzdušňování a elektrické stimulace kořenů a mohl relativně pohybovat pěstebními nádobami s rostlinami. ke zdroji světla.

"Fiton", "Svetoblok" a "Oasis-1A"

Instalace "Trapézie" pro studium růstu a vývoje rostlin.

Sady semen

Letový deník stanice Saljut-7, náčrtky Světlany Savitské

Na stanici Mir byl instalován první automatický skleník na světě „Svet“. Ruští kosmonauti provedli v tomto skleníku v letech 1990-2000 šest experimentů. Pěstovali saláty, ředkvičky a pšenici. V letech 1996-1997 plánoval Institut biomedicínských problémů Ruské akademie věd pěstovat semena rostlin získaná ve vesmíru – tedy pracovat se dvěma generacemi rostlin. Pro pokus byl vybrán kříženec divokého zelí vysoký asi dvacet centimetrů. Rostlina měla jedno mínus – astronauti se museli vypořádat s opylováním.

Výsledek byl zajímavý – semena druhé generace byla přijata do vesmíru, a dokonce i vyklíčila. Rostliny ale narostly na šest centimetrů místo pětadvaceti. Margarita Levinskikh, výzkumná pracovnice Ústavu biomedicínských problémů Ruské akademie věd, vyprávíže americký astronaut Michael Fossum provedl klenotnické práce na opylování rostlin.

Video Roskosmos o pěstování rostlin ve vesmíru. Ve 4:38 - závody na stanici Mir

V dubnu 2014 dopravila nákladní loď Dragon SpaceX na Mezinárodní vesmírnou stanici zelené pěstitelské zařízení Veggie a v březnu začali astronauti testovat orbitální plantáž. Instalace řídí světlo a přísun živin. V srpnu 2015 v nabídce astronautů pěstované v mikrogravitaci.

Salát pěstovaný na Mezinárodní vesmírné stanici

Takto by mohla v budoucnu vypadat plantáž vesmírné stanice

Skleník Lada funguje v ruském segmentu Mezinárodní vesmírné stanice pro experiment Plants-2. Koncem roku 2016 nebo začátkem roku 2017 se na palubě objeví verze Lada-2. Na těchto projektech pracuje Ústav biomedicínských problémů Ruské akademie věd.

Produkce vesmírných plodin se neomezuje pouze na experimenty v nulové gravitaci. Člověk, aby mohl kolonizovat jiné planety, bude muset vyvinout zemědělství na půdě, která je odlišná od Země, a v atmosféře, která má jiné složení. V roce 2014 biolog Michael Mautner chřest a brambory na meteoritové půdě. Aby se získala půda vhodná pro kultivaci, byl meteorit rozemlet na prášek. Empiricky se mu podařilo prokázat, že bakterie, mikroskopické houby a rostliny mohou růst na půdě mimozemského původu. Materiál většiny asteroidů obsahuje fosfáty, dusičnany a někdy i vodu.

Chřest pěstovaný na meteorické půdě

V případě Marsu, kde je hodně písku a prachu, není broušení hornin potřeba. Ale bude tu další problém – složení půdy. V půdě Marsu jsou těžké kovy, jejichž zvýšené množství v rostlinách je pro člověka nebezpečné. Nizozemští vědci napodobili marťanskou půdu a od roku 2013 na ní pěstovali deset plodin několika druhů rostlin.

V důsledku experimentu vědci zjistili, že obsah těžké kovy v hrášku, ředkvičkách, žitu a rajčatech pěstovaných na simulované marťanské půdě není pro člověka nebezpečná. Vědci pokračují ve zkoumání brambor a dalších plodin.

Výzkumník Wager Vamelink kontroluje rostliny pěstované na simulované marťanské půdě. Foto: Joep Frissel/AFP/Getty Images

Obsah kovů v plodinách sklizených na Zemi a v půdních simulacích na Měsíci a Marsu

Jeden z důležité úkoly je vytvořit uzavřený cyklus podpory života. Rostliny přijímají oxid uhličitý a odpadní produkty posádky, na oplátku dávají kyslík a produkují jídlo. Vědci mají možnost využít k jídlu jednobuněčnou řasu chlorellu obsahující 45 % bílkovin a 20 % tuků a sacharidů. Ale toto teoreticky výživné jídlo není člověkem absorbováno kvůli husté buněčné stěně. Existují způsoby, jak tento problém vyřešit. Lze rozdělit buněčné stěny technologickými metodami, pomocí tepelného zpracování, broušení pastelek nebo jiných metod. Můžete si s sebou vzít enzymy vyvinuté speciálně pro chlorellu, které budou astronauti brát s jídlem. Vědci také dokážou vynést GMO chlorellu, jejíž stěnu mohou lidské enzymy rozložit. Chlorella se již nepoužívá pro výživu ve vesmíru, ale používá se v uzavřených ekosystémech k výrobě kyslíku.

Experiment s chlorellou byl proveden na palubě orbitální stanici Saljut-6. V 70. letech se ještě věřilo, že být v mikrogravitaci ne negativní vliv na lidském těle – informací bylo příliš málo. Pokusili se také zkoumat vliv na živé organismy pomocí chlorelly, jejíž životní cyklus trvá pouhé čtyři hodiny. Bylo vhodné ji srovnat s chlorellou pěstovanou na Zemi.

Zařízení IFS-2 bylo určeno pro pěstování hub, tkáňových kultur a mikroorganismů a vodních živočichů.

Od 70. let 20. století se v SSSR prováděly experimenty na uzavřených systémech. V roce 1972 začala práce "BIOS-3" - tento systém je stále v provozu. Areál je vybaven komorami pro pěstování rostlin v řízených umělých podmínkách – fytotrony. Pěstovali pšenici, sójové boby, salát chufu, mrkev, ředkvičky, řepu, brambory, okurky, šťovík, zelí, kopr a cibuli. Vědcům se podařilo dosáhnout téměř 100% uzavřeného cyklu pro vodu a vzduch a až 50-80% pro výživu. Hlavním cílem Mezinárodního centra pro uzavřené ekologické systémy je studovat principy fungování takovýchto systémů různého stupně složitosti a rozvíjet vědecký základ pro jejich tvorbu.

Jedním z vysoce sledovaných experimentů simulujících let na Mars a návrat na Zemi byl. Po dobu 519 dní bylo šest dobrovolníků v uzavřeném komplexu. Experiment organizovala společnost Rokosmos and Ruská akademie vědy a partnerem se stala Evropská kosmická agentura. Na „palubě lodi“ byly dva skleníky – v jednom rostl salát, ve druhém hrášek. V tomto případě nebylo cílem pěstovat rostliny v blízkých vesmírných podmínkách, ale zjistit, jak důležité jsou rostliny pro posádku. Dveře skleníku byly proto utěsněny neprůhlednou fólií a instalováno čidlo zaznamenávající každé otevření. Na fotografii vlevo členka posádky Mars-500 Marina Tugusheva v rámci experimentu pracuje se skleníky.

Dalším experimentem na palubě Mars-500 je GreenHouse. Ve videu níže člen expedice Alexej Sitnev hovoří o experimentu a ukazuje skleník s různými rostlinami.

Člověk bude mít mnoho šancí. Hrozí, že se při přistání zřítí, přimrzne na hladině nebo prostě neuletí. A samozřejmě umřít hlady. Pro vznik kolonie je nezbytná rostlinná produkce a tímto směrem pracují vědci a astronauti, kteří ukazují úspěšné příklady pěstování některých druhů nejen v mikrogravitaci, ale také v simulované půdě Marsu a Měsíce. Vesmírní kolonisté určitě budou mít příležitost.

Naskenováno a zpracováno Jurijem Abolonkem (Smolensk)

NOVINKA V ŽIVOTĚ, VĚDĚ, TECHNOLOGII

PŘEDPLATNÉ SÉRIE POPULÁRNÍ VĚDY

VESMÍR, ASTRONOMIE

7/1989

Vychází měsíčně od roku 1971.

Yu I. Grishin
EKOSYSTÉMY UMĚLÉHO VESMÍRU

V aplikaci tohoto vydání:

VESMÍRNÁ TURISTIKA
KRONIKA VESMÍRU
ASTRONOMICKÉ NOVINKY

Nakladatelství "Knowledge" Moskva 1989

BBC 39,67
G 82

Editor I. G. VIRKO

Úvod	3
Člověk v přirozeném ekosystému	5
Posádka vesmírná loď - Umělý ekosystém	11
Reléový závod látek v biologickém cyklu	21
Jsou ekosystémy efektivní?	26
Umělé a přirozené biosférické ekosystémy: podobnosti a rozdíly	32
O biologických systémech podpory života vesmírné posádky	36
Zelené rostliny jako hlavní článek biologických systémů podpory života	39
Úspěchy a vyhlídky	44
Závěr	53
Literatura	54
APLIKACE
vesmírná turistika	55
Kronika kosmonautiky	57
Novinky z astronomie	60

Grishin Yu. I.

G 82

Umělé vesmírné ekosystémy. - M.: Vědomosti, 1989. - 64 s. - (Novinka v životě, vědě, technice. Ser. "Kosmonautika, astronomie"; č. 7).

ISBN 5-07-000519-7

Brožura je věnována problematice podpory života pro posádky kosmických lodí a budoucím dlouhodobě fungujícím vesmírným strukturám. Jsou zvažovány různé modely umělých ekologických systémů, včetně člověka a dalších biologických vazeb. Brožura je určena širokému okruhu čtenářů.

3500000000 BBK 39,67

ISBN 5-07-000519-7© Nakladatelství "Knowledge", 1989

ÚVOD

Počátek 21. století se může zapsat do dějin vývoje pozemské civilizace jako kvalitativně nová etapa ve vývoji blízkého slunečního vesmíru: přímé osídlení přírodních a uměle vytvořených vesmírných objektů s dlouhodobým pobytem lidí. na těchto objektech.

Zdá se, že poměrně nedávno byla na blízkozemskou oběžnou dráhu vypuštěna první umělá družice Země (1957), první let a fotografování opačná strana Měsíce (1959), první člověk vstoupil do vesmíru (Yu. A. Gagarin, 1961), vzrušující okamžik výstupu člověka do vesmíru byl uveden v televizi (A. A. Leonov, 1965) a první kroky astronautů na byl demonstrován povrch Měsíce (N. Armstrong a E. Aldrin, 1969). Ale každý rok tyto a mnohé další výjimečné události vesmírného věku jdou do minulosti a stávají se majetkem historie. Ve skutečnosti jsou pouze začátkem ztělesnění myšlenek formulovaných velkým K. E. Ciolkovským, který považoval vesmír nejen za astronomický prostor, ale také za prostředí pro lidské obydlí a život v budoucnosti. Věřil, že „pokud by se život nerozšířil po celém vesmíru, kdyby byl svázán s planetou, pak by tento život byl často nedokonalý a náchylný ke smutnému konci“ (1928).

Dnes se již předpovídají možné varianty biologické evoluce člověka v souvislosti s přesídlením značné části populace mimo Zemi, vyvíjejí se možné modely průzkumu vesmíru, transformační vliv vesmírných programů na přírodu, ekonomiku a posuzují se sociální vztahy. Uvažuje se také o problémech částečné či úplné soběstačnosti sídel ve vesmíru pomocí uzavřených biotechnických systémů podpory života, vytváření měsíčních a planetárních základen, kosmického průmyslu a stavebnictví, využívání mimozemských zdrojů energie a materiálů a dále je zvažováno, vyřešeno.

Začínají se naplňovat slova K. E. Ciolkovského, že „lidstvo nezůstane navždy na Zemi, ale v honbě za světlem a vesmírem nejprve nesměle pronikne za atmosféru a pak si podmaní celý cirkumsolární prostor“ (1911).

Na nedávných mezinárodních setkáních a fórech o spolupráci v kosmickém prostoru v zájmu dalšího rozšiřování vědeckého výzkumu blízkého a blízkého slunečního vesmíru, studia Marsu, Měsíce a dalších planet sluneční soustavy byly vyjádřeny naděje, že realizace velkých vesmírných programů, které vyžadují obrovské materiální, technické a finanční náklady, bude probíhat společným úsilím mnoha zemí v rámci mezinárodní spolupráce. „Pouze kolektivní mysl lidstva je schopna pohybovat se do výšin blízkozemského prostoru a dále – do blízkého slunečního a hvězdného prostoru,“ řekl M. S. Gorbačov ve svém projevu k zahraničním představitelům komunistického hnutí – účastníkům oslava 70. výročí Velké říjnové revoluce.

Jednou z nejdůležitějších podmínek pro další průzkum vesmíru člověkem je zajištění života a bezpečné činnosti lidí při jejich dlouhodobém pobytu a práci na vesmírných stanicích vzdálených od Země, kosmických lodích, planetárních a měsíčních základnách.

Nejvhodnějším způsobem řešení tohoto nejdůležitějšího problému je dnes podle mnoha domácích i zahraničních badatelů vytvoření uzavřených biotechnických systémů podpory života v dlouhodobě obyvatelných vesmírných strukturách, tedy umělých vesmírných ekologických systémů včetně člověka a dalších biologických vazeb. .

V této brožuře se pokusíme nastínit základní principy pro konstrukci takových systémů, poskytneme informace o výsledcích rozsáhlých pozemních experimentů prováděných v rámci přípravy na vytvoření vesmírných biotechnických systémů pro podporu života, naznačíme problémy, které dosud řešit na Zemi a ve vesmíru, aby byla zajištěna požadovaná spolehlivost fungování těchto systémů.systémy ve vesmírných podmínkách.

ČLOVĚK V PŘÍRODNÍM EKOSYSTÉMU

Před odesláním člověka na dlouhou vesmírný výlet Zkusme si nejprve odpovědět na otázky: co potřebuje k normálnímu životu a plodné práci na Zemi a jak se řeší problém podpory lidského života na naší planetě?

Odpovědi na tyto otázky jsou potřeba k vytvoření systémů podpory života pro posádky na pilotovaných kosmických lodích, orbitálních stanicích a mimozemských strukturách a základnách. Naši Zemi můžeme právem považovat za obrovskou vesmírnou loď přírodního původu, která již 4,6 miliardy let podniká svůj nekonečný orbitální vesmírný let kolem Slunce. Posádku této lodi dnes tvoří 5 miliard lidí. Rychle rostoucí populace Země, která počátkem 20. stol. bylo 1,63 miliardy lidí a na prahu XXI. by již měla dosáhnout 6 miliard, je nejlepším důkazem existence dostatečně účinného a spolehlivého mechanismu pro podporu lidského života na Zemi.

Co je tedy nutné, aby si člověk na Zemi zajistil normální život a činnost? Je stěží možné dát stručnou, ale vyčerpávající odpověď: všechny aspekty života, činnosti a lidských zájmů jsou příliš rozsáhlé a mnohostranné. Obnovte podrobně alespoň jeden ze svých prožitých dnů a uvidíte, že člověk nepotřebuje tak málo.

Uspokojení potřeb člověka potravou, vodou a vzduchem, souvisejících se základními fyziologickými potřebami, je hlavní podmínkou jeho normálního života a činnosti. Tento stav je však neoddělitelně spojen s dalším: lidské tělo, jako každý jiný živý organismus, aktivně existuje díky metabolismu v těle a s vnějším prostředím.

Lidské tělo spotřebovává kyslík, vodu, živiny, vitamíny, minerální soli z prostředí a využívá je k budování a obnově svých orgánů a tkání, přičemž veškerou energii nezbytnou pro život přijímá z potravinových bílkovin, tuků a sacharidů. Odpadní látky jsou vylučovány z těla do životního prostředí.

Jak víte, intenzita metabolismu a energie v lidském těle je taková, že dospělý člověk může existovat bez kyslíku jen několik minut, bez vody - asi 10 dní a bez jídla - až 2 měsíce. Vnější dojem, že lidské tělo neprochází změnami, je klamný a falešný. Změny v těle probíhají nepřetržitě. Podle A.P. Myasnikova (1962) se během dne v těle dospělého vážícího 70 kg vymění a odumře 450 miliard erytrocytů, 22 až 30 miliard leukocytů, 270 až 430 miliard krevních destiček, odštěpí se asi 125 g bílkovin. , 70 g tuku a 450 g sacharidů s uvolněním více než 3000 kcal tepla, 50 % epiteliálních buněk gastrointestinálního traktu se obnoví a odumře, 1/75 kostních buněk skeletu a 1/20 ze všech kožních buněk těla (tj. každých 20 dní člověk úplně „vymění kůži“) vypadne asi 140 vlasů na hlavě a 1/150 všech řas a jsou nahrazeny novými atd. přitom v průměru proběhne 23 040 nádechů a výdechů, plícemi projde 11 520 litrů vzduchu, vstřebá se 460 litrů kyslíku, z těla se vyloučí 403 litrů oxidu uhličitého a 1,2–1,5 litru moči obsahující až 30 g hutných látek se odpaří plícemi 0,4 litru a vyloučí se potem asi 0,6 litru vody obsahující 10 g hutných látek, vytvoří se 20 g kožního mazu.

Taková je intenzita metabolismu člověka za pouhý jeden den!

Člověk tak neustále, po celý život, uvolňuje produkty látkové výměny a tepelnou energii, které v těle vznikají v důsledku rozkladu a oxidace potravy, uvolňování a přeměny chemické energie uložené v potravě. Uvolňované produkty látkové výměny a tepla musí být z těla neustále nebo periodicky odstraňovány při zachování kvantitativní úrovně metabolismu plně v souladu se stupněm jeho fyziologické, fyzické a psychické aktivity a zajištění rovnováhy výměny těla s prostředím. z hlediska hmoty a energie.

Každý ví, jak jsou tyto základní fyziologické potřeby člověka realizovány v každodenním reálném životě: pětimiliardtá posádka kosmické lodi „planeta Země“ přijímá nebo vyrábí vše potřebné pro svůj život na základě zásob a produktů planety, která živí, zalévá a obléká je, přispívá ke zvýšení jejich počtu, svou atmosférou chrání vše živé před nepříznivými účinky kosmického záření. Zde je pár čísel, které jasně charakterizují měřítko hlavního „barteru“ člověka s přírodou.

