UDC 94:574.4
https://doi.org/10.24158/fik.2017.6.22
Tkačenko Jurijs Leonidovičs
Tehnisko zinātņu kandidāts, asociētais profesors, Maskavas Valsts asociētais profesors tehniskā universitāte nosaukts N.E. Baumanis
Morozovs Sergejs Dmitrijevičs
Vecākā pasniedzēja
Maskavas Valsts tehnika
Universitāte nosaukta N.E. Baumanis
NO MĀKSLĪGO EKOSISTĒMU RADĪŠANAS VĒSTURES
Tkačenko Jurijs Leonidovičs
Doktors tehniskajās zinātnēs, docents, Baumaņa Maskavas Valsts tehniskā universitāte
Morozovs Sergejs Dmitrijevičs
Baumaņa Maskavas Valsts tehniskās universitātes vecākais pasniedzējs
MĀKSLĪGO EKOSISTĒMU RADĪŠANAS VĒSTURES PIEZĪME
Anotācija:
Rakstā aplūkoti dokumentālie fakti par mākslīgo ekosistēmu izveidi, kas paredzētas izmantošanai kosmosa un sauszemes apstākļos. Novatoriskā loma K.E. Ciolkovskis, kurš pirmais izstrādāja koncepciju par slēgta biotopa izveidi cilvēkiem kosmosā, un V.I. Vernadskis pievērsās biosfērai, pieejām mākslīgo ekosistēmu veidošanai. Izšķirošais ieguldījums S.P. Koroļeva uz pirmo Ciolkovska projektu praktisko īstenošanu kosmosa apmetņu prototipu būvniecībai. Svarīgākā vēstures posmišī procesa: eksperimenti "Bios" (PSRS), "Biosphere-2" (ASV), "OEEP" (Japāna), "Mars-500" (Krievija), "Yuegun-1" (Ķīna).
Atslēgvārdi:
mākslīgā ekosistēma, kosmosa apmetnes, slēgts biotops, K.E. Ciolkovskis, S.P. Koroļovs, V.I. Vernadskis.
Rakstā ir aprakstīti dokumentālie fakti par mākslīgo ekosistēmu radīšanu, kas paredzēta kosmosa un zemes lietojumiem. Pētījumā parādīta K. E. Ciolkovska novatoriskā loma, kurš pirmais izstrādāja slēgtu ekoloģisko sistēmu koncepciju cilvēkiem kosmosā un V. I. Vernadska ietekmi. s biosfēra strādā pie pieejām mākslīgu ekosistēmu konstruēšanai. Rakstā ir izklāstīts S.P. izšķirošais ieguldījums. Koroļeva pirmajai praktiskajai kosmosa biotopu prototipu izveides īstenošanai saskaņā ar K.E. Ciolkovska projekti Rakstā ir aprakstīti šī procesa galvenie vēsturiskie posmi, kas ir tādi eksperimenti kā BIOS (PSRS), Biosphere 2 (ASV), CEEF (Japāna), Mars-500 (Krievija), Yuegong-1 (Ķīna).
mākslīgā ekosistēma, kosmosa biotopi, slēgta ekoloģiskā sistēma, K.E. Ciolkovskis, S.P. Koroļovs, V.I. Vernadskis.
Ievads
Ideja par nepieciešamību izveidot mākslīgi slēgtu cilvēka dzīvotni radās vienlaikus ar sapni par kosmosa lidojumiem. Cilvēkus vienmēr ir interesējusi spēja pārvietoties gaisā un kosmosā. XX gadsimtā. sākās praktiskā kosmosa izpēte, un 21. gs. Astronautika jau ir kļuvusi par neatņemamu pasaules ekonomikas sastāvdaļu. Astronautikas vēstnesis, filozofs-kosmists K.E. Ciolkovskis darbā "Visuma monisms" (1925) rakstīja: "Nākotnes tehnoloģija ļaus pārvarēt zemes gravitāciju un ceļot pa Saules sistēmu. Pēc mūsu Saules sistēmas apdzīvošanas sāks apdzīvot arī citas mūsu Saules sistēmas. piena ceļš. Ar grūtībām cilvēks tiks atdalīts no zemes. Ar "nākotnes tehnoloģiju" Ciolkovskis domāja ne tikai raķešu tehnoloģiju, kas izmanto reaktīvās piedziņas principu, bet arī cilvēku apdzīvošanas sistēmu kosmosā, kas veidota pēc zemes biosfēras attēla un līdzības.
