UDC 94:574,4
https://doi.org/10.24158/fik.2017.6.22
Tkatšenko Juri Leonidovitš
tehnikateaduste kandidaat, dotsent, Moskva osariigi dotsent tehnikaülikool nime saanud N.E. Bauman
Morozov Sergei Dmitrijevitš
Vanemõppejõud
Moskva Riiklik Tehnika
Ülikool sai nime N.E. Bauman
KUNISTLISTE ÖKOSÜSTEEMIDE LOOMISE AJALOOST
Tkatšenko Juri Leonidovitš
Doktorikraad tehnikateadustes, abiprofessor, Baumani Moskva Riiklik Tehnikaülikool
Morozov Sergei Dmitrijevitš
Baumani Moskva Riikliku Tehnikaülikooli vanemõppejõud
PILKPIIRTEID tehisökosüsteemide ajaloost"
Märkus:
Artiklis käsitletakse dokumentaalseid fakte kosmose- ja maismaatingimustes kasutamiseks mõeldud tehisökosüsteemide loomisest. Teerajaja roll K.E. Tsiolkovski, kes töötas esimesena välja kontseptsiooni inimestele suletud elupaiga loomisest kosmoses, ja V.I. Vernadsky pühendus biosfäärile tehisökosüsteemide ehitamise lähenemisviisidele. Otsustav panus S.P. Korolev Tsiolkovski kosmoseasulate prototüüpide ehitamise projektide esimese praktilise teostuseni. Kõige tähtsam ajaloolised etapid sellest protsessist: katsed "Bios" (NSVL), "Biosfäär-2" (USA), "OEEP" (Jaapan), "Mars-500" (Venemaa), "Yuegun-1" (Hiina).
Märksõnad:
tehisökosüsteem, kosmoseasulad, suletud elupaik, K.E. Tsiolkovski, S.P. Korolev, V.I. Vernadski.
Artiklis kirjeldatakse kosmose- ja maapealsete rakenduste jaoks loodud tehisökosüsteemide loomise dokumentaalseid fakte. Uuring näitab K. E. Tsiolkovski teedrajavat rolli, kes töötas esimesena välja kontseptsiooni suletud ökoloogilistest süsteemidest inimeste jaoks kosmoses ja V. I. Vernadski mõju. s biosfäär töötab kunstlike ökosüsteemide ehitamise lähenemisviiside kallal. Artiklis tutvustatakse S.P. Korolev kosmoseelupaiga prototüüpide ehitamise esimese praktilise teostuseni vastavalt K.E. Tsiolkovski projektid. Artiklis kirjeldatakse selle protsessi peamisi ajaloolisi etappe, milleks on sellised katsed nagu BIOS (NSVL), Biosphere 2 (USA), CEEF (Jaapan), Mars-500 (Venemaa), Yuegong-1 (Hiina).
tehisökosüsteem, kosmoseelupaigad, suletud ökosüsteem, K.E. Tsiolkovski, S.P. Korolev, V.I. Vernadski.
Sissejuhatus
Idee vajadusest luua kunstlik suletud inimelupaik sündis samaaegselt kosmoselendude unistuse ilmnemisega. Inimesi on alati huvitanud võime liikuda õhus ja kosmoses. XX sajandil. algas praktiline kosmoseuuringud ja 21. sajandil. Astronautikast on juba saanud maailmamajanduse lahutamatu osa. Astronautika kuulutaja, filosoof-kosmist K.E. Tsiolkovski kirjutas teoses "Universumi monism" (1925): "Tulevikutehnoloogia võimaldab ületada Maa gravitatsiooni ja reisida kogu päikesesüsteemis. Pärast meie päikesesüsteemi asustamist hakkavad asustatud ka teised meie päikesesüsteemid. Linnutee. Raskustega eraldatakse mees maast. "Tulevikutehnoloogia" all ei pidanud Tsiolkovski silmas mitte ainult reaktiivjõu põhimõtet kasutavat raketitehnoloogiat, vaid ka inimasustuse süsteemi kosmoses, mis on ehitatud Maa biosfääri kujutisele ja sarnasusele.
Mõiste "kosmose biosfäär" sünd
K.E. Tsiolkovski väljendas esimesena ideed kasutada looduslähedasi põhimõtteid ja biosfäärilisi mehhanisme hapniku, toitumise, magevee taastootmiseks ja tekkinud jäätmete kõrvaldamiseks oma "reaktiivseadme" meeskonna elu toetamiseks. Seda küsimust käsitles Tsiolkovski peaaegu kõigis oma küsimustes teaduslikud tööd, filosoofilisi ja fantastilisi teoseid. Sellise keskkonna loomise võimalust põhjendavad V.I. Vernadski, kes paljastas Maa biosfääri ehituse ja toimimise põhiprintsiibid. Aastatel 1909–1910 avaldas Vernadski rea märkmeid leviku vaatluste kohta keemilised elemendid maapõues ja tegi järelduse elusorganismide juhtiva tähtsuse kohta aineringluse loomisel planeedil. Olles tutvunud nende Vernadski töödega ja teiste töödega tolleaegse uue teadussuuna - ökoloogia valdkonnas, kirjutas Tsiolkovski artikli "Maailmaruumi uurimine reaktiivseadmetega" (1911) teises osas: "Nagu maakera atmosfääri puhastavad taimed Päikese abiga, nii saab
uuendada meie kunstlikku atmosfääri. Nii nagu taimed Maal neelavad oma lehtede ja juurtega lisandeid ning annavad vastutasuks toitu, võivad meie teekonnale kaasa võetud taimed meie heaks pidevalt töötada. Nii nagu kõik, mis maa peal eksisteerib, elab samas koguses gaasidest, vedelikest ja tahketest ainetest, nii saame elada igavesti enda võetud ainevarudest.
Tsiolkovski autorsus kuulub ka suure hulga elanike jaoks mõeldud kosmoseasula projekti, kelle jaoks on suletud kemikaalide tsükli tõttu korraldatud atmosfääri, vee- ja toiduvarude uuendamine. Tsiolkovski kirjeldab sellist "kosmilist biosfääri" käsikirjas, mida ta säilitas kuni 1933. aastani, kuid ei suutnud kunagi lõpetada:
«Kogukonda kuulub kuni tuhat mõlemast soost ja igas vanuses inimest. Niiskust kontrollib külmik. Samuti kogub ta kokku kogu inimeste poolt aurutatud liigse vee. Hostel suhtleb kasvuhoonega, kust ta saab puhastatud hapnikku ja kuhu saadab kõik oma väljaheidete saadused. Mõned neist vedelike kujul imbuvad kasvuhoonete pinnasesse, teised satuvad otse nende atmosfääri.
Kui kolmandiku silindri pinnast hõivavad aknad, saadakse 87% suurimast valgushulgast ja 13% kaob. Lõigud on kõikjal ebamugavad...” (Siinkohal katkeb käsikiri).
Esimesed eksperimentaalsed installatsioonid
Tsiolkovski lõpetamata käsikiri pealkirjaga "Elu tähtedevahelises keskkonnas" ilmus Nauka kirjastuses enam kui 30 aasta pärast – aastal 1964. Väljaande algatajaks oli kosmosetehnoloogia ülddisainer akadeemik S.P. Korolev. Aastal 1962 oli tal juba edukas kogemus kosmoselend mille viis läbi esimene kosmonaut Yu.A. Gagarin seadis 12. aprillil 1961 kosmoseprojekti arendamiseks põhimõtteliselt uue vektori: "Me peaksime hakkama arendama "kasvuhoonet Tsiolkovski järgi", järk-järgult suurendades linke või plokke, ja peaksime hakkama töötama "kosmosekoristustega". . Millised organisatsioonid neid töid teostavad: taimekasvatuse ja pinnase, niiskuse küsimustes, mehhaniseerimise ja "valgus-soojus-päikeseenergia" tehnoloogia ja selle kasvuhoonete juhtimissüsteemide valdkonnas? .
Maailma esimese suletud tehisökosüsteemi loomine kosmoseeesmärkidel sai alguse S.P. kohtumisest. Kuninganna ja Füüsika Instituudi direktorid Siberi haru NSV Liidu Teaduste Akadeemia (IP SB AS USSR) L.V. Kirensky, mille käigus Korolev edastas Kirenskyle oma ettepanekud "kosmosekasvuhoone" kohta. Pärast seda peeti NSVL Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Füüsika Instituudis rida koosolekuid, kus otsustati, milline osakond saab kosmoseprogrammi töö arendamise aluseks. Korolevi püstitatud ülesanne luua suletud kapslis kunstlik ökosüsteem, milles inimene saaks viibida pikka aega maalähedastes keskkonnatingimustes, usaldati algloomade osakonnale. See ebatavaline otsus, nagu hiljem selgus, osutus õigeks: need olid kõige lihtsamad mikrovetikad, mis suutsid meeskonnale täielikult hapniku ja puhta veega varustada.
On märkimisväärne, et samal aastal – 1964. aastal, mil valgust nägi viimane Tsiolkovski käsikiri, alustati tööd kõigi aegade esimese suletud kunstliku ökoloogilise süsteemi praktilise väljatöötamisega, sealhulgas inimese ainevahetusega aine sisemises ringluses. NSVL Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Biofüüsika Instituudi biofüüsika osakonnas, mis hiljem muudeti iseseisvaks NSV Liidu Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Biofüüsika Instituudiks, alustati katseobjekti Bios-1 ehitamist. Krasnojarskis, milles I.I. Gitelzon ja I.A. Terskov, kellest sai biofüüsika uue suuna rajaja. Peamine ülesanne oli korraldada inimese varustamine hapniku ja veega. Esimene paigaldus koosnes kahest komponendist: survekabiinist mahuga 12 m3, mille sisse majutati inimene, ja spetsiaalsest kultivaatori mahutist, mille maht oli 20 liitrit hariliku klorella kasvatamiseks. 7 erineva kestusega katset (12 tunnist 45 päevani) näitasid võimalust gaasivahetus täielikult sulgeda, st tagada hapniku tootmine ja süsinikdioksiidi kasutamine mikrovetikate poolt. Klorella elutähtsate protsesside kaudu pandi paika ka veeringe, mille käigus puhastati vett joomiseks ja muude vajaduste rahuldamiseks vajalikus koguses.
"Bios-1" katsetes, mis kestsid üle 45 päeva, ei õnnestunud, kuna mikrovetikate kasv peatus. Nii madalamaid kui ka kõrgemaid taimi sisaldava tehisökosüsteemi arendamiseks uuendati 1966. aastal Bios-1 Bios-2-ks, ühendades survekabiiniga 8 m3 fütotroni. Phytotron on spetsiaalne tehniline seade kõrgemate taimede: köögiviljade ja nisu kasvatamiseks kunstliku valgustuse ja mikrokliima tingimustes. Kõrgemad taimed olid meeskonna toiduallikaks ja õhutasid. Kuna hapnikku andsid ka kõrgemad taimed, siis oli võimalik teha kahe testija osavõtul katseid, mis kestsid 30, 73 ja 90 päeva. Tehas töötas kuni 1970. aastani.
"Bios-3" võeti kasutusele 1972. aastal. Siberi filiaali biofüüsika instituudi keldrisse rajati see siiani töökorras 4-toalise korteri suurune hermeetiline ehitis mahuga 315 m3. Venemaa Teaduste Akadeemia Krasnojarskis. Seest on paigaldis jagatud lukuga õhukindlate vaheseintega neljaks kambriks: kaks kasvuhoonet fütotronides hüdropoonika meetodil kasvatatud söödavate taimede jaoks, mis ei vaja mulda, kamber hapnikku ja puhast vett tootva klorella aretamiseks ning sektsioon meeskonnale. liikmed. Eluruumis on magamiskohad, köök ja söögituba, wc, juhtpult, seadmed taimsete saaduste töötlemiseks ja jäätmekäitluseks.
Fütotronides kasvatas meeskond spetsiaalselt aretatud kääbusnisu sorte, mis sisaldasid minimaalselt mittesöödavat biomassi. Samuti aretati juurvilju: sibulat, kurki, redist, salatit, kapsast, porgandit, kartulit, peeti, hapuoblikaid ja tilli. Valiti Kesk-Aasia õlitaim "chufa", mis oli inimkeha jaoks hädavajalike taimsete rasvade allikas. Meeskond sai vajalikke valke liha- ja kalakonserve süües.
1970ndatel ja 1980ndate alguses viidi Bios-3-s läbi kümme eksperimentaalset koloniseerimist. Kolm neist kestsid mitu kuud. Kolmeliikmelise meeskonna pideva täieliku isoleerimise pikim kogemus kestis 6 kuud – 24. detsembrist 1972 kuni 22. juunini 1973. Sellel katsel oli keeruline struktuur ja see viidi läbi kolmes etapis. Igal etapil oli oma teadlaste koosseis. M.P. olid vaheldumisi installatsiooni sees. Shilenko, N.I. Petrov ja N.I. Bugreev, kes töötasid igaüks 4 kuud. Eksperimendis osaleja V.V. Terskikh viibis Bios-3-s kõik 6 kuud.
Phytotrons "Bios-3" andis piisava saagi teravilja ja köögivilja päevas. Suurema osa ajast kulus meeskonnal söödavate taimede seemnest kasvatamisele, koristamisele ja töötlemisele, leiva küpsetamisele ja toiduvalmistamisele. Aastatel 1976-1977. läbis 4 kuud kestnud katse, milles osales kaks testijat: G.Z. Asinjarov ja N.I. Bugreev. 1983. aasta sügisest kuni 1984. aasta kevadeni viidi läbi 5-kuuline eksperiment N.I. Bugreeva ja S.S. Aleksejev, kes lõpetas teose "Bios". N.I. Bugreev püstitas seega toona absoluutse suletud tehiskeskkonnas viibimise rekordi, olles installatsioonis elanud kokku 15 kuud. 1980. aastate lõpus pandi Bios programm ootele, kuna selle valitsuse rahastamine lõppes.
"Biosfäär" klaasi taga
Kinnise elupaiga loomise teatepulga võtsid kätte ameeriklased. 1984. aastal alustas Space Biospheres Ventures USA Arizona kõrbes asuvale alale kinnise katserajatise Biosphere 2 ehitamist.
Biosphere-2 ideoloogid olid Mark Nelson ja John Allen, kes olid läbi imbunud V.I. Vernadski, mis ühendab umbes 20 teadlast välismaal biosfääri õpetuse alusel. NSV Liidus andis kirjastus "Mõte" 1991. aastal välja selle autorite rühma raamatu "Biosfääri kataloog", mis rääkis eelseisvast eksperimendist. Allen ja Nelson kirjutasid oma ülesandest luua "kosmilised biosfäärid" järgmiselt: "Vernadski ja teiste teadlaste suurepäraste ideede, ideede ja mudelitega relvastatud inimkond kaalub nüüd meelsasti mitte ainult võimalikke viise biosfääriga suhtlemiseks, vaid samuti viise selle "mitoosi" abistamiseks, kohandades meie maist elu täielikult osalemiseks Kosmose enda saatuses, luues võimaluse reisida ja elada avakosmoses.
"Biosfäär-2" on klaasist, betoonist ja terasest kapitalistruktuur, mis asub 1,27 hektari suurusel territooriumil. Kompleksi maht ulatus üle 200 tuh m3. Süsteem oli suletud, see tähendab, et see oli väliskeskkonnast täielikult eraldatav. Selle sees taastati kunstlikult biosfääri vee- ja maismaaökosüsteemid: miniookean korallidest koosneva tehisrifiga, troopiline mets - džungel, savann, okaste taimede metsad, kõrb, magevee- ja soolaveesood. Viimane võttis käänulise jõesängi kuju, mille üle ujutas tehisookean – mangroovidega istutatud estuaari. Ökosüsteemide bioloogilistesse kooslustesse kuulus 3800 liiki loomi, taimi ja mikroorganisme. "Biosphere-2" sees korraldati katses osalejatele ja põllumajandusplatsidele elamukorterid, mis moodustasid terve rantšo nimega Sun Space.
26. septembril 1991 isoleeriti rajatiste kompleksis 8 inimest - 4 meest ja 4 naist. Eksperimentaatorid - "bionautid", kelle hulgas oli projekti ideoloog Mark Nelson, tegelesid traditsioonilise põllumajandusega - riisikasvatusega. Selleks kasutati maa- ja loomakasvatustalusid, kasutati ülimalt töökindlaid tööriistu, mida pidi juhtima ainult inimese lihasjõud. Installatsiooni sisse istutati muru, põõsad ja puud. Teadlased kasvatasid riisi ja nisu, maguskartulit ja peeti, banaane ja papaiat ning muid põllukultuure, mis koos andsid 46 sorti taimset toitu. Lihatoidu andis loomakasvatus. Loomafarmis elasid kanad, kitsed ja sead. Lisaks kasvatasid bionaudid kalu ja krevette.
Raskused algasid peaaegu kohe pärast katse algust. Nädal hiljem teatas Biosphere-2 tehnik, et hapniku hulk atmosfääris väheneb järk-järgult ja süsihappegaasi kontsentratsioon suureneb. Samuti selgus, et talu andis vaid 83% teadlaste vajalikust toidust. Lisaks hävitasid aretuskahjurliblikad 1992. aastal peaaegu kõik riisisaagid. Kogu selle aasta talve püsis pilvine ilm, mis tõi kaasa hapniku tootmise ja taimede toitumise vähenemise. Tehisookean muutus happeliseks, kuna selle vees lahustus suur hulk süsihappegaasi, mille tõttu korallriff suri. Algas loomade väljasuremine džunglis ja savannis. Kahe aastaga langes hapniku kontsentratsioon klaasi taga 14%-ni esialgse 21 mahuprotsendi asemel.
"Bionauts" tuli välja 1993. aasta septembris, pärast kaheaastast "klaasi taga" viibimist. Arvatakse, et "Biosfäär-2" ebaõnnestus. Mudeli väiksusest tingituna toimus "keskkonnakatastroof" selles väga kiiresti ja näitas kogu tänapäevase inimese juhtimisviisi kahjulikkust, mis tekitab keskkonnaprobleeme: toitumise puudumine, biomassi eemaldamine, atmosfääri saastumine ja hüdrosfäär ja liikide mitmekesisuse vähenemine. "Biosfäär-2" kogemusel oli suur ideoloogiline tähendus. Üks "bionautidest" - Jane Pointer, kes pidas pärast "Biosfäär-2" katse lõppu loenguid, ütles: "Alles siin sain ma esimest korda aru, kui palju inimene biosfäärist sõltub - kui kõik taimed surevad, siis pole inimestel enam midagi hingata ja pole midagi süüa. Kui kogu vesi on saastunud, pole inimestel midagi juua. Biosfäär-2 kompleks on endiselt avalikkusele avatud, kuna selle autorid usuvad, et nad on loonud põhimõtteliselt uue aluse avalikule keskkonnakaitsealasele haridusele.
asustatud inimeste prototüübid kosmosejaamad
Alates 1990. aastate teisest poolest loodud installatsioonidel oli esialgu selge eesmärk - kosmoselaeva elutagamissüsteemi või elamiskõlbliku baasi modelleerimine lennutingimuste ja Marsi või Kuu uurimise jaoks. Aastatel 1998–2001 viidi uuringud läbi Jaapanis CEEF-i (Closed Ecological Experimental Facility) rajatises, mis on suletud tehisökosüsteem. Katsete eesmärk oli uurida gaasivahetuse, veeringluse ja toitumise suletud tsükleid, simuleerides samal ajal Marsi elamiskõlbliku baasi tingimusi. Kompleksi kuulusid fütotroniüksus taimede kasvatamiseks, sektsioon koduloomade (kitsede) aretamiseks, spetsiaalne maa- ja veeökosüsteeme simuleeriv geohüdrosfääriüksus ning elamiskõlblik moodul kaheliikmelisele meeskonnale. Taimede istutuspind oli 150 m2, loomakasvatusmoodul - 30 m2, elamu - 50 m2. Projekti autoriteks olid Tokyo Aerospace Institute töötajad K. Nitta ja M. Oguchi. Objekt asub Honshu saarel Rokkasho linnas. Puuduvad andmed pikaajaliste katsete läbiviimise kohta inimeste isoleerimiseks selles installatsioonis, tagajärgede modelleerimise tulemused on avaldatud. Globaalne soojenemine kliima ja uuringud radionukliidide migratsiooni kohta sisemistes ainevoogudes.
Suletud elupaiga modelleerimine pikaajaliste kosmoselendude simuleerimisel toimub Venemaa Teaduste Akadeemia (Moskva) Biomeditsiiniprobleemide Instituudis (IMBP), mille asutas M.V. Keldysh ja S.P. Koroljov aastal 1963. Selle töö aluseks on Mars-500 kompleksis pikka aega isoleeritud tingimustes viibivate inimeste uurimine. Meeskonna 520-päevase isoleerimise katse algas juunis 2010 ja lõppes novembris 2011. Eksperimendis osalesid meesteadlased: A.S. Sitev, S.R. Kamolov, A.E. Smoleevsky (Venemaa), Diego Urbina (Itaalia), Charles Romain (Prantsusmaa), Wang Yue (Hiina). Üks kompleksi moodulitest sisaldab kasvuhoonet köögiviljade kasvatamiseks. Istutuspind ei ületa 14,7 m2 mahus 69 m3. Kasvuhoone toimis vitamiinide allikana, täiendades ja parandades katses osalejate toitumist. Mars-500 kompleks põhineb füüsikalis-keemilistel, mitte bioloogilistel protsessidel meeskonna varustamiseks hapniku ja puhta veega, kasutades konserveeritud toiduvarusid, seetõttu erineb see oluliselt Bios-3 paigaldusest.
Biosi projektile kontseptuaalselt kõige lähemal on Hiina kompleks Yuegun-1 (Lunar Palace). Kompleks reprodutseerib Kuu baasi tingimusi. Yuegong-1 töötas välja Pekingi Aeronautika ja Astronautika Ülikoolis professor Li Hong. Moskva ja Krasnojarski teadlased nõustasid Hiina kompleksi loojaid.
Yuegong-1 kompleksi pindala on 160 m2 mahuga 500 m3 ja koosneb kolmest poolsilindrilisest moodulist. Esimene moodul on elamu, mis sisaldab salongi, kajuteid kolmele meeskonnaliikmele, jäätmekäitlussüsteemi ja isikliku hügieeni ruumi. Ülejäänud kahes moodulis on tootmiseks kasvuhooned taimne toit. Kasvatatud taimed moodustasid rohkem kui 40% meeskonna toidust. Vee ja õhu osas oli käitise suletud keskkond 99%.
Yuegong-1 installatsiooni ehitus lõpetati 9. novembril 2013. 23. detsembrist 30. detsembrini 2014 viisid katsetajad, kelleks olid kaks ülikooli tudengit, Kuupalee prooviasendust. Katse ise viidi läbi 105 päeva – 3. veebruarist 20. maini 2014. Selles osales kolmeliikmeline meeskond: mees Xie Beizhen ning kaks naist Wang Minjuan ja Dong Chen. Eksperiment lõppes edukalt ja seda kajastati laialdaselt Hiina meedias. Järeldus
Esitatud suletud tehisökosüsteemide loomise ajalugu on killuke globaalsest ajalooline protsess inimkonna areng. Inimene lõi tänu oma mõtlemisvõimele praktilise astronautika ja tõestas oma võimet planeedist kaugemale jõuda. Elupaiga ehitamise ja toimimise biosfääriliste mehhanismide põhjalik uurimine võimaldab inimestel luua planeetidel ja nende satelliitidel, asteroididel ja muudel kosmosekehadel soodsad tingimused. See tegevus võimaldab mõista inimeksistentsi tähendusi.