První stálou lidskou potřebou je dýchat vzduch. "Nemůžeš dýchat v zásobě vzduchu," říká ruské přísloví. Pokud každý člověk denně potřebuje v průměru 800 g kyslíku, pak by celá populace Země měla spotřebovat 1,5 miliardy tun kyslíku ročně. Zemská atmosféra má obrovské obnovitelné zásoby kyslíku: s celkovou hmotností zemskou atmosféru asi 5 ∙ ​​10 15 tun kyslíku je přibližně 1/5, což je téměř 700 tisíckrát více než roční spotřeba kyslíku celé populace Země. Atmosférický kyslík samozřejmě kromě lidí využívá i svět zvířat a je utrácen i na další oxidační procesy, jejichž rozsah je na planetě obrovský. Procesy zpětné obnovy však nejsou o nic méně intenzivní: díky fotosyntéze, díky zářivé energii Slunce, rostliny na souši, mořích a oceánech neustále vážou oxid uhličitý uvolňovaný živými organismy v oxidačních procesech do rozmanitých organické sloučeniny se současným uvolňováním molekulárního kyslíku. Podle výpočtů geochemiků všechny rostliny na Zemi vydávají ročně 400 miliard tun kyslíku, přičemž vážou 150 miliard tun uhlíku (z oxidu uhličitého) s 25 miliardami tun vodíku (z vody). Devět desetin této produkce produkují vodní rostliny.

Problematika zásobování člověka atmosférickým kyslíkem je tedy na Zemi úspěšně řešena především pomocí procesů fotosyntézy v rostlinách.

Další nejdůležitější lidskou potřebou je voda.

V lidském těle je to prostředí, ve kterém probíhají četné biochemické reakce metabolických procesů. Voda, která tvoří 2/3 hmotnosti lidského těla, hraje obrovskou roli při zajišťování jeho životně důležité činnosti. Voda je spojena nejen s příjmem živin do těla, jejich vstřebáváním, distribucí a asimilací, ale také s uvolňováním konečných produktů metabolismu.

Voda se do lidského těla dostává ve formě pití a potravy. Množství vody potřebné pro tělo dospělého člověka se pohybuje od 1,5 - 2 do 10 - 15 litrů za den a závisí na jeho fyzické aktivitě a podmínkách prostředí. Dehydratace organismu nebo nadměrné omezování příjmu vody vede k prudkému zhroucení jeho funkcí a k otravě produkty látkové výměny, zejména dusíkem.

Dodatečné množství vody je nutné pro osobu k zajištění hygienických a domácích potřeb (mytí, mytí, výroba, chov zvířat atd.). Toto množství výrazně překračuje fyziologickou normu.

Množství vody na povrchu Země je obrovské, má objem přes 13,7 ∙ 10 8 km 3 . Zásoby čerstvé vody vhodné k pitným účelům jsou však stále omezené. Množství srážek (sladké vody) spadajících v průměru za rok na povrch kontinentů v důsledku koloběhu vody na Zemi je jen asi 100 tisíc km 3 (1/5 celkového množství srážek na Zemi). A jen malá část tohoto množství je efektivně využívána lidmi.

Zásoby vody na kosmické lodi "Země" lze tedy považovat za neomezené, ale spotřeba čisté sladké vody vyžaduje ekonomický přístup.

Potrava slouží lidskému organismu jako zdroj energie a látek podílejících se na syntéze tkáňových složek, na obnově buněk a jejich stavebních prvků. V těle nepřetržitě probíhají procesy biologické oxidace bílkovin, tuků a sacharidů, které přicházejí s jídlem. Kompletní strava by měla obsahovat potřebné množství aminokyselin, vitamínů a minerálů. Potravinové látky jsou zpravidla rozkládány enzymy v trávicím traktu na jednodušší sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností (aminokyseliny, monosacharidy, mastné kyseliny a mnoho dalších), jsou absorbovány a přenášeny krví po celém těle. Konečnými produkty oxidace potravin jsou nejčastěji oxid uhličitý a voda, které jsou z těla vylučovány jako odpadní látky. Energie uvolněná při oxidaci potravy je částečně uložena v těle ve formě energeticky obohacených sloučenin a částečně přeměněna na teplo a rozptýlena v životní prostředí.

Množství potravy potřebné pro tělo závisí především na intenzitě jeho fyzické aktivity. Energie základního metabolismu, tedy takového metabolismu, kdy je člověk v úplném klidu, má průměrně 1700 kcal denně (u mužů do 30 let s hmotností do 70 kg). V tomto případě se vynakládá pouze na provádění fyziologických procesů (dýchání, srdeční funkce, střevní peristaltika atd.) a zajištění stálosti normální tělesné teploty (36,6 ° C).

Fyzická a duševní aktivita člověka vyžaduje zvýšení energetického výdeje organismu a konzumaci většího množství potravy. Bylo zjištěno, že denní spotřeba energie člověkem při duševní a fyzické práci střední závažnosti je asi 3000 kcal. Stejný obsah kalorií by měl být každodenní stravou člověka. Kalorický obsah stravy je zhruba vypočítán na základě známých hodnot tepla uvolněného během kompletní oxidace každého gramu bílkovin (4,1 kcal), tuků (9,3 kcal) a sacharidů (4,1 kcal). Vhodný poměr bílkovin, tuků a sacharidů ve stravě stanovila medicína v souladu s fyziologickými potřebami člověka a zahrnuje 70 až 105 g bílkovin, 50 až 150 g tuků a 300 až 600 g sacharidy v rámci jedné kalorické hodnoty stravy. Změny ve složení stravy na bílkoviny, tuky a sacharidy vznikají zpravidla v důsledku změn fyzické aktivity těla, ale také závisí na lidských zvycích, národních stravovacích tradicích, dostupnosti konkrétního potravinářského produktu a samozřejmě specifické společenské příležitosti k uspokojení nutričních potřeb.

Každá živina plní v těle určitou funkci. To platí zejména pro bílkoviny, které obsahují dusík, který není součástí jiných živin, ale je nezbytný pro obnovu vlastních bílkovin v lidském těle. Odhaduje se, že v těle dospělého člověka se denně zničí minimálně 17 g vlastních bílkovin, které je nutné obnovit potravou. Proto je toto množství bílkovin minimum požadované ve stravě každého člověka.

Tuky a sacharidy lze z velké části nahrazovat navzájem, ale do určitých limitů.

Běžná lidská strava zcela pokrývá tělu potřebu bílkovin, tuků a sacharidů a také dodává potřebné minerály a vitamíny.

Na rozdíl od neomezeného přísunu kyslíku (vzduchu) a pitné vody, kterých je na planetě stále dostatek a jejichž spotřeba je přísně regulována pouze v určitých, zpravidla suchých oblastech, je množství produkce potravin omezené. nízkou produktivitou přirozeného trofického (potravního) cyklu, který se skládá ze tří základních úrovní: rostliny - zvířata - lidé. Rostliny skutečně tvoří biomasu s využitím pouze 0,2 % energie slunečního světla přicházejícího na Zemi. Spotřebou rostlinné biomasy pro potravu zvířata nevynakládají více než 10–12 % asimilované energie pro vlastní potřebu. Člověk v konečném důsledku požíváním potravy živočišného původu zajišťuje energetické potřeby svého těla s velmi nízkým koeficientem využití počáteční sluneční energie.

Uspokojit nutriční potřeby bylo vždy nejtěžším úkolem člověka. Pasivní využití možností přírody v tomto směru je omezené, protože většina zeměkoule je pokryta oceány a pouštěmi s nízkou biologickou produktivitou. Pouze některé oblasti Země, vyznačující se stabilními příznivými klimatickými podmínkami, poskytují vysokou primární produktivitu látek, mimochodem ne vždy přijatelnou z hlediska nutričních potřeb člověka. Růst zemské populace, její rozptýlení po všech kontinentech a geografických oblastech planety, včetně oblastí s nepříznivými klimatickými podmínkami, jakož i postupné vyčerpávání přirozených zdrojů potravy vedly ke stavu, kdy uspokojování potravinových potřeb na Zemi dosáhlo úrovně přerostl v univerzální problém. Dnes se věří, že celosvětový deficit samotných bílkovin ve stravě je 15 milionů tun ročně. To znamená, že nejméně 700 milionů lidí na světě je systematicky podvyživených. A to i přesto, že lidstvo na konci 20. stol. obecně se vyznačuje poměrně vysokou společenskou organizací, významnými úspěchy ve vývoji vědy, techniky, průmyslu a zemědělské výroby, hlubokým pochopením její jednoty ve složení, biosféry planety.

Jídlo je důležitým faktorem životního prostředí nejen pro člověka, ale pro všechna zvířata. V závislosti na dostupnosti potravy, její rozmanitosti, kvalitě a množství se mohou výrazně měnit vlastnosti populace živých organismů (plodnost a úmrtnost, délka života, rychlost vývoje atd.). Nutriční (trofické) vazby mezi živými organismy, jak bude ukázáno níže, jsou základem jak biosférického (pozemského) biologického cyklu látek, tak umělých ekologických systémů, včetně člověka.

Země bude schopna poskytnout vše potřebné pro ty, kteří na ní žijí po dlouhou dobu, pokud lidstvo utrácí zdroje planety racionálněji a opatrněji, vyřeší ekologicky kompetentní otázky transformace přírody, odstraní závody ve zbrojení a ukončí nukleární zbraně.

Vědeckým základem pro řešení problému podpory života lidstva na Zemi, formulovaného V. I. Vernadským, je přechod biosféry Země do noosféry, tedy do takové biosféry, která byla vědeckým myšlením změněna a přeměněna tak, aby vyhovovala všem potřeby početně rostoucího lidstva (sféra rozumu). V. I. Vernadsky navrhl, že po svém vzniku na Zemi by se noosféra, jak člověk zkoumá cirkumstelární vesmír, měla proměnit ve zvláštní konstrukční prvek prostor.

VESMÍRNÁ LOĎ POSÁDKY - UMĚLÝ EKOSYSTÉM

Jak vyřešit problém zajistit posádce kosmické lodi čerstvou pestrou stravu, čistou vodu a životodárný vzduch? Nejjednodušší odpovědí je samozřejmě vzít si s sebou vše, co potřebujete. To se děje v případech krátkodobých pilotovaných letů.

Jak se délka letu prodlužuje, je potřeba více zásob. Proto je nutné provádět regeneraci některých spotřebních látek (například vody), zpracování lidských odpadů a odpadů z technologických procesů některých lodních systémů (například regenerované sorbenty oxidu uhličitého) za účelem opětovného využití těchto látek a snížit počáteční rezervy.

Ideálním řešením se jeví realizace úplné (nebo téměř úplné) cirkulace látek v rámci omezeného objemu obydleného prostoru „domu“. Takto komplexní řešení však může být rentabilní a prakticky proveditelné pouze pro velké vesmírné expedice trvající déle než 1,5 - 3 roky (AM Genin, D. Talbot, 1975). Rozhodující role při vytváření oběhu látek v takových expedicích je zpravidla přiřazena procesům biosyntézy. Funkce zásobování posádky potravou, vodou a kyslíkem, stejně jako odstraňování a zpracování produktů látkové výměny a udržování požadovaných parametrů stanoviště posádky na lodi, stanici atd., jsou přiřazeny k tzv. systémům podpory života ( LSS). Schematické znázornění hlavních typů LSS pro vesmírné posádky je na obr. 1.

Rýže. Obr. 1. Schémata hlavních typů systémů podpory života pro vesmírné posádky: 1 - systém na skladě (veškerý odpad je odstraněn); 2 - systém v zásobách s částečným fyzikálním a chemickým zhodnocením látek (PCR) (část odpadů se odstraní, část zásob lze obnovit); 3 - systém s částečnou FCR a částečnou biologickou regenerací látek rostlinami (BR) s jednotkou korekce odpadu (WK); 4 - systém s úplnou uzavřenou regenerací látek (rezervy jsou omezeny mikroaditivy). Označení: E - sálavá nebo tepelná energie, IE - zdroj energie, W - odpad, BB - bioblok se zvířaty, tečkovaná čára - volitelný proces

LSS vesmírných posádek jsou nejsložitější komplexy. Tři dekády kosmického věku potvrdily dostatečnou účinnost a spolehlivost vytvořené LSS, která úspěšně pracovala na sovětských kosmických lodích Vostok a Sojuz, americkém Merkuru, Gemini a Apollo a také na orbitálních stanicích Saljut a Skylab. Práce výzkumného komplexu "Mir" s vylepšeným systémem podpory života na palubě pokračuje. Všechny tyto systémy již zajistily lety pro více než 200 kosmonautů z různých zemí.

Principy konstrukce a provozu LSS, které byly a jsou v současnosti využívány pro lety do vesmíru, jsou všeobecně známé. Jsou založeny na využití fyzikálních a chemických regeneračních procesů. Zároveň je stále otevřený problém uplatnění biosyntetických procesů ve vesmírné LSS, a tím spíše problém konstrukce uzavřené biotechnické LSS pro kosmické lety.

Existují různé, někdy přímo opačné názory na možnost a účelnost praktického zavádění takových systémů obecně a v kosmických lodích zvláště. Jako argumenty proti jsou uváděny: složitost, neznalost, energetická náročnost, nespolehlivost, nevhodnost atd. Naprostá většina odborníků však všechny tyto otázky považuje za vyřešené a využití biotechnických LSS jako součásti budoucího velkého prostoru osady, lunární, planetární a meziplanetární základny a další vzdálené mimozemské struktury – nevyhnutelné.

Zařazení posádky do LSS spolu s četnými technickými zařízeními biologických vazeb, jejichž fungování se uskutečňuje podle složitých zákonitostí vývoje živé hmoty, vyžaduje kvalitativně nový, ekologický přístup ke vzniku biotechnické LSS, ve kterém musí být dosaženo stabilní dynamické rovnováhy a konzistence toků hmoty a energie ve všech vazbách.systémy. V tomto smyslu by každá obyvatelná kosmická loď měla být považována za umělý ekologický systém.

Kosmická loď s lidskou posádkou zahrnuje minimálně jeden aktivně fungující biologický článek – člověka (posádku) s jeho mikroflórou. Člověk a mikroflóra přitom existují v interakci s prostředím uměle vytvořeným v kosmické lodi, což zajišťuje stabilní dynamickou rovnováhu biologického systému z hlediska toků hmoty a energie.

I při plném zajištění života pro posádku v kosmické lodi díky zásobám látek a při absenci dalších biologických vazeb je tedy pilotovaná loď již umělým vesmírným ekologickým systémem. Může být hmotně zcela nebo částečně izolován od vnějšího prostředí (vesmír), ale jeho energetická (tepelná) izolace od tohoto prostředí je zcela vyloučena. Neustálá výměna energie s okolím, nebo alespoň neustálý odvod tepla, je nezbytnou podmínkou fungování každého umělého vesmírného ekosystému.

21. století klade lidstvu nové, ještě ambicióznější úkoly v dalším průzkumu vesmíru. (Zřejmě by bylo přesnější říci, že lidstvo si tyto úkoly klade pro 21. století.) Konkrétní podobu budoucího vesmírného ekosystému lze určit v závislosti na účelu a oběžné dráze vesmírné struktury (meziplanetární pilotované kosmické lodě, blízkozemní orbitální stanice, lunární základna, marťanská základna, stavební vesmírná platforma, komplex obytných budov na asteroidech atd.), velikost posádky, doba provozu, napájení a technické vybavení a samozřejmě na stupni připravenosti určitých technologické procesy, včetně procesů řízené biosyntézy a řízené přeměny hmoty a energie v biologických vazbách ekosystémů.

Dnes můžeme říci, že úkoly a programy pokročilého kosmického výzkumu byly v SSSR a USA definovány na státní úrovni přibližně do roku 2000. S ohledem na úkoly příštího století vědci stále hovoří ve formě prognóz . Výsledky studie zveřejněné v roce 1984 (a provedené již v roce 1979 zaměstnancem Rand Corporation prostřednictvím dotazníkového šetření 15 předních specialistů v USA a Velké Británii) tedy odhalily obrázek, který se odráží v následující tabulce:

let	Obsah jeviště
2020 –2030	Kolonizace Měsíce a vesmíru velkými kontingenty lidí (více než 1000 lidí).
2020 – 2071	Vývoj umělé lidské inteligence.
2024 – 2037	První let s lidskou posádkou k Jupiteru.
2030 – 2050	Lety v rámci sluneční soustavy s využitím přírodních zdrojů sluneční soustavy, včetně Měsíce.
2045 – 2060	První let bezpilotní sondy mimo sluneční soustavu.
2045 – 2070	První let s lidskou posádkou k hranicím sluneční soustavy.
2050 – 2100	Navazování kontaktů s mimozemskou inteligencí.

Slavný americký fyzik J. O „Neill, který se zabývá problémy budoucího vesmírného osídlení lidstva, publikoval již v roce 1974 svou předpověď, v níž mělo v roce 1988 pracovat ve vesmíru 10 tisíc lidí. Tato předpověď se nenaplnila, ale dnes se mnoho odborníků domnívá, že do roku 1990 bude ve vesmíru nepřetržitě pracovat 50-100 lidí.

Známý specialista Dr. Puttkamer (Německo) se domnívá, že období let 1990 až 2000 bude charakterizováno začátkem osídlování blízkozemského prostoru a po roce 2000 by měla být zajištěna autonomie obyvatel vesmíru a ekologicky uzavřený biotop. systém by měl být vytvořen.