Jēdziena "kosmosa biosfēra" dzimšana
K.E. Ciolkovskis pirmais izteica ideju izmantot dabai līdzīgus principus un biosfēras mehānismus skābekļa, uztura, saldūdens reprodukcijai un radīto atkritumu apglabāšanai viņa "reaktīvās ierīces" apkalpes dzīvības uzturēšanai. Šo jautājumu Ciolkovskis apsvēra gandrīz visās savās zinātniskie raksti, filozofiski un fantastiski darbi. Šādas vides veidošanas iespējamību pamato V.I. Vernadskis, kurš atklāja Zemes biosfēras uzbūves un funkcionēšanas pamatprincipus. Laikā no 1909. līdz 1910. gadam Vernadskis publicēja virkni piezīmju par izplatības novērojumiem ķīmiskie elementi Zemes garozā, un izdarīja secinājumu par dzīvo organismu vadošo nozīmi vielas cirkulācijas radīšanā uz planētas. Iepazīstoties ar šiem Vernadska darbiem un citiem darbiem tolaik jaunā zinātnes virziena - ekoloģijas jomā, Ciolkovskis raksta "Pasaules telpu izpēte ar strūklas ierīcēm" (1911) otrajā daļā rakstīja: "Kā zemes atmosfēru attīra augi ar Saules palīdzību, tāpēc var
atjaunot mūsu mākslīgo atmosfēru. Tāpat kā augi uz Zemes absorbē piemaisījumus ar savām lapām un saknēm un nodrošina barību pretī, tāpat mūsu ceļojumos paņemtie augi var pastāvīgi strādāt mūsu labā. Tāpat kā viss, kas pastāv uz Zemes, dzīvo no tāda paša daudzuma gāzēm, šķidrumiem un cietām vielām, tāpat mēs varam dzīvot mūžīgi no uzņemtajām matērijas krājumiem.
Ciolkovska autorība pieder arī kosmosa apmetnes projektam lielam skaitam iedzīvotāju, kuriem slēgtā ķīmisko vielu cikla dēļ tiek organizēta atmosfēras, ūdens un pārtikas resursu atjaunošana. Ciolkovskis apraksta šādu "kosmisko biosfēru" manuskriptā, ko viņš glabāja līdz 1933. gadam, bet nekad nevarēja pabeigt:
“Kopienā ir līdz tūkstotim abu dzimumu un visu vecumu cilvēku. Mitrumu kontrolē ledusskapis. Viņš arī savāc visu cilvēku iztvaicēto lieko ūdeni. Hostelis sazinās ar siltumnīcu, no kuras tas saņem attīrītu skābekli un uz kurieni nosūta visus izdalījumu produktus. Daži no tiem šķidrumu veidā iesūcas siltumnīcu augsnē, citi tiek tieši izvadīti to atmosfērā.
Kad trešdaļu no cilindra virsmas aizņem logi, tiek iegūti 87% no lielākā gaismas daudzuma un 13% tiek zaudēti. Pasāžas visur ir neērtas...” (Šajā brīdī rokraksts pārtrūkst).
Pirmās eksperimentālās instalācijas
Nepabeigto Ciolkovska manuskriptu ar nosaukumu "Dzīve starpzvaigžņu vidē" izdevniecība "Nauka" izdeva pēc vairāk nekā 30 gadiem - 1964. gadā. Izdevuma iniciators bija kosmosa tehnoloģiju ģenerāldizaineris akadēmiķis S.P. Koroļovs. 1962. gadā viņam jau bija veiksmīga pieredze lidojums kosmosā ko veica pirmais kosmonauts Yu.A. Gagarins 1961. gada 12. aprīlī noteica principiāli jaunu vektoru kosmosa projekta attīstībai: “Mums jāsāk attīstīt “siltumnīca pēc Ciolkovska”, pakāpeniski palielinot saites vai blokus, un jāsāk strādāt pie “kosmosa ražas” . Kuras organizācijas veiks šos darbus: augkopības un augsnes, mitruma jomā, mehanizācijas un "gaismas-siltuma-saules" tehnoloģijas un tās vadības sistēmu siltumnīcām jomā? .