IN JA. Vernadski kirjutas elu levikust üle Maa ja avakosmose. Ainult mõistusega inimene on võimeline juhtima meie biosfääri laienemist kaugemale, kuni Kosmose uuritud piiride väljakujunemiseni. Inimkond peab laiendama biosfääri asteroididele ja lähedalasuvatele kosmosekehadele, et jõuda kaugemale universumi uuritud piiridest. See on oluline mitte ainult meie biosfääri, vaid ka inimese väga bioloogiliste liikide säilimiseks. Tsiolkovski ette nähtud maalähedase kosmose, päikesesüsteemi ja seejärel väliskosmose uurimise tulemusel võivad moodustuda inimkonna dünaamilised populatsioonid - see tähendab, et osa inimestest hakkab alaliselt elama kosmosebaasidel väljaspool. Maa. Ajalugu kui teadus läheb seega planeedi raamistikust kaugemale ja muutub tõeliselt mitte ainult Maa, vaid ka Kosmose ajalooks.
1. Filosoofia maailm. 2 köites T. 2. M., 1991. 624 lk.
2. Tsiolkovski K.E. Tööstuslik kosmoseuuring: tööde kogumine. M., 1989. 278 lk.
3. Käsikirjade valguskoopiad K.E. Tsiolkovski [ Elektrooniline ressurss]. URL: http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (vaadatud 25.04.2017).
4. Grishin Yu.I. Kunstlikud kosmoseökosüsteemid. M., 1989. 64 lk. (Uut elus, teaduses, tehnikas. Kosmonautika, astronoomia sari. Nr. 7).
5. Gitelzon I.I., Degermendži A.G., Tihhomirov A.A. Suletud elu toetavad süsteemid // Teadus Venemaal. 2011. nr 6. S. 4-10.
6. Degermendži A.G., Tihhomirov A.A. Kunstlike suletud ökosüsteemide loomine maismaa- ja kosmoseeesmärkidel // Venemaa Teaduste Akadeemia bülletään. 2014. V. 84, nr 3. S. 233-240.
7. Biosfääri kataloog. M., 1991. 253 lk.
8. Nelson M., Dempster W.F., Allen J.P. "Modulaarsed biosfäärid" – avaliku keskkonnahariduse ja -uuringute uued katseplatvormid // Kosmoseuuringute edusammud. 2008 kd. 41, nr. 5. R. 787-797.
9. Nitta K. CEEF, Suletud ökosüsteem kui radioaktiivsete isotoopide dünaamika määramise labor, Ibid. 2001 kd. 27, nr. 9. R. 1505-1512.
10. Grigorjev A.I., Morukov B.V. "Mars-500": esialgsed tulemused // Maa ja universum. 2013. nr 3. S. 31-41.
11. Paveltsev P. "Yuegun-1" - BIOS-3 projekti järglane // Kosmonautika uudised. 2014. V. 24, nr 7. S. 63-65.
Inimkond vajas kosmoselendude alustamiseks kõiki teadlaste sadade aastate jooksul kogutud teadmisi. Ja siis seisis inimene silmitsi uue probleemiga - teiste planeetide koloniseerimiseks ja pikamaalendudeks on vaja välja töötada suletud ökosüsteem, sealhulgas - varustada astronaute toidu, vee ja hapnikuga. Toidu toimetamine Maast 200 miljoni kilomeetri kaugusel asuvale Marsile on kallis ja keeruline, loogilisem oleks leida toidu tootmiseks viise, mida on lihtne rakendada lennu ajal ja Punasel Planeedil.
Kuidas mõjutab mikrogravitatsioon seemneid? Millised köögiviljad oleksid kahjutud, kui neid kasvatataks Marsi raskemetallide rikkas pinnases? Kuidas rajada istandus kosmoselaeva pardale? Teadlased ja astronaudid on neile küsimustele vastuseid otsinud enam kui viiskümmend aastat.
Illustratsioonil on kujutatud Vene kosmonaut Maxim Suraev, kes kallistab taimi Lada installatsioonis rahvusvahelise kosmosejaama pardal, 2014.
Konstantin Tsiolkovski kirjutas raamatus „Astronautika eesmärgid”: „Kujutagem ette pikka koonusekujulist pinda ehk lehtrit, mille põhi või lai avaus on kaetud läbipaistva sfäärilise pinnaga. See on otse päikese poole ja lehter pöörleb ümber oma pikitelje (kõrguse). Koonuse läbipaistmatutel siseseintel on niiske mullakiht, millesse on istutatud taimed. Nii tegi ta ettepaneku luua taimedele kunstlikult gravitatsioon. Taimed tuleks valida viljakad, väikesed, ilma paksude tüvedeta ja osadeta, mis päikese käes ei tööta. Seega saab kolonisaatoreid osaliselt varustada bioloogiliselt aktiivsete ainete ja mikroelementidega ning regenereerida hapnikku ja vett.
1962. aastal seadis OKB-1 peakonstruktor Sergei Korolev ülesandeks: "Me peaksime hakkama arendama "kasvuhoonet (OR) Tsiolkovski järgi", järk-järgult suurendades linke või plokke ja alustama tööd "kosmosekultuuridega". ”.
Käsikiri K.E. Tsiolkovski "Kosmosereiside album", 1933.
NSV Liit saatis esimese kunstliku Maa satelliidi orbiidile 4. oktoobril 1957, kakskümmend kaks aastat pärast Tsiolkovski surma. Juba sama aasta novembris saadeti kosmosesse segadus Laika, esimene koertest, kes pidi avama inimestele tee kosmosesse. Laika suri ülekuumenemise tõttu kõigest viie tunniga, kuigi lend oli planeeritud nädalaks – selleks ajaks oleks piisanud hapnikust ja toidust.
Teadlased on oletanud, et probleem tekkis geneetilise orientatsiooni tõttu - seemik peaks ulatuma valguse poole ja juur - vastupidises suunas. Nad täiustasid oaasi ja järgmine ekspeditsioon viis orbiidile uued seemned.
Vibu on kasvanud. Vitali Sevastjanov teatas Maale, et nooled ulatusid kümne kuni viieteistkümne sentimeetrini. “Mis nooled, milline vibu? Mõistame, et see on nali, andsime teile herned, mitte sibulad, ”ütlesid nad Maalt. Lennuinsener vastas, et astronaudid võtsid majast kaks sibulat, et need üle plaani istutada, ja rahustas teadlasi – peaaegu kõik herned tärkasid.
Kuid taimed keeldusid õitsemast. Selles etapis nad surid. Sama saatus ootas tulpe, mis õitsesid Põhjapoolusel asuvas Buttercup installatsioonis, kuid mitte kosmoses.
Aga sibulat sai süüa, mida 1978. aastal edukalt tegid kosmonaudid V. Kovalenok ja A. Ivantšenkov: «Nad tegid head tööd. Ehk nüüd lubatakse meil preemiaks sibul süüa.
Tehnika - noored, 1983-04, lk 6. Herned Oasis taimes
Kosmonautid V. Ryumin ja L. Popov said 1980. aasta aprillis Malahhiidi installatsiooni koos õitsevate orhideedega. Orhideed õitsevad puukoores ja õõnsustes ning teadlased arvasid, et nad võivad olla vähem vastuvõtlikud geotropismile, taimeorganite võimele orienteeruda ja kasvada maakera keskpunkti suhtes kindlas suunas. Õied langesid paari päeva pärast maha, kuid samal ajal tekkisid orhideedesse uued lehed ja õhujuured. Veidi hiljem tõi V. Gorbatko ja Pham Tuay Nõukogude-Vietnami meeskond kaasa kasvanud Arabidopsise.
Taimed ei tahtnud õitseda. Seemned tärkasid, aga näiteks orhidee ei õitsenud kosmoses. Teadlased pidid aitama taimedel kaaluta olekuga toime tulla. Seda tehti muu hulgas juuretsooni elektrilise stimulatsiooni abil: teadlased uskusid, et Maa elektromagnetväli võib mõjutada kasvu. Teine meetod hõlmas Tsiolkovski kirjeldatud plaani kunstliku gravitatsiooni loomiseks – taimi kasvatati tsentrifuugis. Tsentrifuug aitas – idud olid orienteeritud piki tsentrifugaaljõuvektorit. Lõpuks said astronaudid oma tahtmise. Arabidopsis õitses Svetoblokis.
Alloleval pildil vasakul on Fitoni kasvuhoone Salyut-7 pardal. Talya rezukhovidka (Arabidopsis) läbis esimest korda selles orbitaalses kasvuhoones täieliku arengutsükli ja andis seemneid. Keskel - "Svetoblok", milles Arabidopsis õitses esimest korda Salyut-6 pardal. Paremal on pardal olev kasvuhoone "Oasis-1A" jaamas "Salyut-7": see oli varustatud mõõdetud poolautomaatse niisutamise, aeratsiooni ja juurte elektrilise stimulatsiooni süsteemiga ning võis liigutada kasvuanumaid taimedega. valgusallikale.
"Fiton", "Svetoblok" ja "Oasis-1A"
Installatsioon "Trapezia" taimede kasvu ja arengu uurimiseks.
Seemnekomplektid
Jaama Saljut-7 lennupäevik, Svetlana Savitskaja visandid
Miri jaama paigaldati maailma esimene automaatne kasvuhoone "Svet". Vene kosmonaudid tegid selles kasvuhoones 1990.–2000. aastatel kuus katset. Nad kasvatasid salatit, rediseid ja nisu. Aastatel 1996-1997 plaanis Venemaa Teaduste Akadeemia Biomeditsiiniprobleemide Instituut kasvatada kosmosest saadud taimeseemneid – see tähendab töötada kahe põlvkonna taimedega. Katseks valiti umbes paarikümne sentimeetri kõrgune metskapsa hübriid. Taimel oli üks miinus – astronaudid pidid tegelema tolmeldamisega.
Tulemus oli huvitav - teise põlvkonna seemned saadi kosmosesse ja need isegi tärkasid. Kuid taimed kasvasid kahekümne viie asemel kuue sentimeetrini. Margarita Levinskikh, Venemaa Teaduste Akadeemia Biomeditsiiniprobleemide Instituudi teadur, jutustab et Ameerika astronaut Michael Fossum tegi taimede tolmeldamise ehtetööd.
Roscosmose video taimede kasvatamisest kosmoses. Kell 4:38 - taimed Mir jaamas
2014. aasta aprillis toimetas kaubalaev Dragon SpaceX rahvusvahelisse kosmosejaama Veggie rohekasvatusrajatise ja märtsis alustasid astronaudid orbitaalse istanduse katsetamist. Installatsioon juhib valgust ja toitainetega varustamist. 2015. aasta augustis astronautide menüüs, kasvatati mikrogravitatsioonis.
Rahvusvahelises kosmosejaamas kasvatatud salat
Selline võib kosmosejaama istandus tulevikus välja näha
Lada kasvuhoone töötab Plants-2 eksperimendi rahvusvahelise kosmosejaama Venemaa segmendis. 2016. aasta lõpus või 2017. aasta alguses ilmub pardale Lada-2 versioon. Nende projektidega tegeleb Venemaa Teaduste Akadeemia Biomeditsiiniprobleemide Instituut.
Kosmose põllukultuuride tootmine ei piirdu nullgravitatsiooni katsetega. Inimene peab teiste planeetide koloniseerimiseks arendama põllumajandust maast erineval pinnasel ja erineva koostisega atmosfääris. 2014. aastal bioloog Michael Mautner spargel ja kartul meteoriitpinnasel. Harimiseks sobiva pinnase saamiseks jahvatati meteoriit pulbriks. Kogemuste põhjal suutis ta tõestada, et bakterid, mikroskoopilised seened ja taimed võivad kasvada maavälise päritoluga pinnasel. Enamiku asteroidide materjal sisaldab fosfaate, nitraate ja mõnikord ka vett.
Meteormullal kasvanud spargel
Marsi puhul, kus on palju liiva ja tolmu, pole kivilihvimist vaja. Kuid tekib veel üks probleem - mulla koostis. Marsi pinnases leidub raskemetalle, mille suurenenud hulk taimedes on inimesele ohtlik. Hollandi teadlased on matkinud Marsi mulda ja kasvatanud sellel alates 2013. aastast kümmet mitme taimeliigi saaki.
Eksperimendi tulemusena leidsid teadlased, et sisu raskemetallid simuleeritud Marsi pinnasel kasvatatud hernes, redis, rukis ja tomatid ei ole inimesele ohtlikud. Teadlased jätkavad kartuli ja muude põllukultuuride uurimist.
Teadlane Wager Vamelink kontrollib simuleeritud Marsi pinnasel kasvanud taimi. Foto: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Metallisisaldus Maal koristatud põllukultuurides ning pinnase simulatsioonid Kuul ja Marsil
Üks neist tähtsaid ülesandeid on luua suletud elutoetustsükkel. Taimed saavad süsinikdioksiid ja meeskonna jääkaineid, vastutasuks annavad nad hapnikku ja toodavad toitu. Teadlastel on võimalus toiduna kasutada klorella üherakulisi vetikaid, mis sisaldavad 45% valku ning 20% rasva ja süsivesikuid. Kuid see teoreetiliselt toitev toit ei imendu inimestel tiheda rakuseina tõttu. Selle probleemi lahendamiseks on viise. Võib poolitada rakuseinad tehnoloogilised meetodid, kasutades kuumtöötlemist, lihvimist värvipliiatsid või muid meetodeid. Kaasa võib võtta spetsiaalselt klorella jaoks välja töötatud ensüüme, mida astronaudid toiduga kaasa võtavad. Teadlased võivad välja tuua ka GMO klorella, mille seina võivad inimese ensüümid lõhustada. Klorellat ei kasutata enam kosmose toitumiseks, vaid seda kasutatakse suletud ökosüsteemides hapniku tootmiseks.
Katse klorellaga viidi läbi Salyut-6 orbitaaljaama pardal. 1970. aastatel usuti veel, et mikrogravitatsioonis viibimine seda ei tee negatiivset mõju inimkeha kohta – infot oli liiga vähe. Samuti prooviti klorella abil uurida mõju elusorganismidele, mille elutsükkel kestab vaid neli tundi. Seda oli mugav võrrelda Maal kasvanud klorellaga.
Seade IFS-2 oli mõeldud seente, koekultuuride ja mikroorganismide ning veeloomade kasvatamiseks.
Alates 1970. aastatest on NSV Liidus katseid tehtud suletud süsteemidega. 1972. aastal algas "BIOS-3" töö - see süsteem töötab siiani. Kompleks on varustatud kambritega taimede kasvatamiseks kontrollitud tehistingimustes – fütotronid. Nad kasvatasid nisu, sojauba, tšufusalatit, porgandit, redist, peeti, kartulit, kurki, hapuoblikaid, kapsast, tilli ja sibulat. Teadlased on suutnud saavutada peaaegu 100% suletud tsükli vee ja õhu puhul ning kuni 50–80% toitumise osas. Rahvusvahelise Suletud Ökoloogiliste Süsteemide Keskuse peamisteks eesmärkideks on selliste erineva keerukusastmega süsteemide toimimispõhimõtete uurimine ja nende loomise teadusliku baasi väljatöötamine.
Üks kõrgetasemelisi katseid, mis simuleerisid lendu Marsile ja naasmist Maale, oli. 519 päeva viibis kuus vabatahtlikku suletud kompleksis. Eksperimendi korraldasid Rokosmos ja Vene akadeemia ja Euroopa Kosmoseagentuur sai partneriks. “Laeva pardal” oli kaks kasvuhoonet - ühes kasvas salat, teises hernes. Antud juhul ei olnud eesmärgiks taimede kasvatamine ruumilähedastes tingimustes, vaid välja selgitada, kui olulised taimed meeskonnale on. Seetõttu suleti kasvuhoone uksed läbipaistmatu kilega ja paigaldati iga avanemise salvestamiseks andur. Vasakpoolsel fotol töötab Mars-500 meeskonna liige Marina Tugusheva eksperimendi raames kasvuhoonetega.
Teine eksperiment Mars-500 pardal on GreenHouse. Allolevas videos räägib ekspeditsiooni liige Aleksei Sitnev eksperimendist ja näitab kasvuhoonet erinevate taimedega.
Inimesel on palju võimalusi. Tal on oht maandumisel alla kukkuda, pinnale külmuda või lihtsalt mitte lennata. Ja muidugi nälga surra. Põllukultuuride tootmine on koloonia tekkeks hädavajalik ning teadlased ja astronaudid töötavad selles suunas, näidates edukaid näiteid mõne liigi kasvatamisest mitte ainult mikrogravitatsioonis, vaid ka Marsi ja Kuu simuleeritud pinnases. Kosmosekolonistidel avaneb kindlasti võimalus.
Skaneeris ja töötles Juri Abolonko (Smolensk)
UUS ELUS, TEADUSES, TEHNOLOOGIAS
TELLI POPULAARTEADUSSARI
KOSMOS, ASTRONOOMIA
7/1989
Ilmub kord kuus alates 1971. aastast.
Yu. I. Grishin
TEHISLIKUD RUUMIÖKOSÜSTEEMID
Selle numbri rakendamisel:
KOSMOSETURISM
RUUMIKROONIKA
ASTRONOOMIA UUDISED
Kirjastus "Knowledge" Moskva 1989
BBC 39.67
G 82
Toimetaja I. G. VIRKO
| Sissejuhatus | 3 |
| Inimene looduslikus ökosüsteemis | 5 |
| Meeskonnaga kosmoselaev – kunstlik ökosüsteem | 11 |
| Ainete teatejooks bioloogilises tsüklis | 21 |
| Kas ökosüsteemid on tõhusad? | 26 |
| Kunstlikud ja looduslikud biosfääri ökosüsteemid: sarnasused ja erinevused | 32 |
| Bioloogilistest elu toetavatest süsteemidest kosmosemeeskonnad | 36 |
| Rohelised taimed kui peamine lüli bioloogilistes elu toetavates süsteemides | 39 |
| Saavutused ja väljavaated | 44 |
| Järeldus | 53 |
| Kirjandus | 54 |
RAKENDUS | |
| kosmoseturism | 55 |
| Astronautika kroonika | 57 |
| Astronoomia uudised | 60 |
Grishin Yu. I.
| G 82 |
ISBN 5-07-000519-7
Brošüür on pühendatud kosmoselaevade meeskondade ja tulevaste pikaajaliselt toimivate kosmosestruktuuride elu toetamise probleemidele. Vaadeldakse erinevaid tehisökoloogiliste süsteemide mudeleid, sealhulgas inimest ja muid bioloogilisi seoseid. Brošüür on mõeldud laiale lugejaskonnale.
3500000000BBK 39,67
ISBN 5-07-000519-7© Kirjastus "Knowledge", 1989
SISSEJUHATUS
21. sajandi algus võib minna maakera tsivilisatsiooni arengu ajalukku kvalitatiivselt uue etapina päikeselähedase avakosmose arengus: looduslike ja kunstlikult loodud kosmoseobjektide otsene asustamine koos pika inimeste viibimisega. nendel objektidel.
Tundub, et üsna hiljuti lennutati Maa-lähedasele kosmoseorbiidile Maa esimene tehissatelliit (1957), mille esimene lend ja pildistamine tagakülg Kuust (1959), esimene inimene läks kosmosesse (Yu. A. Gagarin, 1961), televisioonis näidati põnevat hetke inimese kosmosesse väljumisest (A. A. Leonov, 1965) ja astronautide esimesi samme demonstreeriti Kuu pinda (N. Armstrong ja E. Aldrin, 1969). Kuid igal aastal lähevad need ja paljud teised silmapaistvad kosmoseajastu sündmused minevikku ja saavad ajaloo omandiks. Tegelikult on need alles algus nende ideede kehastusele, mille sõnastas suur K. E. Tsiolkovski, kes käsitles kosmost mitte ainult astronoomilise ruumina, vaid ka inimeste elamis- ja elukeskkonnana tulevikus. Ta uskus, et "kui elu ei leviks üle kogu universumi, kui see oleks planeediga seotud, oleks see elu sageli ebatäiuslik ja kaldub kurvale lõpule" (1928).
Tänapäeval ennustatakse juba inimese bioloogilise evolutsiooni võimalikke variante seoses olulise osa elanikkonna ümberasustamisega väljapoole Maad, töötatakse välja võimalikke kosmoseuuringute mudeleid ning kosmoseprogrammide transformatiivset mõju loodusele, majandusele ja majandusele. hinnatakse sotsiaalseid suhteid. Käsitletakse ka asulate osalise või täieliku isevarustatuse probleeme suletud biotehniliste elutagamissüsteemide abil, Kuu ja planeedi baaside loomist, kosmosetööstust ja ehitust, maaväliste energiaallikate ja materjalide kasutamist ning lahendatud.
Hakkavad täituma K. E. Tsiolkovski sõnad, et „inimkond ei jää Maale igaveseks, vaid valguse ja kosmose poole püüdledes tungib ta esmalt arglikult atmosfäärist kaugemale ja siis vallutab kogu päikeseruumi” (1911).
Hiljutistel rahvusvahelistel kohtumistel ja foorumitel, mis käsitlevad koostööd avakosmoses Maa- ja Päikese-lähedase avakosmose teadusuuringute, Marsi, Kuu ja teiste Päikesesüsteemi planeetide uurimise edasise laiendamise huvides, avaldati lootust, et suurte materiaalsete, tehniliste ja rahaliste kulutustega seotud suurte kosmoseprogrammide elluviimine toimub paljude riikide ühisel jõul rahvusvahelise koostöö raames. "Ainult inimkonna kollektiivne mõistus on võimeline liikuma Maa-lähedase kosmose kõrgustesse ja kaugemale - päikese- ja täheruumi lähedale," ütles M. S. Gorbatšov oma pöördumises kommunistliku liikumise välisesindajate poole. Suure Oktoobrirevolutsiooni 70. aastapäeva tähistamine.
Inimese edasise avakosmose uurimise üheks olulisemaks tingimuseks on inimeste elu ja ohutu tegevuse tagamine nende pikaajalisel viibimisel ja töötamisel Maast kaugemal asuvates kosmosejaamades, kosmoselaevades, planeetide ja Kuu baasides.
Kõige otstarbekam viis selle kõige olulisema probleemi lahendamiseks on paljude kodu- ja välismaa teadlaste hinnangul tänapäeval suletud biotehniliste elu toetavate süsteemide loomine pikaajaliselt elamiskõlblikesse ruumistruktuuridesse ehk tehislikesse ruumiökoloogilistesse süsteemidesse, mis hõlmavad inimest ja muid bioloogilisi sidemeid. .
Käesolevas brošüüris püüame visandada selliste süsteemide ehitamise põhiprintsiibid, anda teavet kosmosebiotehniliste elutagamissüsteemide loomise ettevalmistamiseks tehtud laiaulatuslike maapealsete katsete tulemuste kohta, osutada seni ilmnenud probleemidele. lahendada Maal ja kosmoses, et tagada nende süsteemide toimimise nõutav töökindlus.süsteemid kosmosetingimustes.
INIMENE LOODUSLIKUS ÖKOSYSTEEMIS
Enne inimese pikale kosmosereisile saatmist proovime esmalt vastata küsimustele: mida on tal vaja, et Maal normaalselt elada ja viljakalt tööd teha ning kuidas lahendatakse inimese elu toetamise probleem meie planeedil?
Nendele küsimustele on vaja vastuseid, et luua mehitatud kosmoselaevade, orbitaaljaamade ja tulnukate struktuuride ja baaside meeskondadele elu toetavaid süsteeme. Võime õigustatult pidada oma Maad loodusliku päritoluga tohutuks kosmoselaevaks, mis on teinud oma lõputut orbitaallendu ümber Päikese 4,6 miljardit aastat. Selle laeva meeskond koosneb täna 5 miljardist inimesest. Kiiresti kasvav Maa rahvaarv, mis 20. sajandi alguseks. oli 1,63 miljardit inimest ja XXI sajandi künnisel. peaks jõudma juba 6 miljardini, on parim tõend piisavalt tõhusa ja usaldusväärse inimese elu toetamise mehhanismi olemasolust Maal.