Výpočty ukazují, že s prodlužující se dobou pobytu člověka ve vesmíru (až několik let), s nárůstem počtu členů posádky a se zvyšující se vzdáleností kosmické lodi od Země je nutné provést biologické regenerace spotřebního materiálu a především jídla přímo na palubě kosmické lodi. Ve prospěch biologických LSS přitom nevypovídají pouze technické a ekonomické (hmotnostní a energetické) ukazatele, ale neméně důležité ukazatele biologické spolehlivosti člověka jako určujícího článku v umělém vesmírném ekosystému. Pojďme si to poslední vysvětlit podrobněji.

Existuje řada prozkoumaných (a dosud neprobádaných) souvislostí lidského těla s divokou přírodou, bez kterých je jeho úspěšný dlouhodobý život nemožný. Patří mezi ně například jeho přirozené trofické vztahy, které nelze zcela nahradit potravou ze zásob uložených na lodi. Některé vitamíny, které člověk povinně potřebuje (potravinové karotenoidy, kyselina askorbová atd.), jsou během skladování nestabilní: za pozemských podmínek je skladovatelnost například vitamínů C a P 5-6 měsíců. Vlivem kosmických podmínek dochází v průběhu času k chemické restrukturalizaci vitamínů, v důsledku čehož ztrácejí svou fyziologickou aktivitu. Z tohoto důvodu se musí buď neustále biologicky rozmnožovat (ve formě čerstvých potravin, např. zeleniny), nebo pravidelně dodávat ze Země, jako tomu bylo při každoročním rekordním letu do vesmíru na stanici Mir. Biomedicínské studie navíc ukázaly, že v podmínkách kosmického letu je nutný zvýšený příjem vitamínů kosmonauty. Během letů v rámci programu Skylab se tak spotřeba vitaminů skupiny B a vitaminu C (kyselina askorbová) u astronautů zvýšila přibližně 10krát, vitaminu A (axeroftol) - 2krát, vitaminu D (kalciferol) - mírně vyšší než na Zemi. norma. Nyní se také zjistilo, že vitamíny biologického původu mají jasné výhody oproti čištěným přípravkům stejných vitamínů získaných chemickými prostředky. Je to dáno tím, že vitamíny se ve složení biomasy nacházejí v kombinaci s řadou dalších látek včetně stimulantů a při konzumaci mají více efektivní akce na metabolismus živého organismu.

Je známo, že přírodní rostlinná strava obsahuje všechny rostlinné bílkoviny (aminokyseliny), lipidy (esenciální mastné kyseliny), celý komplex vitamínů rozpustných ve vodě a částečně rozpustných v tucích, sacharidy, biologicky aktivní látky a vlákninu, kterou člověk potřebuje. Role těchto složek potravy v metabolismu je obrovská (V. I. Yazdovsky, 1988). Stávající proces přípravy vesmírných dávek, který zahrnuje přísné režimy zpracování (mechanický, tepelný, chemický), nemůže samozřejmě snížit účinnost jednotlivých důležitých složek potravy v lidském metabolismu.

Zřejmě je třeba vzít v úvahu i možný kumulativní účinek kosmického radioaktivního záření na potravinářské produkty skladované po dlouhou dobu na lodi.

Nestačí tedy jen dostát stanovené normě kalorického obsahu potravy, je nutné, aby strava kosmonauta byla co nejpestřejší a čerstvá.

Zdá se, že objev francouzských biologů o schopnosti čisté vody „zapamatovat si“ některé vlastnosti biologicky aktivních molekul a následně tuto informaci přenést do živých buněk se zdá být objasněním starověké lidové pohádkové moudrosti o „živé“ a „mrtvé“ vodě. . Pokud se tento objev potvrdí, pak vyvstává zásadní problém regenerace vody na dlouhodobých kosmických lodích: je voda, vyčištěná nebo získaná fyzikálně-chemickými metodami ve více izolovaných cyklech, schopna nahradit biologicky aktivní „živou“ vodu?

Lze také předpokládat, že dlouhodobý pobyt v izolovaném objemu kosmické lodi s umělým plynným biotopem získaným chemickou cestou není lhostejný lidskému tělu, jehož všechny generace existovaly v atmosféře biogenního původu, jejíž složení je rozmanitější. Je stěží náhodné, že živé organismy mají schopnost rozlišovat izotopy některých chemických prvků (včetně stabilních izotopů kyslíku O 16, O 17, O 18), stejně jako zachytit malý rozdíl v síle chemických vazeb izotopů v molekuly H 2 O, CO 2 atd. Je známo, že atomová hmotnost kyslíku závisí na zdroji jeho produkce: kyslík ze vzduchu je o něco těžší než kyslík z vody. Živé organismy tento rozdíl „cítí“, ačkoli jej lze kvantitativně určit pouze speciálními přístroji, hmotnostními spektrometry. Dlouhé dýchání chemicky čistého kyslíku za podmínek kosmického letu může vést k zesílení oxidační procesy v lidském těle a k patologickým změnám v plicní tkáni.

Je třeba poznamenat, že pro člověka hraje zvláštní roli vzduch, který je biogenního původu a je obohacen rostlinnými fytoncidy. Fytoncidy jsou biologicky aktivní látky neustále tvořené rostlinami, které zabíjejí nebo potlačují bakterie, mikroskopické houby a prvoky. Přítomnost fytoncidů v okolním vzduchu je zpravidla prospěšná pro lidské tělo a způsobuje pocit svěžesti ve vzduchu. Tak například velitel třetí americké posádky stanice Skylab zdůraznil, že jeho posádka s chutí vdechovala vzduch obohacený o citronové fytoncidy.

Ve známých případech infekce lidí bakteriemi, které se usazují v klimatizacích („legionářská nemoc“), by byly fytoncidy silným dezinfekčním prostředkem a ve vztahu ke klimatizačním systémům v uzavřených ekosystémech by takovou možnost mohly vyloučit. Jak ukázaly studie M. T. Dmitrieva, fytoncidy mohou působit nejen přímo, ale i nepřímo, zvyšují baktericidní působení vzduchu a zvyšují obsah lehkých negativních iontů, které příznivě působí na lidský organismus. Počet nežádoucích těžkých kladných iontů ve vzduchu je tak snížen. Fytoncidy, které jsou jakýmisi nositeli ochranné funkce rostlin před mikroflórou prostředí, se nejen uvolňují do ovzduší obklopujícího rostlinu, ale jsou obsaženy i v biomase rostlin samotných. Na fytoncidy jsou nejbohatší česnek, cibule, hořčice a mnoho dalších rostlin. Jejich konzumací člověk vede nepostřehnutelný, ale velmi účinný boj proti infekční mikroflóře, která se dostává do těla.

Když už mluvíme o důležitosti biologických vazeb v umělém vesmírném ekosystému pro člověka, nelze si nevšimnout zvláštní pozitivní role vyšších rostlin jako faktoru při snižování emočního stresu astronautů a zlepšování psychického komfortu. Všichni astronauti, kteří museli na palubě vesmírných stanic provádět experimenty s vyššími rostlinami, byli ve svých hodnoceních jednotní. L. Popov a V. Ryumin na orbitální stanici Saljut-6 se tedy vzorně starali o rostliny v experimentálních sklenících Malachite (interiérový vitrážový skleník s tropickými orchidejemi) a Oasis (experimentální skleník se zeleninovými a vitamínovými rostlinnými kulturami). Zalévali, sledovali růst a vývoj rostlin, prováděli běžné kontroly a práce s technickou částí skleníků a prostě ve vzácných chvílích odpočinku obdivovali živý interiér orchidejí. „Biologický výzkum nám přinesl mnoho potěšení. Měli jsme například instalaci Malachitu s orchidejemi, a když jsme to poslali na Zemi, cítili jsme jakousi ztrátu, na stanici to bylo méně pohodlné. Tak řekl po přistání L. Popov. „Práce s malachitem na palubě vesmírného komplexu nám vždy poskytovala zvláštní uspokojení,“ dodal V. Ryumin k L. Popovové.

Na tiskové konferenci 14. října 1985 věnované výsledkům práce na oběžné dráze kosmonautů V. Džanibekova a G. Grečka na palubě orbitální stanice Saljut-7 řekl palubní inženýr (G. Grečko): „Každému živému , ke každému výhonku ve vesmíru je postoj zvláštní, opatrný: připomínají Zemi, rozveselují.

Astronauti tedy potřebují vyšší rostliny nejen jako článek v umělém ekologickém systému nebo objekt vědeckého výzkumu, ale také jako estetický prvek známého pozemského prostředí, živého společníka astronauta na jeho dlouhé, obtížné a intenzivní misi. A nebyla právě toto estetická stránka a psychologická role skleníku na palubě kosmické lodi, kterou měl S.P. Korolev na mysli, když ji v rámci přípravy na nadcházející kosmické lety formuloval jako další další otázka: "Co můžete mít na palubě těžké meziplanetární lodi nebo těžké orbitální stanice (nebo ve skleníku) z okrasných rostlin, které vyžadují minimum nákladů a péče?" A první odpověď na tuto otázku již dnes byla obdržena: jedná se o tropické orchideje, kterým se zdá, že mají rády atmosféru vesmírné stanice.

Akademik O. G. Gazenko a spoluautoři (1987) v diskusi o problému zajištění spolehlivosti a bezpečnosti dlouhodobých vesmírných letů správně poukazují na to, že „někdy se nevědomá duchovní potřeba kontaktu s divokou přírodou stává skutečnou silou, která je podporována přísnými vědecká fakta, která svědčí o ekonomické efektivitě a technické proveditelnosti maximálního přiblížení umělých biosfér k přírodní prostředí která pozvedla lidstvo. Z tohoto pohledu se strategické směřování k vytvoření biologické LSS jeví jako velmi správné.“ A dále: „Pokusy izolovat člověka od přírody jsou krajně neekonomické. Biologické systémy, lepší než kterékoli jiné, zajistí cirkulaci látek ve velkých vesmírných sídlech.

Jednou ze zásadních výhod biologických systémů ve srovnání s nebiologickými je potenciální možnost jejich stabilního fungování s minimálním rozsahem kontrolních a řídících funkcí (E. Ya. Shepelev, 1975). Tato výhoda je dána přirozenou schopností živých systémů, které jsou v neustálé interakci s prostředím, provádět korekci procesů pro přežití na všech biologických úrovních – od jediné buňky jednoho organismu až po populace a biogeocenózy – bez ohledu na stupeň pochopení těchto procesů v každém okamžiku člověkem a jeho schopnost či neschopnost (nebo spíše připravenost) provést nezbytné úpravy procesu cirkulace látek v umělém ekosystému.

Stupeň složitosti umělých vesmírných ekosystémů může být různý: od nejjednodušších systémů v zásobách, systémů s fyzikální a chemickou regenerací látek a využitím jednotlivých biologických vazeb až po systémy s prakticky uzavřeným biologickým cyklem látek. Počet biologických článků a trofických řetězců, stejně jako počet jedinců v každém článku, jak již bylo zmíněno, závisí na účelu a technických vlastnostech kosmické lodi.

Efektivitu a hlavní parametry umělého vesmírného ekosystému, včetně biologických vazeb, lze předem určit a vypočítat na základě kvantitativní analýzy procesů biologického cyklu látek v přírodě a posouzení energetické účinnosti místních přírodních ekosystémů. Této problematice je věnována další část.

ŠTÁTENÍ LÁTEK V BIOLOGICKÉM CYKLU

Uzavřený ekologický systém vytvořený na základě biologických vazeb by měl být považován za ideální LSS pro budoucí velká vesmírná sídla. Tvorba takových systémů je dnes stále ve fázi výpočtů, teoretických konstrukcí a pozemního testování pro spárování jednotlivých biologických vazeb s testovací posádkou.

Hlavním cílem vývoje experimentální biotechnické LSS je dosažení stabilního, prakticky uzavřeného oběhu látek v ekosystému s posádkou a relativně nezávislé existence uměle vytvořené biocenózy v režimu dlouhodobé dynamické rovnováhy založené na převážně vnitřních kontrolních mechanismech. . Proto je nutné důkladné studium procesů biologického cyklu látek v biosféře Země, aby bylo možné využít nejúčinnější z nich v biotechnické LSS.

Biologický cyklus v přírodě je kruhový přenos (cirkulace) látek a chemických prvků mezi půdou, rostlinami, zvířaty a mikroorganismy. Jeho podstata je následující. Rostliny (autotrofní organismy) absorbují energeticky chudé minerální látky neživé přírody a atmosférický oxid uhličitý. Tyto látky jsou obsaženy ve složení organické biomasy rostlinných organismů, která má velkou zásobu energie získané přeměnou zářivé energie Slunce v procesu fotosyntézy. Rostlinná biomasa je přeměňována prostřednictvím potravních řetězců v živočišných a lidských organismech (heterotrofních organismech) s využitím některých z těchto látek a energie pro vlastní růst, vývoj a rozmnožování. Organismy-ničiči (destruktory nebo rozkladače), včetně bakterií, hub, prvoků a organismů, které se živí mrtvou organickou hmotou, mineralizují odpad. Nakonec se látky a chemické prvky vracejí zpět do půdy, atmosféry popř vodní prostředí. V důsledku toho dochází k vícecyklové migraci látek a chemických prvků prostřednictvím rozvětveného řetězce živých organismů. Tato migrace, neustále podporovaná energií Slunce, tvoří biologický cyklus.

Stupeň reprodukce jednotlivých cyklů obecného biologického cyklu dosahuje 90 - 98%, proto lze o jeho úplné izolaci mluvit pouze podmíněně. Hlavními cykly biosféry jsou cykly uhlíku, dusíku, kyslíku, fosforu, síry a dalších biogenních prvků.

Přirozený biologický cyklus zahrnuje živé i neživé látky.

Živá hmota je biogenní, protože vzniká pouze rozmnožováním živých organismů, které již na Zemi existují. Neživá hmota přítomná v biosféře může být buď biogenního původu (opadaná kůra a listy stromů, plody, které dozrály a oddělily se od rostliny, chitinózní obaly členovců, rohy, zuby a chlupy zvířat, ptačí peří, zvířecí exkrementy atd. .), a abiogenní (produkty emisí z aktivních sopek uvolněné z nitra země plyny).

Živá hmota planety svou hmotností tvoří nepodstatnou část biosféry: celá biomasa Země v suché hmotnosti tvoří pouze sto tisícin procenta hmotnosti zemské kůry (2 ∙ 10 19 tun). Právě živá hmota však hraje rozhodující roli při vytváření „kulturní“ vrstvy zemské kůry, při realizaci rozsáhlé štafety látek a chemických prvků mezi obrovským množstvím živých organismů. Je to dáno řadou specifických rysů živé hmoty.

Metabolismus (metabolismus). Metabolismus v živém organismu je soubor všech přeměn hmoty a energie v procesu nepřetržitě probíhajících biochemických reakcí v těle.

Nepřetržitá výměna látek mezi živým organismem a jeho prostředím je nejpodstatnější vlastností života.

Hlavními ukazateli metabolismu těla s vnějším prostředím jsou množství, složení a kalorický obsah potravy, množství vody a kyslíku spotřebované živým organismem, dále míra využití těchto látek v těle a energie jídlo. Metabolismus je založen na procesech asimilace (přeměna látek, které vstupují do těla zvenčí) a disimilace (rozklad organických látek způsobený potřebou uvolnit energii pro život těla).

Termodynamická nerovnovážná stabilita. V souladu s druhým zákonem (počátkem) termodynamiky nestačí k vykonání práce pouze přítomnost energie, ale je nezbytná i přítomnost rozdílu potenciálů, neboli energetických hladin. Entropie slouží jako míra „ztráty“ rozdílu potenciálů jakýmkoli energetickým systémem a tedy míra ztráty schopnosti vykonávat práci tímto systémem.

V procesech probíhajících v neživé přírodě vede výkon práce ke zvýšení entropie systému. Takže pro přenos tepla směr procesu jednoznačně určuje druhý zákon termodynamiky: od teplejšího tělesa k méně zahřátému. V systému s nulovým teplotním rozdílem (při stejné teplotě těles) je pozorována maximální entropie.

Živá hmota, živé organismy na rozdíl od neživé přírody tomuto zákonu odporují. Nikdy nejsou v rovnováze a neustále konají práci proti jejímu ustavení, k čemuž by, jak se zdá, mělo zákonitě docházet jako k souladu s existujícími vnějšími podmínkami. Živé organismy neustále vydávají energii na udržení specifického stavu živého systému. Tato nejdůležitější vlastnost je v literatuře známá jako Bauerův princip neboli princip stabilní nerovnováhy živých soustav. Tento princip ukazuje, že živé organismy jsou otevřené nerovnovážné systémy, které se od neživých liší tím, že se vyvíjejí ve směru klesající entropie.

Tento rys je charakteristický pro biosféru jako celek, která je také nerovnovážným dynamickým systémem. Živá hmota systému je nositelem obrovské potenciální energie,

Schopnost vlastní reprodukce a vysoká intenzita akumulace biomasy.Živá hmota se vyznačuje neustálou touhou zvyšovat počet svých jedinců, množit se. Živá hmota, včetně člověka, má tendenci zaplnit veškerý prostor přijatelný pro život. Intenzita reprodukce živých organismů, jejich růst a akumulace biomasy je poměrně vysoká. Rychlost reprodukce živých organismů je zpravidla nepřímo úměrná jejich velikosti. Různorodost velikostí živých organismů je dalším rysem divoké zvěře.

Vysoké rychlosti metabolických reakcí v živých organismech, které jsou o tři až čtyři řády vyšší než rychlosti reakcí v neživé přírodě, jsou způsobeny účastí biologických urychlovačů, enzymů, v metabolických procesech. Pro růst každé jednotky biomasy nebo akumulaci jednotky energie však živý organismus potřebuje zpracovat počáteční hmotu v množství o jeden nebo dva řády vyšších, než je ta akumulovaná.