Pasaulē pirmās slēgtās mākslīgās ekosistēmas izveide kosmosa vajadzībām sākās ar S.P. Karaliene un Fizikas institūta direktori Sibīrijas filiāle PSRS Zinātņu akadēmija (IP SB AS PSRS) L.V. Kirenskis, kurā Koroļovs nodeva Kirenskim savus priekšlikumus par "kosmosa siltumnīcu". Pēc tam PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Fizikas institūtā notika vairākas tikšanās, kurās tika lemts par to, kura nodaļa kļūs par bāzi kosmosa programmas izstrādei. Koroļeva izvirzītais uzdevums noslēgtā kapsulā izveidot mākslīgu ekosistēmu, kurā cilvēks varētu ilgstoši uzturēties zemei tuvos vides apstākļos, tika uzticēts vienšūņu nodaļai. Šis neparastais lēmums, kā izrādījās vēlāk, izrādījās pareizs: tās bija visvienkāršākās mikroaļģes, kas spēja pilnībā nodrošināt apkalpi ar skābekli un tīru ūdeni.
Zīmīgi, ka tajā pašā gadā - 1964. gadā, kad tika publicēts pēdējais Ciolkovska manuskripts, tika uzsākts darbs pie pirmās jebkad slēgtās mākslīgās ekoloģiskās sistēmas praktiskas izstrādes, iekļaujot cilvēka vielmaiņu vielas iekšējā apritē. PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Biofizikas institūta Biofizikas nodaļā, kas vēlāk pārveidota par neatkarīgu PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Biofizikas institūtu, tika uzsākta eksperimentālā objekta Bios-1 būvniecība. Krasnojarskā, kurā I.I. Gitelzons un I.A. Terskovs, kurš kļuva par jauna biofizikas virziena dibinātājiem. Galvenais uzdevums bija organizēt cilvēka apgādi ar skābekli un ūdeni. Pirmā instalācija sastāvēja no divām sastāvdaļām: zem spiediena kabīnes ar tilpumu 12 m3, kurā tika izmitināts cilvēks, un īpašas kultivatora tvertnes ar tilpumu 20 litri parastās hlorellas audzēšanai. Veiktie 7 dažāda ilguma eksperimenti (no 12 stundām līdz 45 dienām) parādīja iespēju pilnībā slēgt gāzu apmaiņu, tas ir, nodrošināt skābekļa ražošanu un oglekļa dioksīda izmantošanu ar mikroaļģēm. Caur hlorellas dzīvības procesiem tika izveidots arī ūdens cikls, kura laikā ūdens tika attīrīts dzeršanai un citu vajadzību apmierināšanai nepieciešamajā daudzumā.
"Bios-1" eksperimentos, kas ilga vairāk nekā 45 dienas, neizdevās, jo mikroaļģu augšana apstājās. 1966. gadā, lai izveidotu mākslīgu ekosistēmu, kas satur gan zemākos, gan augstākos augus, Bios-1 tika modernizēts uz Bios-2, pievienojot 8 m3 fitotronu spiediena kabīnei. Phytotron ir īpaša tehniska iekārta augstāku augu: dārzeņu un kviešu audzēšanai mākslīgā apgaismojuma un mikroklimata apstākļos. Augstākie augi kalpoja kā barības avots apkalpei un nodrošināja gaisa atjaunošanos. Tā kā skābekli deva arī augstākie augi, ar divu testētāju piedalīšanos bija iespējams veikt eksperimentus, kas ilga 30, 73 un 90 dienas. Rūpnīca darbojās līdz 1970. gadam.
"Bios-3" tika nodots ekspluatācijā 1972. gadā. Šī hermētiskā struktūra 4 istabu dzīvokļa lielumā, kas joprojām darbojas, ar tilpumu 315 m3, tika iekārtota Sibīrijas filiāles Biofizikas institūta pagrabā. Krievijas Zinātņu akadēmijas Krasnojarskā. Iekšpusē iekārta ir sadalīta ar hermētiskām starpsienām ar slēdzenēm četros nodalījumos: divas siltumnīcas ēdamiem augiem, kas audzēti fitotronos, izmantojot hidroponikas metodi, kam nav nepieciešama augsne, nodalījums hlorellas audzēšanai, kas ražo skābekli un tīru ūdeni, un nodalījums apkalpei. biedri. Dzīvojamā nodalījumā atrodas guļamvietas, virtuve un ēdamistaba, tualete, vadības pults, iekārtas augu produktu pārstrādei un atkritumu izvešanai.