Mis on siis inimesele Maal vajalik selleks, et tagada oma normaalne elu ja tegevus? Vaevalt on võimalik anda lühikest, kuid ammendavat vastust: kõik elu, tegevuse ja inimhuvide aspektid on liiga ulatuslikud ja mitmetahulised. Taastage üksikasjalikult vähemalt üks oma elatud päev ja näete, et inimene ei vaja nii vähe.
Inimese toidu-, vee- ja õhuvajaduste rahuldamine, mis on seotud põhiliste füsioloogiliste vajadustega, on tema normaalse elu ja tegevuse põhitingimus. See seisund on aga lahutamatult seotud teisega: inimkeha, nagu iga teinegi elusorganism, eksisteerib aktiivselt tänu organismisisesele ainevahetusele ja väliskeskkonnale.
Tarbides keskkonnast hapnikku, vett, toitaineid, vitamiine, mineraalsooli, kasutab inimorganism neid oma elundite ja kudede ehitamiseks ja uuendamiseks, saades samal ajal kogu eluks vajaliku energia toiduvalkudest, rasvadest ja süsivesikutest. Jääkained erituvad organismist keskkonda.
Nagu teate, on inimkeha ainevahetuse ja energia intensiivsus selline, et täiskasvanud inimene võib ilma hapnikuta eksisteerida vaid paar minutit, ilma veeta - umbes 10 päeva ja ilma toiduta - kuni 2 kuud. Väline mulje, et inimkehas muutusi ei toimu, on petlik ja vale. Muutused kehas toimuvad pidevalt. A. P. Myasnikovi (1962) sõnul asendub ja sureb 70 kg kaaluva täiskasvanu kehas päeva jooksul 450 miljardit erütrotsüüti, 22 kuni 30 miljardit leukotsüüti, 270 kuni 430 miljardit vereliistakut, umbes 125 g valke. , 70 g rasva ja 450 g süsivesikuid, millest vabaneb üle 3000 kcal soojust, taastub ja sureb 50% seedetrakti epiteelirakkudest, 1/75 luustiku luurakkudest ja 1/20 kõikidest keha naharakkudest (st iga 20 päeva tagant "vahetab inimene täielikult nahka") langeb peast välja umbes 140 karva ja 1/150 kõigist ripsmetest ja asenduvad uutega jne. samal ajal toimub keskmiselt 23 040 hingetõmmet ja väljahingamist, kopsudest läbib õhku 11 520 liitrit, hapnikku imendub 460 liitrit, süsihappegaasi eritub kehast 403 liitrit ja uriini 1,2–1,5 liitrit, mis sisaldab kuni 30 g tihedaid aineid aurustub kopsude kaudu 0,4 liitrit ja eritub koos higiga umbes 0,6 liitrit vett, mis sisaldab 10 g tihedaid aineid, moodustub 20 g rasu.
Selline on inimese ainevahetuse intensiivsus vaid ühe päevaga!
Seega vabaneb inimene pidevalt, kogu elu jooksul, ainevahetusprodukte ja soojusenergiat, mis tekivad organismis toidu lagunemise ja oksüdeerumise, toidus salvestunud keemilise energia vabanemise ja muundamise tulemusena. Ainevahetuse ja soojuse eralduvad saadused tuleb organismist pidevalt või perioodiliselt eemaldada, säilitades ainevahetuse kvantitatiivse taseme täielikus vastavuses selle füsioloogilise, füüsilise ja vaimse aktiivsuse astmega ning tagades keha ja keskkonna vahetumise tasakaalu. aine ja energia osas.
Igaüks teab, kuidas need inimese põhilised füsioloogilised vajadused igapäevaelus realiseeruvad: kosmoselaeva "planeet Maa" viiemiljardik meeskond saab või toodab kõike oma eluks vajalikku planeedi varudest ja saadustest, mis toidab, joodab. ja riietab neid, aitab kaasa nende arvukuse kasvule ning kaitseb oma atmosfääriga kõiki elusolendeid kosmiliste kiirte kahjulike mõjude eest. Siin on mõned arvud, mis iseloomustavad selgelt inimese peamise "vahetuskaubanduse" ulatust loodusega.
Inimese esimene pidev vajadus on õhku hingata. "Te ei saa õhku sisse hingata," ütleb vene vanasõna. Kui iga inimene vajab päevas keskmiselt 800 g hapnikku, siis kogu Maa elanikkond peaks aastas tarbima 1,5 miljardit tonni hapnikku. Maa atmosfääris on tohutud taastuvad hapnikuvarud: Maa atmosfääri kogumassiga umbes 5 10 15 tonni on hapnikku ligikaudu 1/5, mis on peaaegu 700 tuhat korda suurem kui kogu Maa elanikkonna aastane hapnikutarbimine. . Muidugi kasutab atmosfääri hapnikku lisaks inimestele ka loomamaailm, mis kulub ka muudele oksüdatiivsetele protsessidele, mille ulatus on planeedil tohutu. Vähem intensiivsed ei ole aga ka vastupidised taastumisprotsessid: tänu fotosünteesile seovad taimed maal, meredes ja ookeanides pidevalt oksüdatiivsete protsesside käigus elusorganismide poolt eralduvat süsihappegaasi mitmekesisteks orgaanilisteks ühenditeks koos samaaegse vabanemisega. molekulaarsest hapnikust. Geokeemikute arvutuste kohaselt eraldavad kõik Maa taimed aastas 400 miljardit tonni hapnikku, samas kui seovad 150 miljardit tonni süsinikku (süsinikdioksiidist) 25 miljardi tonni vesinikuga (veest). Üheksa kümnendikku sellest toodangust toodavad veetaimed.
Järelikult lahendatakse inimese õhuhapnikuga varustamise küsimus Maal edukalt peamiselt taimedes toimuvate fotosünteesiprotsesside abil.
Inimese tähtsuselt järgmine vajadus on vesi.
Inimkehas on see keskkond, kus toimub arvukalt metaboolsete protsesside biokeemilisi reaktsioone. Vesi, mis moodustab 2/3 inimese kehakaalust, mängib oma elutegevuse tagamisel tohutut rolli. Vett ei seostata mitte ainult toitainete kehasse sattumise, omastamise, jaotumise ja assimilatsiooniga, vaid ka ainevahetuse lõpp-produktide vabanemisega.
Vesi siseneb inimkehasse joogi ja toiduga. Täiskasvanud inimese kehale vajalik veekogus varieerub 1,5-2-10-15 liitrit päevas ning sõltub tema füüsilisest aktiivsusest ja keskkonnatingimustest. Keha dehüdratsioon või liigne veetarbimise piiramine põhjustab selle funktsioonide järsu katkemise ja mürgistuse ainevahetusproduktidega, eriti lämmastikuga.
Täiendav kogus vett on inimesele vajalik sanitaar- ja majapidamisvajaduste (pesemine, pesemine, tootmine, loomakasvatus jne) tagamiseks. See kogus ületab oluliselt füsioloogilist normi.
Vee hulk Maa pinnal on tohutu, selle maht on üle 13,7 ∙ 10 8 km 3. Joogiks sobiva magevee varu on aga endiselt piiratud. Maa veeringe tagajärjel mandrite pinnale keskmiselt aastas langev sademete hulk (magevesi) on vaid umbes 100 tuhat km 3 (1/5 kogu sademete hulgast Maal). Ja ainult väikest osa sellest kogusest kasutavad inimesed tõhusalt.
Seega võib kosmoselaeva "Maa" veevarusid pidada piiramatuks, kuid puhta magevee tarbimine nõuab säästlikku lähenemist.
Toit teenib inimkeha energiaallikana ja ainetena, mis osalevad koekomponentide sünteesis, rakkude ja nende struktuurielementide uuendamises. Organismis viiakse pidevalt läbi toiduga kaasas olevate valkude, rasvade ja süsivesikute bioloogilise oksüdatsiooni protsesse. Täisväärtuslik toit peaks sisaldama vajalikke koguseid aminohappeid, vitamiine ja mineraalaineid. Toiduained, mis tavaliselt lagunevad seedetraktis ensüümide toimel lihtsamateks madala molekulmassiga ühenditeks (aminohapped, monosahhariidid, rasvhapped ja paljud teised), imenduvad ja kanduvad vere kaudu kogu kehasse. Toidu oksüdatsiooni lõpp-produktideks on kõige sagedamini süsihappegaas ja vesi, mis väljutatakse organismist jääkainetena. Toidu oksüdeerumisel vabanev energia salvestub kehas osaliselt energeetiliselt rikastatud ühendite kujul ning muundatakse osaliselt soojuseks ja hajub keskkond.
Organismile vajalik toidukogus sõltub peamiselt tema kehalise aktiivsuse intensiivsusest. Põhiainevahetuse ehk sellise ainevahetuse energia inimese täielikus puhkeolekus on keskmiselt 1700 kcal ööpäevas (alla 30-aastastel kuni 70 kg kaaluvatel meestel). Sel juhul kulutatakse seda ainult füsioloogiliste protsesside (hingamine, südamefunktsioon, soole peristaltika jne) rakendamiseks ja normaalse kehatemperatuuri (36,6 ° C) püsivuse tagamiseks.
Inimese füüsiline ja vaimne aktiivsus nõuab keha energiakulu suurendamist ja toidu tarbimist. On kindlaks tehtud, et keskmise raskusega vaimse ja füüsilise töö puhul on inimese ööpäevane energiatarbimine ligikaudu 3000 kcal. Sama kalorisisaldus peaks olema inimese igapäevane toit. Dieedi kalorisisaldus arvutatakse ligikaudu iga grammi valkude (4,1 kcal), rasvade (9,3 kcal) ja süsivesikute (4,1 kcal) täielikul oksüdatsioonil eralduva soojuse teadaolevate väärtuste põhjal. Valkude, rasvade ja süsivesikute õige vahekorra toidus on meditsiin paika pannud vastavalt inimese füsioloogilistele vajadustele ja see sisaldab 70–105 g valke, 50–150 g rasvu ja 300–600 g toidus. süsivesikuid dieedi ühe kaloriväärtuse piires. Valkude, rasvade ja süsivesikute toitumise koostise erinevused tekivad reeglina keha füüsilise aktiivsuse muutumise tõttu, kuid sõltuvad ka inimeste harjumustest, rahvuslikest toitumistraditsioonidest, konkreetse toiduaine kättesaadavusest ja loomulikult konkreetsed sotsiaalsed võimalused toitumisvajaduste rahuldamiseks.
Iga toitaine täidab kehas teatud funktsiooni. See kehtib eriti valkude kohta, mis sisaldavad lämmastikku, mis ei kuulu teiste toitainete hulka, kuid on vajalik oma valkude taastamiseks inimkehas. Arvatakse, et täiskasvanud inimese organismis hävib ööpäevas vähemalt 17 g tema enda valke, mis tuleb toiduga taastada. Seetõttu on see valgukogus iga inimese toidus minimaalselt nõutav.
Rasvu ja süsivesikuid saab suures osas üksteisega asendada, kuid teatud piirini.
Tavaline inimtoit katab täielikult organismi valkude, rasvade ja süsivesikute vajaduse ning annab ka vajalikud mineraalained ja vitamiinid.
Erinevalt hapniku (õhu) ja joogivee piiramatust varustatusest, mida planeedil siiski jätkub ja mille tarbimine on rangelt reguleeritud vaid teatud reeglina kuivades piirkondades, on toiduainete tootmine piiratud. loodusliku troofilise (toidu) tsükli madala tootlikkuse tõttu, mis koosneb kolmest põhitasandist: taimed - loomad - inimesed. Tõepoolest, taimed moodustavad biomassi, kasutades ainult 0,2% Maale tuleva päikesevalguse energiast. Taimset biomassi toiduks tarbides kulutavad loomad oma vajadustele mitte rohkem kui 10–12% omasatud energiast. Lõppkokkuvõttes tagab inimene loomset päritolu toitu süües oma keha energiavajaduse väga madala esialgse päikeseenergia kasutuskoefitsiendiga.
Toitumisvajaduste rahuldamine on alati olnud inimese kõige raskem ülesanne. Looduse võimaluste passiivne kasutamine selles suunas on piiratud, kuna suurem osa maakerast on kaetud madala bioloogilise tootlikkusega ookeanide ja kõrbetega. Ainult teatud Maa piirkonnad, mida iseloomustavad stabiilsed soodsad kliimatingimused, tagavad ainete kõrge primaarse tootlikkuse, muide, mis pole inimese toitumisvajaduste seisukohast sugugi alati vastuvõetav. Maa rahvastiku kasv, selle hajumine kõikidele mandritele ja planeedi geograafilistele piirkondadele, sealhulgas ebasoodsate kliimatingimustega aladele, samuti looduslike toiduallikate järkjärguline ammendumine on viinud olukorrani, kus toiduvajadused Maal on rahuldatud. kasvanud universaalseks probleemiks. Tänapäeval arvatakse, et ainuüksi toiduvalgu puudujääk on 15 miljonit tonni aastas. See tähendab, et maailmas on süstemaatiliselt alatoidetud vähemalt 700 miljonit inimest. Ja seda hoolimata sellest, et inimkond 20. sajandi lõpul. seda eristab üldiselt üsna kõrge sotsiaalne korraldus, suured saavutused teaduse, tehnoloogia, tööstuse ja põllumajandustootmise arendamisel, sügav arusaam selle ühtsusest planeedi biosfääri koostises.
Toit on oluline keskkonnategur mitte ainult inimestele, vaid kõigile loomadele. Olenevalt toidu kättesaadavusest, selle mitmekesisusest, kvaliteedist ja kvantiteedist võivad elusorganismide populatsiooni tunnused (sigivus ja suremus, oodatav eluiga, arengukiirus jne) oluliselt muutuda. Nagu allpool näidatud, on elusorganismide vahelised toitumisalased (troofilised) seosed nii ainete biosfäärilise (maapealse) bioloogilise tsükli kui ka tehisökoloogiliste süsteemide, sealhulgas inimeste aluseks.
Maa suudab pakkuda kõike vajalikku sellel pikka aega elavatele inimestele, kui inimkond kulutab planeedi ressursse ratsionaalsemalt ja hoolikamalt, lahendab keskkonnasõbralikud looduse muutmise küsimused, kaotab võidurelvastumise ja teeb lõpu tuumarelvad.
V. I. Vernadsky sõnastatud inimkonna elu toetamise probleemi lahendamise teaduslik alus Maal on Maa biosfääri üleminek noosfääriks, s.o selliseks biosfääriks, mida on teaduslik mõtlemine muutnud ja muudetud nii, et see vastaks kõigile arvuliselt kasvava inimkonna vajadused (mõistuse sfäär). V. I. Vernadsky soovitas, et Maalt tekkinud noosfäär, kui inimene uurib täheümbrust kosmoseruumi, peaks muutuma eriliseks struktuurielement ruumi.
MEESKONNAKOSMOSÜSTEEM – KUNISTIKÖKOSÜSTEEM
Kuidas lahendada kosmoselaeva meeskonnale värske mitmekesise toidu, puhta vee ja elu andva õhuga varustamise probleem? Loomulikult on kõige lihtsam vastus võtta kõik vajalik kaasa. See juhtub lühiajaliste mehitatud lendude puhul.
Lennu kestuse pikenedes on vaja rohkem varusid. Seetõttu on nende ainete taaskasutamiseks vaja läbi viia mõnede tarbitavate ainete (näiteks vee) regenereerimine, inimjäätmete ja mõne laevasüsteemi tehnoloogiliste protsesside jäätmete töötlemine (näiteks regenereeritud süsinikdioksiidi sorbendid). ja vähendada esialgseid reserve.
Ideaalne lahendus näib olevat ainete täieliku (või peaaegu täieliku) ringluse rakendamine piiratud mahus asustatud ruumi "maja". Selline komplekslahendus võib aga olla tulus ja praktiliselt teostatav vaid suurte, üle 1,5 - 3 aasta kestvate kosmoseekspeditsioonide puhul (AM Genin, D. Talbot, 1975). Sellistel ekspeditsioonidel on ainete ringluse loomisel otsustav roll reeglina biosünteesi protsessidel. Meeskonna toidu, vee ja hapnikuga varustamise, samuti ainevahetusproduktide eemaldamise ja töötlemise ning meeskonna elupaiga nõutavate parameetrite säilitamise funktsioonid laeval, jaamas jne on määratud nn elutagamissüsteemidele ( LSS). Kosmosemeeskondade peamiste LSS-tüüpide skemaatiline esitus on näidatud joonisel fig. 1.
 Riis. Joon 1. Kosmosemeeskondade elutagamissüsteemide põhitüüpide skeemid: 1 - süsteem laos (kõik jäätmed eemaldatakse); 2 - ainete osalise füüsikalise ja keemilise taaskasutamise (PCR) süsteem (osa jäätmeid eemaldatakse, osa varusid on võimalik uuendada); 3 - süsteem osalise FCR ja ainete osalise bioloogilise regenereerimisega taimede poolt (BR) jäätmekorrektsiooniseadmega (WK); 4 - ainete täieliku suletud regenereerimisega süsteem (varud on piiratud mikrolisanditega). Nimetused: E – kiirgus- või soojusenergia, IE – energiaallikas, W – jäätmed, BB – bioplokk loomadega, punktiirjoon – valikuline protsess |
Kosmosemeeskondade LSS on kõige keerulisemad kompleksid. Kolm aastakümmet kosmoseajastust on kinnitanud loodud LSS-i piisavat tõhusust ja usaldusväärsust, mis töötas edukalt Nõukogude kosmoselaevadel Vostok ja Sojuz, Ameerika Mercury, Gemini ja Apollo, samuti Salyuti ja Skylabi orbitaaljaamadel. Pardal täiustatud elutagamissüsteemiga uurimiskompleksi "Mir" töö jätkub. Kõik need süsteemid on juba võimaldanud lende enam kui 200 kosmonaudile erinevatest riikidest.
LSS-i ehitus- ja tööpõhimõtted, mida kasutati ja kasutatakse praegu kosmoselendudeks, on laialt tuntud. Need põhinevad füüsikaliste ja keemiliste regenereerimisprotsesside kasutamisel. Samal ajal on endiselt lahtine probleem biosünteesiprotsesside rakendamisel kosmose LSS-is ja veelgi enam kosmoselendude jaoks suletud biotehnilise LSS-i ehitamise probleem.
Selliste süsteemide praktilise rakendamise võimalikkuse ja otstarbekuse kohta üldiselt ja eriti kosmoselaevades on erinevaid, mõnikord lausa vastandlikke seisukohti. Vastuargumentidena tuuakse välja keerukus, teadmiste puudumine, energiamahukus, ebausaldusväärsus, sobimatus jne. Valdav enamus eksperte peab aga kõiki neid probleeme lahendatuks ning biotehnilise LSS-i kasutamist tuleviku suure ruumi osana. asulad, Kuu, planeetide ja planeetidevahelised baasid ja muud kauged maavälised struktuurid – vältimatud.
Meeskonna kaasamine LSS-i koos arvukate bioloogiliste sidemete tehniliste seadmetega, mille toimimine toimub elusaine arengu keeruliste seaduste kohaselt, nõuab kvalitatiivselt uut, ökoloogilist lähenemist biotehnilise LSS-i moodustamisele, milles tuleb saavutada aine- ja energiavoogude stabiilne dünaamiline tasakaal ja järjepidevus kõigis lülides.süsteemid. Selles mõttes tuleks iga elamiskõlblikku kosmoselaeva pidada kunstlikuks ökoloogiliseks süsteemiks.
Mehitatud kosmoselaev sisaldab vähemalt ühte aktiivselt toimivat bioloogilist lüli – inimest (meeskonda) oma mikroflooraga. Samal ajal eksisteerivad inimene ja mikrofloora koostoimes kosmoselaevas kunstlikult loodud keskkonnaga, tagades bioloogilise süsteemi stabiilse dünaamilise tasakaalu aine- ja energiavoogude osas.
Seega on mehitatud kosmoselaev ka siis, kui ainete varudest ja muude bioloogiliste sidemete puudumisel on kosmoselaeva meeskonnale täielik elu tagatud, juba tehislik kosmoseökoloogiline süsteem. See võib olla väliskeskkonnast (kosmosest) aineliselt täielikult või osaliselt isoleeritud, kuid selle energeetiline (soojus)isolatsioon sellest keskkonnast on täielikult välistatud. Pidev energiavahetus keskkonnaga või vähemalt pidev soojuse eemaldamine on iga kunstliku kosmoseökosüsteemi toimimise vajalik tingimus.
21. sajand seab inimkonnale kosmose edasisel uurimisel uued, veelgi ambitsioonikamad ülesanded. (Ilmselt oleks õigem öelda, et inimkond seab need ülesanded 21. sajandisse.) Tulevase kosmoseökosüsteemi konkreetse kuju saab määrata sõltuvalt kosmosestruktuuri eesmärgist ja orbiidist (planeetidevahelised mehitatud kosmoselaevad, maalähedane kosmoselaev). orbitaaljaam, kuubaas, Marsi baas, ehituslik kosmoseplatvorm, asteroididel asuvate elamute kompleks jne), meeskonna suurus, töö kestus, toiteallikas ja tehniline varustus ning loomulikult teatud valmisoleku aste. tehnoloogilised protsessid, sealhulgas kontrollitud biosünteesi protsessid ning aine ja energia kontrollitud muundumine ökosüsteemide bioloogilistes lülides.
Tänapäeval võib öelda, et NSV Liidus ja USA-s olid kõrgetasemelise kosmoseuuringute ülesanded ja programmid riiklikul tasandil määratletud ligikaudu aastani 2000. Järgmise sajandi ülesannete osas räägivad teadlased endiselt prognooside vormis. . Seega näitasid 1984. aastal avaldatud uuringu tulemused (mis viidi läbi 1979. aastal Rand Corporationi töötaja poolt 15 USA ja Suurbritannia juhtiva spetsialisti ankeetküsitluse kaudu) pildi, mis kajastub järgmises tabelis:
| aastat | Lava sisu |
| 2020 –2030 | Kuu ja avakosmose koloniseerimine suurte inimkontingentide poolt (üle 1000 inimese). |
| 2020 – 2071 | Tehisintellekti arendamine. |
| 2024 – 2037 | Esimene mehitatud lend Jupiterisse. |
| 2030 – 2050 | Lennud päikesesüsteemis, kasutades päikesesüsteemi loodusvarasid, sealhulgas kuud. |
| 2045 – 2060 | Mehitamata sondi esimene lend väljaspool päikesesüsteemi. |
| 2045 – 2070 | Esimene mehitatud lend päikesesüsteemi piiridele. |
| 2050 – 2100 | Kontaktide loomine maavälise intelligentsiga. |
Kuulus Ameerika füüsik J. O "Neill, kes tegeleb inimkonna tulevaste kosmoseasulate probleemidega, avaldas juba 1974. aastal oma prognoosi, milles 1988. aastal pidi kosmoses töötama 10 tuhat inimest. See prognoos ei täitunud, kuid tänapäeval arvavad paljud eksperdid, et 1990. aastaks töötab kosmoses pidevalt 50–100 inimest.
Tuntud spetsialist dr Puttkamer (Saksamaa) usub, et perioodi 1990-2000 hakkab iseloomustama maalähedase ruumi asustamise algus ning pärast 2000. aastat peaks olema tagatud kosmoseelanike autonoomia ja ökoloogiliselt suletud elupaik. süsteem tuleks luua.