Schopnost rozmanitosti, obnovy a evoluce.Živá hmota biosféry se vyznačuje různými, ale velmi krátkými (v kosmickém měřítku) životními cykly. Délka života živých bytostí se pohybuje od několika hodin (a dokonce minut) až po stovky let. Organismy při své životní činnosti procházejí samy sebou atomy chemických prvků litosféry, hydrosféry a atmosféry, třídí je a vážou chemické prvky ve formě specifických látek biomasy daného typu organismu. Přitom i v rámci biochemické uniformity a jednoty organický svět(všechny moderní živé organismy jsou stavěny převážně z bílkovin) divoká zvěř se vyznačuje obrovskou morfologickou rozmanitostí a rozmanitostí forem hmoty. Celkem existuje více než 2 miliony organických sloučenin, které tvoří živou hmotu. Pro srovnání podotýkáme, že počet přírodních sloučenin (minerálů) neživé hmoty je jen asi 2 tis.. Velká je i morfologická rozmanitost divoké zvěře: rostlinná říše na Zemi zahrnuje téměř 500 tisíc druhů a živočichů - 1 milion 500 tis. .

Živý organismus, který se vytvořil během jednoho životního cyklu, má omezené adaptační schopnosti na změny podmínek prostředí. Relativně krátký životní cyklus živých organismů však přispívá k jejich neustálé obnově z generace na generaci tím, že se informace nashromážděné každou generací přenášejí prostřednictvím genetického dědičného aparátu a zohledňují tyto informace další generací. Z tohoto pohledu je krátká životnost organismů jedné generace cenou, kterou platí za nutnost přežití druhu jako celku v neustále se měnícím prostředí.

Evoluční proces je charakteristický hlavně pro vyšší organismy.

Kolektivnost existence.Živá hmota na Zemi skutečně existuje ve formě biocenóz, nikoli samostatných izolovaných druhů (populací). Vztah populací je způsoben jejich vzájemnými trofickými (potravními) závislostmi, bez nichž je samotná existence těchto druhů nemožná.

To jsou hlavní kvalitativní znaky živé hmoty účastnící se biosférického biologického cyklu látek. Z kvantitativního hlediska je intenzita akumulace biomasy v biosféře taková, že v průměru každých osm let se obnoví celá živá substance biosféry Země. Po dokončení svého životního cyklu vracejí organismy přírodě vše, co si z ní během svého života vzaly.

Mezi hlavní funkce živé hmoty biosféry, které formuloval ruský geolog A. V. Lapo (1979), patří energetická (biosyntéza s akumulací energie a přeměna energie v trofických řetězcích), koncentrační (selektivní akumulace hmoty), destruktivní (mineralizace a příprava látek pro zapojení do koloběhu ), prostředí formující (změny fyzikálně-chemických parametrů média) a transportní (přenos látek).

MAJÍ EKOSYSTÉMY ÚČINNOST?

Pokusme se nyní odpovědět na otázku: lze hodnotit účinnost biologického cyklu látek z hlediska uspokojování nutričních potřeb člověka jako vrcholného trofického článku tohoto cyklu?

Přibližnou odpověď na položenou otázku lze získat na základě energetického přístupu k analýze procesů biologického cyklu a studiu přenosu energie a produktivity přírodních ekosystémů. Pokud totiž látky oběhu podléhají neustálým kvalitativním změnám, pak energie těchto látek nemizí, ale je distribuována v usměrněných tocích. Při přenosu z jedné trofické úrovně biologického cyklu do druhé se biochemická energie postupně přeměňuje a rozptyluje. Transformace energie hmoty v trofických úrovních neprobíhá libovolně, ale v souladu se známými zákonitostmi, a proto je ovladatelná v rámci konkrétní biogeocenózy.

Pojem „biogeocenóza“ je podobný pojmu „ekosystém“, ale ten první nese přísnější sémantické zatížení. Pokud se ekosystém nazývá téměř jakýkoli autonomně existující přírodní nebo umělý biokomplex (mraveniště, akvárium, bažina, kmen mrtvého stromu, les, jezero, oceán, zemská biosféra, kabina kosmické lodi atd.), pak biogeocenóza je jednou z kvalitativních úrovně ekosystému , je specifikován hranicemi jeho povinného rostlinného společenstva (fytocenóza). Ekosystém, stejně jako jakýkoli stabilní soubor živých organismů, které se vzájemně ovlivňují, je kategorií použitelnou pro jakýkoli biologický systém pouze na supraorganismické úrovni, tj. jeden organismus nemůže být ekosystémem.

Biologický cyklus látek je nedílnou součástí zemské biogeocenózy. V rámci specifických lokálních biogeocenóz je biologický cyklus látek možný, nikoli však nezbytný.

Energetické spoje vždy doprovázejí trofické spoje v biogeocenóze. Dohromady tvoří základ každé biogeocenózy. V obecném případě lze rozlišit pět trofických úrovní biogeocenózy (viz tabulka a obr. 2), přes které jsou všechny její složky distribuovány sekvenčně podél řetězce. Obvykle se v biogeocenózách tvoří několik takových řetězců, které se mnohonásobným větvením a křížením vytvářejí složité potravní (trofické) sítě.

Trofické úrovně a potravní řetězce v biogeocenóze

Organismy první trofické úrovně - primární producenti, nazývaní autotrofní (samoživící) a včetně mikroorganismů a vyšších rostlin, provádějí procesy syntézy organických látek z anorganických. Autotrofy využívají jako zdroj energie pro tento proces buď světelnou sluneční energii (fototrofy) nebo energii oxidace určitých minerálních sloučenin (chemotrofy). Fototrofy získávají uhlík nezbytný pro syntézu z oxidu uhličitého.

Obvykle lze proces fotosyntézy v zelených rostlinách (nižších a vyšších) popsat jako následující chemickou reakci:

V konečném důsledku se z energeticky chudých anorganických látek (oxid uhličitý, voda, minerální soli, mikroprvky) syntetizuje organická hmota (hlavně sacharidy), která je nositelem energie uložené v chemické vazby vytvořená látka. Při této reakci vyžaduje tvorba jedné grammolekuly látky (180 g glukózy) 673 kcal sluneční energie.

Účinnost fotosyntézy přímo závisí na intenzitě světelného ozáření rostlin. V průměru je množství zářivé sluneční energie na povrchu Země asi 130 W/m 2 . Přitom pouze část záření obsaženého v rozsahu vlnových délek od 0,38 do 0,71 mikronu je fotosynteticky aktivní. Značná část záření dopadajícího na list rostliny nebo vodní vrstvu s mikrořasami se odráží nebo prochází listem nebo vrstvou bez užitku a absorbované záření je většinou vynaloženo na odpařování vody při transpiraci rostlin.

Výsledkem je, že průměrná energetická účinnost procesu fotosyntézy celého vegetačního krytu zeměkoule je asi 0,3 % energie slunečního záření vstupujícího na Zemi. Za příznivých podmínek pro růst zelených rostlin a za asistence člověka dokážou jednotlivé plantáže rostlin vázat energii světla s účinností 5 - 10 %.

Organismy následných trofických úrovní (spotřebitelé), skládající se z heterotrofních (živočišných) organismů, si nakonec zajišťují obživu na úkor rostlinné biomasy akumulované v první trofické úrovni. Chemická energie uložená v rostlinné biomase se může uvolnit, přeměnit na tepelnou energii a rozptýlit se do prostředí v procesu rekombinace sacharidů s kyslíkem. Živočichové využívají rostlinnou biomasu jako potravu a při dýchání ji vystavují oxidaci. V tomto případě dochází k procesu opačnému k fotosyntéze, při kterém se uvolňuje energie potravy a s určitou účinností se vynakládá na růst a životně důležitou činnost heterotrofního organismu.

Z kvantitativního hlediska by v biogeocenóze měla rostlinná biomasa „předstihnout“ živočišnou biomasu, obvykle minimálně o dva řády. Celková biomasa živočichů na pozemské půdě tedy nepřesahuje 1 - 3 % její rostlinné biomasy.

Intenzita energetického metabolismu heterotrofního organismu závisí na jeho hmotnosti. S nárůstem velikosti těla se znatelně snižuje intenzita metabolismu, přepočtená na jednotku hmotnosti a vyjádřená množstvím kyslíku absorbovaného za jednotku času. Zároveň ve stavu relativního klidu (standardní metabolismus) závisí závislost intenzity metabolismu zvířete na jeho hmotnosti, která má podobu funkce y \u003d Ah k (X- hmotnost zvířete, A A k- koeficienty), se ukazuje být platný jak pro organismy stejného druhu, které v procesu růstu mění svou velikost, tak pro zvířata různé hmotnosti, ale představující určitou skupinu nebo třídu.

Ukazatele úrovně metabolismu různých skupin zvířat se přitom již od sebe výrazně liší. Tyto rozdíly jsou zvláště významné u zvířat s aktivním metabolismem, která se vyznačují energetickými náklady na svalovou práci, zejména na motorické funkce.

Energetickou bilanci živočišného organismu (spotřebitele jakékoli úrovně) za určité časové období lze v obecném případě vyjádřit následující rovností:

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

Kde E- energie (obsah kalorií) v jídle (kcal za den), E 1 - energie hlavní výměny, E 2 - spotřeba energie v těle, E 3 - energie „čistých“ produktů těla, E 4 - energie nespotřebovaných potravinových látek, E 5 - energie exkrementů a exkrecí těla.

Potrava je jediným zdrojem normálního příjmu energie do organismu zvířete a člověka, který zajišťuje jeho životně důležitou činnost. Pojem „potrava“ má pro různé živočišné organismy různý kvalitativní obsah a zahrnuje pouze ty látky, které daný živý organismus konzumuje a využívá. jsou pro něj nezbytné.

Hodnota E na osobu je v průměru 2500 kcal za den. energie bazálního metabolismu E 1 představuje energii metabolismu ve stavu úplného odpočinku těla a bez trávicích procesů. Vynakládá se na udržení života v těle, je funkcí velikosti povrchu těla a přeměňuje se na teplo, které tělo odevzdává do okolí. Kvantitativní ukazatele E 1 se obvykle vyjadřuje v konkrétních jednotkách vztažených na 1 kg hmotnosti nebo 1 m 2 povrchu tělesa. Ano, pro osobu E 1 je 32,1 kcal za den na 1 kg tělesné hmotnosti. Na jednotku plochy E 1 různé organismy (savci) jsou téměř stejné.

Komponent E 2 zahrnuje spotřebu energie těla na termoregulaci při změně okolní teploty, jakož i na různé druhyčinnosti a práce těla: žvýkání, trávení a asimilace potravy, práce svalů při pohybu těla atd. E 2 je výrazně ovlivněna okolní teplotou. Když teplota stoupá a klesá z optimální úrovně pro tělo, jsou nutné další náklady na energii k její regulaci. Proces regulace konstantní tělesné teploty je vyvinut zejména u teplokrevných zvířat a lidí.

Komponent E 3 zahrnuje dvě části: energii růstu tělu vlastní biomasy (resp. populace) a energii dodatečné produkce.

K nárůstu vlastní biomasy dochází zpravidla jak u mladého rostoucího organismu, neustále přibývajícího na váze, tak i u organismu tvořícího rezervní živiny. Tato část součásti E 3 se může rovnat nule a také může mít záporné hodnoty s nedostatkem jídla (tělo hubne).

Energie dodatečné produkce spočívá v látkách produkovaných tělem pro reprodukci, ochranu před nepřáteli atd.

Každý jedinec je limitován minimálním množstvím produktů vytvořených v průběhu jeho života. Za poměrně vysoký ukazatel tvorby druhotných produktů lze považovat ukazatel 10 - 15 % (ze spotřebovaného krmiva), který je typický např. pro sarančata. Stejný ukazatel u savců, kteří vynakládají značné množství energie na termoregulaci, je na úrovni 1 - 2 %.

Komponent E 4 - to je energie obsažená v látkách potravy, která nebyla tělem využita a z toho či onoho důvodu se do těla nedostala.

Energie E 5 obsažených ve výměšcích těla v důsledku neúplné stravitelnosti a asimilace potravy, se pohybuje od 30-60 % zkonzumované potravy (u velkých kopytníků) do 1-20 % (u hlodavců).

Účinnost přeměny energie živočišným organismem je kvantitativně určena poměrem čisté (sekundární) produkce k celkovému množství zkonzumované potravy nebo poměrem čisté produkce k množství strávené potravy. V potravním řetězci je účinnost (COP) každého trofického článku (úrovně) v průměru asi 10 %. To znamená, že na každé následující trofické úrovni potravinového cíle se tvoří produkty, které z hlediska kalorií (nebo z hlediska hmotnosti) nepřesahují 10 % energie předchozího. S takovými ukazateli bude celková účinnost využití primární solární energie v potravním řetězci ekosystému o čtyřech úrovních malý zlomek procenta: v průměru pouze 0,001 %.

Přes zdánlivě nízkou hodnotu celkové efektivnosti reprodukce produktů se většina obyvatel Země plně zajišťuje vyváženou stravou nejen prostřednictvím primárních, ale i sekundárních výrobců. Pokud jde o živý organismus samostatně, je účinnost využití potravy (energie) u některých z nich značně vysoká a převyšuje účinnost mnoha technických prostředků. Například prase promění 20 % spotřebované potravinové energie na vysoce kalorické maso.

Efektivita využití energie potravin spotřebiteli se v ekologii obvykle hodnotí pomocí ekologických pyramid energií. Podstata takových pyramid spočívá ve vizuální reprezentaci článků potravního řetězce ve formě podřízeného uspořádání obdélníků nad sebou, jejichž délka nebo plocha odpovídá energetickému ekvivalentu odpovídající trofické úrovně. za jednotku času. Pro charakterizaci potravních řetězců se dále používají pyramidy čísel (plochy obdélníků odpovídají počtu jedinců na každé úrovni potravního řetězce) a pyramidy biomasy (totéž platí pro množství celkové biomasy organismů na každé úrovni).

Nejucelenější obrázek však podává pyramida energií funkční organizace biologických společenstev v rámci určitého potravinového řetězce, protože umožňuje zohlednit dynamiku průchodu potravinové biomasy tímto řetězcem.

UMĚLÉ A PŘIROZENÉ EKOSYSTÉMY BIOSFÉRY: PODOBNOSTI A ROZDÍLY

K. E. Ciolkovskij jako první navrhl vytvoření ve vesmírné raketě uzavřeného systému oběhu všech látek nezbytných pro život posádky, tedy uzavřeného ekosystému. Věřil, že v miniaturní vesmírné lodi by měly být reprodukovány všechny hlavní procesy přeměny látek, které probíhají v biosféře Země. Téměř půl století však tento návrh existoval jako hypotéza sci-fi.

Praktické práce na vytváření umělých vesmírných ekosystémů založených na procesech biologického cyklu látek se rychle rozvinuly v USA, SSSR a některých dalších zemích koncem 50. a začátkem 60. let. Nepochybně k tomu přispěly úspěchy kosmonautiky, které v roce 1957 vypuštěním první umělé družice Země otevřely éru průzkumu vesmíru.

V následujících letech, jak byly tyto práce rozšiřovány a prohlubovány, mohla být většina badatelů přesvědčena, že předložený problém se ukázal být mnohem složitější, než se původně předpokládalo. Vyžadoval nejen pozemský, ale i kosmický výzkum, který si zase vyžádal značné materiální a finanční náklady a byl brzděn nedostatkem velkých kosmických lodí nebo výzkumných stanic. Přesto v SSSR v tomto období vznikly samostatné pozemské experimentální vzorky ekosystémů se zařazením do současného koloběhu látek těchto systémů některých biologických vazeb a člověka. Byl také proveden komplex vědeckých studií k vývoji technologií pro kultivaci biologických objektů ve stavu beztíže na palubách vesmírných satelitů, lodí a stanic: Cosmos-92, Cosmos-605, Cosmos-782, Cosmos-936, Saljut-6 a další. výsledky dnešního výzkumu nám umožňují formulovat některá ustanovení, která jsou brána jako základ pro konstrukci budoucích ekosystémů v uzavřeném vesmíru a biologických systémů podpory života pro astronauty.

Tedy to, co je společné pro velké umělé vesmírné ekosystémy a přírodní biosféru. ekosystémy? Především jde o jejich relativní izolovanost, jejich hlavními postavami jsou člověk a další živé biologické vazby, biologický koloběh látek a potřeba zdroje energie.

ZAVŘENO ekologické systémy- jedná se o systémy s organizovaným cyklem prvků, ve kterých látky určitým tempem slouží k biologické výměně některých vazeb, se stejnými průměrná rychlost jsou regenerovány z konečných produktů jejich metabolismu do výchozího stavu jinými vazbami a jsou znovu využívány ve stejných cyklech biologické výměny (Gitelzon et al., 1975).

Ekosystém přitom může zůstat uzavřený i bez dosažení úplného oběhu látek a nevratně spotřebovávat část látek z dříve vytvořených zásob.

Přirozený suchozemský ekosystém je hmotově prakticky uzavřený, neboť koloběhu se účastní pouze pozemské látky a chemické prvky (podíl kosmické hmoty, která ročně dopadá na Zemi, nepřesahuje 2 ∙ 10 -14 procent hmotnosti Země). Míra účasti pozemských látek a prvků v opakovaně se opakujících chemických cyklech zemského oběhu je poměrně velká a jak již bylo řečeno, zajišťuje reprodukci jednotlivých cyklů z 90 - 98%.

V umělém uzavřeném ekosystému je nemožné opakovat veškerou rozmanitost procesů pozemské biosféry. O to by se však nemělo usilovat, protože biosféra jako celek nemůže sloužit jako ideál umělého uzavřeného ekosystému s člověkem na základě biologického cyklu látek. Existuje řada zásadních rozdílů, které charakterizují biologický koloběh látek uměle vytvořených v omezeném uzavřeném prostoru za účelem podpory lidského života.

Jaké jsou tyto hlavní rozdíly?