Fitotronos brigāde audzēja īpaši selekcionētas pundurkviešu šķirnes, kas satur minimāli neēdamas biomasu. Tika audzēti arī dārzeņi: sīpoli, gurķi, redīsi, salāti, kāposti, burkāni, kartupeļi, bietes, skābenes un dilles. Tika izvēlēts Vidusāzijas eļļas augs "čufa", kas kalpoja kā cilvēka ķermenim neaizstājamu augu tauku avots. Apkalpe nepieciešamās olbaltumvielas saņēma, ēdot gaļas un zivju konservus.
1970. gados un 80. gadu sākumā Bios-3 tika veiktas desmit eksperimentālas kolonizācijas. Trīs no tiem ilga vairākus mēnešus. Ilgākā trīs cilvēku apkalpes nepārtrauktas pilnīgas izolācijas pieredze ilga 6 mēnešus - no 1972. gada 24. decembra līdz 1973. gada 22. jūnijam. Šim eksperimentam bija sarežģīta struktūra un tas tika veikts trīs posmos. Katram posmam bija savs pētnieku sastāvs. M.P. pārmaiņus atradās instalācijas iekšpusē. Šilenko, N.I. Petrovs un N.I. Bugrejevs, kurš katrs strādāja 4 mēnešus. Eksperimenta dalībnieks V.V. Terskihs palika Bios-3 visus 6 mēnešus.
Fitotrons "Bios-3" saražoja pietiekamu graudu un dārzeņu ražu dienā. Lielāko daļu laika apkalpe pavadīja ēdamo augu audzēšanai no sēklām, to novākšanai un pārstrādei, maizes cepšanai un ēdiena gatavošanai. 1976.-1977.gadā. izturēja eksperimentu, kas ilga 4 mēnešus, kurā bija iesaistīti divi testētāji: G.Z. Asinjarovs un N.I. Bugrejevs. No 1983. gada rudens līdz 1984. gada pavasarim tika veikts 5 mēnešu eksperiments, kurā piedalījās N.I. Bugreeva un S.S. Aleksejevs, kurš pabeidza "Bios" darbu. N.I. Tādējādi Bugrejevs uzstādīja toreiz absolūtu rekordu par uzturēšanos slēgtā mākslīgā vidē, instalācijā nodzīvojot kopumā 15 mēnešus. Astoņdesmito gadu beigās programma Bios tika apturēta, jo tika pārtraukts tās valdības finansējums.
"Biosfēra" aiz stikla
Stafeti slēgta biotopa izveidē uzņēma amerikāņi. 1984. gadā uzņēmums Space Biospheres Ventures sāka būvēt Biosphere 2 — slēgtu eksperimentālo objektu vietā ASV Arizonas tuksnesī.
Biosfēras-2 ideologi bija Marks Nelsons un Džons Alens, kurus pārņēma V.I. Vernadskis, apvienojot apmēram 20 zinātniekus ārzemēs, pamatojoties uz biosfēras doktrīnu. PSRS apgāds "Doma" 1991.gadā izdeva šīs autoru grupas grāmatu "Biosfēras katalogs", kurā stāstīts par gaidāmo eksperimentu. Alens un Nelsons par savu uzdevumu radīt "kosmiskas biosfēras" rakstīja šādi: "Apbruņojusies ar Vernadska un citu zinātnieku lieliskajām idejām, idejām un modeļiem, cilvēce tagad labprāt apsver ne tikai iespējamos mijiedarbības veidus ar biosfēru, bet arī arī veidus, kā palīdzēt tās "mitozei", pielāgojot mūsu zemes dzīvi pilnīgai līdzdalībai paša Kosmosa liktenī, radot iespēju ceļot un dzīvot kosmosā.