Arvutused näitavad, et inimese kosmoses viibimise kestuse pikenemisega (kuni mitu aastat), meeskonna arvu suurenemisega ja kosmoseaparaadi kauguse suurenemisega Maast on vaja läbi viia bioloogiline tarbekaupade ja eelkõige toidu regenereerimine otse kosmoselaeva pardal. Samal ajal ei anna bioloogilise LSS-i kasuks tunnistust mitte ainult tehnilised ja majanduslikud (massi- ja energia-) näitajad, vaid ka mitte vähem olulised näitajad, mis näitavad inimese kui tehisruumi ökosüsteemi määrava lüli bioloogilist usaldusväärsust. Selgitame viimast üksikasjalikumalt.
On mitmeid uuritud (ja seni uurimata) inimkeha seoseid elusloodusega, ilma milleta on tema edukas pikaajaline elu võimatu. Nende hulka kuuluvad näiteks selle looduslikud troofilised suhted, mida ei saa täielikult asendada laeval hoitavatest varudest saadava toiduga. Niisiis on osa inimesele kohustuslikult vajalikke vitamiine (toidukarotenoidid, askorbiinhape jne) säilitamise ajal ebastabiilsed: maismaatingimustes on säilivusaeg näiteks vitamiinidel C ja P 5-6 kuud. Kosmiliste tingimuste mõjul toimub aja jooksul vitamiinide keemiline ümberstruktureerimine, mille tulemusena kaotavad nad oma füsioloogilise aktiivsuse. Sel põhjusel tuleb neid kas pidevalt bioloogiliselt paljundada (värske toidu, näiteks juurviljade näol) või regulaarselt Maalt kohale toimetada, nagu juhtus iga-aastase rekordilise kosmoselennu ajal Miri jaamas. Lisaks on meditsiinilised ja bioloogilised uuringud näidanud, et kosmoselendude tingimustes on astronautidel vaja suurendada vitamiinide tarbimist. Seega kasvas Skylab programmi lendude ajal astronautide B-rühma vitamiinide ja C-vitamiini (askorbiinhape) tarbimine ligikaudu 10 korda, A-vitamiini (akseroftool) tarbimine - 2 korda, D-vitamiini (kaltsiferool) - veidi suurem kui maakeral. norm. Nüüdseks on ka kindlaks tehtud, et bioloogilist päritolu vitamiinidel on selged eelised samadest vitamiinidest keemilisel teel saadud puhastatud preparaatide ees. Selle põhjuseks on asjaolu, et vitamiine leidub biomassi koostises koos mitmete teiste ainetega, sealhulgas stimulantidega, ja süües on neid rohkem. tõhus tegevus elusorganismi ainevahetuse kohta.
Teadaolevalt sisaldavad looduslikud taimsed toidud kõiki taimseid valke (aminohappeid), lipiide (asendamatuid rasvhappeid), kogu kompleksi veeslahustuvaid ja osaliselt rasvlahustuvaid vitamiine, süsivesikuid, bioloogiliselt aktiivseid aineid ja kiudaineid, mida inimene vajab. Nende toidukomponentide roll ainevahetuses on tohutu (V. I. Yazdovsky, 1988). Loomulikult ei saa olemasolev ruumiratsioonide valmistamise protsess, mis hõlmab rangeid töötlemisrežiime (mehaaniline, termiline, keemiline), muud kui vähendada üksikute oluliste toidukomponentide efektiivsust inimese ainevahetuses.
Ilmselt tuleks arvestada ka kosmilise radioaktiivse kiirguse võimaliku kumulatiivse mõjuga pikalt laevas hoitavatele toiduainetele.
Järelikult ei piisa ainult toidu kalorisisalduse täitmisest kehtestatud normiga, vaid astronaudi toit peab olema võimalikult mitmekesine ja värske.
Prantsuse bioloogide avastus puhta vee võime kohta "meelde jätta" bioloogiliselt aktiivsete molekulide mõningaid omadusi ja seejärel edastada see teave elavatele rakkudele näib olevat hakanud selgitama iidset rahvamuinasjutu tarkust "elava" ja "surnud" vee kohta. . Kui see avastus kinnitust leiab, tekib pikaajaliste kosmoselaevade vee regenereerimise põhiprobleem: kas puhastatud või füüsikalis-keemiliste meetoditega mitme isoleeritud tsükli jooksul saadud vesi on võimeline asendama bioloogiliselt aktiivset "elavat" vett?
Samuti võib eeldada, et inimkehale, mille kõik põlvkonnad on elanud biogeense päritoluga atmosfääris, mille koostis on elanud biogeense päritoluga atmosfääris, ei ole ükskõikne keemilisel teel saadud tehisgaasilise elupaigaga kosmoseaparaadi pikaajaline viibimine isoleeritud mahus. on mitmekesisem. Vaevalt on juhuslik, et elusorganismidel on võime eristada mõnede keemiliste elementide isotoope (sealhulgas stabiilsed hapniku isotoobid O 16, O 17, O 18), samuti tabada väikest erinevust isotoopide keemiliste sidemete tugevuses. On teada, et hapniku aatommass sõltub selle tootmise allikast: õhust saadav hapnik on veidi raskem kui vee hapnik. Elusorganismid "tunnetavad" seda erinevust, kuigi seda saab kvantitatiivselt määrata vaid spetsiaalsete instrumentide, massispektromeetrite abil. Keemiliselt puhta hapniku pikaajaline hingamine kosmoselennu tingimustes võib põhjustada intensiivistumist oksüdatiivsed protsessid inimkehas ja patoloogilistele muutustele kopsukoes.
Tuleb märkida, et õhul, mis on biogeenset päritolu ja rikastatud taimede fütontsiididega, on inimese jaoks eriline roll. Fütontsiidid on bioloogiliselt aktiivsed ained, mida pidevalt moodustavad taimed, mis tapavad või suruvad alla baktereid, mikroskoopilisi seeni ja algloomi. Fütontsiidide esinemine välisõhus on reeglina kasulik inimorganismile ja tekitab õhus värskustunde. Nii rõhutas näiteks Skylabi jaama kolmanda Ameerika meeskonna komandör, et tema meeskond hingas mõnuga sisse sidrunifütontsiididega rikastatud õhku.
Teadaolevatel juhtudel, kui inimesed on nakatunud kliimaseadmetesse settivate bakteritega ("leegionäride haigus"), on fütontsiidid tugevad desinfitseerimisvahendid ja suletud ökosüsteemide kliimaseadmete puhul võivad nad sellise võimaluse välistada. Nagu näitasid M. T. Dmitrijevi uuringud, võivad fütontsiidid toimida mitte ainult otseselt, vaid ka kaudselt, suurendades õhu bakteritsiidset toimet ja suurendades inimkehale soodsat mõju avaldavate kergete negatiivsete ioonide sisaldust. Seega väheneb soovimatute raskete positiivsete ioonide arv õhus. Fütontsiidid, mis on omamoodi taimede kaitsefunktsiooni kandjad keskkonna mikrofloora eest, ei satu mitte ainult taime ümbritsevasse õhku, vaid sisalduvad ka taimede endi biomassis. Küüslauk, sibul, sinep ja paljud teised taimed on fütontsiidide poolest rikkaimad. Neid süües viib inimene läbi märkamatu, kuid väga tõhusa võitluse organismi sattuva nakkusliku mikrofloora vastu.
Rääkides bioloogiliste sidemete tähtsusest inimese jaoks tehisruumi ökosüsteemis, ei saa jätta märkimata kõrgemate taimede erilist positiivset rolli astronautide emotsionaalse stressi vähendamise ja psühholoogilise mugavuse parandamise tegurina. Kõik astronaudid, kes pidid kosmosejaamades kõrgemate taimedega katseid tegema, olid oma hinnangutes üksmeelsed. Niisiis hoolitsesid L. Popov ja V. Ryumin orbitaaljaamas Saljut-6 taimede eest hästi katsekasvuhoonetes Malahhiit (troopiliste orhideedega sisevitraažkasvuhoone) ja Oasis (köögivilja- ja vitamiinitaimekultuuridega eksperimentaalne kasvuhoone). Kasteti, jälgiti taimede kasvu ja arengut, tehti rutiinset ülevaatust ja töötati kasvuhoonete tehnilise osaga ning imetleti harvadel puhkehetkedel lihtsalt orhideede elavat interjööri. «Bioloogiauuringud on meile palju rõõmu toonud. Meil oli näiteks malahhiidi installatsioon orhideedega ja kui me selle Maale saatsime, tundsime mingit kaotust, jaamas muutus ebamugavaks. Nii ütles pärast maandumist L. Popov. „Malahhiitiga kosmosekompleksis töötamine on meile alati erilist rahuldust pakkunud,“ lisas V. Ryumin L. Popovale.
14. oktoobril 1985 toimunud pressikonverentsil, mis oli pühendatud kosmonautide V. Džanibekovi ja G. Gretško orbiidil Saljut-7 pardal tehtud töö tulemustele, ütles pardainsener (G. Grechko): „Igale elavale asjale. , iga kosmose võrse suhtes on suhtumine eriline, ettevaatlik: meenutavad Maad, rõõmustavad.
Seega vajavad astronaudid kõrgemaid taimi mitte ainult lülina tehisökoloogilises süsteemis või teadusliku uurimistöö objektina, vaid ka tuttava maise keskkonna esteetilise elemendina, astronaudi elava kaaslasena tema pikal, raskel ja intensiivsel missioonil. Ja eks S. P. Korolev pidas silmas just seda esteetilist poolt ja kasvuhoone psühholoogilist rolli kosmoselaeva pardal, kui ta eelseisvateks kosmoselendudeks valmistudes sõnastas teise küsimusena: „Mis teil pardal olla saab. raske planeetidevaheline laev või rasked orbitaaljaamad (või kasvuhoones) dekoratiivtaimedest, mis nõuavad minimaalselt kulusid ja hoolt? Ja esimene vastus sellele küsimusele on juba täna saadud: need on troopilised orhideed, kellele tundub kosmosejaama atmosfäär meeldivat.
Arutades pikaajaliste kosmoselendude usaldusväärsuse ja ohutuse tagamise probleemi, osutavad akadeemik O. G. Gazenko ja kaasautorid (1987) õigesti, et „mõnikord muutub teadvustamatu vaimne vajadus elusloodusega kontakti järele tõeliseks jõuks, mida toetavad ranged teaduslikud faktid, mis annavad tunnistust tehisbiosfääride maksimaalse lähendamise majanduslikust tõhususest ja tehnilisest teostatavusest looduskeskkond mis tõstis inimkonda. Sellest vaatenurgast tundub strateegiline suund bioloogilise LSS-i loomisele väga õige olevat. Ja edasi: “Katse inimene loodusest isoleerida on äärmiselt ebaökonoomne. Bioloogilised süsteemid, paremini kui ükski teine, tagavad ainete ringluse suurtes kosmoseasulates.
Bioloogiliste süsteemide üks põhilisi eeliseid võrreldes mittebioloogilistega on nende stabiilse toimimise potentsiaalne võimalus minimaalse kontrolli- ja juhtimisfunktsioonide ulatusega (E. Ya. Shepelev, 1975). See eelis tuleneb keskkonnaga pidevas koostoimes olevate elussüsteemide loomulikust võimest korrigeerida ellujäämisprotsesse kõigil bioloogilistel tasanditel - alates ühe organismi rakust kuni populatsioonide ja biogeotsenoosideni - olenemata kahjustuse astmest. inimese arusaam nendest protsessidest igal ajahetkel ja tema võime või võimetus (õigemini valmisolek) teha tehisökosüsteemis ainete ringlemise protsessis vajalikke kohandusi.
Tehisruumi ökosüsteemide keerukuse aste võib olla erinev: alates kõige lihtsamatest varudest, ainete füüsikalise ja keemilise regenereerimise ning üksikute bioloogiliste sidemete kasutamisega süsteemidest kuni praktiliselt suletud bioloogilise ainete tsükliga süsteemideni. Bioloogiliste lülide ja troofiliste ahelate arv, aga ka isendite arv igas lülis, nagu juba mainitud, oleneb kosmoselaeva eesmärgist ja tehnilistest omadustest.
Tehisruumi ökosüsteemi, sealhulgas bioloogiliste seoste efektiivsust ja põhiparameetreid saab ette määrata ja arvutada looduses leiduvate ainete bioloogilise ringluse protsesside kvantitatiivse analüüsi ja kohalike looduslike ökosüsteemide energiatõhususe hinnangu alusel. Järgmine jaotis on pühendatud sellele küsimusele.
AINETE RELEE BIOLOOGILISES TÜKLIS
Bioloogiliste seoste alusel moodustunud suletud ökoloogilist süsteemi tuleks käsitleda kui ideaalset LSS-i tulevaste suurte kosmoseasulate jaoks. Selliste süsteemide loomine on täna veel arvutuste, teoreetiliste konstruktsioonide ja maapealse katsetamise etapis, et siduda individuaalsed bioloogilised sidemed katsemeeskonnaga.
Eksperimentaalse biotehnilise LSS-i väljatöötamise põhieesmärk on saavutada stabiilne, praktiliselt suletud ainete ringlus ökosüsteemis koos meeskonnaga ja kunstlikult moodustatud biotsenoosi suhteliselt sõltumatu olemasolu pikaajalise dünaamilise tasakaalu režiimis, mis põhineb valdavalt sisekontrollimehhanismidel. . Seetõttu on vaja põhjalikult uurida Maa biosfääri ainete bioloogilise tsükli protsesse, et kasutada neist kõige tõhusamat biotehnilises LSS-is.
Bioloogiline tsükkel looduses on ainete ja keemiliste elementide ringteatejooks (tsirkulatsioon) pinnase, taimede, loomade ja mikroorganismide vahel. Selle olemus on järgmine. Taimed (autotroofsed organismid) neelavad energiavaeseid elutu looduse mineraalaineid ja atmosfääri süsihappegaasi. Need ained sisalduvad taimeorganismide orgaanilises biomassi koostises, millel on suur energiavaru, mis saadakse Päikese kiirgusenergia muundamisel fotosünteesi protsessis. Taimne biomass muundub toiduahelate kaudu looma- ja inimorganismides (heterotroofsed organismid), kasutades mõnda neist ainetest ja energiat oma kasvuks, arenguks ja paljunemiseks. Jäätmeid mineraliseerivad organismid-hävitajad (hävitajad või lagundajad), sealhulgas bakterid, seened, algloomad ja organismid, mis toituvad surnud orgaanilisest ainest. Lõpuks suunatakse ained ja keemilised elemendid tagasi pinnasesse, atmosfääri või veekeskkond. Selle tulemusena toimub ainete ja keemiliste elementide mitmetsükliline ränne läbi elusorganismide hargnenud ahela. See ränne, mida pidevalt toetab Päikese energia, moodustab bioloogilise tsükli.
Üldise bioloogilise tsükli üksikute tsüklite reprodutseerimise aste ulatub 90–98%, seetõttu saab selle täielikust isolatsioonist rääkida ainult tingimuslikult. Biosfääri peamised tsüklid on süsiniku, lämmastiku, hapniku, fosfori, väävli ja teiste biogeensete elementide tsüklid.
Looduslik bioloogiline tsükkel hõlmab nii elusaid kui ka eluta aineid.
Elusaine on biogeenne, kuna see tekib ainult Maal juba eksisteerivate elusorganismide paljunemise teel. Biosfääris leiduv elutu aine võib olla kas biogeense päritoluga (puude langenud koor ja lehed, valminud ja taimest eraldunud viljad, lülijalgsete kitiinsed katted, loomade sarved, hambad ja karvad, lindude suled, loomade väljaheited jne. .) ja abiogeensed (aktiivsete vulkaanide heitgaasid, maakera sisemusest eralduvad gaasid).
Planeedi elusaine moodustab oma massi järgi tähtsusetu osa biosfäärist: kogu Maa biomass kuivkaalus moodustab vaid sajatuhandik protsendi maakoore massist (2 ∙ 10 19 tonni). Kuid just elusaine mängib otsustavat rolli maakoore "kultuurilise" kihi kujunemisel, ainete ja keemiliste elementide laiaulatusliku teatevõistluse läbiviimisel tohutu hulga elusorganismide vahel. Selle põhjuseks on mitmed elusaine eripärad.
Ainevahetus (ainevahetus). Ainevahetus elusorganismis on kõigi aine ja energia muundumiste kogum kehas pidevalt toimuvate biokeemiliste reaktsioonide protsessis.
Pidev ainete vahetus elusorganismi ja selle keskkonna vahel on elu kõige olulisem tunnus.
Organismi väliskeskkonnaga toimuva ainevahetuse põhinäitajad on toidu kogus, koostis ja kalorisisaldus, elusorganismi poolt tarbitud vee ja hapniku hulk, samuti see, mil määral organism neid aineid ja energiat tarbib. toit. Ainevahetus põhineb assimilatsiooni (väljastpoolt kehasse sisenevate ainete muundumine) ja dissimilatsiooni (orgaaniliste ainete lagunemine, mis on põhjustatud vajadusest vabastada energiat keha eluks) protsessidel.
Termodünaamiline mittetasakaaluline stabiilsus. Termodünaamika teise seaduse (alguse) kohaselt ei piisa töö tegemiseks ainult energia olemasolust, vaid vajalik on ka potentsiaalse erinevuse ehk energiatasemete olemasolu. Entroopia mõõdab potentsiaalsete erinevuste "kadu" mis tahes energiasüsteemi poolt ja vastavalt sellele selle süsteemi töövõime kaotust.
Elus looduses toimuvates protsessides toob töö teostamine kaasa süsteemi entroopia suurenemise. Niisiis määrab soojusülekande jaoks protsessi suund üheselt termodünaamika teise seaduse: kuumemast kehast vähem kuumutatud kehani. Null temperatuuride erinevusega süsteemis (kehade samadel temperatuuridel) täheldatakse maksimaalset entroopiat.
Elus aine, elusorganismid, erinevalt elutust loodusest, on sellele seadusele vastu. Kunagi tasakaalus olles, teevad nad pidevalt tööd selle kehtestamise vastu, mis näib olevat õiguspäraselt toimuma vastavusena olemasolevatele välistingimustele. Elusorganismid kulutavad pidevalt energiat, et säilitada elussüsteemi kindlat seisundit. Seda kõige olulisemat tunnust tuntakse kirjanduses kui Baueri printsiipi ehk elussüsteemide stabiilse mittetasakaalu printsiipi. See põhimõte näitab, et elusorganismid on avatud mittetasakaalulised süsteemid, mis erinevad elututest selle poolest, et nad arenevad entroopia vähenemise suunas.
See tunnus on iseloomulik kogu biosfäärile, mis on ühtlasi ka mittetasakaaluline dünaamiline süsteem. Süsteemi elusaine on tohutu potentsiaalse energia kandja,
Isepaljunemise võime ja kõrge biomassi akumulatsiooni intensiivsus. Elusainet iseloomustab pidev soov oma isendite arvu suurendada, paljuneda. Elusaine, sealhulgas inimene, kipub täitma kogu eluks vastuvõetava ruumi. Elusorganismide paljunemise intensiivsus, nende kasv ja biomassi kogunemine on üsna kõrge. Elusorganismide paljunemise kiirus on reeglina pöördvõrdeline nende suurusega. Elusorganismide suuruse mitmekesisus on veel üks eluslooduse tunnusjoon.
Elusorganismide metaboolsete reaktsioonide kõrge kiirus, mis on kolm kuni neli suurusjärku kõrgem kui eluta looduse reaktsioonide kiirus, on tingitud bioloogiliste kiirendite, ensüümide, osalemisest ainevahetusprotsessides. Iga biomassiühiku kasvamiseks või energiaühiku akumuleerimiseks peab elusorganism aga töötlema algmassi kogustes, mis on akumuleeritud massist üks või kaks suurusjärku suuremad.
Mitmekesisuse, uuenemise ja evolutsioonivõime. Biosfääri elusainet iseloomustavad erinevad, kuid väga lühikesed (kosmilises mastaabis) elutsüklid. Elusolendite eluiga ulatub mõnest tunnist (ja isegi minutist) sadade aastateni. Organismid läbivad oma elutegevuse käigus litosfääri, hüdrosfääri ja atmosfääri keemiliste elementide aatomeid, sorteerides neid ja sidudes keemilisi elemente teatud tüüpi organismide biomassi spetsiifiliste ainetena. Samal ajal isegi biokeemilise ühtsuse ja ühtsuse raames orgaaniline maailm(kõik kaasaegsed elusorganismid on ehitatud peamiselt valkudest) elusloodust eristab tohutu morfoloogiline mitmekesisus ja ainevormide mitmekesisus. Kokku on elusainet enam kui 2 miljonit orgaanilist ühendit. Võrdluseks märgime, et elutu aine looduslike ühendite (mineraalide) arv on vaid umbes 2 tuhat. Suur on ka eluslooduse morfoloogiline mitmekesisus: Maa taimeriik hõlmab peaaegu 500 tuhat liiki ja loomad - 1 miljon 500 tuhat liiki. .
Ühe elutsükli jooksul tekkinud elusorganismil on piiratud kohanemisvõime keskkonnatingimuste muutustega. Elusorganismide suhteliselt lühike elutsükkel aitab aga kaasa nende pidevale uuenemisele põlvest põlve, kandes geneetilise päriliku aparaadi kaudu edasi iga põlvkonna kogutud teavet ja võttes seda teavet arvesse järgmine põlvkond. Sellest vaatenurgast on ühe põlvkonna organismide lühike eluiga hind, mida nad maksavad liigi kui terviku püsimajäämise vajaduse eest pidevalt muutuvas keskkonnas.
Evolutsiooniprotsess on iseloomulik peamiselt kõrgematele organismidele.
Olemise kollektiivsus. Elusaine eksisteerib Maal tegelikult biotsenooside, mitte eraldi isoleeritud liikide (populatsioonide) kujul. Populatsioonide seos tuleneb nende troofilisest (toidu)sõltuvusest üksteisest, ilma milleta on nende liikide olemasolu võimatu.
Need on ainete biosfääri bioloogilises tsüklis osaleva elusaine peamised kvalitatiivsed tunnused. Kvantitatiivses plaanis on biomassi akumuleerumise intensiivsus biosfääris selline, et keskmiselt iga kaheksa aasta järel uueneb kogu Maa biosfääri elusaine. Olles oma elutsükli läbinud, tagastavad organismid loodusesse kõik, mis nad sealt elu jooksul võtsid.
Vene geoloogi A. V. Lapo (1979) sõnastatud biosfääri elusaine põhifunktsioonid hõlmavad energiat (biosüntees energia kogunemise ja energia muundamisega troofilistes ahelates), kontsentreerimist (aine selektiivne akumuleerumine), hävitavat (mineraliseerimine ja ettevalmistamine). ainete tsüklis osalemiseks ), keskkonda moodustavate (söötme füüsikalis-keemiliste parameetrite muutused) ja transpordi (aineülekanne) funktsioonid.
KAS ÖKOSÜSTEEMID ON TÕHUSUSED?
Proovime nüüd vastata küsimusele: kas ainete bioloogilise tsükli efektiivsust on võimalik hinnata inimese kui selle tsükli peamise troofilise lüli toitumisvajaduste rahuldamise seisukohast?
Ligikaudse vastuse püstitatud küsimusele saab bioloogilise tsükli protsesside analüüsi ning looduslike ökosüsteemide energiaülekande ja tootlikkuse uurimise energeetikakäsitluse põhjal. Tõepoolest, kui tsirkulatsiooni ained alluvad pidevale kvalitatiivsele muutusele, siis nende ainete energia ei kao, vaid jaotub suunatud vooludena. Bioloogilise tsükli ühelt troofiliselt tasemelt teisele üleminekul biokeemiline energia muutub järk-järgult ja hajub. Aine energia muundumine troofilistel tasanditel ei toimu meelevaldselt, vaid vastavalt teadaolevatele mustritele ja seetõttu on see teatud biogeocenoosi piires kontrollitav.