Rozsah umělého biologického cyklu látek jako prostředku zajištění lidského života v omezeném uzavřeném prostoru nelze srovnávat s rozsahem pozemského biologického cyklu, i když hlavní zákonitosti určující průběh a účinnost procesů v jeho jednotlivých biologických vazbách lze použít k charakterizaci takových vazeb v umělém ekosystému. V biosféře Země herci existuje téměř 500 tisíc rostlinných druhů a 1,5 milionu živočišných druhů, které se za určitých kritických okolností (např. úhyn druhu nebo populace) mohou vzájemně nahradit, a zachovat tak stabilitu biosféry. V umělém ekosystému je reprezentativnost druhů a počet jedinců velmi omezená, což dramaticky zvyšuje „odpovědnost“ každého živého organismu zařazeného do umělého ekosystému a klade zvýšené požadavky na jeho biologickou stabilitu v extrémních podmínkách.

V biosféře Země je oběh látek a chemických prvků založen na obrovském množství různorodých nezávislých a křížových cyklů, nekoordinovaných v čase a prostoru, z nichž každý se uskutečňuje svou charakteristickou rychlostí. V umělém ekosystému je počet takových cyklů omezen, role každého cyklu v oběhu látek; se mnohonásobně zvyšuje a koordinované rychlosti procesů v systému musí být přísně udržovány jako nezbytná podmínka pro stabilní provoz biologického LSS.

Přítomnost slepých dějů v biosféře nijak výrazně neovlivňuje přirozený koloběh látek, protože Země má stále ještě významné zásoby látek, které se do koloběhu zapojují poprvé. Navíc množství látek slepých procesů je nezměrně menší než vyrovnávací kapacita Země. V umělém prostoru LSS ukládají vždy existující obecná omezení hmotnosti, objemu a spotřeby energie odpovídající omezení na množství látek zapojených do cyklu biologického LSS. Přítomnost nebo tvorba v tomto případě jakéhokoli slepého procesu výrazně snižuje účinnost systému jako celku, snižuje indikátor jeho izolace, vyžaduje odpovídající kompenzaci ze zásob výchozích látek, a v důsledku toho zvýšení těchto zásob v systému.

Nejdůležitějším rysem biologického cyklu látek v uvažovaných umělých ekosystémech je určující role člověka v kvalitě a kvantitativní charakteristiky oběh hmoty. Cyklus je v tomto případě uskutečňován v konečném důsledku v zájmu uspokojení potřeb člověka (posádky), což je hlavní určující článek. Zbývající biologické objekty jsou nositeli funkcí udržování lidského prostředí. Na základě toho jsou pro každý biologický druh v umělém ekosystému vytvořeny nejoptimálnější podmínky pro existenci pro dosažení maximální produktivity druhu. V biosféře Země je intenzita procesů biosyntézy dána především přílivem sluneční energie do určitého regionu. Ve většině případů jsou tyto možnosti omezené: intenzita slunečního záření na povrchu Země je asi 10x nižší než mimo zemskou atmosféru. Kromě toho, aby přežil a vyvíjel se, musí se každý živý organismus neustále přizpůsobovat životním podmínkám, starat se o hledání potravy a utrácet na to značnou část vitální energie. Intenzitu biosyntézy v biosféře Země proto nelze považovat za optimální z hlediska hlavní funkce biologického LSS - uspokojování nutričních potřeb člověka.

Na rozdíl od zemské biosféry se v umělých ekosystémech významně podílejí na utváření biosféry a jejích prvků rozsáhlé abiotické procesy a faktory, které hrají při utváření biosféry a jejích prvků (povětrnostní a klimatické vlivy, vyčerpané půdy a nevhodná území) významnou, ale často slepou roli. Chemické vlastnosti voda atd.).

Tyto a další rozdíly přispívají k dosažení výrazně vyšší účinnosti látkové přeměny v umělých ekosystémech, vyšší rychlosti realizace cyklů oběhu a vyšších hodnot účinnosti biologického systému podpory lidského života.

O BIOLOGICKÝCH SYSTÉMECH PODPORY ŽIVOTA VESMÍRNÉ POSÁDKY

Biologické LSS je umělý soubor biologických objektů (mikroorganismy, vyšší rostliny, živočichové), spotřebního materiálu a technických prostředků, které jsou určitým způsobem selektovány, vzájemně propojené a na sobě závislé biologické objekty, zajišťující v omezeném uzavřeném prostoru základní fyziologické potřeby člověka. v potravě, vodě a kyslíku, především na základě stabilního biologického oběhu hmoty.

Nezbytná kombinace v biologických LSS živých organismů (biologických objektů) a technických prostředků umožňuje nazývat tyto systémy také biotechnickými. Zároveň pod technické prostředky označuje subsystémy, bloky a zařízení, která zajišťují požadované podmínky pro normální život biologických objektů zařazených do biokomplexu (složení, tlak, teplota a vlhkost plynného prostředí, osvětlení obytného prostoru, hygienické a hygienické ukazatele kvality vody, pohotovost sběr, zpracování nebo odstraňování odpadů atd.). Mezi hlavní technické prostředky biologického LSS patří subsystémy pro zásobování energií a přeměnu energie na světlo, regulaci a udržování plynného složení atmosféry v omezeném uzavřeném prostoru, tepelnou regulaci, prostorové skleníkové bloky, kuchyně a prostředky fyzikální a chemické regenerace. vody a vzduchu, odpadů ze zpracovatelských, dopravních a mineralizačních zařízení ostatním Řadu procesů pro regeneraci látek v systému lze efektivně provádět také fyzikálně-chemickými metodami (viz obrázek na str. 52).

Biologické objekty LSS spolu s člověkem tvoří biokomplex. Druhové a početní složení živých organismů zařazených do biokomplexu je stanoveno tak, aby dokázalo zajistit stabilní, vyvážený a řízený metabolismus mezi posádkou a živými organismy biokomplexu po celou stanovenou dobu. Velikost (rozsah) biokomplexu a počet druhů živých organismů zastoupených v biokomplexu závisí na požadované produktivitě, stupni blízkosti LSS a jsou stanoveny v návaznosti na specifické technické a energetické možnosti prostorové struktury, dobu jeho provozu a počet členů posádky. Principy selekce živých organismů ve složení biokomplexu si lze vypůjčit z ekologie přirozených suchozemských společenstev a řízených biogeocenóz, založených na zjištěných trofických vztazích biologických objektů.

Výběr biologických druhů pro tvorbu trofických cyklů biologických LSS je nejobtížnějším úkolem.

Každý biologický objekt účastnící se biologického LSS vyžaduje pro svou životní aktivitu určitý životní prostor (ekologická nika), který zahrnuje nejen čistě fyzický prostor, ale i soubor nezbytných životních podmínek pro daný biologický druh: zajištění jeho životního stylu, režimu výživy a podmínek prostředí. Pro úspěšné fungování živých organismů jako článku v biologickém LSS by proto objem prostoru, který zabírají, neměl být příliš omezen. Jinými slovy, musí existovat omezující minimální rozměry kosmické lodi s posádkou, pod nimiž je vyloučena možnost použití biologických LSS vazeb v ní.

V ideálním případě by se na cirkulaci látek uvnitř tohoto vesmírného objektu měla podílet celá původně uskladněná hmota látek určená pro podporu života posádky a včetně všech žijících obyvatel, aniž by do něj byly vnášeny další hmoty. Přitom takto uzavřená biologická LSS s regenerací všech pro člověka nezbytných látek a neomezenou dobou provozu je dnes spíše teoretickým než prakticky reálným systémem, vezmeme-li v úvahu ty jeho možnosti, které jsou uvažovány pro vesmírné expedice v blízké budoucnosti.

V termodynamickém smyslu (energeticky) nelze žádný ekosystém uzavřít, neboť neustálá výměna energie živých vazeb ekosystému s okolním prostorem je nezbytnou podmínkou jeho existence. Slunce může sloužit jako zdroj volné energie pro biologické LSS kosmických lodí v blízkém slunečním prostoru. Potřeba značného množství energie pro fungování rozsáhlých biologických LSS však vyžaduje účinná technická řešení problému kontinuálního sběru , koncentrace a přísun sluneční energie do kosmické lodi a také následné vypouštění nízkopotenciální energie do vesmíru.tepelná energie.

Zvláštní otázkou, která vyvstává v souvislosti s využíváním živých organismů při letech do vesmíru, je, jak na ně působí prodloužený stav beztíže? Na rozdíl od jiných faktorů kosmického letu a kosmického prostoru, jejichž vliv na živé organismy lze simulovat a studovat na Zemi, lze vliv stavu beztíže stanovit pouze přímo při kosmickém letu.

ZELENÉ ROSTLINY JAKO HLAVNÍ ČLÁNEK BIOLOGICKÝCH SYSTÉMŮ PODPORY ŽIVOTA

Rostliny na vyšších pevninách jsou považovány za hlavní a nejpravděpodobnější prvky biologického systému podpory života. Jsou schopny nejen produkovat potraviny, které jsou pro člověka kompletní podle většiny kritérií, ale také regenerovat vodu a atmosféru. Na rozdíl od zvířat jsou rostliny schopny syntetizovat vitamíny z jednoduchých sloučenin. Téměř všechny vitamíny se tvoří v listech a dalších zelených částech rostlin.

Účinnost biosyntézy vyšších rostlin je dána především světelným režimem: s nárůstem síly světelného toku se intenzita fotosyntézy zvyšuje na určitou úroveň následuje světelná saturace fotosyntézy. Maximální (teoretická) účinnost fotosyntézy ve slunečním světle je 28 %. V reálných podmínkách pro husté plodiny s dobrými kultivačními podmínkami může dosáhnout: 15 %.

Optimální intenzita fyziologického (fotosynteticky aktivního) záření (PAR), které poskytovalo maximum fotosyntézy v umělých podmínkách, byla 150–200 W/m 2 (Nichiporovich, 1966). Produktivita rostlin (jarní pšenice, ječmen) dosahovala 50 g biomasy denně na 1 m 2 (až 17 g zrna na 1 m 2 a den). V dalších experimentech prováděných s cílem zvolit světelné režimy pro pěstování ředkviček v uzavřených systémech byl výnos okopanin až 6 kg na 1 m 2 za 22–24 dní s biologickou produktivitou do 30 g biomasy ( v suché hmotnosti) na 1 m 2 za den (Lisovsky, Shilenko, 1970). Pro srovnání uvádíme, že na poli je průměrná denní produktivita plodin 10 g na 1 m 2.

Biocyklus: "vyšší rostliny - člověk" by byl ideální pro podporu života člověka, pokud by se při dlouhém kosmickém letu bylo možné spokojit s výživou bílkovin a tuků pouze rostlinného původu a pokud by rostliny dokázaly úspěšně mineralizovat a zužitkovat veškerý lidský odpad.

Vesmírný skleník však nebude schopen vyřešit celou řadu problémů přiřazených biologické LSS. Je například známo, že vyšší rostliny nejsou schopny zajistit účast na oběhu řady látek a prvků. Sodík tedy rostliny nespotřebovávají, takže problém cyklování NaCl (běžná sůl) zůstává otevřený. Fixace molekulárního dusíku rostlinami je nemožná bez pomoci nodulových půdních bakterií. Je také známo, že v souladu s fyziologickými normami lidské výživy schválenými v SSSR by alespoň polovina denní normy dietních bílkovin měla tvořit bílkoviny živočišného původu a živočišné tuky - až 75% celkové normy tuků. ve stravě.

Pokud je obsah kalorií v rostlinné části stravy v souladu s výše uvedenými normami 65% z celkového obsahu kalorií ve stravě (průměrný obsah kalorií v denní dávce jídla astronauta na stanici Saljut-6 byl 3150 kcal), pak pro získání potřebného množství rostlinné biomasy skleník o předpokládané ploše pro jednu osobu minimálně 15 - 20 m2. Vezmeme-li v úvahu rostlinný odpad, který se nesní (asi 50%), stejně jako potřebu dopravníku potravin pro nepřetržitou každodenní reprodukci biomasy, měla by se skutečná plocha skleníku zvětšit alespoň 2-3krát.

Účinnost skleníku lze výrazně zvýšit dodatečným využitím nepoživatelné části vzniklé biomasy. Existují různé způsoby využití biomasy: získávání živin extrakcí nebo hydrolýzou, fyzikálně-chemická nebo biologická mineralizace, přímé použití po vhodném vaření, použití ve formě krmiva pro zvířata. Implementace těchto metod vyžaduje vývoj vhodných dodatečných technických prostředků a nákladů na energii, takže optimální řešení lze získat pouze při zohlednění celkových technických a energetických ukazatelů ekosystému jako celku.

V počátečních fázích tvorby a využívání biologických LSS nejsou dosud vyřešeny jednotlivé otázky kompletního oběhu látek, část spotřebních látek bude odebírána ze zásob poskytovaných na palubě kosmické lodi. V těchto případech je skleníku přidělena funkce reprodukce minimálního požadovaného množství čerstvých bylin obsahujících vitamíny. Skleník s pěstební plochou 3 - 4 m 2 plně uspokojí potřeby jedné osoby na vitamíny. V takových ekosystémech, na základě částečného využití biocyklu vyšších rostlin - člověka, hlavní zátěž na regeneraci látek a podporu života posádky provádějí systémy s fyzikálně chemickými metodami zpracování.

Zakladatel praktické kosmonautiky S.P.Koroljov snil o kosmickém letu, který nebude vázán žádnými omezeními. Jen takový let bude podle S.P.Koroljova znamenat vítězství nad živly. V roce 1962 formuloval soubor prioritních úkolů vesmírné biotechnologie takto: „Měli bychom začít vyvíjet „skleník podle Ciolkovského“ s postupným budováním vazeb či bloků a měli bychom začít pracovat na „vesmírných sklizních“. “. Jaké je složení těchto plodin, jaké plodiny? Jejich účinnost, užitečnost? Reverzibilita (opakovatelnost) plodin z vlastních semen na základě dlouhodobé existence skleníku? Které organizace budou tyto práce provádět: v oblasti rostlinné výroby (a problematiky půdy, vláhy atd.), v oblasti mechanizace a „světlo-teplo-solární“ techniky a jejích řídicích systémů pro skleníky , atd.?

Tato formulace totiž odráží hlavní vědecké a praktické cíle a záměry, jejichž dosažení a řešení je třeba zajistit dříve, než vznikne „Ciolkovského skleník“, tedy takový skleník, který při dlouhém kosmickém letu dodá člověku potřebné čerstvé potraviny rostlinného původu, stejně jako čištění vody a vzduchu. Vesmírný skleník budoucích meziplanetárních kosmických lodí se stane nedílnou součástí jejich designu. V takovém skleníku by měly být zajištěny optimální podmínky pro výsev, růst, vývoj a sběr vyšších rostlin. Skleník by měl být také vybaven zařízeními pro distribuci světla a klimatizace, bloky pro přípravu, distribuci a dodávání živných roztoků, sběr transpirační vlhkosti atd. Sovětští i zahraniční vědci nyní úspěšně pracují na vytvoření takto rozsáhlých skleníků pro kosmické lodě v blízké budoucnosti.

Vesmírná rostlinná produkce je dnes stále v počáteční fázi svého vývoje a vyžaduje nové speciální studie, protože mnoho otázek souvisejících s reakcí vyšších rostlin na extrémní podmínky kosmického letu a především stav beztíže zůstává stále nevysvětleno. Stav beztíže má velmi významný dopad na mnoho fyzikálních jevů, na životní aktivitu a chování živých organismů a dokonce i na provoz palubního zařízení. Efektivitu vlivu dynamického stavu beztíže lze tedy hodnotit pouze v tzv. full-scale experimentech prováděných přímo na palubách orbitálních vesmírných stanic.

Experimenty s rostlinami v přírodních podmínkách byly dříve prováděny na stanicích Saljut a satelitech řady Cosmos (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 atd.). Zvláštní pozornost byla věnována pokusům na pěstování vyšších rostlin. K tomuto účelu byla používána různá speciální zařízení, z nichž každé dostalo specifický název, například „Vazon“, „Svetoblok“, „Fiton“, „Biogravistat“ atd. Každé zařízení bylo zpravidla určeno k vyřešit jeden problém. Malá odstředivka „Biogravistat“ tedy sloužila ke srovnávacímu posouzení procesů pěstování sazenic ve stavu beztíže a v poli působení. odstředivé síly. V zařízení "Vazon" byly zpracovány procesy pěstování cibule na peří jako vitaminový doplněk stravy astronautů. Arabidopsis vysazený v izolované komoře na umělé živné půdě poprvé vykvetl v podmínkách beztíže v zařízení "Svetoblok" a semena Arabidopsis byla získána v zařízení "Fiton". Ve výzkumných zařízeních Oasis byla řešena širší škála úkolů, které se skládaly z kultivace, osvětlení, zásobování vodou, nuceného větrání a telemetrických jednotek regulace teploty. V rostlině „Oasis“ byly na rostlinách hrachu a pšenice praktikovány kultivační režimy s elektrickou stimulací jako prostředek ke snížení vlivu nepříznivých faktorů spojených s absencí gravitace.

Řada experimentů s vyššími rostlinami za podmínek kosmického letu byla provedena v USA na stanicích Skylab a Spacelab a na palubě Columbia (Shuttle).

Četné experimenty ukázaly, že problém pěstování rostlin na vesmírných objektech za podmínek výrazně odlišných od běžných pozemských není dosud zcela vyřešen. Stále nejsou neobvyklé například případy, kdy rostliny přestanou růst v generativním stadiu vývoje. Stále musíme provádět značné množství vědeckých experimentů, abychom vyvinuli technologii pěstování rostlin ve všech fázích jejich růstu a vývoje. Dále bude nutné vyvinout a otestovat návrhy kultivátorů rostlin a jednotlivých technických prostředků, které pomáhají eliminovat negativní vliv různé faktory vesmírný let na rostlinách.