"Biosfēra-2" ir kapitāla struktūra no stikla, betona un tērauda, kas atrodas 1,27 hektāru platībā. Kompleksa apjoms sasniedza vairāk nekā 200 tūkstošus m3. Sistēma bija noslēgta, tas ir, to varēja pilnībā atdalīt no ārējās vides. Tās iekšpusē tika mākslīgi atjaunotas biosfēras ūdens un sauszemes ekosistēmas: mini okeāns ar mākslīgu rifu, kas veidots no koraļļiem, tropu mežs - džungļi, savanna, ērkšķu augu meži, tuksneši, saldūdens un sālsūdens purvi. Pēdējais izpaudās kā līkumota upes gultne, ko appludināja mākslīgais okeāns - estuārs, kas apstādīts ar mangrovju audzēm. Ekosistēmu bioloģiskās kopienas ietvēra 3800 dzīvnieku, augu un mikroorganismu sugas. "Biosfēras-2" iekšpusē eksperimenta dalībniekiem tika iekārtoti dzīvojamie dzīvokļi un lauksaimniecības vietas, kas veidoja veselu rančo ar nosaukumu Sun Space.
1991. gada 26. septembrī labierīcību kompleksā tika izolēti 8 cilvēki - 4 vīrieši un 4 sievietes. Eksperimentētāji – “bionauti”, kuru vidū bija arī projekta ideologs Marks Nelsons, nodarbojās ar tradicionālo lauksaimniecību – rīsu audzēšanu. Šim nolūkam tika izmantotas lauku un lopkopības saimniecības, tika izmantoti ļoti uzticami instrumenti, kurus vajadzēja vadīt tikai ar cilvēka muskuļu spēku. Instalācijas iekšpusē tika iestādīta zāle, krūmi un koki. Pētnieki audzēja rīsus un kviešus, saldos kartupeļus un bietes, banānus un papaiju, kā arī citas kultūras, kas kopā radīja 46 augu pārtikas šķirnes. Gaļas diētu nodrošināja lopkopība. Lopkopības fermā dzīvoja vistas, kazas un cūkas. Turklāt bionauti audzēja zivis un garneles.
Grūtības sākās gandrīz uzreiz pēc eksperimenta sākuma. Pēc nedēļas Biosphere-2 tehniķis ziņoja, ka skābekļa daudzums atmosfērā pakāpeniski samazinās un oglekļa dioksīda koncentrācija palielinās. Tāpat izrādījās, ka saimniecība nodrošināja tikai 83% no pētniekiem nepieciešamā uztura. Turklāt 1992. gadā vaislas kaitēkļu kodes iznīcināja gandrīz visas rīsu kultūras. Visu šī gada ziemu saglabājās mākoņains laiks, kas izraisīja skābekļa ražošanas un augu barošanās samazināšanos. Mākslīgais okeāns kļuva skābs, jo tā ūdenī izšķīda liels daudzums oglekļa dioksīda, kā rezultātā koraļļu rifs gāja bojā. Sākās dzīvnieku izmiršana džungļos un savannās. Divu gadu laikā skābekļa koncentrācija aiz stikla nokritās līdz 14% sākotnējā 21% vietā.
"Bionauts" iznāca 1993. gada septembrī, pēc divu gadu uzturēšanās "aiz stikla". Tiek uzskatīts, ka "Biosfēra-2" neizdevās. Modeļa mazā mēroga dēļ "vides katastrofa" tajā notika ļoti ātri un parādīja visu mūsdienu cilvēka vadīšanas veida kaitīgumu, kas rada vides problēmas: uztura trūkums, biomasas noņemšana, atmosfēras piesārņojums un hidrosfēra un sugu daudzveidības samazināšanās. "Biosfēras-2" pieredzei bija liela ideoloģiska nozīme. Viena no "bionautiem" - Džeina Pointere, lasot lekcijas pēc eksperimenta beigām "Biosfērā-2", sacīja: "Tikai šeit es pirmo reizi sapratu, cik ļoti cilvēks ir atkarīgs no biosfēras - ja visi augi mirst, tad cilvēkiem nebūs ko elpot un nebūs ko ēst. Ja viss ūdens būs piesārņots, cilvēkiem nebūs ko dzert. Komplekss Biosphere-2 joprojām ir atvērts sabiedrībai, jo tā autori uzskata, ka ir radījuši principiāli jaunu pamatu sabiedrības izglītošanai vides aizsardzības jomā.