Mõiste "biogeocenoos" on sarnane "ökosüsteemi" mõistega, kuid esimene kannab endas rangemat semantilist koormust. Kui ökosüsteemiks nimetatakse peaaegu iga autonoomselt eksisteerivat looduslikku või tehislikku biokompleksi (sipelgapesa, akvaarium, soo, surnud puu tüvi, mets, järv, ookean, Maa biosfäär, kosmoselaeva kabiin jne), siis biogeocenoos, mis on üks kvalitatiivseid. ökosüsteemi tasemed , määratakse kindlaks selle kohustusliku taimekoosluse piiridega (fütotsenoos). Ökosüsteem, nagu iga stabiilne elusorganismide kogum, mis omavahel suhtleb, on kategooria, mis on kohaldatav igale bioloogilisele süsteemile ainult organismiülesel tasandil, st üks organism ei saa olla ökosüsteem.
Ainete bioloogiline tsükkel on maakera biogeocenoosi lahutamatu osa. Spetsiifiliste lokaalsete biogeotsenooside osana on ainete bioloogiline tsükkel võimalik, kuid mitte vajalik.
Biogeocenoosis kaasnevad troofiliste ühendustega alati energiaühendused. Kokkuvõttes moodustavad nad igasuguse biogeocenoosi aluse. Üldjuhul saab eristada viit biogeocenoosi troofilist taset (vt tabel ja joonis 2), mille kaudu kõik selle komponendid jaotuvad järjestikku mööda ahelat. Tavaliselt moodustub biogeotsenoosides mitu sellist ahelat, mis mitu korda hargnedes ja ristudes moodustavad kompleksseid toidu- (troofilisi) võrgustikke.
Troofilised tasemed ja toiduahelad biogeocenoosis
Esimese troofilise taseme organismid - esmatootjad, mida nimetatakse autotroofideks (isetoitvad), sealhulgas mikroorganismid ja kõrgemad taimed, viivad läbi orgaaniliste ainete sünteesi anorgaanilistest ainetest. Autotroofid kasutavad selle protsessi energiaallikana kas päikesevalgust (fototroofid) või teatud mineraalsete ühendite (kemotroofid) oksüdatsioonienergiat. Fototroofid saavad sünteesiks vajalikku süsinikku süsihappegaasist.
Tavaliselt võib roheliste taimede (madalama ja kõrgema) fotosünteesi protsessi kirjeldada kui järgmist keemilist reaktsiooni:
Lõppkokkuvõttes sünteesitakse energiavaestest anorgaanilistest ainetest (süsinikdioksiid, vesi, mineraalsoolad, mikroelemendid) orgaanilist ainet (peamiselt süsivesikuid), mis on talletunud energia kandja. keemilised sidemed moodustunud aine. Selles reaktsioonis on aine ühe grammi molekuli (180 g glükoosi) moodustamiseks vaja 673 kcal päikeseenergiat.
Fotosünteesi efektiivsus sõltub otseselt taimede valguskiirguse intensiivsusest. Keskmiselt on kiirgusega päikeseenergia hulk Maa pinnal umbes 130 W/m 2 . Samal ajal on ainult osa lainepikkuste vahemikus 0,38 kuni 0,71 mikronit sisalduvast kiirgusest fotosünteetiliselt aktiivne. Märkimisväärne osa mikrovetikatega taimelehele või veekihile langevast kiirgusest peegeldub või läbib lehte või kihti kasutult ning neeldunud kiirgus kulub taime transpiratsioonil enamasti vee aurustumisele.
Selle tulemusena on kogu maakera taimkatte fotosünteesiprotsessi keskmine energiatõhusus umbes 0,3% Maale siseneva päikesevalguse energiast. Roheliste taimede kasvuks soodsates tingimustes ja inimese abiga suudavad üksikud taimeistandused valgusenergiat siduda 5-10% efektiivsusega.
Järgmiste troofiliste tasemete organismid (tarbijad), mis koosnevad heterotroofsetest (loomsetest) organismidest, tagavad lõpuks oma elatise esimesel troofilisel tasemel kogunenud taimse biomassi arvelt. Taimses biomassis talletatud keemilist energiat saab vabastada, muundada soojusenergiaks ja hajutada keskkonda süsivesikute hapnikuga taasühendamise protsessis. Kasutades taimset biomassi toiduna, oksüdeerivad loomad selle hingamise ajal. Sel juhul toimub fotosünteesile vastupidine protsess, mille käigus vabaneb toidu energia ja kulutatakse see teatud efektiivsusega heterotroofse organismi kasvule ja elutegevusele.
Kvantitatiivses mõttes peaks taimede biomass biogeocenoosis "ületama" loomset biomassi, tavaliselt vähemalt kahe suurusjärgu võrra. Seega ei ületa loomade kogu biomass maakera maal 1–3% selle taimsest biomassist.
Heterotroofse organismi energiavahetuse intensiivsus sõltub selle massist. Keha suuruse suurenemisega väheneb märgatavalt ainevahetuse intensiivsus, arvutatuna kaaluühiku kohta ja väljendatuna ajaühikus imendunud hapniku koguses. Samal ajal on suhtelise puhkeseisundis (standardainevahetus) looma ainevahetuse intensiivsuse sõltuvus tema massist, millel on funktsioon. y \u003d Ah k (X- looma kaal, A Ja k- koefitsiendid), osutub kehtivaks nii sama liigi organismide puhul, mis muudavad oma suurust kasvuprotsessis, kui ka erineva kaaluga loomadele, kes esindavad teatud rühma või klassi.
Samas erinevad erinevate loomatruppide ainevahetuse taseme näitajad üksteisest juba oluliselt. Need erinevused on eriti olulised aktiivse ainevahetusega loomade puhul, keda iseloomustavad energiakulud lihaste tööks, eriti motoorsete funktsioonide jaoks.
Loomorganismi (mis tahes taseme tarbija) energiabilanssi teatud aja jooksul saab üldjuhul väljendada järgmise võrdsusega:
E = E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 ,
Kus E- toidu energia (kalorite sisaldus) (kcal päevas), E 1 - põhivahetuse energia, E 2 - keha energiatarbimine, E 3 - keha "puhaste" toodete energia, E 4 - kasutamata toiduainete energia, E 5 - keha väljaheidete ja väljaheidete energia.
Toit on ainuke looma ja inimese organismi normaalse energia allikas, mis tagab tema elutegevuse. Mõiste "toit" on erinevate loomorganismide jaoks erineva kvalitatiivse sisuga ja hõlmab ainult neid aineid, mida antud elusorganism tarbib ja kasutab. on talle vajalikud.
Väärtus E inimese jaoks on keskmiselt 2500 kcal päevas. baasainevahetusenergia E 1 tähistab ainevahetuse energiat keha täieliku puhkeolekus ja seedimisprotsesside puudumisel. Seda kulutatakse kehas elu säilitamiseks, see on kehapinna suuruse funktsioon ja muundub keha poolt keskkonda eralduvaks soojuseks. Kvantitatiivsed näitajad E 1 väljendatakse tavaliselt konkreetsetes ühikutes, mis on seotud 1 kg massi või 1 m 2 kehapinnaga. Jah, inimese jaoks E 1 on 32,1 kcal päevas 1 kg kehakaalu kohta. Pindalaühiku kohta E 1 erinevad organismid (imetajad) on peaaegu samad.
Komponent E 2 sisaldab keha energiatarbimist termoregulatsiooniks ümbritseva õhu temperatuuri muutumisel, samuti erinevat tüüpi keha tegevused ja töö: närimine, toidu seedimine ja omastamine, lihaste töö keha liikumise ajal jne. E 2 mõjutab oluliselt ümbritseva õhu temperatuur. Kui temperatuur tõuseb ja langeb keha jaoks optimaalsest tasemest, on selle reguleerimiseks vaja täiendavaid energiakulusid. Püsiva kehatemperatuuri reguleerimise protsess on eriti arenenud soojaverelistel loomadel ja inimestel.
Komponent E 3 sisaldab kahte osa: keha enda biomassi (või populatsiooni) kasvuenergiat ja lisatootmise energiat.
Oma biomassi suurenemine toimub reeglina nii noorel kasvaval, pidevalt kaalus kasvaval organismil, kui ka varutoitaineid moodustavas organismis. See komponendi osa E 3 võib olla võrdne nulliga ja võtta ka toidupuuduse korral negatiivseid väärtusi (keha kaotab kaalu).
Lisatootmise energia peitub organismi poolt toodetavates ainetes paljunemiseks, kaitseks vaenlaste eest jne.
Iga üksikisik on piiratud tema elu jooksul loodud toodete minimaalse kogusega. Suhteliselt kõrgeks sekundaarsete toodete loomise näitajaks võib pidada 10 - 15% (tarbitud söödast) näitajat, mis on tüüpiline näiteks jaaniussidele. Sama näitaja imetajatel, kes kulutavad termoregulatsioonile märkimisväärse koguse energiat, on 1–2% tasemel.
Komponent E 4 - see on toidu ainetes sisalduv energia, mida keha ei kasutanud ja mis ühel või teisel põhjusel kehasse ei sattunud.
Energia E Toidu mittetäieliku seeduvuse ja assimilatsiooni tagajärjel organismi eritumises sisalduv sisaldus on 30–60% (suurtel kabiloomadel) kuni 1–20% (närilistel).
Loomorganismi energia muundamise efektiivsuse määrab kvantitatiivselt neto(teise)toodangu suhe tarbitud toidu koguhulka või netotoodangu suhe seeditud toidu hulka. Toiduahelas on iga troofilise lüli (taseme) efektiivsus (COP) keskmiselt umbes 10%. See tähendab, et toidueesmärgi igal järgneval troofilisel tasemel moodustuvad tooted, mis kalorite (või masside) poolest ei ületa 10% eelmise energiast. Selliste näitajate juures on primaarenergia kasutamise üldine efektiivsus neljatasandilise ökosüsteemi toiduahelas murdosa protsendist: keskmiselt vaid 0,001%.
Vaatamata toodete taastootmise üldise efektiivsuse näiliselt madalale väärtusele tagab suurem osa Maa elanikkonnast end täielikult tasakaalustatud toitumisega mitte ainult esmaste, vaid ka sekundaarsete tootjate kaudu. Mis puutub elusorganismi eraldi, siis mõnel neist on toidu (energia) kasutamise efektiivsus üsna kõrge ja ületab paljude tehniliste vahendite efektiivsust. Näiteks seab siga 20% tarbitud toiduenergiast kaloririkkaks lihaks.
Tarbijate toiduenergia kasutamise efektiivsust hinnatakse ökoloogias tavaliselt ökoloogiliste energiapüramiidide abil. Selliste püramiidide olemus seisneb toiduahela lülide visuaalses kujutamises üksteise peal asuvate ristkülikute allutatud paigutuse kujul, mille pikkus või pindala vastab vastava troofilise taseme energiaekvivalendile. ajaühiku kohta. Toiduahelate iseloomustamiseks kasutatakse ka arvude püramiide (ristkülikute pindalad vastavad isendite arvule toiduahela igal tasandil) ja biomassi püramiide (sama kehtib ka organismide kogubiomassi hulga kohta igal tasandil).
Kõige täielikuma pildi annab aga energiate püramiid funktsionaalne organisatsioon bioloogilisi kooslusi konkreetses toiduahelas, kuna see võimaldab võtta arvesse toidu biomassi liikumise dünaamikat selles ahelas.
KUNISTLIKUD JA LOODUSLIKUD BIOSFEERI ÖKOSÜSTEEMID: SARASUSED JA ERINEVUSED
K. E. Tsiolkovski tegi esimesena ettepaneku luua kosmoseraketis kõigi meeskonna eluks vajalike ainete suletud ringlussüsteem, s.o suletud ökosüsteem. Ta uskus, et miniatuurses kosmoselaevas tuleks reprodutseerida kõik peamised Maa biosfääris toimuvad ainete muundumisprotsessid. Kuid peaaegu pool sajandit eksisteeris see ettepanek ulme hüpoteesina.
Praktiline töö kunstlike kosmoseökosüsteemide loomisel, mis põhinevad ainete bioloogilise tsükli protsessidel USA-s, NSV Liidus ja mõnes teises riigis kiiresti arenenud 50ndate lõpus ja 60ndate alguses. Kahtlemata aitasid seda kaasa kosmonautika edusammud, mis avasid kosmoseuuringute ajastu esimese kunstliku Maa satelliidi startimisega 1957. aastal.
Järgnevatel aastatel, kui neid töid laiendati ja süvendati, võis enamik teadlasi olla veendunud, et püstitatud probleem osutus palju keerulisemaks, kui algselt arvati. See nõudis mitte ainult maapealseid, vaid ka kosmoseuuringuid, mis omakorda nõudsid märkimisväärseid materiaalseid ja rahalisi kulutusi ning mida takistas suurte kosmoselaevade või uurimisjaamade puudumine. Sellegipoolest loodi NSV Liidus sel perioodil ökosüsteemidest eraldi maapealsed eksperimentaalsed proovid, kaasates nende süsteemide ainete praegusesse ringlusse mõned bioloogilised sidemed ja inimesed. Samuti viidi läbi teadusuuringute kompleks, et töötada välja tehnoloogiad bioloogiliste objektide kultiveerimiseks kaaluta olekus kosmosesatelliitide, laevade ja jaamade pardal: Cosmos-92, Cosmos-605, Cosmos-782, Cosmos-936, Salyut-6 jt. Tänased uurimistulemused võimaldavad meil sõnastada mõned sätted, mis on aluseks tulevaste suletud ruumi ökosüsteemide ja astronautide bioloogiliste elu toetavate süsteemide ehitamisel.
Niisiis, mis on tavaline suurte tehisruumi ökosüsteemide ja loodusliku biosfääri jaoks. ökosüsteemid? Esiteks on see nende suhteline eraldatus, nende peategelasteks on inimene ja teised elusad bioloogilised lülid, ainete bioloogiline ringkäik ja vajadus energiaallika järele.
Suletud ökoloogilised süsteemid- need on organiseeritud elementide tsükliga süsteemid, milles aineid kasutatakse teatud kiirusega teatud lülide bioloogiliseks vahetuseks, millel on sama keskmine kiirus regenereeritakse nende ainevahetuse lõppsaadustest algolekusse teiste sidemete abil ja neid kasutatakse uuesti samades bioloogilise vahetuse tsüklites (Gitelzon et al., 1975).
Samas võib ökosüsteem jääda suletuks ka ilma täielikku ainete ringlust saavutamata, kulutades pöördumatult osa varem loodud varudest pärit ainetest.
Looduslik maismaaökosüsteem on aines praktiliselt suletud, kuna tsirkulatsioonitsüklites osalevad ainult maapealsed ained ja keemilised elemendid (Iga-aastaselt Maale langeva kosmilise aine osakaal ei ületa 2∙ 10 -14 protsenti Maa massist). Maapealsete ainete ja elementide osalemise määr maakera tsirkulatsiooni korduvalt korduvates keemilistes tsüklites on üsna suur ja, nagu juba märgitud, tagab üksikute tsüklite taastootmise 90–98%.
Kunstlikus suletud ökosüsteemis on võimatu korrata kogu maapealse biosfääri protsesside mitmekesisust. Selle poole ei tohiks aga püüelda, kuna biosfäär tervikuna ei saa olla inimesega kunstliku suletud ökosüsteemi ideaal, mis põhineb ainete bioloogilisel tsüklil. Piiratud kinnises ruumis inimese elu toetamise eesmärgil kunstlikult loodud ainete bioloogilist tsüklit iseloomustavad mitmed põhimõttelised erinevused.
Millised on need peamised erinevused?
Ainete kunstliku bioloogilise tsükli kui inimelu tagamise vahendi ulatust piiratud suletud ruumis ei saa võrrelda maapealse bioloogilise tsükli ulatusega, kuigi peamised mustrid, mis määravad protsesside kulgemise ja tõhususe selle individuaalsetes bioloogilistes seostes. saab kasutada selliste seoste iseloomustamiseks tehislikus ökosüsteemis. Maa biosfääris näitlejad Seal on ligi 500 tuhat taimeliiki ja 1,5 miljonit loomaliiki, mis on võimelised teatud kriitilistel asjaoludel (näiteks liigi või populatsiooni hukkumisel) üksteist asendama, säilitades biosfääri stabiilsuse. Tehisökosüsteemis on liikide esinduslikkus ja isendite arv väga piiratud, mis suurendab järsult iga tehisökosüsteemi kuuluva elusorganismi "vastutust" ning seab ekstreemsetes tingimustes kõrgendatud nõuded tema bioloogilisele stabiilsusele.
Maa biosfääris põhineb ainete ja keemiliste elementide ringlus tohutul hulgal erinevatel sõltumatutel ja risttsüklitel, mis ei ole ajas ja ruumis koordineeritud ning millest igaüks toimub talle iseloomuliku kiirusega. Tehisökosüsteemis on selliste tsüklite arv piiratud, iga tsükli roll ainete ringluses; suureneb mitu korda ja süsteemis toimuvate protsesside koordineeritud kiirust tuleb rangelt säilitada kui bioloogilise LSS-i stabiilse toimimise vajalikku tingimust.
Tupikprotsesside esinemine biosfääris ei mõjuta oluliselt ainete looduslikku ringlust, kuna Maal on endiselt olulisi ainete varusid, mis on esimest korda ringluses osalenud. Lisaks on tupikprotsesside ainete mass mõõtmatult väiksem kui Maa puhvermaht. Tehisruumis LSS-is seavad alati kehtivad üldised massi-, mahu- ja energiatarbimise piirangud vastavad piirangud bioloogilise LSS-i tsüklis osalevate ainete massile. Mis tahes ummikprotsessi esinemine või moodustumine sellisel juhul vähendab oluliselt süsteemi kui terviku efektiivsust, vähendab selle eraldatuse näitajat, nõuab lähteainete varudest asjakohast kompenseerimist ja järelikult nende varude suurenemist. süsteemis.
Ainete bioloogilise tsükli olulisim tunnus vaadeldavates tehisökosüsteemides on inimese määrav roll kvaliteedi ja kvantitatiivsed omadused aine ringlemine. Tsükkel viiakse sel juhul lõpuks läbi inimese (meeskonna) vajaduste rahuldamise huvides, mis on peamine määrav lüli. Ülejäänud bioloogilised objektid täidavad inimkeskkonna korrashoidmise funktsioone. Sellest lähtuvalt luuakse igale tehisökosüsteemi bioloogilisele liigile kõige optimaalsemad tingimused eksisteerimiseks, et saavutada liigi maksimaalne produktiivsus. Maa biosfääris määrab biosünteesiprotsesside intensiivsuse peamiselt päikeseenergia sissevool konkreetsesse piirkonda. Enamasti on need võimalused piiratud: päikesekiirguse intensiivsus Maa pinnal on umbes 10 korda väiksem kui väljaspool Maa atmosfääri. Lisaks peab iga elusorganism ellujäämiseks ja arenemiseks pidevalt kohanema elutingimustega, hoolitsema toidu leidmise eest, kulutades sellele olulise osa elutähtsast energiast. Seetõttu ei saa biosünteesi intensiivsust Maa biosfääris pidada optimaalseks bioloogilise LSS-i põhifunktsiooni – inimese toitumisvajaduste rahuldamise – seisukohalt.
Erinevalt Maa biosfäärist toimuvad tehisökosüsteemides suuremahulised abiootilised protsessid ja tegurid, mis mängivad biosfääri ja selle elementide kujunemisel märgatavat, kuid sageli pimedat rolli (ilmastiku- ja kliimamõjud, ammendunud pinnas ja ebasobivad territooriumid) Keemilised omadused vesi jne).
Need ja muud erinevused aitavad saavutada tehisökosüsteemides oluliselt suuremat ainete muundamise efektiivsust, tsirkulatsioonitsüklite kiiremat rakendamise kiirust ja inimese bioloogilise elu toetamise süsteemi efektiivsuse kõrgemaid väärtusi.
Kosmosemeeskonna BIOLOOGILISTEST ELUSÜSTEEMIDEST
Bioloogiline LSS on teatud viisil valitud bioloogiliste objektide (mikroorganismid, kõrgemad taimed, loomad), tarbekaupade ja tehniliste vahendite, omavahel seotud ja üksteisest sõltuvate bioloogiliste objektide kunstlik kogum, mis tagab piiratud suletud ruumis inimese põhilised füsioloogilised vajadused. toidus, vees ja hapnikus, peamiselt stabiilse bioloogilise aineringluse alusel.
Vajalik kombinatsioon elusorganismide (bioloogiliste objektide) ja tehniliste vahendite bioloogilises LSS-is võimaldab neid süsteeme nimetada ka biotehnilisteks. Samal ajal all tehnilisi vahendeid viitab alamsüsteemidele, plokkidele ja seadmetele, mis tagavad biokompleksi kuuluvate bioloogiliste objektide normaalseks eluks vajalikud tingimused (gaasilise keskkonna koostis, rõhk, temperatuur ja niiskus, eluruumi valgustus, veekvaliteedi sanitaar- ja hügieeninäitajad, kiire jäätmete kogumine, töötlemine või kõrvaldamine jne). Bioloogilise LSS-i peamised tehnilised vahendid hõlmavad alamsüsteeme energiavarustuseks ja energia muundamiseks valguseks, atmosfääri gaasikoostise reguleerimiseks ja säilitamiseks piiratud suletud ruumis, termoregulatsiooni, ruumi kasvuhooneplokke, kööke ning füüsikalise ja keemilise regenereerimise vahendeid. vee ja õhu, töötlemis-, transpordi- ja mineraliseerimisseadmete jäätmed teistele.. Mitmeid ainete regenereerimise protsesse süsteemis saab tõhusalt läbi viia ka füüsikalis-keemiliste meetoditega (vt joonist lk 52).
LSS-i bioloogilised objektid koos inimesega moodustavad biokompleksi. Biokompleksi kuuluvate elusorganismide liigi- ja arvukoosseis määratakse selliselt, et see suudaks tagada stabiilse, tasakaalustatud ja kontrollitud ainevahetuse meeskonna ja biokompleksi elusorganismide vahel kogu määratud perioodi jooksul. Biokompleksi suurus (skaala) ja biokompleksis esindatud elusorganismide liikide arv sõltuvad nõutavast tootlikkusest, LSS-i läheduse astmest ning määratakse kindlaks seoses ruumistruktuuri spetsiifiliste tehniliste ja energeetiliste võimalustega, selle töö kestus ja meeskonnaliikmete arv. Biokompleksi koostises olevate elusorganismide valiku põhimõtteid saab laenata looduslike maismaakoosluste ökoloogiast ja kontrollitud biogeotsenoosidest, lähtudes bioloogiliste objektide väljakujunenud troofilistest suhetest.
Bioloogiliste liikide valimine bioloogilise LSS-i troofiliste tsüklite moodustamiseks on kõige keerulisem ülesanne.
Iga bioloogilises LSS-is osalev bioloogiline objekt vajab oma elutegevuseks teatud eluruumi (ökoloogilist nišši), mis ei hõlma mitte ainult puhtfüüsilist ruumi, vaid ka antud bioloogilise liigi jaoks vajalike elutingimuste kogumit: tema elustiili, režiimi tagamist. toitumisest ja keskkonnatingimustest. Seetõttu ei tohiks elusorganismide edukaks toimimiseks bioloogilise LSS-i lülina nende poolt hõivatud ruumi maht olla liiga piiratud. Teisisõnu peavad mehitatud kosmoseaparaadil olema piiratud minimaalsed mõõtmed, millest allpool on välistatud võimalus selles bioloogilisi LSS-linke kasutada.