Kromě vyšších suchozemských rostlin jsou za prvky autotrofního spojení uzavřených ekosystémů považovány i rostliny nižší. Patří sem vodní fototrofy - jednobuněčné řasy: zelené, modrozelené, rozsivky atd. Jsou hlavními producenty primární organické hmoty v mořích a oceánech. Nejznámější sladkovodní mikroskopická řasa Chlorella, kterou mnozí vědci preferují jako hlavní biologický objekt produkčního článku uzavřeného vesmírného ekosystému.

Kultura chlorelly se vyznačuje řadou pozitivních vlastností. Asimilace oxidu uhličitého, kultura uvolňuje kyslík. Při intenzivní kultivaci dokáže 30 - 40 litrů suspenze chlorelly kompletně zajistit výměnu plynů pro jednu osobu. V tomto případě vzniká biomasa, která je svým biochemickým složením přijatelná pro použití jako přísada do krmiv a při vhodném zpracování jako přísada do lidské stravy. Poměr bílkovin, tuků a sacharidů v biomase chlorelly se může měnit v závislosti na kultivačních podmínkách, což umožňuje provádět řízený proces biosyntézy. Produktivita intenzivních kultur chlorelly při laboratorní kultivaci se pohybuje od 30 do 60 g sušiny na 1 m 2 za den. Při pokusech na speciálních laboratorních kultivátorech s vysokým osvětlením dosahuje výnos chlorelly 100 g sušiny na 1 m 2 za den. Chlorella je stavem beztíže postižena nejméně. Jeho buňky mají silnou membránu obsahující celulózu a jsou nejodolnější vůči nepříznivým podmínkám existence.

Mezi nevýhody chlorelly jako článku v umělém ekosystému patří nesoulad mezi asimilačním koeficientem CO 2 a koeficientem lidského dýchání, potřeba zvýšených koncentrací CO 2 v plynné fázi pro efektivní fungování biologického regeneračního článku, určitý rozpor v potřeby řas chlorelly na biogenní prvky s přítomností těchto prvků v lidských exkretech, potřeba speciální úpravy buněk chlorelly pro dosažení stravitelnosti biomasy. Jednobuněčné řasy obecně (zejména chlorella) na rozdíl od vyšších rostlin postrádají regulační zařízení a pro spolehlivé efektivní fungování v kultuře vyžadují automatizované řízení procesu biosyntézy.

Maximální hodnoty účinnosti v experimentech pro všechny druhy řas se pohybují v rozmezí od 11 do 16 % (teoretická účinnost využití světelné energie mikrořasami je 28 %). Vysoká produktivita kultury a nízká spotřeba energie jsou však obvykle protichůdné požadavky, protože maximálních hodnot účinnosti je dosaženo při relativně nízkých optických hustotách kultury.

V současnosti je jednobuněčná řasa Chlorella, ale i některé další typy mikrořas (scenedesmus, spirulina aj.) využívány jako modelové biologické objekty autotrofní vazby umělých ekosystémů.

VÝSLEDKY A VYHLÍDKY

S nahromaděním praktických zkušeností se studiem a rozvojem blízkozemského prostoru se programy kosmického výzkumu stávají stále složitějšími. Hlavní otázky vzniku biologických LSS pro budoucí dlouhodobé vesmírné expedice je nutné vyřešit již dnes, protože vědecké experimenty prováděné s vazbami biologické LSS se vyznačují dlouhou dobou trvání od počátku až do okamžiku získání konečného výsledku. . Je to dáno zejména relativně dlouhými vývojovými cykly, které objektivně existují u mnoha živých organismů vybraných jako články biologické LSS, a také potřebou získat spolehlivé informace o dlouhodobých důsledcích trofických a jiných vazeb biovazeb, které se u živých organismů mohou projevit většinou až v následujících generacích. Metody pro urychlené provádění takových biologických experimentů zatím neexistují. Právě tato okolnost vyžaduje výrazně předčasné položení experimentů na studium procesů přenosu energie a hmoty v biologickém LSS, včetně člověka.

Je jasné, že hlavní otázky vytváření biologických LSS pro vesmírné posádky musí být předběžně rozpracovány a vyřešeny v pozemních podmínkách. Pro tyto účely vznikala a vznikají speciální technická a lékařsko-biologická centra, včetně výkonných výzkumných a testovacích základen, velkoobjemových hermetických komor, stojanů simulujících podmínky kosmických letů apod. Při složitých pozemních experimentech prováděných v hermetických komorách s tzv. účast testovacích skupin, zjišťuje se kompatibilita systémů a vazeb mezi sebou i s člověkem, zjišťuje se stabilita biologických vazeb v dlouhodobě fungujícím umělém ekosystému, hodnotí se efektivita a spolehlivost přijatých rozhodnutí a volba je provedena z varianty biologického LSS pro jeho závěrečné hloubkové studium ve vztahu ke konkrétnímu vesmírný objekt nebo let.

V 60. a 70. letech byla v SSSR provedena řada unikátních vědeckých experimentů zaměřených na vytvoření biologických LSS pro posádky umělých vesmírných ekosystémů. V listopadu 1968 byl v SSSR ukončen dlouhý (jednoletý) experiment za účasti tří testerů. Jeho hlavním cílem bylo otestovat a vyvinout technické prostředky a technologie integrované LSS založené na fyzikálních a chemických metodách regenerace látek a biologické metodě pro doplňování lidské potřeby vitamínů a vlákniny při pěstování zelených plodin ve skleníku. , osetá plocha skleníku byla pouze 7,5 m 2, produktivita biomasy na osobu byla v průměru 200 g za den. Soubor plodin zahrnoval khibiny zelí, brutnák, řeřicha a kopr.

Během experimentu byla stanovena možnost běžného pěstování vyšších rostlin v uzavřeném prostoru s pobytem osoby a opakované použití transpirační vody bez její regenerace pro zavlažování substrátu. Ve skleníku byla provedena částečná regenerace látek, zajišťující minimální izolaci potravy a kyslíku - o 3 - 4%.

V roce 1970 byl na VDNKh SSSR demonstrován experimentální model systému podpory života, prezentovaný Všesvazovým výzkumným biotechnickým ústavem Glavmikrobiopromu SSSR a určený k určení optimálního složení komplexu biotechnických bloků a jejich režimu provozu. Systém podpory života v uspořádání byl navržen tak, aby vyhovoval potřebám tří lidí ve vodě, kyslíku a čerstvých rostlinných produktech po neomezenou dobu. Hlavní regenerační bloky v systému představoval kultivátor řas o objemu 50 litrů a skleník s užitnou plochou cca 20 m2 (obr. 3). Reprodukce živočišných potravin byla svěřena pěstiteli kuřat.

Rýže. 3. Vzhled skleníky

Série experimentální studie ekosystémy včetně člověka. Experiment s dvoučlánkovým systémem "člověk - mikrořasa" (chlorella) trvající 45 dní umožnil studovat přenos hmoty mezi články systému a prostředím a dosáhnout ukazatele celkového uzavření oběhu látek rovného na 38 % (regenerace atmosféry a vody).

Pokus s tříčlánkovým systémem "člověk - vyšší rostliny - mikrořasy" probíhal po dobu 30 dnů. Cílem je studovat kompatibilitu člověka s vyššími rostlinami se zcela uzavřenou výměnou plynů a částečně uzavřenou výměnou vody. Zároveň byl učiněn pokus uzavřít potravní řetězec rostlinnou (rostlinnou) biomasou. Výsledky experimentu ukázaly absenci vzájemného tlumivého efektu vazeb systému společnou atmosférou po dobu experimentu. Minimální velikost pěstební plochy souvislé plodiny zeleniny byla stanovena tak, aby plně vyhovovala potřebám jedné osoby v čerstvé zelenině při zvoleném způsobu pěstování (2,5 - 3 m 2 ).

Zavedením čtvrtého článku do systému – mikrobiálního kultivátoru určeného ke zpracování nepotravinářského rostlinného odpadu a jeho vracení do systému, byl zahájen nový experiment s člověkem v délce 73 dní. Během experimentu byla výměna plynů mezi články zcela uzavřena a výměna vody byla téměř zcela uzavřena (s výjimkou vzorků na chemický rozbor) a částečně metabolismus potravy. V průběhu experimentu bylo odhaleno zhoršení produktivity vyšších rostlin (pšenice), které bylo vysvětleno hromaděním rostlinných metabolitů nebo přidružené mikroflóry v živném médiu. Na základě technických a ekonomických ukazatelů čtyřčlánkového biologického systému byl učiněn závěr o neúčelnosti zavedení mineralizační vazby lidských pevných exkrementů do systému.

V roce 1973 byl dokončen půlroční experiment na podpoře života tříčlenné posádky v uzavřeném ekosystému o celkovém objemu asi 300 m 3, který zahrnoval kromě testerů i články vyšších a nižších rostlin. Experiment byl proveden ve třech fázích. V první fázi, která trvala dva měsíce, všechny potřeby posádky na kyslík a vodu uspokojovaly vyšší rostliny, včetně pšenice, řepy, mrkve, kopru, tuřínu, kapusty, ředkve, okurky, cibule a šťovíku. Odpadní voda z oddílu pro domácnost byla přiváděna do živného média pro pšenici. Pevné a kapalné sekrety posádky byly odváděny z tlakového prostoru ven. Výživové požadavky posádky byly splněny částečně vyššími rostlinami a částečně dehydratovanými potravinami ze zásob. Denně se ve spojení vyšších rostlin z plochy výsadby cca 40 m2 syntetizovalo 1953 g biomasy (v suché hmotnosti), z toho 624 g jedlé, což představovalo 30 % celkové potřeby osádky. Zároveň byla plně zajištěna potřeba kyslíku pro tři osoby (asi 1500 litrů denně). Uzavřenost systému „člověk – vyšší rostliny“ v této fázi činila 82 %.

Ve druhé fázi experimentu byla část skleníku nahrazena článkem nižších rostlin – chlorellou. Potřebu vody a kyslíku posádky uspokojovaly vyšší (pšenice a zelenina) a nižší rostliny, kapalné výměšky posádky byly posílány do řasového reaktoru a pevné výměšky byly sušeny, aby se voda vrátila do koloběhu. Stravování posádky probíhalo podobně jako v první etapě. Zhoršení růstu pšenice bylo zjištěno zvýšením množství odpadních vod zásobovaných živnou půdou na jednotku plochy výsadby, které bylo sníženo na polovinu.

Ve třetí etapě byly ponechány pouze zeleninové plodiny ve spojení vyšších rostlin a řasový reaktor vykonával hlavní zátěž na regeneraci atmosféry hermetického objemu. Do živného roztoku pro rostliny se nepřidávala odpadní voda. Přesto bylo v této fázi experimentu zjištěno, že rostliny byly opilé hermetickou atmosférou. Uzavření systému, včetně chlorelly, která využívá lidské tekuté exkrece, se zvýšilo na 91 %.

Během experimentu byla zvláštní pozornost věnována problematice vyrovnávání časových výkyvů ve výměně exometabolitů v posádce. Za tímto účelem testeři žili podle harmonogramu, který zajistil kontinuitu správy ekosystému a jednotnost úrovně přenosu hmoty v procesu autonomní existence ekosystému. Po dobu 6 měsíců experimentu byly v systému 4 testeři, z nichž jeden v něm žil nepřetržitě, a tři - po dobu 6 měsíců, kteří byli vyměněni podle plánu.

Hlavním výsledkem experimentu je důkaz možnosti implementace biologického systému podpory života autonomně řízeného zevnitř v omezeném uzavřeném prostoru. Analýza ukazatelů fyziologických, biochemických a technologických funkcí testerů neodhalila řízené změny způsobené jejich pobytem v umělém ekosystému.

V roce 1977 byl ve Fyzikálním ústavu Sibiřské pobočky Akademie věd SSSR proveden čtyřměsíční experiment s umělým uzavřeným ekosystémem „člověk – vyšší rostliny“. Hlavním úkolem je najít způsob, jak udržet produktivitu vyšších rostlin v uzavřeném ekosystému. Současně byla studována i možnost zvýšení uzavření systému zvýšením podílu v něm reprodukované potravinové dávky posádky. Experimentu se zúčastnili dva testeři (během prvních 27 dnů - tři testeři). Osevní plocha fytotronu byla cca 40 m2. Soubor vyšších rostlinných kultur zahrnoval pšenici, chufa, řepu, mrkev, ředkvičky, cibuli, kopr, zelí, okurky, brambory a šťovík. V experimentu byla nucená cirkulace vnitřní atmosféry organizována podél obrysu "obývací prostor - fytotrony (skleník) - obytný prostor". Experiment byl pokračováním předchozího experimentu s uzavřeným ekosystémem „člověk – vyšší rostliny – nižší rostliny“.

Během experimentu, jehož první fáze reprodukovala podmínky předchozího, byl odhalen pokles fotosyntézy rostlin, který začal od 5. dne a trval až 24 dní. Dále bylo zapnuto termické katalytické čištění atmosféry (dopalování nahromaděných toxických plynných nečistot), v důsledku čehož byl odstraněn inhibiční účinek atmosféry na rostliny a obnovena fotosyntetická produktivita fytotronů. Díky dodatečnému oxidu uhličitému získanému spalováním slámy a celulózy byla reprodukovaná část stravy posádky zvýšena až na 60 % hmotnosti (až na 52 % obsahu kalorií).

Výměna vody v systému byla částečně uzavřena: kondenzát transpirační vlhkosti rostlin sloužil jako zdroj pitné a částečně sanitární vody; kultivační médium s přídavkem domácí odpadní vody a vodní bilance byla udržována přiváděním destilované vody v množství, které kompenzovalo odebírání lidských kapalných exkrementů ze systému.

Po ukončení experimentu nebyly zjištěny žádné negativní reakce těla testerů na komplexní působení podmínek uzavřeného systému. Rostliny plně poskytovaly testerům kyslík, vodu a hlavní část rostlinné potravy.

Ve stejném roce, 1977, byl dokončen měsíc a půl experiment se dvěma testery v Ústavu biomedicínských problémů Ministerstva zdravotnictví SSSR. Experiment byl proveden za účelem studia modelu uzavřeného ekosystému, který zahrnoval skleník a rostlinu s chlorellou.

Provedené experimenty ukázaly, že při biologické regeneraci atmosféry a vody v umělém ekosystému za pomoci zelených rostlin mají nižší rostliny (chlorella) větší biologickou kompatibilitu s člověkem než vyšší. Vyplývá to ze skutečnosti, že atmosféra obytného prostoru a lidské exkrece nepříznivě ovlivňovaly vývoj vyšších rostlin a bylo zapotřebí určité dodatečné fyzikálně-chemické čištění vzduchu vstupujícího do skleníku.

V zahraničí jsou práce zaměřené na vytvoření perspektivních LSS nejintenzivněji prováděny v USA. Výzkum probíhá ve třech směrech: teoretický (určení struktury, složení a vypočtené charakteristiky), pozemní experimentální (testování jednotlivých biologických jednotek) a experimentální let (příprava a provádění biologických experimentů na pilotovaných kosmických lodích). Centra a firmy NASA, které pro ně vyvíjejí kosmické lodě a systémy, se zabývají problémem vytváření biologických LSS. Univerzity jsou zapojeny do mnoha prospektivních studií. V NASA bylo vytvořeno oddělení biosystémů, které koordinuje práce na programu pro vytvoření řízené biotechnické LSS.

Projekt vytvoření velkolepé umělé struktury nazvané "Biosphere-2" v USA vzbudil velký zájem mezi ekology. Tato konstrukce ze skla, oceli a betonu má zcela uzavřený objem 150 000 m 3 a pokrývá plochu 10 000 m 2 . Celý objem je rozdělen do velkých oddílů, ve kterých se tvoří fyzické modely různých klimatických pásem Země, včetně tropického pralesa, tropické savany, laguny, mělkých a hlubokých zón oceánu, pouště atd. V Biosféře-2 se také nacházejí obytné prostory testerů, laboratoře, dílny, zemědělské skleníky a rybníky, systémy na zpracování odpadů a další servisní systémy a technické prostředky nezbytné pro lidský život. Skleněné stropy a stěny oddílů Biosféry-2 by měly zajistit tok zářivé sluneční energie jejím obyvatelům, mezi nimiž bude v prvních dvou letech osm dobrovolných testerů. Budou muset prokázat možnost aktivního života a činnosti v izolovaných podmínkách na základě vnitřní biosférické cirkulace látek.

Institut ekotechniky, který vedl vytvoření Biosféry-2 v roce 1986, plánuje dokončit její výstavbu letos. Do realizace projektu se zapojilo mnoho renomovaných vědců a technických specialistů.

Navzdory značným nákladům na dílo (nejméně 30 milionů USD) realizace projektu umožní provést unikátní Vědecký výzkum v oblasti ekologie a biosféry Země určit možnost využití jednotlivých prvků „Biosféry-2“ v různá průmyslová odvětví hospodářství (biologické čištění a regenerace vody, vzduchu a potravin). „Takové struktury budou nezbytné pro vytvoření sídel ve vesmíru a možná i pro zachování určitých typů živých bytostí na Zemi,“ říká americký astronaut R. Schweikart.

Praktický význam výše uvedených experimentů nespočívá pouze v řešení určitých otázek vytváření uzavřených vesmírných ekosystémů, včetně člověka. Neméně důležité jsou výsledky těchto experimentů pro pochopení zákonitostí ekologie a biomedicínských základů adaptace člověka na extrémní podmínky prostředí, objasnění potenciálu biologických objektů v režimech intenzivního pěstování, vývoj bezodpadových a ekologicky šetrných technologií pro uspokojení lidských potřeb. pro kvalitní potraviny, vodu a vzduch v umělých prostředích.izolované obyvatelné stavby (podmořská sídla, polární stanice, sídla geologů na Dálném severu, obranné stavby atd.).