apdzīvoto cilvēku prototipi kosmosa stacijas
Kopš 90. gadu otrās puses radītajām instalācijām sākotnēji bija skaidrs mērķis - kosmosa kuģa dzīvības uzturēšanas sistēmas vai apdzīvojamās bāzes modelēšana lidojuma apstākļiem un Marsa vai Mēness izpētei. No 1998. līdz 2001. gadam Japānā tika veikti pētījumi CEEF (Closed Ecological Experimental Facility) objektā, kas ir slēgta mākslīgā ekosistēma. Eksperimentu mērķis bija izpētīt slēgtos gāzu apmaiņas, ūdens cirkulācijas un uztura ciklus, simulējot Marsa apdzīvojamās bāzes apstākļus. Kompleksā ietilpa fitotronu vienība augu audzēšanai, nodalījums mājdzīvnieku (kazu) audzēšanai, īpaša ģeohidrosfēras vienība, kas imitēja sauszemes un ūdens ekosistēmas, un apdzīvojams modulis divu cilvēku apkalpei. Stādu stādījumu platība bija 150 m2, lopkopības modulis - 30 m2, dzīvojamais - 50 m2. Projekta autori bija Tokijas Aviācijas un kosmosa institūta darbinieki K. Nitta un M. Oguči. Objekts atrodas Honshu salā Rokkasho pilsētā. Nav datu par ilgstošu eksperimentu veikšanu cilvēku izolēšanai šajā instalācijā, ir publicēti seku modelēšanas rezultāti globālā sasilšana klimats un pētījumi par radionuklīdu migrāciju iekšējās vielu plūsmās.
Slēgta biotopa modelēšana, imitējot ilgtermiņa kosmosa lidojumus, tiek veikta Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnas problēmu institūtā (IMBP) (Maskava), kuru dibināja M.V. Keldišs un S.P. Koroļovs 1963. gadā. Šī darba pamatā ir pētījums par cilvēkiem, kuri ilgstoši uzturas izolētos apstākļos Mars-500 kompleksā. Eksperiments par apkalpes izolāciju 520 dienu laikā sākās 2010. gada jūnijā un beidzās 2011. gada novembrī. Eksperimentā piedalījās vīrieši pētnieki: A.S. Sitevs, S.R. Kamolovs, A.E. Smoļevskis (Krievija), Djego Urbina (Itālija), Šarls Romēns (Francija), Vans Jue (Ķīna). Viens no kompleksa moduļiem ietver siltumnīcu dārzeņu audzēšanai. Stādīšanas platība nepārsniedz 14,7 m2 69 m3 apjomā. Siltumnīca kalpoja kā vitamīnu avots, papildinot un uzlabojot eksperimenta dalībnieku uzturu. Mars-500 komplekss ir balstīts uz fizikāli ķīmiskiem, nevis bioloģiskiem, apkalpes nodrošināšanas procesiem ar skābekli un tīru ūdeni, izmantojot konservu rezerves, tāpēc būtiski atšķiras no Bios-3 instalācijas.
Konceptuāli vistuvākais Bios projektam ir Ķīnas komplekss Yuegun-1 (Lunar Palace). Komplekss atveido Mēness bāzes apstākļus. Yuegong-1 Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitātē izstrādāja profesors Li Hongs. Zinātnieki no Maskavas un Krasnojarskas konsultēja Ķīnas kompleksa veidotājus.
Yuegong-1 komplekss aizņem 160 m2 platību ar 500 m3 tilpumu un sastāv no trim daļēji cilindriskiem moduļiem. Pirmais modulis ir dzīvojamais, kurā ir salons, kajītes trim apkalpes locekļiem, atkritumu pārstrādes sistēma un personīgās higiēnas telpa. Pārējos divos moduļos ir siltumnīcas ražošanas vajadzībām augu barība. Izaudzētie augi veidoja vairāk nekā 40% no apkalpes uztura. Ūdens un gaisa ziņā instalācijas slēgtā vide bija 99%.