Ideaaljuhul peaks kogu algselt salvestatud ainete mass, mis on ette nähtud meeskonna ja kõigi elavate elanike elu toetamiseks, osalema ainete ringluses selle kosmoseobjekti sees, ilma et see viiks sellesse täiendavaid masse. Samas on selline suletud bioloogiline LSS koos kõigi inimesele vajalike ainete regenereerimise ja piiramatu tööajaga tänapäeval pigem teoreetiline kui praktiliselt reaalne süsteem, kui pidada silmas selle võimalusi, mida kaalutakse. lähitulevikus toimuvad kosmoseekspeditsioonid.
Termodünaamilises mõttes (energia mõttes) ei saa ükski ökosüsteem olla suletud, kuna ökosüsteemi elavate lülide pidev energiavahetus ümbritseva ruumiga on selle eksisteerimise vajalik tingimus. Päike võib olla vaba energia allikas kosmoselaevade bioloogilisele LSS-ile Päikeselähedases kosmoses, kuid olulise energiahulga vajadus suuremahulise bioloogilise LSS-i toimimiseks nõuab tõhusaid tehnilisi lahendusi pideva kogumise probleemile. , päikeseenergia kontsentreerimine ja sisestamine kosmoselaevasse, samuti sellele järgnev madala potentsiaaliga energia väljutamine kosmosesse.soojusenergia.
Eriküsimus, mis seoses elusorganismide kasutamisega kosmoselendudel kerkib, on, kuidas mõjutab neid pikaajaline kaaluta olek? Erinevalt teistest kosmoselennu ja avakosmose teguritest, mille mõju elusorganismidele saab Maal simuleerida ja uurida, saab kaaluta oleku mõju tuvastada vaid vahetult kosmoselennul.
ROHELISED TAIMED KUI BIOLOOGILISTE ELU TOETUSSÜSTEEMIDE PÕHIÜHEND
Kõrgemaid maismaataimi peetakse bioloogilise elu toetamise süsteemi peamisteks ja kõige tõenäolisemateks elementideks. Nad ei suuda mitte ainult toota toitu, mis on enamiku inimeste jaoks täielik, vaid ka taastootma vett ja atmosfääri. Erinevalt loomadest on taimed võimelised sünteesima vitamiine lihtsatest ühenditest. Peaaegu kõik vitamiinid moodustuvad lehtedes ja teistes rohelistes taimeosades.
Kõrgemate taimede biosünteesi efektiivsuse määrab eelkõige valgusrežiim: valgusvoo võimsuse suurenemisega suureneb fotosünteesi intensiivsus teatud tase millele järgneb fotosünteesi valgusküllastus. Fotosünteesi maksimaalne (teoreetiline) efektiivsus päikesevalguses on 28%. Heade viljelustingimustega tihedate põllukultuuride tegelikes tingimustes võib see ulatuda: 15%.
Kunstlikes tingimustes maksimaalset fotosünteesi võimaldava füsioloogilise (fotosünteetiliselt aktiivse) kiirguse (PAR) optimaalne intensiivsus oli 150–200 W/m 2 (Nichiporovich, 1966). Taimede (kevinisu, oder) produktiivsus ulatus 50 g biomassi ööpäevas 1 m 2 kohta (kuni 17 g teravilja 1 m 2 kohta ööpäevas). Teistes katsetes, mis tehti eesmärgiga valida valgusrežiimid redise kasvatamiseks suletud süsteemides, oli juurviljade saagikus kuni 6 kg 1 m 2 22–24 päeva jooksul bioloogilise tootlikkusega kuni 30 g biomassi ( kuivmassis) 1 m 2 kohta päevas (Lisovsky, Shilenko, 1970). Võrdluseks märgime, et põllul on põllukultuuride keskmine päevane tootlikkus 10 g 1 m 2 kohta.
Biotsükkel: "kõrgemad taimed - inimene" oleks ideaalne inimese elu toetamiseks, kui pikal kosmoselennul oleks võimalik rahulduda ainult taimse päritoluga valkude ja rasvade toitumisega ning kui taimed suudaksid edukalt mineraliseeruda ja ära kasutada. kõik inimjäätmed.
Kosmose kasvuhoone ei suuda aga lahendada kõiki bioloogilisele LSS-ile määratud probleeme. Näiteks on teada, et kõrgemad taimed ei suuda pakkuda osalemist paljude ainete ja elementide ringluses. Seega taimed naatriumi ei tarbi, jättes lahtiseks NaCl (keedusoola) ringluse probleemi. Molekulaarse lämmastiku fikseerimine taimede poolt on võimatu ilma mügarmullabakterite abita. Samuti on teada, et NSV Liidus heaks kiidetud inimeste toitumise füsioloogiliste normide kohaselt peaks vähemalt pool toiduvalkude päevasest normist moodustama loomset päritolu valgud ja loomsed rasvad - kuni 75% rasvade üldnormist. dieedis.
Kui dieedi taimse osa kalorisisaldus vastavalt ülalnimetatud normidele on 65% dieedi kogu kalorisisaldusest (Salyut-6 jaama astronaudi päevase toiduratsiooni keskmine kalorisisaldus oli 3150 kcal), siis vajaliku koguse taimse biomassi saamiseks kasvuhoone, mille arvestuslik pindala on üks inimene vähemalt 15 - 20 m 2. Võttes arvesse söömata jäänud taimejäätmeid (umbes 50%), samuti vajadust toidukonveieri järele biomassi pidevaks igapäevaseks taastootmiseks, tuleks kasvuhoone tegelikku pinda suurendada vähemalt 2-3 korda.
Kasvuhoone efektiivsust saab oluliselt tõsta tekkiva biomassi mittesöödava osa lisakasutamine. Biomassi utiliseerimiseks on erinevaid viise: toitainete saamine ekstraheerimise või hüdrolüüsi teel, füüsikalis-keemiline või bioloogiline mineraliseerimine, otsene kasutamine pärast sobivat keetmist, kasutamine loomasöödana. Nende meetodite rakendamine eeldab vastavate täiendavate tehniliste vahendite ja energiakulude väljatöötamist, mistõttu saab optimaalse lahenduse saada vaid ökosüsteemi kui terviku tehnilisi ja energianäitajaid arvestades.
Bioloogilise LSS-i loomise ja kasutamise algfaasis ei ole üksikud ainete täieliku ringluse küsimused veel lahendatud, osa tarbitavatest ainetest võetakse kosmoselaeva pardal olevatest varudest. Nendel juhtudel on kasvuhoonele määratud vitamiine sisaldavate värskete ürtide minimaalse vajaliku koguse taastootmine. Kasvuhoone, mille istutuspind on 3–4 m 2, suudab täielikult rahuldada ühe inimese vajaduse vitamiinide järele. Sellistes ökosüsteemides, mis põhinevad kõrgemate taimede – inimese – biotsükli osalisel kasutamisel, täidavad põhilise koormuse ainete regenereerimisel ja meeskonna elu toetamisel füüsikalis-keemiliste töötlemismeetoditega süsteemid.
Praktilise astronautika rajaja S. P. Korolev unistas kosmoselennust, mis ei olnud seotud piirangutega. Ainult selline lend tähendab S. P. Korolevi sõnul võitu elementide üle. 1962. aastal sõnastas ta kosmosebiotehnoloogia esmatähtsate ülesannete kogumi järgmiselt: "Me peaksime alustama "kasvuhoone Tsiolkovski järgi" väljatöötamist, järk-järgult ehitades üles linke või plokke ning alustama tööd "kosmosekoristustega". ”. Mis on nende kultuuride koostis, millised põllukultuurid? Nende tõhusus, kasulikkus? Põllukultuuride pöörduvus (korduvus) oma seemnetest, lähtudes kasvuhoone pikaajalisest olemasolust? Millised organisatsioonid neid töid teostavad: taimekasvatuse valdkonnas (ja pinnase, niiskuse jms küsimused), mehhaniseerimise ja "valgus-soojus-päikeseenergia" tehnoloogia ja selle kasvuhoonete juhtimissüsteemide valdkonnas , jne.?
See sõnastus peegeldab tegelikult peamisi teaduslikke ja praktilisi eesmärke ja eesmärke, mille saavutamine ja lahendamine peab olema tagatud enne "Tsiolkovski kasvuhoone" loomist, st sellise kasvuhoone loomist, mis pika kosmoselennu ajal varustab inimest vajalik värske taimse päritoluga toit, samuti puhastada vett ja õhku. Tulevaste planeetidevaheliste kosmoselaevade kosmosekasvuhoonest saab nende disaini lahutamatu osa. Sellises kasvuhoones peaksid olema optimaalsed tingimused kõrgemate taimede külvamiseks, kasvuks, arenguks ja kogumiseks. Kasvuhoone peaks olema varustatud ka valguse jaotamise ja kliimaseadmetega, plokkidega toitainete lahuste valmistamiseks, jaotamiseks ja tarnimiseks, transpiratsiooniniiskuse kogumiseks jne. Nõukogude ja välismaa teadlased tegelevad praegu edukalt selliste suuremahuliste kasvuhoonete loomisega kosmoselaevadele. Lähitulevikus.
Kosmose taimekasvatus on täna alles oma arengu algstaadiumis ja nõuab uusi eriuuringuid, kuna paljud küsimused, mis on seotud kõrgemate taimede reageerimisega kosmoselennu ekstreemsetele tingimustele ja eelkõige kaaluta seisundile, on endiselt selgitamata. Kaaluta olek avaldab väga olulist mõju paljudele füüsilistele nähtustele, elusorganismide elutegevusele ja käitumisele ning isegi pardaseadmete tööle. Dünaamilise kaaluta oleku mõju tõhusust saab seega hinnata ainult nn täismahus katsetes, mis viiakse läbi otse orbitaalsete kosmosejaamade pardal.
Looduslikes tingimustes olevate taimedega katsetati varem Cosmose seeria Salyuti jaamades ja satelliitides (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 jne). Erilist tähelepanu pöörati katsetele kõrgemate taimede kasvatamisel. Selleks kasutati erinevaid spetsiaalseid seadmeid, millest igaühele anti konkreetne nimi, näiteks “Vazon”, “Svetoblok”, “Fiton”, “Biogravistat” jne. Iga seade oli reeglina ette nähtud lahendada üks probleem. Seega oli väike tsentrifuug "Biogravistat" seemikute kasvatamise protsesside võrdlevaks hindamiseks kaaluta olekus ja tegevusvaldkonnas. tsentrifugaaljõud. Seadmes "Vazon" töötati astronautide dieedi vitamiinilisandina välja sulgedel sibula kasvatamise protsessid. Kunstlikule toitekeskkonnale isoleeritud kambrisse istutatud Arabidopsis õitses esimest korda kaaluta oleku tingimustes seadmes "Svetoblok" ja Arabidopsise seemned saadi seadmes "Fiton". Laiem ülesannete ampluaa lahendati Oasise uurimisruumides, mis koosnesid viljelus-, valgustus-, veevarustus-, sundventilatsiooni- ja telemeetrilistest temperatuuriregulaatoritest. Taimes "Oasis" kasutati herne- ja nisutaimedel elektrilise stimulatsiooniga kultiveerimisrežiime, et vähendada gravitatsiooni puudumisega seotud ebasoodsate tegurite mõju.
USA-s Skylabi ja Spacelabi jaamades ning Columbia (Shuttle) pardal viidi läbi mitmeid katseid kõrgemate taimedega kosmoselennu tingimustes.
Arvukad katsed on näidanud, et taimede kasvatamise probleem kosmoseobjektidel tavalistest maapealsetest tingimustest oluliselt erinevatel tingimustel pole veel täielikult lahendatud. Siiski ei ole harvad näiteks juhtumid, kus taimed lõpetavad kasvu generatiivses arengujärgus. Peame veel läbi viima märkimisväärse hulga teaduslikke katseid, et arendada taimede kultiveerimise tehnoloogiat nende kasvu ja arengu kõikides etappides. Samuti on vaja välja töötada ja katsetada taimekultivaatorite konstruktsioone ja individuaalseid tehnilisi vahendeid, mis aitavad negatiivset mõju kõrvaldada. erinevaid tegureid kosmoselend taimedel.
Lisaks kõrgematele maismaataimedele käsitletakse suletud ökosüsteemide autotroofse lüli elementidena ka madalamaid taimi. Nende hulka kuuluvad veefototroofid – üherakulised vetikad: rohelised, sinakasrohelised, ränivetikad jne. Nad on peamised esmase orgaanilise aine tootjad meredes ja ookeanides. Kõige laiemalt tuntud magevee mikroskoopiline vetikas Chlorella, mida paljud teadlased eelistavad suletud ruumi ökosüsteemi tootmislüli peamise bioloogilise objektina.
Klorella kultuuri iseloomustavad mitmed positiivsed omadused. Süsinikdioksiidi assimilatsioon, kultuur vabastab hapnikku. Intensiivse kasvatamise korral suudab 30–40 liitrit klorella suspensiooni ühele inimesele täielikult gaasivahetuse pakkuda. Sel juhul moodustub biomass, mis oma biokeemilise koostise järgi on vastuvõetav kasutamiseks söödalisandina ja sobival töötlemisel toidulisandina. Valkude, rasvade ja süsivesikute suhe klorella biomassis võib olenevalt kultiveerimistingimustest varieeruda, mis võimaldab läbi viia kontrollitud biosünteesi protsessi. Klorella intensiivsete kultuuride produktiivsus laborikasvatuses on vahemikus 30–60 g kuivainet 1 m 2 kohta päevas. Spetsiaalsete kõrge valgustusega laboratoorsete kultivaatoritega tehtud katsetes ulatub klorella saagikus 100 g kuivainet 1 m 2 kohta päevas. Klorellat mõjutab kõige vähem kaaluta olek. Selle rakkudel on tugev tselluloosi sisaldav membraan ja need on kõige vastupidavamad ebasoodsate eksistentsitingimuste suhtes.
Klorella kui tehisökosüsteemi lüli miinusteks on CO 2 assimilatsioonikoefitsiendi ja inimese hingamiskoefitsiendi vaheline lahknevus, vajadus suurendada CO 2 kontsentratsiooni gaasifaasis bioloogilise regeneratsioonilüli tõhusaks toimimiseks, mõningane lahknevus klorella vetikate vajadused biogeensete elementide järele koos nende elementide esinemisega inimese väljaheidetes, klorellarakkude eritöötluse vajadus biomassi seeduvuse saavutamiseks. Üherakulised vetikad (eriti klorella), erinevalt kõrgematest taimedest, puuduvad reguleerimisseadmetest ja vajavad biosünteesiprotsessi automaatset juhtimist, et tagada kultuuris usaldusväärne ja efektiivne toimimine.
Kõikide vetikatüüpide katsetes on maksimaalsed efektiivsuse väärtused vahemikus 11–16% (mikrovetikate valgusenergia kasutamise teoreetiline efektiivsus on 28%). Kuid kultuuri kõrge tootlikkus ja madal energiatarve on tavaliselt vastuolulised nõuded, kuna maksimaalsed efektiivsuse väärtused saavutatakse suhteliselt madalate kultuuride optiliste tihedustega.
Praegu kasutatakse tehisökosüsteemide autotroofse lüli bioloogiliste mudelobjektidena üherakulisi vetikaid Chlorella, aga ka mõnda teist tüüpi mikrovetikaid (scenedesmus, spirulina jt).
SAAVUTUSED JA VÄLJAVAATED
Praktiliste kogemuste kogunemisega Maa-lähedase kosmose uurimisel ja arendamisel muutuvad kosmoseuuringute programmid üha keerulisemaks. Tulevaste pikaajaliste kosmoseekspeditsioonide jaoks on vaja lahendada bioloogilise LSS-i kujunemise põhiküsimused juba täna, kuna bioloogilise LSS-i seostega tehtud teaduslikke katseid iseloomustab pikk kestus algusest kuni lõpptulemuse saamise hetkeni. . Selle põhjuseks on eelkõige suhteliselt pikad arengutsüklid, mis eksisteerivad objektiivselt paljudes bioloogilise LSS-i lülideks valitud elusorganismides, samuti vajadus saada usaldusväärset teavet biolinkide troofiliste ja muude seoste pikaajaliste tagajärgede kohta. mis elusorganismide jaoks võivad enamasti avalduda alles järgnevates põlvkondades. Meetodid selliste bioloogiliste katsete kiirendamiseks pole veel olemas. Just see asjaolu nõuab bioloogilise LSS-i, sealhulgas inimese, energia- ja massiülekandeprotsesside uurimise katsete läbiviimist märkimisväärselt enne tähtaega.
On selge, et kosmosemeeskondade jaoks bioloogilise LSS-i loomise põhiküsimused tuleb eelnevalt läbi töötada ja lahendada maapealsetes tingimustes. Nendel eesmärkidel on loodud ja loomisel spetsiaalsed tehnilised ja meditsiinilis-bioloogilised keskused, sealhulgas võimsad uurimis- ja katsebaasid, suuremahulised hermeetilised kambrid, kosmoselennu tingimusi simuleerivad stendid jne. Keerulistes maapealsetes katsetes tehakse hermeetilistes kambrites testrühmade osalemisel määratakse süsteemide ja seoste ühilduvus omavahel ja inimesega, määratakse bioloogiliste sidemete stabiilsus pikaajaliselt toimivas tehisökosüsteemis, hinnatakse tehtud otsuste tõhusust ja usaldusväärsust ning valitakse bioloogilise LSS-i variant selle lõplikuks süvauuringuks seoses konkreetsega kosmoseobjekt või lendu.
1960. ja 1970. aastatel viidi NSV Liidus läbi mitmeid ainulaadseid teaduslikke katseid, mille eesmärk oli luua tehisruumi ökosüsteemide meeskondadele bioloogiline LSS. 1968. aasta novembris viidi NSV Liidus lõpule pikk (üheaastane) eksperiment kolme testija osavõtul. Selle põhieesmärk oli katsetada ja arendada integreeritud LSS-i tehnilisi vahendeid ja tehnoloogiaid, mis põhinevad ainete füüsikalistel ja keemilistel regenereerimise meetoditel ning bioloogilisel meetodil inimese vitamiini- ja kiudainevajaduse rahuldamiseks kasvuhoones roheliste põllukultuuride kasvatamisel. , kasvuhoone külvipind oli vaid 7,5 m 2, biomassi tootlikkus inimese kohta keskmiselt 200 g päevas. Põllukultuuride komplekti kuulusid Hiibiini kapsas, kurgirohi, kress ja till.
Katse käigus tuvastati võimalus kõrgemate taimede normaalseks kasvatamiseks kinnises mahus koos viibiva inimesega ning korduv transpiratsioonivee kasutamine ilma selle regenereerimiseta substraadi niisutamiseks. Ainete osaline regenereerimine viidi läbi kasvuhoones, tagades toidu ja hapniku minimaalse isolatsiooni - 3–4%.
1970. aastal demonstreeriti NSV Liidu VDNKh-s elutagamissüsteemi eksperimentaalset mudelit, mille esitles NSV Liidu Glavmikrobiopromi Üleliiduline Biotehniline Uurimisinstituut ja mille eesmärk oli määrata biotehniliste plokkide kompleksi ja nende optimaalne koostis. töörežiim. Paigutuse elu toetav süsteem oli loodud kolme inimese vajaduste rahuldamiseks vee, hapniku ja värskete taimsete saaduste osas piiramatu aja jooksul. Põhilisi regenereerimisplokke süsteemis esindasid 50-liitrine vetikakultivaator ja umbes 20 m2 kasuliku pinnaga kasvuhoone (joonis 3). Loomsete toiduainete paljundamine usaldati kanakasvatajale.
 Riis. 3. Kasvuhoone välimus |
NSVL Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Füüsika Instituudis viidi läbi rida ökosüsteemide, sealhulgas inimeste eksperimentaalseid uuringuid. 45 päeva kestnud katse kahelülilise süsteemiga "inimene - mikrovetikad" (klorella) võimaldas uurida massiülekannet süsteemi lülide ja keskkonna vahel ning saavutada ainete ringluse täieliku sulgemise näitaja, mis on võrdne. kuni 38% (atmosfääri ja vee regenereerimine).
Katse kolmelülilise süsteemiga "inimene - kõrgemad taimed - mikrovetikad" viidi läbi 30 päeva. Eesmärk on uurida inimese kokkusobivust kõrgemate taimedega täiesti suletud gaasivahetuse ja osaliselt suletud veevahetusega. Samal ajal püüti toiduahelat sulgeda taimse (taimse) biomassi abil. Katse tulemused näitasid, et katse ajal ei ilmnenud süsteemi lülide vastastikust pärssivat mõju ühise atmosfääri kaudu. Köögiviljade pideva saagi istutusala minimaalne suurus määrati nii, et see rahuldaks täielikult ühe inimese vajadused värske köögivilja järele valitud kasvatusviisi korral (2,5–3 m 2).
Süsteemi neljanda lüli – toiduks mittekasutatavate taimsete jäätmete töötlemiseks ja nende süsteemi tagastamiseks mõeldud mikroobikultivaatori – kasutuselevõtuga alustati uut katset inimesega, mis kestis 73 päeva. Katse ajal oli ühenduste gaasivahetus täielikult suletud ja veevahetus peaaegu täielikult suletud (välja arvatud proovid keemiline analüüs) ja osaliselt toidu ainevahetust. Katse käigus ilmnes kõrgemate taimede (nisu) produktiivsuse halvenemine, mis oli seletatav taimede metaboliitide või nendega seotud mikrofloora kuhjumisega toitekeskkonda. Neljalülilise bioloogilise süsteemi tehniliste ja majanduslike näitajate põhjal tehti järeldus inimese tahkete väljaheidete mineralisatsioonilüli süsteemi viimise ebaotstarbekuse kohta.
1973. aastal viidi lõpule kuus kuud kestnud katse kolmeliikmelise meeskonna elu toetamisel suletud ökosüsteemis kogumahuga umbes 300 m 3, mis hõlmas lisaks testijatele ka kõrgemate ja madalamate taimede lülisid. Katse viidi läbi kolmes etapis. Esimesel, kaks kuud kestnud etapil katsid kogu meeskonna hapniku- ja veevajaduse kõrgemad taimed, sealhulgas nisu, peet, porgand, till, kaalikas, lehtkapsas, redis, kurk, sibul ja hapuoblikas. Majapidamisruumi reovesi juhiti nisu toitainekeskkonda. Meeskonna tahked ja vedelad eritised eemaldati rõhu all olevast mahust väljapoole. Meeskonna toitumisvajadusi rahuldasid osaliselt kõrgemad taimed ja osaliselt varudest saadud dehüdreeritud toidud. Iga päev sünteesiti umbes 40 m 2 suuruselt istutusalalt kõrgemate taimede lülis 1953 g biomassi (kuivmassis), sealhulgas 624 g söödavat, mis moodustas 30% kogu meeskonna vajadusest. Samal ajal oli kolme inimese hapnikuvajadus täielikult tagatud (umbes 1500 liitrit päevas). Süsteemi "inimene – kõrgemad taimed" sulgemine oli selles etapis 82%.
Katse teises etapis asendati osa kasvuhoonest madalamate taimede lüli - klorellaga. Meeskonna vee- ja hapnikuvajaduse rahuldasid kõrgemad (nisu- ja köögiviljakultuurid) ja madalamad taimed, meeskonna vedelad väljaheited suunati vetikareaktorisse ja tahked väljaheited kuivatati, et vesi tsüklisse tagasi suunata. Meeskonnatoidud viidi läbi sarnaselt esimese etapiga. Nisu kasvu halvenemine ilmnes tänu toitekeskkonnaga varustatud reovee hulga suurenemisele istutusala ühiku kohta, mis vähenes poole võrra.