V budoucnu si lze představit celá bezodpadová a ekologicky šetrná města. Například ředitel Mezinárodního institutu pro systémovou analýzu C. Marchetti věří: „Naše civilizace bude moci existovat v míru, a navíc v lepších podmínkách než ty současné, zavřená v ostrovních městech, která jsou zcela soběstačná. - dostatečná, nezávislá na výkyvech přírody, nepotřebující žádné přírodní suroviny, ani přírodní energii a zaručená proti znečištění“. Dodejme, že to vyžaduje splnění jediné podmínky: sjednocení úsilí celého lidstva v mírové tvůrčí práci na Zemi i ve vesmíru.

ZÁVĚR

Úspěšné řešení problému vytváření rozsáhlých umělých ekosystémů včetně člověka a založených na zcela nebo částečně uzavřeném biologickém koloběhu látek má velký význam nejen pro další pokrok kosmonautiky. V době, kdy jsme „s tak děsivou jasností viděli, že druhá fronta, ekologická, se blíží k frontě jaderné a vesmírné hrozby a je s ní na stejné úrovni“ (z projevu ministra zahraničních věcí SSSR E. A. Shevardnadze na 43. zasedání Valného shromáždění Organizace spojených národů), jedním ze skutečných východů z blížící se ekologické krize může být způsob vytváření prakticky bezodpadových a k životnímu prostředí šetrných intenzivních zemědělsko-průmyslových technologií, které by měly být na základě biologického koloběhu látek a efektivnějšího využití sluneční energie.

Jedná se o zásadně nový vědeckotechnický problém, jehož výsledky řešení mohou mít velký význam pro ochranu a zachování životního prostředí, rozvoj a široké využití nových intenzivních a bezodpadových biotechnologií, vytvoření autonomních automatizovaných a robotické komplexy pro produkci potravinářské biomasy a řešení potravinářského programu na vysoké moderní vědeckotechnické úrovni. Kosmický je neoddělitelný od pozemského, proto i dnes výsledky vesmírných programů dávají významný ekonomický a sociální efekt v nejv. různé obory Národní ekonomika.

Kosmos slouží a musí sloužit lidem.

LITERATURA

Blinkin S. A., Rudnitskaya T. V. Phytoncidy kolem nás. – M.: Poznání, 1981.

Gazenko O. G., Pestov I. D., Makarov V. I. Lidstvo a vesmír. – M.: Nauka, 1987.

Dadykin V.P. Vesmírná produkce plodin. – M.: Poznání, 1968.

Dazho R. Základy ekologie. – M.: Pokrok, 1975.

Uzavřený systém: člověk - vyšší rostliny (čtyřměsíční pokus) / Ed. G. M. Lisovský. - Novosibirsk-Nauka, 1979.

Kosmonautika. Encyklopedie. / Ed. V. P. Glushko - M .: Sovětská encyklopedie, 1985.

Lapo A. V. Stopy minulých biosfér. – M.: Poznání, 1987.

Nichiporovič A. A.účinnost zelených listů. - M .: Vědění 1964.

Základy vesmírné biologie a medicíny. / Ed. O G Gazenko (SSSR) a M. Calvin (USA). - T. 3 - M.: Nauka, 1975.

Plotnikov VV Na křižovatce ekologie. - M.: Myšlenka, 1985

Sytnik K. M., Brion A. V., Gordetsky A. V. Biosféra, ekologie, ochrana přírody. - Kyjev: Naukova Dumka, 1987.

Experimentální ekologické systémy včetně člověka / Ed. V. N. Černigovský. - M.: Nauka, 1975

Yazdovsky V. I. Umělá biosféra. - M.: Nauka, 1976

aplikace

VESMÍRNÁ TURISTIKA

V. P. MICHAJLOV

V souvislosti s turistickým boomem, který všude začal v 60. letech, odborníci upozornili na možnost cestování vesmírem pro účely cestovního ruchu.

Vesmírná turistika se rozvíjí dvěma směry. Jedna z nich je čistě pozemská – bez letů do vesmíru. Turisté navštěvují pozemské objekty – kosmodromy, střediska řízení letu, „hvězdná“ města, podniky pro vývoj a výrobu prvků vesmírné techniky, jsou přítomni a pozorují starty létajících kosmických lodí a nosných raket.

Pozemská vesmírná turistika začala v červenci 1966, kdy byly uspořádány první autobusové zájezdy na startovací místa NASA na Cape Kennedy. Počátkem 70. let 20. století turisté v autobusech navštívili areál komplexu č. 39, ze kterého astronauti startovali při letu na Měsíc, vertikální montážní budovu (hangár vysoký přes 100 m), kde byla sestavena nosná raketa Saturn-V a kosmická loď "Apollo", parkoviště jedinečného housenkového podvozku, který dopravuje nosnou raketu do panel, a mnohem víc. Ve speciálním kině sledovali zpravodajský film o vesmírných událostech. V té době dělalo takovou exkurzi denně v létě až 6 - 7 tisíc turistů, mimo sezónu asi 2 tisíce. Neorganizovaní turisté zvýšili tok návštěvníků asi o 20 - 25%.

Od samého počátku si tyto výlety získaly širokou oblibu. Již v roce 1971 byl zaznamenán jejich čtyřmiliontý účastník. Při některých startech (například na Měsíc) se počet turistů vyšplhal na statisíce.

Dalším směrem je přímá vesmírná turistika. Přestože je dnes v plenkách, její vyhlídky jsou široké. Kromě čistě turistického aspektu zde musíme mít na paměti i aspekty strategické a ekonomické.

Strategickým aspektem je možné částečné osídlení lidstva v rámci sluneční soustavy. To je samozřejmě záležitost vzdálené budoucnosti. Osídlení bude probíhat v průběhu stovek let a tisíciletí. Člověk si musí na život ve vesmíru zvyknout, usadit se v něm, nasbírat určité zkušenosti – pokud ovšem nenastanou nějaké pozemské či kosmické kataklyzmata, kdy je potřeba tento proces urychlit. A vesmírná turistika je dobrým modelem pro vypracování tohoto procesu. Na druhou stranu, zkušenosti se zajištěním lidského života ve vesmíru, nashromážděné během turistických cest, obeznámenost s vybavením, zařízeními na podporu života ve vesmíru umožní člověku úspěšněji žít a pracovat na Zemi v podmínkách degradace životního prostředí, využívat vesmír „uzemněný“. „technické prostředky a systémy.

Pro kosmonautiku je velmi důležitý i ekonomický aspekt vesmírné turistiky. Někteří odborníci považují vesmírnou turistiku, orientovanou na využití osobních prostředků vesmírných turistů, za významný zdroj financování vesmírných programů. Podle jejich názoru stonásobné zvýšení toku nákladu do vesmíru v důsledku vesmírné turistiky oproti současnému stonásobku (což je reálné) naopak sníží jednotkové náklady na vypuštění jednotky užitečného zatížení o 100–200 časů pro celou kosmonautiku jako celek bez přilákání dalších vládních investic.

Roční výdaje lidstva na cestovní ruch jsou podle odborníků vyjádřeny částkou asi 200 miliard liber. Umění. V nadcházejících desetiletích by vesmírná turistika mohla tvořit 5 % tohoto čísla, tedy 10 miliard liber. Umění. Předpokládá se, že pokud budou náklady na cestu do vesmíru optimálně vyváženy a zároveň bude zajištěna dostatečně vysoká bezpečnost letu (srovnatelná přinejmenším s úrovní bezpečnosti letu na moderním dopravním letadle pro cestující), pak by asi 100 milionů lidí vyjádřit touhu podniknout v nadcházejících desetiletích výlet do vesmíru. Podle jiných odhadů bude do roku 2025 proud vesmírných turistů činit 100 tisíc lidí ročně a během příštích 50 let počet lidí, kteří byli ve vesmíru, dosáhne asi 120 milionů lidí.

Kolik může v dnešní době stát cesta do vesmíru? Odhadneme horní hranici zájezdového balíčku. V SSSR je výcvik astronauta asi 1 milion rublů, sériová nosná raketa stojí 2–3 miliony rublů a dvoumístná kosmická loď stojí 7–8 milionů rublů. "Let pro dva" tedy bude přibližně 11 - 13 milionů rublů, nepočítaje v to tzv. pozemní podporu. Toto číslo by se mohlo výrazně snížit, pokud by byla kosmická loď provedena v čistě turistické verzi: nenaplnit ji složitým vědeckým vybavením, a tím zvýšit počet cestujících, připravit je k letu nikoli podle programu kosmonautů, ale podle jednodušší atd. Bylo by zajímavé přesněji určit cenu zájezdu, ale mělo by se to udělat. ekonomové v oblasti raketových a kosmických technologií.

Existují i ​​jiné způsoby, jak snížit náklady na turistický let do vesmíru. Jedním z nich je vytvoření speciální opakovaně použitelné turistické lodi. Optimisté se domnívají, že náklady na let do vesmíru přepravní lodě druhé a třetí generace bude úměrná nákladům na létání v osobním tryskovém letadle, což předurčí masovou vesmírnou turistiku. Přesto odborníci naznačují, že náklady na prohlídku pro první turisty budou asi 1 milion dolarů. V následujících desetiletích se rapidně sníží a dosáhnou 100 tisíc dolarů. je dosaženo, hotely na oběžných drahách Země a na Měsíci, in-line výroba turistického vybavení, školení bezpečnostních opatření atd., v podmínkách masové turistiky náklady na zájezd klesnou na 2 tisíce dolarů. To znamená, že náklady na vypuštění užitečného nákladu do vesmíru by neměly být vyšší než 20 USD/kg. V současné době je toto číslo 7-8 tisíc.

Na cestě vesmírné turistiky je stále mnoho obtíží a nevyřešených problémů. Vesmírná turistika je však realitou 21. milníku. Mezitím už 260 lidí z deseti zemí světa přispělo penězi jedné z amerických organizací, která v tomto směru začala pracovat na vývoj a realizaci kosmického turistického letu. Některé americké cestovní kanceláře začaly prodávat letenky na první turistický let ze Země na Měsíc. Termín odjezdu otevřen. Na lístek se to dá, jak se říká, za 20-30 let.

Přesto tu Američané nejsou první. V roce 1927 se v Moskvě na Tverské ulici konala první mezinárodní výstava kosmických lodí na světě. Sestavil seznam těch, kteří si přejí letět na Měsíc nebo Mars. Bylo mnoho těch, kteří chtěli. Možná jeden z nich ještě neztratil naději, že se vydá na první turistický výlet do vesmíru.

KRONIKA VESMÍRU*

* Pokračování (viz č. 3, 1989). Na základě materiálů různých informačních agentur a periodik jsou uvedeny údaje o vypouštění některých umělých družic Země (AES), počínaje 15. listopadem 1989. Starty AES "Cosmos" nejsou registrovány. Pravidelně o nich informuje například časopis "Příroda", tenký a posílat zájemce. Letům do vesmíru s lidskou posádkou je věnována samostatná příloha.

15. LISTOPADU 1988 byl poprvé v Sovětském svazu proveden zkušební start univerzálního raketového a vesmírného dopravního systému Energija s opakovaně použitelnou kosmickou lodí Buran. Po absolvování bezpilotního letu na dvě oběžné dráhy orbitální sonda Buran úspěšně přistála v automatickém režimu na dráze kosmodromu Bajkonur. Loď Buran byla postavena podle schématu bezocasého letadla s delta křídlem s proměnným sklonem. Schopný provádět řízený sestup v atmosféře s bočním manévrem až do 2000 km. Délka lodi je 36,4 m, rozpětí křídel je cca 24 m, výška lodi, stojící na podvozku, je více než 16 m. Startovací hmotnost je více než 100 tun, z toho 14 tun paliva. Jeho nákladový prostor pojme užitečné zatížení o hmotnosti až 30 t. V příďovém prostoru je zabudována přetlaková kabina pro posádku a techniku ​​o objemu více než 70 m 3 . Hlavní pohonný systém je umístěn v ocasní části lodi, dvě skupiny motorů pro manévrování jsou umístěny na konci ocasní části a před trupem. Tepelně stínící povlak, který se skládá z téměř 40 000 jednotlivých profilových dlaždic, je vyroben ze speciálních materiálů - vysokoteplotního křemene a organických vláken a také materiálu na bázi uhlíku. První let znovupoužitelné kosmické lodi Buran otevírá kvalitativně novou etapu sovětského vesmírného výzkumného programu.

10. PROSINCE 1988 vynesla nosná raketa Proton na oběžnou dráhu další (19.) sovětskou televizní družici Ekran. Vypuštěn na geostacionární dráhu na 99° východní délky. (mezinárodní registrační index „Stacionární T“), tyto družice slouží k přenosu televizních programů v rozsahu decimetrových vlnových délek do oblastí Uralu a Sibiře do abonentních přijímačů pro kolektivní použití.

11. PROSINCE 1988 byly z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně za pomoci západoevropské nosné rakety Ariane-4 vypuštěny na geostacionární dráhu dvě komunikační družice - anglický Skynet-4B a Astra-1, patřící lucemburské konsorcium SES. Družice Astra-1 je určena pro převysílání televizních programů do lokálních distribučních center v zemích západní Evropy. Satelit má 16 transpondérů středního výkonu, z nichž většinu si pronajímá British Telecom. Odhadovaný bod postavení satelitu "Astra-1" 19,2 ° W. e. Původně měl být britský satelit vypuštěn pomocí amerického raketoplánu. Nehoda Challengeru v lednu 1986 však tyto plány porušila a bylo rozhodnuto použít ke startu nosnou raketu Arian. Start dvou satelitů provedla nosná raketa Arian-4, vybavená dvěma tuhými pohonnými hmotami a dvěma kapalnými boostery. Konsorcium Arianspace oznámilo potenciálním spotřebitelům, že tento model rakety je schopen dopravit náklad 3,7 tuny na přenosovou dráhu s apogeem ve výšce 36 000 km.V této verzi je Ariane-4 použit již podruhé. První start nosné rakety v této konfiguraci byl testovací. V roce 1988 pak byly s její pomocí vyneseny na oběžnou dráhu tři satelity: západoevropský meteorologický Meteosat-3 a radioamatér Amsat-3 a také americký komunikační Panamsat-1.

22. PROSINCE 1988 byla v SSSR vypuštěna nosná raketa Molniya na vysoce eliptickou dráhu s výškou apogea 39 042 km na severní polokouli za účelem zajištění provozu dálkového telefonního a telegrafního radiokomunikačního systému a přenos televizních programů systémem Orbit.

23. PROSINCE 1988 byla za pomoci nosné rakety Dlouhý pochod-3 z kosmodromu Xichang v ČLR vypuštěna 24. družice ČLR. Jde o čtvrtou čínskou komunikační družici, která byla vypuštěna na geostacionární oběžnou dráhu. Uvedením satelitu do provozu bude dokončen převod všech celostátních televizních programů na retranslaci prostřednictvím satelitního systému. Premiér Státní rady Čínské lidové republiky Li Peng byl přítomen vypuštění umělé družice.

25. PROSINCE 1988 v SSSR vynesla nosná raketa Sojuz na oběžnou dráhu automatickou nákladní kosmickou loď Progress-39, určenou k zásobování sovětské orbitální stanice Mir. Loď zakotvila se stanicí 27. prosince, odkotvila se od ní 7. února 1989 a téhož dne vstoupila do atmosféry a přestala existovat.

28. PROSINCE 1988 v SSSR byla nosná raketa Molniya vypuštěna na vysoce eliptickou dráhu s výškou apogea 38 870 km na severní polokouli dalšího (75.) komunikačního satelitu Moliya-1. Tato družice je provozována jako součást družicového systému používaného v Sovětském svazu pro telefonní a telegrafní rádiovou komunikaci, jakož i pro přenos televizních programů prostřednictvím systému Orbita.

26. LEDNA 1989 byla v SSSR vypuštěna nosnou raketou "Proton" další (17.) komunikační družice "Horizont". Vypuštěn na geostacionární dráhu na 53° východní délky. obdržel mezinárodní registrační index „Stacionární-5“. Družice Gorizont slouží k přenosu televizních programů do sítě pozemních stanic Orbita, Moskva a Intersputnik a také ke komunikaci s loděmi a letadly pomocí přídavných opakovačů.

27. LEDNA 1989 byla na přenosovou dráhu vynesena družice Intelsat-5A (model F-15) nosná raketa Ariane-2 pro použití v globálním komerčním satelitním komunikačním systému mezinárodního konsorcia ITSO. Přeneseno na geostacionární dráhu na 60° východní délky. Satelit nahradí tam umístěný satelit Intelsat-5A (model F-12), vypuštěný v září 1985.

10. ÚNORA 1989 v SSSR vypustila nosná raketa Sojuz automatickou nákladní kosmickou loď Progress-40, určenou k zásobování sovětské orbitální stanice Mir. Loď zakotvila se stanicí 12. února a odkotvila se od ní 3. března. Po odpojení byl proveden experiment s rozmístěním dvou velkých vícečlánkových struktur v otevřeném prostoru, které byly ve složeném stavu na vnějším povrchu kosmické lodi Progress-40. Na příkaz palubní automatiky byly tyto struktury otevřeny jedna po druhé. Jejich nasazení bylo provedeno pomocí prvků z materiálu s efektem tvarové paměti. 5. března byl na lodi zapnutý pohonný systém. V důsledku zpomalení se loď dostala do atmosféry a přestala existovat.

15. ÚNORA 1989 SSSR Nosná raketa "Molniya" byla vypuštěna na vysoce eliptickou dráhu s výškou apogea 38 937 km na severní polokouli dalšího (76.) komunikačního satelitu "Molniya-1". Tato družice je součástí satelitního systému používaného v Sovětském svazu pro telefonní a telegrafní rádiovou komunikaci a také pro přenos televizních programů prostřednictvím systému Orbita.

16. března v SSSR vypustila nosná raketa Sojuz automatickou nákladní kosmickou loď Progress-41, určenou k zásobování sovětské orbitální stanice Mir. Loď zakotvila u stanice 18. března.

Kronika pilotovaných letů 1

1 Pokračování (viz č. 3, 1989).

2 Čísla v závorkách udávají počet letů do vesmíru, včetně toho posledního.