Yuegong-1 instalācijas celtniecība tika pabeigta 2013. gada 9. novembrī. No 2014. gada 23. decembra līdz 30. decembrim testētāji, kas bija divi universitātes studenti, veica Mēness pils izmēģinājuma apmetni. Pats eksperiments tika veikts 105 dienas - no 2014. gada 3. februāra līdz 20. maijam. Tajā piedalījās trīs cilvēku ekipāža: vīrietis Sji Beizens un divas sievietes Van Minjuana un Dona Čena. Eksperiments beidzās veiksmīgi un tika plaši ziņots Ķīnas medijos. Secinājums
Piedāvātā slēgto mākslīgo ekosistēmu radīšanas vēsture ir globālā fragments vēsturiskais process cilvēces attīstība. Cilvēks, pateicoties savai spējai domāt, radīja praktisku astronautiku un pierādīja savu spēju iziet ārpus planētas. Padziļināta biosfēras veidošanas un biotopa funkcionēšanas mehānismu izpēte ļaus cilvēkiem radīt labvēlīgus apstākļus uz planētām un to pavadoņiem, asteroīdiem un citiem kosmosa ķermeņiem. Šī darbība ļaus apzināties cilvēka eksistences nozīmes.
UN. Vernadskis rakstīja par dzīvības izplatīšanos pa Zemi un kosmosu. Tikai cilvēks ar savu prātu spēj virzīt mūsu biosfēras paplašināšanos tālāk, līdz pat izpētīto Kosmosa robežu attīstībai. Cilvēcei ir jāpaplašina biosfēra līdz asteroīdiem un tuvumā esošajiem kosmosa ķermeņiem, lai dotos tālāk, pārsniedzot Visuma pētītās robežas. Tas ir svarīgi, lai saglabātu ne tikai mūsu biosfēru, bet arī pašu bioloģisko cilvēka sugu. Ciolkovska paredzētās Zemes tuvās telpas, Saules sistēmas un pēc tam kosmosa izpētes rezultātā var veidoties dinamiskas cilvēces populācijas - tas ir, daļa cilvēku pastāvīgi dzīvos kosmosa bāzēs ārpus Zeme. Tādējādi vēsture kā zinātne pārsniegs planētu ietvaru un patiesi kļūs par ne tikai Zemes, bet arī Kosmosa vēsturi.
1. Filozofijas pasaule. 2 sējumos T. 2. M., 1991. 624 lpp.
2. Ciolkovskis K.E. Rūpnieciskā kosmosa izpēte: darbu kolekcija. M., 1989. 278 lpp.
3. K.E. manuskriptu fotokopijas. Ciolkovskis [ Elektroniskais resurss]. URL: http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (apskatīts 25.04.2017.).
4. Grišins Ju.I. Mākslīgās kosmosa ekosistēmas. M., 1989. 64 lpp. (Jaunums dzīvē, zinātnē, tehnoloģijā. Kosmonautika, astronomijas sērija. Nr. 7).
5. Gitelzon I.I., Degermendži A.G., Tihomirovs A.A. Slēgtas dzīvības uzturēšanas sistēmas // Zinātne Krievijā. 2011. Nr.6. S. 4-10.
6. Degermendži A.G., Tihomirovs A.A. Mākslīgu slēgtu ekosistēmu izveide sauszemes un kosmosa vajadzībām // Krievijas Zinātņu akadēmijas biļetens. 2014. V. 84, Nr. 3. S. 233-240.
7. Biosfēras katalogs. M., 1991. 253 lpp.
8. Nelsons M., Dempsters V.F., Alens Dž.P. "Modulārās biosfēras" — jaunas izmēģinājuma platformas sabiedrības vides izglītībai un pētniecībai // Kosmosa pētniecības sasniegumi. 2008. sēj. 41, Nr. 5. R. 787-797.
9. Nitta K. CEEF, Slēgtā ekosistēma kā radioaktīvo izotopu dinamikas noteikšanas laboratorija, turpat. 2001. sēj. 27, Nr. 9. R. 1505-1512.
10. Grigorjevs A.I., Morukovs B.V. "Mars-500": provizoriskie rezultāti // Zeme un Visums. 2013. Nr. 3. S. 31-41.
11. Pavelcevs P. "Yuegun-1" - BIOS-3 projekta pēctecis // Kosmonautikas ziņas. 2014. V. 24, Nr. 7. S. 63-65.
Lai sāktu kosmosa lidojumus, cilvēcei bija vajadzīgas visas zinātnieku simtiem gadu savāktās zināšanas. Un tad cilvēks saskārās ar jaunu problēmu – citu planētu kolonizācijai un tālsatiksmes lidojumiem nepieciešams attīstīt slēgtu ekosistēmu, tajā skaitā – nodrošināt astronautus ar pārtiku, ūdeni un skābekli. Pārtikas piegāde uz Marsu, kas atrodas 200 miljonu kilometru attālumā no Zemes, ir dārga un sarežģīta, loģiskāk būtu atrast veidus, kā ražot pārtiku, ko ir viegli realizēt lidojumā un uz Sarkanās planētas.