Kolmandas etapis jäeti kõrgemate taimede ühendusse ainult köögiviljakultuurid ja hermeetilise ruumala atmosfääri taastamisel kandis peamise koormuse vetikareaktor. Reovett taime toitelahusele ei lisatud. Sellegipoolest leiti katse selles etapis, et taimed olid hermeetilisest atmosfäärist joobes. Süsteemi suletus, sealhulgas klorella, mis kasutab inimese vedelaid eritusi, kasvas 91%-ni.
Eksperimendi käigus pöörati erilist tähelepanu eksometaboliitide vahetuse ajalise kõikumise võrdsustamise küsimusele meeskonnas. Selleks elasid testijad ajakava järgi, mis tagas ökosüsteemi juhtimise järjepidevuse ja massiülekande taseme ühtsuse ökosüsteemi autonoomse eksisteerimise protsessis. Katse 6 kuu jooksul oli süsteemis 4 testijat, kellest üks elas selles pidevalt ja kolm - 6 kuud, asendades vastavalt ajakavale.
Katse peamine tulemus on tõestus võimalusest rakendada piiratud suletud ruumis autonoomselt juhitavat bioloogilist elu toetavat süsteemi. Testijate füsioloogiliste, biokeemiliste ja tehnoloogiliste funktsioonide näitajate analüüsimisel ei ilmnenud nende tehisökosüsteemis viibimisest tingitud suunatud muutusi.
1977. aastal viidi NSV Liidu Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Füüsika Instituudis läbi neli kuud kestnud eksperiment kunstliku suletud ökosüsteemiga "inimene – kõrgemad taimed". Peamine ülesanne on leida viis, kuidas hoida kinnises ökosüsteemis kõrgemate taimede produktiivsust. Samas uuriti ka võimalust suurendada süsteemi suletust, suurendades selles reprodutseeritava meeskonna toiduratsiooni osakaalu. Katses osales kaks testijat (esimese 27 päeva jooksul - kolm testijat). Fütotroni külvipind oli umbes 40 m2. Kõrgemate taimekultuuride komplekti kuulusid nisu, tšufa, peet, porgand, redis, sibul, till, kapsas, kurk, kartul ja hapuoblikas. Katses korraldati sisemise atmosfääri sundringlus mööda kontuuri "elukamber - fütotronid (kasvuhoone) - elukamber". Katse oli jätk eelmisele katsele suletud ökosüsteemiga "inimene - kõrgemad taimed - madalamad taimed".
Katse käigus, mille esimene etapp reprodutseeris eelmise tingimusi, ilmnes taimede fotosünteesi vähenemine, mis algas 5. päevast ja kestis kuni 24 päeva. Edasi lülitati sisse atmosfääri termiline katalüütiline puhastamine (kogunenud mürgiste gaasiliste lisandite järelpõlemine), mille tulemusena kadus atmosfääri pärssiv toime taimedele ja taastus fütotronide fotosünteetiline produktiivsus. Põhu ja tselluloosi põletamisel saadud täiendava süsihappegaasi tõttu tõsteti meeskonna toidulaua taastoodetud osa 60 massiprotsendini (kalorisisalduse järgi kuni 52).
Veevahetus süsteemis oli osaliselt suletud: joogi- ja osaliselt sanitaarvee allikaks oli taimede transpiratsiooniniiskuse kondensaat, nisu niisutamiseks kasutati toitekeskkonda koos olmereovee lisandiga ning veetasakaal hoiti. lisades destilleeritud vett koguses, mis kompenseeris inimese vedeliku väljaheidete eemaldamise süsteemist.
Katse lõppedes ei leitud testijate keha negatiivseid reaktsioone suletud süsteemi tingimuste keerulisele mõjule. Taimed varustasid testijaid täielikult hapniku, vee ja põhiosa taimsest toidust.
Samal 1977. aastal lõpetati NSVL Tervishoiuministeeriumi Biomeditsiiniprobleemide Instituudis kahe testriga poolteist kuud kestnud eksperiment. Katse viidi läbi suletud ökosüsteemi mudeli uurimiseks, mis hõlmas kasvuhoonet ja klorellaga taime.
Läbiviidud katsed näitasid, et atmosfääri ja vee bioloogiline regenereerimine tehisökosüsteemis roheliste taimede abil on madalamatel taimedel (klorellal) suurem bioloogiline ühilduvus inimesega kui kõrgematel. See tuleneb asjaolust, et eluruumi atmosfäär ja inimeste väljaheited mõjutasid ebasoodsalt kõrgemate taimede arengut ning kasvuhoonesse siseneva õhu täiendavat füüsikalis-keemilist töötlemist oli vaja.
Välismaal tehakse paljutõotava LSS-i loomisele suunatud tööd kõige intensiivsemalt USA-s. Uuringuid tehakse kolmes suunas: teoreetiline (struktuuri, koostise ja arvutuslike omaduste määramine), katsemaa (üksikute bioloogiliste ühikute katsetamine) ja katselend (bioloogiliste katsete ettevalmistamine ja läbiviimine mehitatud kosmoselaevadel). NASA keskused ja ettevõtted, mis arendavad kosmosesõidukeid ja nende jaoks süsteeme, tegelevad bioloogilise LSS-i loomise probleemiga. Ülikoolid on kaasatud paljudesse tulevikuuuringutesse. NASA juurde on loodud biosüsteemide osakond, mis koordineerib tööd kontrollitava biotehnilise LSS-i loomise programmiga.
Suurejoonelise biosfäär-2 nimelise tehisstruktuuri loomise projekt USA-s äratas keskkonnaspetsialistide seas suurt huvi. See klaasist, terasest ja betoonist konstruktsioon on täielikult suletud mahuga 150 000 m 3 ja selle pindala on 10 000 m 2 . Kogu maht on jagatud suuremahulisteks sektsioonideks, milles moodustuvad Maa erinevate kliimavööndite füüsilised mudelid, sealhulgas troopiline mets, troopiline savann, laguun, ookeani madalad ja süvaveepiirkonnad, kõrb jne. Biosfäär-2-s asuvad ka testijate eluruumid, laborid, töökojad, põllumajanduslikud kasvuhooned ja kalatiigid, jäätmetöötlussüsteemid ja muud inimeluks vajalikud teenindussüsteemid ja tehnilised vahendid. Biosphere-2 sektsioonide klaaslaed ja seinad peaksid tagama päikesekiirguse voolu selle elanikeni, kelle hulgas on esimesel kahel aastal kaheksa vabatahtlikku testijat. Nad peavad tõestama aktiivse elu ja tegevuse võimalust isoleeritud tingimustes ainete sisemise biosfääri ringluse põhjal.
1986. aastal Biosphere-2 loomist juhtinud ökotehnika instituut plaanib selle ehituse lõpule viia tänavu. Projekti elluviimisega on liitunud paljud mainekad teadlased ja tehnikaspetsialistid.
Vaatamata tööde märkimisväärsele maksumusele (vähemalt 30 miljonit dollarit) võimaldab projekti elluviimine teha ainulaadseid Teaduslikud uuringudökoloogia ja Maa biosfääri valdkonnas määrata kindlaks "Biosfäär-2" üksikute elementide kasutamise võimalus. erinevatest tööstusharudestökonoomsus (vee, õhu ja toidu bioloogiline puhastamine ja regenereerimine). "Selliseid struktuure on vaja asulate loomiseks avakosmoses ja võib-olla ka teatud tüüpi elusolendite säilimiseks Maal," ütleb USA astronaut R. Schweikart.
Ülaltoodud katsete praktiline tähtsus ei seisne ainult suletud ruumi ökosüsteemide, sealhulgas inimeste loomise teatud küsimuste lahendamises. Vähemtähtsad pole nende katsete tulemused ökoloogiaseaduste ja inimese ekstreemsete keskkonnatingimustega kohanemise biomeditsiiniliste aluste mõistmisel, bioloogiliste objektide potentsiaali selgitamisel intensiivviljelusrežiimidel, jäätmevabade ja keskkonnasõbralike tehnoloogiate väljatöötamisel, mis vastavad inimese vajadustele. kvaliteetse toidu, vee ja õhu jaoks tehiskeskkonnas isoleeritud elamiskõlblikud rajatised (veealused asulad, polaarjaamad, geoloogide asulad Kaug-Põhjas, kaitserajatised jne).
Tulevikus võib ette kujutada terveid jäätmevabu ja keskkonnasõbralikke linnu. Näiteks usub Rahvusvahelise Süsteemianalüüsi Instituudi direktor C. Marchetti: „Meie tsivilisatsioon suudab eksisteerida rahulikult ja pealegi praegusest paremates tingimustes, lukustades end saarelinnadesse, mis on täiesti ise -piisav, ei sõltu looduse vingerpussidest, ei vaja looduslikke tooraineid ega ka looduslikku energiat ning on garanteeritud reostuse eest. Lisagem, et see eeldab vaid ühe tingimuse täitmist: kogu inimkonna jõupingutuste ühendamist rahumeelsel loometööl Maal ja kosmoses.
KOKKUVÕTE
Suurte tehisökosüsteemide, sealhulgas inimese, loomise probleemi edukas lahendamine, mis põhineb täielikult või osaliselt suletud bioloogilisel ainete tsüklil, on väga oluline mitte ainult astronautika edasise arengu jaoks. Ajastul, mil "nägime nii hirmuäratava selgusega, et teine rinne, ökoloogiline rinne läheneb tuuma- ja kosmoseohu rindele ja on sellega samal tasemel" (VV välisministri kõnest NSVL E. A. Ševardnadze ÜRO Peaassamblee 43. istungjärgul), üheks tõeliseks väljapääsuks lähenevast ökoloogilisest kriisist võib olla viis praktiliselt jäätmevabade ja keskkonnasõbralike intensiivsete agrotööstustehnoloogiate loomiseks, mida tuleks lähtudes ainete bioloogilisest tsüklist ja päikeseenergia efektiivsemast kasutamisest.
Tegemist on põhimõtteliselt uue teaduslik-tehnilise probleemiga, mille lahendamise tulemused võivad omada suurt tähtsust keskkonna kaitsmisel ja säilitamisel, uute intensiivsete ja jäätmevabade biotehnoloogiate väljatöötamisel ja laialdasel kasutamisel, autonoomse automatiseerimise loomisel. ja robotikompleksid toidu biomassi tootmiseks ning toiduprogrammi lahendamine kõrgel kaasaegsel teadus-tehnilisel tasemel. Kosmiline on maapealsest lahutamatu, seetõttu annavad kosmoseprogrammide tulemused ka tänapäeval kõige enam olulise majandusliku ja sotsiaalse efekti. erinevaid valdkondi Rahvamajandus.
Kosmos teenib ja peab teenima inimesi.
KIRJANDUS
Blinkin S. A., Rudnitskaja T. V. Fütontsiidid meie ümber. – M.: Teadmised, 1981.
Gazenko O. G., Pestov I. D., Makarov V. I. Inimkond ja ruum. – M.: Nauka, 1987.
Dadykin V.P. Kosmose taimekasvatus. – M.: Teadmised, 1968.
Dazho R. Ökoloogia alused. – M.: Progress, 1975.
Suletud süsteem: inimene – kõrgemad taimed (neljakuuline katse) / Toim. G. M. Lisovski. - Novosibirsk-Nauka, 1979.
Kosmonautika. Entsüklopeedia. / Toim. V. P. Glushko - M .: Nõukogude entsüklopeedia, 1985.
Lapo A. V. Möödunud biosfääride jäljed. – M.: Teadmised, 1987.
Nichiporovich A. A. roheliste lehtede tõhusus. - M .: Teadmised 1964.
Kosmosebioloogia ja -meditsiini alused. / Toim. O G Gazenko (NSVL) ja M. Calvin (USA). - T. 3 - M .: Nauka, 1975.
Plotnikov VV Ökoloogia ristteel. - M.: Mõte, 1985
Sytnik K. M., Brion A. V., Gordetski A. V. Biosfäär, ökoloogia, looduskaitse. - Kiiev: Naukova Dumka, 1987.
Eksperimentaalsed ökoloogilised süsteemid, sealhulgas inimene / Toim. V. N. Tšernigovski. - M.: Nauka, 1975
Yazdovsky V. I. Kunstlik biosfäär. - M.: Nauka, 1976
Rakendus
KOSMOSETURISM
V. P. MIHHAILOV
60ndatel kõikjal alanud turismibuumi kontekstis juhtisid eksperdid tähelepanu turismi eesmärgil kosmosereiside võimalikkusele.
Kosmoseturism areneb kahes suunas. Üks neist on puhtalt maapealne – ilma kosmosesselendudeta. Turistid külastavad maapealseid objekte - kosmosesadamaid, lennujuhtimiskeskusi, "tähe" linnu, kosmosetehnoloogia elementide arendamise ja valmistamise ettevõtteid, on kohal ja jälgivad lendavate kosmoselaevade ja kanderakettide starti.
Maapealne kosmoseturism sai alguse 1966. aasta juulis, kui korraldati esimesed bussireisid NASA stardipaikadesse Cape Kennedy juures. 1970. aastate alguses külastasid turistid bussidega kompleksi nr 39, kust astronaudid Kuule lennates startisid, vertikaalset montaažihoonet (üle 100 m kõrgune angaar), kus pandi kokku kanderakett Saturn-V ja testiti ja kosmoselaev dokiti kosmoselaev "Apollo", kanderaketti tarniva unikaalse rööviku šassii parkla stardiplatvorm, ja palju muud. Spetsiaalses kinos vaatasid nad kosmosesündmuste uudistesarja. Sel ajal tegi selliseid ekskursioone suvel kuni 6 - 7 tuhat turisti päevas ja väljaspool hooaega umbes 2 tuhat. Organiseerimata turistid suurendasid külastajate voogu umbes 20 - 25%.
Algusest peale on sellised ekskursioonid kogunud laialdast populaarsust. Juba 1971. aastal registreeriti nende neljamiljones osaleja. Mõne stardi ajal (näiteks Kuule) ulatus turistide arv sadadesse tuhandetesse.
Teine suund on otsene kosmoseturism. Kuigi praegu on see lapsekingades, on selle väljavaated laiad. Lisaks puhtalt turismiaspektile tuleb siin silmas pidada strateegilist ja majanduslikku aspekti.
Strateegiline aspekt on inimkonna võimalik osaline asustamine päikesesüsteemi. See on muidugi kauge tuleviku küsimus. Arveldamine toimub sadade aastate ja aastatuhandete jooksul. Inimene peab harjuma ilmakosmoses elama, seal sisse elama, koguma teatud kogemusi – kui muidugi ei juhtu mingeid maapealseid või kosmilisi kataklüsme, kui seda protsessi on vaja kiirendada. Ja kosmoseturism on selle protsessi läbiviimiseks hea mudel. Teisest küljest võimaldab turistireisidel kogunenud inimelu tagamise kogemus kosmoses, kosmoses olevate seadmete ja elu toetavate seadmete tundmine inimesel edukamalt elada ja töötada Maal keskkonnaseisundi halvenemise tingimustes, kasutada maandatud ruumi. "tehnilised vahendid ja süsteemid.
Kosmoseturismi majanduslik aspekt on astronautika jaoks samuti väga oluline. Mõned eksperdid näevad kosmoseturismi, mis on orienteeritud kosmoseturistide isiklike vahendite kasutamisele, olulise kosmoseprogrammide rahastamisallikana. Nende hinnangul vähendab kosmoseturismi tulemusel kosmosesse mineva kaubavoo suurenemine praegusega võrreldes 100 korda (mis on realistlik) omakorda 100–200 ühiku maksumust. korda kogu kosmonautika kui terviku jaoks, ilma et see kaasaks täiendavaid valitsuse investeeringuid.
Asjatundjate hinnangul väljenduvad inimkonna aastased kulutused turismile umbes 200 miljardi naela suuruses summas. Art. Lähikümnenditel võib kosmoseturism moodustada sellest näitajast 5%, s.o 10 miljardit naela. Art. Arvatakse, et kui kosmosereisi maksumus on optimaalselt tasakaalus ja samas on tagatud piisavalt kõrge lennuohutus (võrreldav vähemalt tänapäevase reisilennuki lennuohutuse tasemega), siis oleks umbes 100 miljonit inimest. avaldada soovi lähikümnenditel teha kosmosereis. Teiste hinnangute kohaselt ulatub 2025. aastaks kosmoseturistide voog aastas 100 tuhande inimeseni ja järgmise 50 aasta jooksul ulatub kosmoses viibinute arv umbes 120 miljoni inimeseni.
Kui palju võib tänapäeval kosmosereis maksta? Hinnakem reisipaketi ülempiiri. NSV Liidus on astronaudi väljaõpe umbes 1 miljon rubla, seeriakanderakett 2–3 miljonit rubla, kahekohaline kosmoselaev 7–8 miljonit rubla. Seega on "lend kahele" ligikaudu 11–13 miljonit rubla, arvestamata nn maapealset toetust. Seda arvu saaks oluliselt vähendada, kui kosmoseaparaat teostataks puhtalt turismiversioonis: mitte täita seda keeruka teadusliku varustusega, suurendades seeläbi reisijate arvu, valmistada neid lennuks ette mitte kosmonautide programmi, vaid vastavalt lihtsam vms. Huvitav oleks ekskursiooni maksumust täpsemalt määrata, aga seda tuleks teha. majandusteadlased raketi- ja kosmosetehnoloogia valdkonnas.
On ka teisi viise, kuidas vähendada kosmoselendude kulusid. Üks neist on spetsiaalse korduvkasutatava turismilaeva loomine. Optimistid usuvad, et kosmoselendude maksumus transpordilaevad Teise ja kolmanda põlvkonna lennud on proportsionaalsed reisilennukiga lendamise kuludega, mis määrab massilise kosmoseturismi. Sellegipoolest arvavad eksperdid, et esimeste turistide ekskursiooni maksumus on umbes 1 miljon dollarit. Järgmistel aastakümnetel väheneb see kiiresti ja jõuab 100 tuhande dollarini. Optimaalselt küllastunud kosmoseturismi infrastruktuurina, sealhulgas kosmoselaevade laevastikuna, jõutakse, hotellid Maa ja Kuu orbiitidel, turismivarustuse reatootmine, turvameetmete koolitus jne, massiturismi tingimustes langeb ekskursiooni maksumus 2 tuhande dollarini. See tähendab, et kasuliku koorma kosmosesse saatmise hind ei tohiks ületada 20 dollarit kilogrammi kohta. Praegu on see näitaja 7-8 tuhat.
Kosmoseturismi teel on endiselt palju raskusi ja lahendamata probleeme. Kosmoseturism on aga 21. verstaposti reaalsus. Vahepeal on juba 260 inimest kümnest maailma riigist panustanud raha ühte selles suunas tegutsema hakanud Ameerika organisatsiooni kosmoseturisti lennu arendamiseks ja elluviimiseks. Mõned Ameerika reisibürood on hakanud müüma pileteid esimesele Maa-Kuu turismilennule. Lahkumiskuupäev avatud. See pannakse piletile, nagu öeldakse, 20-30 aasta pärast.
Ometi pole ameeriklased siin esimesed. 1927. aastal toimus Moskvas Tverskaja tänaval maailma esimene rahvusvaheline kosmoselaevade näitus. See koostas nimekirjad nendest, kes soovivad lennata Kuule või Marsile. Soovijaid oli palju. Võib-olla pole üks neist veel kaotanud lootust minna esimesele turismireisile kosmosesse.
RUUMIKROONIKA*
* Jätkub (vt nr 3, 1989). Erinevate teabeagentuuride ja perioodiliste väljaannete materjalide põhjal on toodud andmed mõnede Maa tehissatelliitide (AES) startimise kohta alates 15. novembrist 1989. AES "Cosmos" starte ei registreerita. Neid kajastab regulaarselt näiteks ajakiri "Priroda", õhuke ja saadab huvitatud lugejaid. Eraldi lisa on pühendatud mehitatud kosmoselendudele.
15. NOVEMBRIL 1988 viidi esmakordselt Nõukogude Liidus läbi universaalse raketi- ja kosmosetranspordisüsteemi Energia katsestardist korduvkasutatava kosmoseaparaadiga Buran. Olles lõpetanud kahe orbiidi mehitamata lennu, maandus orbitaalne kosmoselaev Buran edukalt automaatrežiimis Baikonuri kosmodroomi lennurajal. Burani laev ehitati muutuva pühkimisega delta tiiva sabata lennuki skeemi järgi. Võimeline sooritama kontrollitud laskumist atmosfääris külgmanöövriga kuni 2000 km. Laeva pikkus on 36,4 m, tiibade siruulatus ca 24 m, laeva kõrgus šassiil seistes üle 16 m. Stardi kaal on üle 100 tonni, millest 14 tonni on kütus. Selle lastiruum mahutab kuni 30 tonni kaaluvat kandevõimet Vööriruumi on ehitatud rõhu all olev kabiin meeskonnale ja varustusele mahuga üle 70 m 3. Peajõusüsteem asub laeva sabaosas, kaks mootorite rühma manööverdamiseks asuvad sabaosa lõpus ja kere ees. Ligi 40 000 üksikust profiilplaadist koosnev kuumakaitsekate on valmistatud spetsiaalsetest materjalidest - kõrge temperatuuriga kvartsist ja orgaanilistest kiududest ning süsinikupõhisest materjalist. Taaskasutatava kosmoseaparaadi Buran esimene lend avab kvalitatiivselt uue etapi Nõukogude kosmoseuuringute programmis.
10. DETSEMBRIL 1988 saatis kanderakett Proton orbiidile järgmise (19.) Nõukogude telesatelliidi Ekrani. Lennutatud geostatsionaarsele orbiidile 99° E. (rahvusvaheline registreerimisindeks "Statsionaarne T"), kasutatakse neid satelliite televisiooniprogrammide edastamiseks detsimeetri lainepikkuste vahemikus Uurali ja Siberi piirkondadesse abonendi vastuvõtjatele kollektiivseks kasutamiseks.
11. DETSEMBRIL 1988 viidi Prantsuse Guajaanast Kourou kosmodroomilt Lääne-Euroopa kanderaketi Ariane-4 abil geostatsionaarsele orbiidile kaks sidesatelliiti - inglaste Skynet-4B ja Luksemburgile kuuluv Astra-1. konsortsium SES. Satelliit Astra-1 on mõeldud telesaadete taaslevitamiseks Lääne-Euroopa riikide kohalikesse levikeskustesse. Satelliidil on 16 keskmise võimsusega transpondrit, millest enamiku rendib British Telecom. Satelliidi "Astra-1" hinnanguline seisupunkt 19,2 ° W. e) Esialgu pidi Briti satelliit lendama Ameerika kosmosesüstiku abil. 1986. aasta jaanuaris toimunud Challengeri õnnetus aga rikkus neid plaane ja startimiseks otsustati kasutada kanderaketti Arian. Kahe satelliidi starti teostas kanderakett Arian-4, mis oli varustatud kahe tahke raketikütuse ja kahe vedelikuvõimendiga. Arianspace'i konsortsium teatas potentsiaalsetele tarbijatele, et see raketimudel on võimeline toimetama 3,7-tonnise kandevõimega ülekandeorbiidile, mille apogeekõrgus on 36 000 km. Selles versioonis kasutatakse Ariane-4 teist korda. Selle konfiguratsiooni kanderaketi esimene käivitamine oli katsetus. Seejärel viidi 1988. aastal tema abiga orbiidile kolm satelliiti: Lääne-Euroopa meteoroloogiline Meteosat-3 ja amatöörraadio Amsat-3, samuti Ameerika side Panamsat-1.