3 Expedice na stanici Mir.

V posádce stanice Mir zůstali 4 kosmonauti A. Volkov a S. Krikalev. 21. prosince 1988 společně s J.-L. Chretien, V. Titov a M. Manarov se vrátili na Zemi ze stanice Mir poté, co uskutečnili nejdelší let v historii kosmonautiky trvající 1 rok.

ASTRONOMICKÉ NOVINKY

NITKY V ŘÍŠI DIVŮ

Již jsme se v našich krátkých poznámkách zmínili o jednom z kosmologických důsledků některých modelů Velkého sjednocení – o předpovědi existence kosmologických vláken. Jedná se o jednorozměrné rozšířené struktury s vysokou lineární hmotnostní hustotou (~Ф 0 2, kde Ф 0 je nenulový průměr vakua) a tloušťkou ~1/Ф 0 .

Mezi mnoha realistickými modely Velkého sjednocení (protože existují i ​​nerealistické) jsou nejúspěšnější ta schémata, která obsahují zrcadlové částice, které jsou svými vlastnostmi přísně symetrické k odpovídajícím běžným částicím. Zrcadlová dvojčata získávají nejen částice hmoty (elektrony, kvarky), ale také částice interakčního nosiče (fotony, W- bosony, gluony atd.). Ve schématech tohoto druhu vede porušení úplné symetrie k přechodu z běžných částic na zrcadlové částice. Vlákna, která se objevují v těchto modelech, se nazývají Alice vlákna. Od "obyčejných" kosmologických vláken se liší následující další vlastností: obcházení vlákna mění zrcadlovost objektu.

Z této „zrcadlové“ vlastnosti vyplývá, že samotná definice zrcadlení se stává relativní: považujeme-li makroskopický objekt za obyčejný, když obcházíme vlákno zleva, ukáže se, že je zrcadlený, jestliže vlákno prochází kolem. vpravo (nebo: naopak). Kromě toho se bude zrcadlit elektromagnetické záření, které vnímáme jako normální nalevo od Alicina vlákna, napravo od něj. Naše konvenční elektromagnetické přijímače jej nebudou schopny zaregistrovat.

Ale to vše je teoreticky. Existují nějaké možné pozorovací projevy alicových vláken? Všechny tyto vlastnosti, které mají obyčejná kosmologická vlákna, mají také vlákna Alice. Ale na rozdíl od prvního musí Alicina vlákna v průběhu svého vývoje měnit relativní zrcadlovost částic a paprsků světla. Existence zrcadlových částic vede k tomu, že hvězdy a pravděpodobně i kulové hvězdokupy by měly mít stejnou zrcadlovost, zatímco galaxie a větší nehomogenity (kupy, nadkupy) se skládají ze stejného počtu zrcadlových a běžných částic. Jejich průměrné charakteristiky (spektrum, svítivost, rozložení hmotnosti a rychlosti atd.) jsou přitom stejné. Pokud tedy nedokážeme „rozložit“ galaxii na jednotlivé hvězdy, pak si ani nemůžeme všimnout průchodu Alicina vlákna mezi nimi a galaxií, protože jak zrcadlová, tak obyčejná svítivost a spektra galaxie jsou zcela symetrické.

Je možné se pokusit odhalit projev Alicina vlákna (mimochodem i kosmologického vlákna jakékoli povahy) účinkem plynové záře v jím způsobené rázové vlně. Ten vzniká, když je látka rozrušována kuželovým gravitačním polem vlákna. Pravda, je těžké oddělit svítivost plynu v rázové vlně za vláknem od pozadí obecné svítivosti takového plynu. Totéž platí pro narušení teploty reliktního záření ve směru vlákna. Nejslibnější je proto podle teoretiků hledání efektu gravitační čočky kvůli Alicině niti.

JE KONSTANTNÍ PERMANENTKA?

Toto je Newtonova gravitační konstanta G. Existuje mnoho teorií, které předpovídají potřebu to změnit. Ovšem nejen ona, ale i další zásadní konstanty – v některých modelech teorie superstrun se například tyto konstanty musí měnit s věkem Vesmíru (s rozpínáním Vesmíru G by se měl například snížit).

Žádný z dosud provedených experimentů neposkytl žádný důkaz nestálosti. G. Byly stanoveny pouze horní hranice takové změny - asi 10–11 dílů ročně. Nedávno američtí vědci tento odhad potvrdili pozorováním dvojitého rádiového pulsaru.

Binární pulsar PSR 1913+16, objevený v roce 1974, se skládá z neutronová hvězda, který se otáčí kolem dalšího kompaktního objektu. Stává se tak, že rychlost změny jeho oběžné doby je známa s úžasně vysokou přesností.

Obecná teorie relativity předpovídá, že takový binární systém bude vyzařovat gravitační vlny. V tomto případě se mění oběžná doba binárního pulsaru. Jeho rychlost změny byla předpovězena za předpokladu stálosti G, dobře souhlasí s pozorovaným.

Pozorování amerických vědců nám umožňují odhadnout limit variability G malý rozdíl mezi pozorováním a předpovědí obecná teorie relativita. Tento odhad, jak již bylo zmíněno, udává hodnotu řádově 10–11 dílů ročně. Takže s největší pravděpodobností G nikdy se nemění.

"LIGHT ECHO" SUPERNOVA-87

Australští a američtí astronomové zaznamenali poměrně velký nárůst infračerveného záření ze supernovy z LMC. Samotný fakt takového záření není nic zvláštního. Jeho výbuch je nepochopitelný a nečekaný.

Bylo navrženo několik hypotéz. Podle jednoho z nich pulsar „svítí“ „usazený“ v plynu vyvrženém explodovanou hvězdou (ačkoli záření pulsaru by mělo být kratší vlnové délky). Podle druhé hypotézy plyny z výbuchu kondenzují na pevné makročástice, které při zahřátí vydávají infračervené záření.

Třetí hypotéza je také „prašná“. Tisíce a tisíce let před explozí původní hvězda ztrácela plyn, který se kolem ní nashromáždil. Prachový obal se táhl kolem supernovy téměř světelný rok, což je doba, po kterou světlo z explodující hvězdy dosáhlo oblaku prachu. Zahřátý prach znovu vyzařuje infračervené záření a trvá další rok, než se záření dostane k pozemským pozorovatelům. To vysvětluje dobu, která uplynula od registrace výbuchu supernovy do detekce infračerveného výbuchu.

CHYBĚJÍCÍ MŠE

Li moderní teorie Evoluce hvězd je pravdivá (a zdá se, že není důvod o tom pochybovat), pak hvězdy s nízkou hmotností (s hmotností menší než hmotnost Slunce) „nemají náladu“ ukončit svůj život ve tvaru planetární mlhoviny - svítící oblak plynu, v jehož středu je pozůstatek původní hvězdy.

Tento zákaz byl však po dlouhou dobu záhadně porušován - v mnoha případech se ukázalo, že hmotnost planetární mlhoviny je menší než hmotnost Slunce. Angličtí a holandští astronomové studovali tři jasné planetární mlhoviny (nebo spíše jejich slabě svítící obaly). Pomocí jimi získaných spekter byla vypočtena hmotnost jak obalu, tak samotné mlhoviny. Problém hmotnostního deficitu se jasně ukázal – v plášti je mnohem více hmoty než v samotné mlhovině. Zpočátku by hvězdy – „organizátoři“ planetárních mlhovin – měly být těžší. Chybějící hmota je ve skořápce.

Ale pak se objevila nová záhada. Teploty plynů vypočítané pro mlhovinu a skořápku se liší - skořápka se ukázala být 2krát teplejší než mlhovina. Zdálo by se, že by to mělo být naopak, protože centrální hvězda je povinna ohřívat obalový plyn. Jedním z předpokladů vysvětlujících tento paradox je, že energii pro ohřev skořápky dodává rychlý „vítr“ vanoucí od centrální hvězdy.

VAROVÁNÍ - BLESK

Americká družice SMM, určená ke studiu Slunce, předpověděla jeho předčasnou „smrt“ – deorbiting. Údaje z tohoto satelitu naznačují, že podle Národního úřadu pro oceán a atmosféru strávíme příští čtyři roky v prostředí zvýšené sluneční aktivita. Se všemi z toho vyplývajícími důsledky – magnetické bouře, které brání radiové komunikaci a navigaci, narušují činnost radarů, představují zcela jednoznačné nebezpečí pro: posádky kosmických lodí, poškozují citlivé elektronické části satelitů atd.

Sluneční erupce vydávají drsné ultrafialové záření, které ohřívá horní vrstvy atmosféry. V důsledku toho se zvyšuje výška jeho horní (podmíněné) hranice. Atmosféra je zkrátka „rozrušená“, což se projevuje především u satelitů na nízkých drahách. Jejich životnost se zkracuje. Svého času se to stalo americké stanici Skylab, která s předstihem vyletěla z oběžné dráhy. Stejný osud, jak již bylo zmíněno, čeká družici SMM.

Cykly sluneční aktivity jsou známy již dlouhou dobu, ale povaha procesů, které tyto jevy způsobují, zůstává stále ne zcela objasněna.

NOVÉ TELESKOPY

Mount Mauna Kea (4170 m, Havaj, USA) se brzy stane astronomickou Mekkou. Kromě dalekohledů, které již existují na observatoři umístěné na této hoře, se navrhují (a již se staví) nové, výkonnější optické dalekohledy.

Kalifornská univerzita staví 10metrový dalekohled, který má být dokončen a instalován v roce 1992. Bude sestávat z 36 šestiúhelníkových konjugovaných zrcadel uspořádaných do tří soustředných prstenců. Elektronické senzory instalované na všech koncích segmentových zrcadel budou přenášet data o jejich aktuální poloze a vzájemné orientaci do počítače, který bude vydávat příkazy aktivním pohonům zrcadel. V důsledku toho je zajištěna kontinuita povrchu kompozitu a jeho tvar pod vlivem mechanických posunů a zatížení větrem.

Na stejné Mauna Kea v roce 1995 se plánuje instalace 7,5metrového dalekohledu vyvinutého japonskými vědci. Od té americké se bude nacházet více než sto metrů. Tento „chřest“ bude nejvýkonnějším opticko-interferometrickým systémem, který vám umožní dívat se na obrovské vzdálenosti, studovat kvasary, objevovat nové hvězdy a galaxie.

Čtyři samostatné dalekohledy (každý o průměru 8 m), spojené vláknovou optikou do jedné ohniskové roviny, má být postaveno v Jižní observatoři (Chile) 8 západoevropskými zeměmi - spolumajiteli této observatoře. Stavba prvního zrcadla (tedy prvního dalekohledu) má být dokončena do roku 1994 a zbývající tři do roku 2000.

CO POCHÁZÍ ODKUD

Jak víte, marťanská atmosféra má poměrně vysokou koncentraci oxidu uhličitého. Tento plyn uniká do vesmíru, takže jeho stálou koncentraci musí udržovat nějaký zdroj.

Odborníci se domnívají, že takovým zdrojem je na Zemi vzácný minerál skapolit (na naší planetě jde o polodrahokam obsahující kromě uhlíku, křemíku, kyslíku také sodík, vápník, chlór, síru, vodík), který dokáže ukládat velké množství oxidu uhličitého jako součást jeho krystalové struktury (uhličitan). Na Marsu je mnoho skapolitů.

V ekosystému tedy vidíme interakci životního společenství, sestávajícího z mnoha organismů, s charakteristickými environmentálními faktory působícími na toto společenství. Ekosystémy jsou obvykle klasifikovány podle nejdůležitějších faktorů prostředí. Mluví tedy o mořských, suchozemských nebo suchozemských, pobřežních nebo přímořských, jezerních nebo limnických ekosystémech a tak dále. Jak se buduje ekosystém?

Obvykle se skládá ze čtyř hlavních prvků:

1. Neživé (abiotické) prostředí. Jedná se o vodu, minerály, plyny a také neživé organická hmota a humus.

2. Producenti (producenti). Patří mezi ně živé bytosti schopné budovat organické látky z anorganických environmentálních materiálů. Tuto práci vykonávají především zelené rostliny, které za pomoci sluneční energie produkují organické sloučeniny z oxidu uhličitého, vody a minerálů. Tento proces se nazývá fotosyntéza. Při ní se uvolňuje kyslík (O 2). Organické látky produkované rostlinami slouží k potravě zvířatům i lidem, kyslík slouží k dýchání.

3. Spotřebitelé (spotřebitelé). Používají bylinné produkty. Organismy, které se živí pouze rostlinami, se nazývají spotřebitelé prvního řádu. Zvířata, která jedí pouze (nebo hlavně) maso, se nazývají konzumenti druhého řádu.

4. Reduktory (destruktory, dekompozitory). Tato skupina organismů rozkládá zbytky mrtvých tvorů, jako jsou zbytky rostlin nebo mrtvoly zvířat, přeměňuje je zpět na suroviny - vodu, minerály, CO 2, což je vhodné pro výrobce, a přeměňuje je na složky opět na organické látky.

Rozkladači jsou mnozí červi, larvy hmyzu a další drobné půdní organismy. Bakterie, houby a další mikroorganismy, které přeměňují živou hmotu na minerální hmotu, se nazývají mineralizátory.

Ekosystém může být i umělý. Příkladem umělého ekosystému, extrémně zjednodušeného a neúplného ve srovnání s přírodními, je vesmírná loď. Jeho pilot musí dlouhodobě žít v uzavřeném prostoru lodi a vystačit si s omezenými zásobami jídla, kyslíku a energie. Zároveň je žádoucí, pokud je to možné, obnovit a znovu využít vyčerpané zásoby látky a odpadu. K tomu jsou v kosmické lodi zajištěny speciální regenerační jednotky a v poslední době probíhají experimenty s živými organismy (rostlinami a zvířaty), které by se měly podílet na zpracování odpadních produktů astronauta pomocí energie slunečního světla.

Porovnejme umělý ekosystém vesmírné lodi s jakýmkoli přírodním, například ekosystémem rybníka. Pozorování ukazují, že počet organismů v tomto biotopu zůstává – s určitými sezónními výkyvy – v podstatě konstantní. Takový ekosystém se nazývá stabilní. Rovnováha je udržována, dokud se vnější faktory nezmění. Mezi hlavní patří přítok a odtok vody, přísun různých živin, sluneční záření.

V rybničním ekosystému žijí různé organismy. Takže po vytvoření umělé nádrže ji postupně osídlují bakterie, plankton, pak ryby, vyšší rostliny. Když vývoj dosáhl určitého vrcholu a vnější vlivy zůstávají dlouhodobě neměnné (příliv vody, látek, záření na jedné straně a odtok či vypařování, odvod látek a odliv energie na straně druhé ), rybniční ekosystém se stabilizuje. Mezi živými bytostmi je nastolena rovnováha.

Stejně jako zjednodušený umělý ekosystém kosmické lodi je i rybniční ekosystém schopen se sám udržet. Neomezený růst je omezován interakcemi mezi produkčními rostlinami na jedné straně a konzumními a rozkládajícími zvířaty a rostlinami na straně druhé.

Spotřebitelé se mohou množit pouze tehdy, pokud nadměrně nevyužívají zásoby dostupných živin. Pokud se přemnoží nadměrně, jejich početní nárůst se sám zastaví, protože nebudou mít dostatek potravy. Výrobci zase vyžadují neustálý přísun minerálů. Reduktory neboli destruktory rozkládají organickou hmotu a tím zvyšují přísun minerálních látek. Znovu recyklují odpadní produkty. A koloběh začíná znovu: rostliny (producenti) tyto minerály absorbují a pomocí sluneční energie z nich opět vyrábějí energeticky bohaté živiny.

Příroda působí v nejvyšší stupeň ekonomicky. Biomasa vytvořená organismy (látka jejich těl) a energie v ní obsažená jsou přenášeny do zbytku ekosystému: zvířata jedí rostliny, ostatní zvířata jedí první, člověk jí rostliny i zvířata. Tento proces se nazývá potravní řetězec. Příklady potravních řetězců: rostliny - býložravec - predátor; obilnina - polní myš - liška; pícniny - kráva - člověk. Každý druh se zpravidla živí více než jedním jediným druhem. Proto se potravní řetězce proplétají a vytvářejí potravní síť. Čím těsněji jsou organismy propojeny prostřednictvím potravních sítí a dalších interakcí, tím je komunita odolnější vůči potenciálnímu narušení. Přírodní, nenarušené ekosystémy usilují o rovnováhu. Rovnovážný stav je založen na interakci biotických a abiotických faktorů prostředí.

Udržování uzavřených cyklů v přírodních ekosystémech je možné díky dvěma faktorům: přítomnosti dekompozitorů (rozkladačů), které využívají veškerý odpad a zbytky, a neustálého přísunu sluneční energie. V městských a umělých ekosystémech je jen málo nebo vůbec žádné rozkladače a odpad – kapalný, pevný a plynný – se hromadí a znečišťuje životní prostředí. Co nejrychlejší rozklad a recyklaci takového odpadu je možné podpořit podporou rozvoje rozkladačů, například kompostováním. Člověk se tedy učí od přírody.

Z hlediska energetického vstupu jsou přírodní a antropogenní (člověkem vytvořené) ekosystémy podobné. Přírodní i umělé ekosystémy – domy, města, dopravní systémy – vyžadují energii zvenčí. Přírodní ekosystémy ale přijímají energii z téměř věčného zdroje – Slunce, které navíc energii „vyrábí“ a neznečišťuje životní prostředí. Člověk naopak živí procesy výroby a spotřeby především na úkor konečných zdrojů energie – uhlí a ropy, které spolu s energií poskytují prach, plyny, teplo a další odpady, které poškozují životní prostředí a nelze je v rámci samotný umělý ekosystém. Nezapomínejme, že při spotřebě tak „čisté“ energie, jako je elektřina (pokud se vyrábí v tepelné elektrárně), dochází ke znečištění ovzduší a tepelnému znečištění životního prostředí.