22. DETSEMBRIL 1988 viidi NSV Liidus põhjapoolkeral ülielliptilisele orbiidile kanderakett Molnija, mille apogeekõrgus on 39 042 km, et tagada kaugtelefoni ja telegraafi raadiosidesüsteemi töö ning telesaadete edastamine süsteemi Orbit kaudu.
23. DETSEMBRIL 1988 saadeti HRVst Xichangi kosmodroomilt kanderaketi Long March-3 abil orbiidile HRV 24. satelliit. See on neljas Hiina sidesatelliit, mis on saadetud geostatsionaarsele orbiidile. Satelliidi kasutuselevõtuga viiakse lõpule kõigi riiklike teleprogrammide üleviimine taasedastamisele satelliidisüsteemi kaudu. Hiina Rahvavabariigi riiginõukogu peaminister Li Peng viibis tehissatelliidi stardi juures.
25. DETSEMBRIL 1988 saatis NSV Liidus kanderakett Sojuz orbiidile automaatse kaubakosmoselaeva Progress-39, mis oli mõeldud Nõukogude orbitaaljaama Mir varustamiseks. Laev sildus jaamaga 27. detsembril, dokkis sealt lahti 7. veebruaril 1989 ning sisenes samal päeval atmosfääri ja lakkas olemast.
28. DETSEMBRIL 1988. aastal NSV Liidus suunati kanderakett Molnija järgmise (75.) sidesatelliidi Moliya-1 põhjapoolkeral ülielliptilisele orbiidile, mille apogeekõrgus oli 38 870 km. Seda satelliiti juhitakse osana Nõukogude Liidus telefoni- ja telegraafiraadioside jaoks kasutatavast satelliidisüsteemist, samuti televisiooniprogrammide edastamisest Orbita süsteemi kaudu.
26. JAANUARIL 1989 startis NSV Liidus kanderakett "Proton" järgmine (17.) sidesatelliit "Horizont". Lennutatud geostatsionaarsele orbiidile 53° E. ta sai rahvusvahelise registreerimisindeksi "Stationary-5". Satelliidi Gorizont kasutatakse televisiooniprogrammide edastamiseks maapealsete jaamade Orbita, Moskva ja Intersputnik võrku ning sidepidamiseks laevade ja lennukitega täiendavate repiiterite abil.
27. JAANUARIL 1989 saadeti kanderakett Ariane-2 satelliit Intelsat-5A (mudel F-15) abil ülekandeorbiidile kasutamiseks rahvusvahelise ITSO konsortsiumi ülemaailmses kommertssatelliitsidesüsteemis. Viidi üle geostatsionaarsele orbiidile 60° E. Satelliit asendab seal asuvat 1985. aasta septembris orbiidile saadetud satelliiti Intelsat-5A (mudel F-12).
10. VEEBRUARIL 1989 startis NSV Liidus kanderakett Sojuz automaatse kaubakosmoselaeva Progress-40, mis oli mõeldud Nõukogude orbitaaljaama Mir varustamiseks. Laev sildus jaamaga 12. veebruaril ja sealt lahti 3. märtsil. Pärast lahtiühendamist viidi läbi katse kahe suuremahulise mitmelülilise konstruktsiooni paigutamiseks avatud ruumi, mis olid kokkuvolditud kosmoseaparaadi Progress-40 välispinnal. Pardaautomaatika käsul avati need struktuurid ükshaaval. Nende kasutuselevõtt viidi läbi kujumäluefektiga materjalist elementide kasutamise kaudu. 5. märtsil lülitati laeval sisse tõukejõusüsteem. Aeglustamise tulemusena sisenes laev atmosfääri ja lakkas olemast.
15. VEEBRUAR 1989 NSVL kanderakett "Molnija" suunati järgmise (76.) sidesatelliidi "Molnija-1" põhjapoolkeral ülielliptilisele orbiidile, mille apogee kõrgus oli 38 937 km. See satelliit kuulub satelliitide süsteemi, mida Nõukogude Liidus kasutati telefoni- ja telegraafiraadioside jaoks, samuti televisiooniprogrammide edastamiseks süsteemi Orbita kaudu.
16. MÄRTSil startis NSV Liidus kanderakett Sojuz automaatse kaubakosmoselaeva Progress-41, mis oli mõeldud Nõukogude orbitaaljaama Mir varustamiseks. Laev sildus jaamaga 18. märtsil.
Mehitatud lendude kroonika 1
1 Jätkub (vt nr 3, 1989).
2 Sulgudes olevad numbrid näitavad kosmoselendude arvu, sealhulgas viimast.
3 Ekspeditsioon Miri jaama.
Miri jaama meeskonda jäid 4 kosmonauti A. Volkov ja S. Krikalev. 21. detsembril 1988 koos J.-L. Chretien, V. Titov ja M. Manarov naasid Miri jaamast maa peale, olles teinud astronautika ajaloo pikima 1-aastase lennu.
ASTRONOOMIA UUDISED
NIIDID IMEMAAL
Oleme oma lühikestes märkustes juba maininud mõne Suure Ühinemise mudeli ühte kosmoloogilist tagajärge – kosmoloogiliste filamentide olemasolu ennustamist. Need on ühemõõtmelised laiendatud struktuurid, millel on suur lineaarne massitihedus (~Ф 0 2, kus Ф 0 on nullist erinev vaakumi keskmine) ja paksusega ~1/Ф 0.
Paljude Suure Unifikatsiooni realistlike mudelite hulgas (kuna on ka mitterealistlikke) on kõige edukamad need skeemid, mis sisaldavad peegelosakesi, mis on oma omadustelt vastavate tavaliste osakestega rangelt sümmeetrilised. Peegelkaksikud ei omanda mitte ainult aineosakesi (elektronid, kvargid), vaid ka interaktsiooni kandjaosakesi (footonid, W-bosonid, gluoonid jne). Seda tüüpi skeemides viib täieliku sümmeetria rikkumine üleminekuni tavalistest osakestest peegelosakestele. Nendes mudelites esinevaid niite nimetatakse Alice'i niitideks. Neid eristab "tavalistest" kosmoloogilistest niitidest järgmine lisaomadus: niidi ümber käimine muudab objekti spekulatiivsust.
Sellest "peeglitaolisest" omadusest järeldub, et spekulaarsuse definitsioon ise muutub suhteliseks: kui me peame makroskoopilist objekti tavaliseks, kui läheme ümber vasakpoolse niidi, siis see osutub peegeldatuks, kui niit läheb ümber. paremal (või vastupidi). Lisaks peegeldub elektromagnetkiirgus, mida me tajume normaalsena Alice'i niidist vasakul, sellest paremal. Meie tavalised elektromagnetvastuvõtjad ei saa seda registreerida.
Kuid see kõik on teoorias. Kas Alice filamentidel on võimalikud vaatlusilmingud? Kõik need omadused, mis tavalistel kosmoloogilistel niitidel on, on ka Alice'i niitidel. Kuid erinevalt esimesest peavad Alice'i niidid oma evolutsiooni käigus muutma osakeste ja valguskiirte suhtelist spekulatiivsust. Peegelosakeste olemasolu viib selleni, et tähed ja ilmselt ka kerasparved peaksid olema ühesuguse spekulatsiooniga, samas kui galaktikad ja suuremad ebahomogeensused (parved, superparved) koosnevad võrdsest arvust peegel- ja tavaosakestest. Samas on nende keskmised omadused (spekter, heledus, massi- ja kiirusjaotus jne) samad. Seega, kui me ei suuda galaktikat üksikuteks tähtedeks “lahutada”, siis ei oska me isegi märgata Alice’i niidi läbimist nende ja galaktika vahel, sest nii peegel kui ka tavalised heledused ja galaktika spektrid on täiesti sümmeetrilised.
Alice'i hõõgniidi (nagu muide mis tahes olemusega kosmoloogilise hõõgniidi) avaldumist võib püüda tuvastada selle tekitatud lööklaines gaasihõõgumise mõju järgi. Viimane tekib siis, kui ainet häirib niidi kooniline gravitatsiooniväli. Tõsi, hõõgniidi taga lööklaines oleva gaasi heledust on raske eraldada sellise gaasi üldise heleduse taustast. Sama kehtib ka jääkkiirguse temperatuuri häirimise kohta hõõgniidi suunas. Seetõttu on teoreetikute hinnangul kõige lootustandvam Alice'i niidi tõttu gravitatsiooniläätse efekti otsimine.
KAS PIDEV ON PÜSIV?
See on Newtoni gravitatsioonikonstant G. On palju teooriaid, mis ennustavad vajadust seda muuta. Kuid mitte ainult see, vaid ka teised fundamentaalsed konstandid – näiteks mõnes superstringiteooria mudelis peavad need konstandid muutuma koos Universumi vanusega (universumi paisumisega G peaks näiteks vähenema).
Ükski seni tehtud katsetest ei ole andnud mingeid tõendeid püsivuse kohta. G. Kehtestatud on vaid sellise muutuse ülempiirid - umbes 10–11 osa aastas. Hiljuti kinnitasid Ameerika teadlased seda hinnangut topeltraadiopulsari jälgimisega.
1974. aastal avastatud binaarne pulsar PSR 1913+16 koosneb neutrontäht, mis pöörleb ümber teise kompaktse objekti. Juhtub nii, et selle orbiidiperioodi muutumise kiirus on teada hämmastavalt suure täpsusega.
Üldrelatiivsusteooria ennustab, et selline kahendsüsteem kiirgab gravitatsioonilaineid. Sel juhul muutub binaarse pulsari orbitaalperiood. Selle muutumise kiirus on ennustatud püsivuse eeldusel G, ühtib vaadelduga hästi.
Ameerika teadlaste tähelepanekud võimaldavad meil hinnata varieeruvuse piiri G väike erinevus vaatluste ja ennustuste vahel üldine teooria suhtelisus. See hinnang, nagu juba mainitud, annab väärtuseks suurusjärgus 10–11 osa aastas. Nii et kõige tõenäolisemalt G ei muutu kunagi.
"VALGUSE KAJA" SUPERNOVA-87
Austraalia ja Ameerika astronoomid on tuvastanud LMC-st pärit supernoova infrapunakiirguse üsna suure suurenemise. Iseenesest pole sellise kiirguse fakt midagi erilist. Tema puhang on arusaamatu ja ootamatu.
Välja on pakutud mitmeid hüpoteese. Neist ühe järgi "särab" pulsar, mis on "sättinud" plahvatanud tähe poolt väljapaisatud gaasis (kuigi pulsari kiirgus peaks olema lühema lainepikkusega). Teise hüpoteesi kohaselt kondenseeruvad plahvatusel tekkivad gaasid tahketeks makroosakesteks, mis kuumutamisel kiirgavad infrapunakiirgust.
Kolmas hüpotees on samuti “tolmune”. Tuhandeid ja tuhandeid aastaid enne plahvatust kaotas esialgne täht enda ümber kogunenud gaasi. Tolmukest ulatus supernoova ümber peaaegu valgusaastaks, nii kaua kulus plahvatava tähe valgusel tolmupilveni jõudmiseks. Kuumutatud tolm kiirgab uuesti infrapunases valguses ja kiirguse maapealsete vaatlejateni jõudmiseks kulub veel aasta. See seletab aega, mis kulus supernoova plahvatuse registreerimisest infrapunapuhangu tuvastamiseni.
PUUDUB MISS
Kui kaasaegne teooria Tähtede evolutsioon on tõsi (ja selles ei näi olevat põhjust kahelda), siis väikese massiga tähtedel (mille mass on väiksem kui Päikese mass) ei ole "tuju" oma elu vormis lõpetada. planetaarsest udukogust - helendav gaasipilv, mille keskel on algtähe jäänuk.
Küll aga rikuti seda keeldu üsna pikka aega müstiliselt – paljudel juhtudel osutus planetaarse udukogu mass väiksemaks kui Päikese mass. Inglise ja Hollandi astronoomid uurisid kolme eredat planetaarset udukogu (õigemini nende nõrgalt helendavat kesta). Nende saadud spektrite abil arvutati välja nii kesta kui ka udukogu enda mass. Selgeks on saanud massidefitsiidi probleem – kestas on palju rohkem ainet kui udukogus endas. Esialgu peaksid tähed - planeetide udukogude "korraldajad" - olema raskemad. Puuduv mass on kestas.
Siis aga tekkis uus mõistatus. Udu ja kesta jaoks arvutatud gaasi temperatuurid erinevad – kest osutus udukogust 2 korda kuumemaks. Näib, et see peaks olema vastupidi, sest kesktäht on kohustatud kütma ümbrisgaasi. Üks seda paradoksi selgitav oletus on see, et kesta soojendamiseks vajalikku energiat annab kesktähe poolt puhuv kiire "tuul".
HOIATUS – VÄLK
Ameerika satelliit SMM, mis oli mõeldud Päikese uurimiseks, ennustas selle enneaegset "surma" - deorbiidile minekut. Selle satelliidi andmed viitavad sellele, et riikliku ookeani- ja atmosfääriameti andmetel veedame järgmised neli aastat keskkonnas päikese aktiivsus. Kõikide sellest tulenevate tagajärgedega - magnettormid, mis takistavad raadiosidet ja navigatsiooni, segavad radarite tööd, kujutavad väga kindlat ohtu: kosmoselaevade meeskondadele, kahjustavad satelliitide tundlikke elektroonikaosi jne.
Päikesepursked kiirgavad karmi ultraviolettkiirgust, mis soojendab atmosfääri ülemisi kihte. Selle tulemusena suureneb selle ülemise (tingimusliku) piiri kõrgus. Lühidalt öeldes on atmosfäär "häiritud", mis peegeldub eelkõige madalatel orbiitidel olevatel satelliitidel. Nende eluiga lüheneb. Omal ajal juhtus see Ameerika Skylabi jaamaga, mis väljus orbiidist enne tähtaega. Sama saatus, nagu juba mainitud, ootab SMM-i satelliiti.
Päikese aktiivsuse tsüklid on tuntud juba pikka aega, kuid neid nähtusi põhjustavate protsesside olemust ei mõisteta täielikult.
UUED TELEKOOPID
Mauna Kea mägi (4170 m, Hawaii, USA) muutub peagi astronoomiliseks Mekaks. Lisaks sellel mäel asuvas observatooriumis juba olemasolevatele teleskoopidele projekteeritakse (ja juba ehitatakse) uusi võimsamaid optilisi teleskoope.
California Ülikool ehitab 10-meetrist teleskoopi, mis valmib ja paigaldatakse 1992. aastal. See koosneb 36 kuusnurksest konjugeeritud peeglist, mis on paigutatud kolme kontsentrilise rõngana. Segmendipeeglite kõikidesse otstesse paigaldatud elektroonilised andurid edastavad andmed nende hetkeasendi ja orientatsiooni kohta üksteise suhtes arvutisse, mis annab aktiivsetele peegliajamitele käsklusi. Selle tulemusena on tagatud komposiitpinna ja selle kuju pidevus mehaaniliste nihete ja tuulekoormuste mõjul.
Samale Mauna Keale plaanitakse 1995. aastal paigaldada Jaapani teadlaste poolt välja töötatud 7,5-meetrine teleskoop. See hakkab asuma Ameerika omast enam kui saja meetri kaugusel. See "spargel" on võimsaim optilis-interferomeetriline süsteem, mis võimaldab teil vaadata suuri vahemaid, uurida kvasareid, avastada uusi tähti ja galaktikaid.
Kaheksa Lääne-Euroopa riiki - selle vaatluskeskuse kaasomanikud - peaks Lõunaobservatooriumis (Tšiili) ehitama neli eraldi teleskoopi (igaüks läbimõõduga 8 m), mis on fiiberoptika abil kokku pandud üheks fookustasandiks. Esimese peegli (ehk esimese teleskoobi) ehitamine on kavandatud 1994. aastaks ja ülejäänud kolm 2000. aastaks.
MIS KUST TULEB
Nagu teate, on Marsi atmosfääris üsna kõrge süsinikdioksiidi kontsentratsioon. See gaas pääseb kosmosesse, seega peab selle konstantset kontsentratsiooni hoidma mingi allikas.
Eksperdid usuvad, et selliseks allikaks on Maal haruldane mineraalskapoliit (meie planeedil on see poolvääriskivi, mis sisaldab lisaks süsinikule räni, hapnikku ka naatriumi, kaltsiumi, kloori, väävlit, vesinikku), mis suudab talletada. suur kogus süsinikdioksiidi selle kristallstruktuuri osana (karbonaat). Marsil on palju skapoliite.
Seega näeme ökosüsteemis paljudest organismidest koosneva elukoosluse vastasmõju sellele kooslusele mõjuvate iseloomulike keskkonnateguritega. Ökosüsteeme klassifitseeritakse tavaliselt olulisemate keskkonnategurite järgi. Niisiis, nad räägivad mere-, maismaa- või maismaa-, ranniku- või ranniku-, järve- või limnilistest ökosüsteemidest jne. Kuidas ökosüsteem on üles ehitatud?
Tavaliselt koosneb see neljast põhielemendist:
1. Mitteelus (abiootiline) keskkond. Need on vesi, mineraalid, gaasid, aga ka eluta orgaaniline aine ja huumus.
2. Tootjad (tootjad). Nende hulka kuuluvad elusolendid, kes on võimelised tootma orgaanilisi aineid anorgaanilistest keskkonnamaterjalidest. Seda tööd teevad peamiselt rohelised taimed, mis toodavad päikeseenergia abil süsihappegaasist, veest ja mineraalidest orgaanilisi ühendeid. Seda protsessi nimetatakse fotosünteesiks. Sellega eraldub hapnik (O 2). Taimede toodetud orgaanilisi aineid kasutavad toiduks loomad ja inimesed, hapnikku kasutatakse hingamiseks.
3. Tarbijad (tarbijad). Nad kasutavad taimseid tooteid. Ainult taimedest toituvaid organisme nimetatakse esmajärgulisteks tarbijateks. Loomi, kes söövad ainult (või peamiselt) liha, nimetatakse teise järgu tarbijateks.
4. Redutseerijad (hävitajad, lagundajad). See organismide rühm lagundab surnud olendite jäänuseid, näiteks taimejäänuseid või loomade laipu, muutes need tagasi tooraineks - veeks, mineraalideks, tootjatele sobivaks CO 2 -ks, muutes selle taas komponentideks orgaanilisteks aineteks.
Lagundajad on paljud ussid, putukate vastsed ja muud väikesed mullaorganismid. Baktereid, seeni ja teisi mikroorganisme, mis muudavad elusaine mineraalaineks, nimetatakse mineralisaatoriteks.
Ökosüsteem võib olla ka kunstlik. Kunstliku ökosüsteemi näide, mis on looduslikega võrreldes äärmiselt lihtsustatud ja puudulik, on kosmoselaev. Selle piloot peab elama pikka aega laeva suletud ruumis, leppides piiratud toidu-, hapniku- ja energiavarudega. Samas on soovitav võimalusel taastada ja taaskasutada kasutatud aine ja jäätmete varud. Selleks on kosmoselaevas ette nähtud spetsiaalsed regenereerimisüksused ning viimasel ajal on tehtud katseid elusorganismidega (taimede ja loomadega), kes peaksid päikesevalguse energiat kasutades osalema astronaudi jääkainete töötlemises.
Võrrelgem kosmoselaeva tehisökosüsteemi mis tahes loodusliku ökosüsteemiga, näiteks tiigi ökosüsteemiga. Vaatlused näitavad, et organismide arv selles biotoobis jääb – mõningate hooajaliste kõikumistega – põhimõtteliselt muutumatuks. Sellist ökosüsteemi nimetatakse stabiilseks. Tasakaal säilib seni, kuni välistegurid muutuvad. Peamised neist on vee sisse- ja väljavool, erinevate toitainetega varustamine ning päikesekiirgus.
Tiigi ökosüsteemis elavad mitmesugused organismid. Niisiis, pärast kunstliku veehoidla loomist asustavad seda järk-järgult bakterid, plankton, seejärel kalad ja kõrgemad taimed. Kui areng on saavutanud teatud haripunkti ja välismõjud püsivad pikka aega muutumatuna (vee, ainete, kiirguse sissevool ühelt poolt ning väljavool või aurustumine, ainete eemaldamine ja energia väljavool teiselt poolt). ), tiigi ökosüsteem stabiliseerub. Elusolendite vahel luuakse tasakaal.
Nagu lihtsustatud kosmoselaeva tehisökosüsteem, on ka tiigiökosüsteem võimeline ise hakkama saama. Piiramatut kasvu takistab ühelt poolt tootjataimede ning teiselt poolt tarbimis- ja lagundavate loomade ja taimede vastastikmõju.
Tarbijad saavad paljuneda vaid seni, kuni nad ei kasuta olemasolevaid toitaineid üle. Kui nad paljunevad liigselt, peatub nende arvukuse kasv iseenesest, kuna neil ei jätku piisavalt toitu. Tootjad omakorda nõuavad pidevat mineraalainete tarnimist. Redutseerijad ehk destruktorid lagundavad orgaanilist ainet ja suurendavad seeläbi mineraalainete varu. Nad taaskasutavad jäätmeid. Ja tsükkel algab uuesti: taimed (tootjad) omastavad neid mineraale ja toodavad päikeseenergia abil neist taas energiarikkaid toitaineid.
Loodus tegutseb kõrgeim aste majanduslikult. Organismide loodud biomass (nende kehade aine) ja selles sisalduv energia kanduvad üle ülejäänud ökosüsteemi: loomad söövad taimi, teised loomad söövad esimest, inimene sööb nii taimi kui loomi. Seda protsessi nimetatakse toiduahelaks. Toiduahelate näited: taimed – rohusööja – kiskja; teravili - põldhiir - rebane; söödataimed - lehm - mees. Reeglina toitub iga liik rohkem kui ühest liigist. Seetõttu põimuvad toiduahelad, moodustades toiduvõrgu. Mida tihedamalt seotud organismid on toiduvõrkude ja muude vastastikmõjude kaudu, seda vastupidavam on kooslus võimalike häirete vastu. Looduslikud, häirimata ökosüsteemid püüdlevad tasakaalu poole. Tasakaaluseisund põhineb biootiliste ja abiootiliste keskkonnategurite koosmõjul.
Suletud tsüklite säilitamine looduslikes ökosüsteemides on võimalik tänu kahele tegurile: lagundajate (lagundajate) olemasolu, mis kasutavad ära kõik jäätmed ja jäägid, ning pidev päikeseenergia varustamine. Linna- ja tehisökosüsteemides on lagundajaid vähe või üldse mitte ning jäätmed – vedelad, tahked ja gaasilised – kogunevad, saastades keskkonda. Selliste jäätmete kiireimat lagunemist ja taaskasutust on võimalik soodustada, soodustades lagundajate arengut, näiteks kompostimise teel. Nii et inimene õpib loodusest.
Energiasisendi poolest on looduslikud ja inimtekkelised (inimtekkelised) ökosüsteemid sarnased. Nii looduslikud kui tehisökosüsteemid – kodud, linnad, transpordisüsteemid – vajavad väljastpoolt tulevat energiat. Kuid looduslikud ökosüsteemid saavad energiat peaaegu igavesest allikast – Päikesest, mis pealegi energiat "tootes" ei saasta keskkonda. Inimene, vastupidi, toidab tootmis- ja tarbimisprotsesse peamiselt lõppenergiaallikate – kivisöe ja nafta – arvelt, mis koos energiaga annavad tolmu, gaase, soojust ja muid keskkonda kahjustavaid jäätmeid, mida ei saa töödelda. tehisökosüsteem ise. Ärgem unustagem, et sellise "puhta" energia tarbimisel nagu elekter (kui seda toodetakse soojuselektrijaamas) tekib õhusaaste ja keskkonna termiline saastatus.