Kā mikrogravitācija ietekmē sēklas? Kādi dārzeņi būtu nekaitīgi, ja tie tiktu audzēti ar smagajiem metāliem bagātā Marsa augsnē? Kā ierīkot plantāciju uz kosmosa kuģa? Zinātnieki un astronauti ir meklējuši atbildes uz šiem jautājumiem vairāk nekā piecdesmit gadus.
Ilustrācijā redzams, kā Krievijas kosmonauts Maksims Surajevs apskauj augus Lada instalācijā uz Starptautiskās kosmosa stacijas 2014. gadā.
Konstantīns Ciolkovskis grāmatā The Purposes of Astronautics rakstīja: “Iedomāsimies garu konisku virsmu jeb piltuvi, kuras pamatne jeb platā atvere ir pārklāta ar caurspīdīgu sfērisku virsmu. Tas ir tieši vērsts pret Sauli, un piltuve griežas ap savu garo asi (augstumu). Uz necaurredzamajām konusa iekšējām sienām ir mitras augsnes slānis ar tajā iestādītiem augiem. Tāpēc viņš ierosināja mākslīgi radīt gravitāciju augiem. Augi jāizvēlas auglīgi, mazi, bez resniem stumbriem un daļām, kas nedarbojas saulē. Tādējādi kolonizatorus var daļēji nodrošināt ar bioloģiski aktīvām vielām un mikroelementiem un reģenerēt skābekli un ūdeni.
1962. gadā OKB-1 galvenais konstruktors Sergejs Koroļovs izvirzīja uzdevumu: “Mums jāsāk izstrādāt “Siltumnīca (OR) pēc Ciolkovska”, pakāpeniski palielinot saites vai blokus, un jāsāk strādāt pie “kosmosa kultūrām”. ”.
Manuskripts K.E. Ciolkovskis "Kosmosa ceļojumu albums", 1933.
PSRS pirmo mākslīgo Zemes pavadoni orbītā palaida 1957. gada 4. oktobrī, divdesmit divus gadus pēc Ciolkovska nāves. Jau tā paša gada novembrī kosmosā tika nosūtīts jaukts Laika, pirmais no suņiem, kam vajadzēja pavērt cilvēkiem ceļu uz kosmosu. Laika no pārkaršanas nomira tikai piecu stundu laikā, lai gan lidojums bija paredzēts nedēļu – šoreiz būtu pieticis skābekļa un pārtikas.
Zinātnieki izteikuši pieņēmumu, ka problēma radusies ģenētiskās orientācijas dēļ – stādam jāsniedzas pēc gaismas, bet saknei – pretējā virzienā. Viņi uzlaboja Oāzi, un nākamā ekspedīcija orbītā nogādāja jaunas sēklas.
Loks ir pieaudzis. Vitālijs Sevastjanovs ziņoja Zemei, ka bultas sasniegušas desmit līdz piecpadsmit centimetrus. “Kādas bultas, kāds loks? Mēs saprotam, ka tas ir joks, mēs jums iedevām zirņus, nevis sīpolus, ”viņi teica no Zemes. Lidmašīnas inženieris atbildēja, ka astronauti no mājas paņēmuši divas spuldzes, lai tās iestādītu pāri plānam, un mierināja zinātniekus – gandrīz visi zirņi sadīguši.
Bet augi atteicās ziedēt. Šajā posmā viņi nomira. Tāds pats liktenis gaidīja arī tulpes, kuras uzziedēja Buttercup instalācijā Ziemeļpolā, bet ne kosmosā.
Bet sīpolus varēja ēst, ko 1978. gadā veiksmīgi paveica kosmonauti V. Kovaļenoks un A. Ivančenkovs: “Viņi labi pastrādāja. Varbūt tagad atļausim apēst sīpolu kā balvu.
Tehnika - jaunatne, 1983-04, 6.lpp. Zirņi Oasis augā
Kosmonauti V. Ryumin un L. Popovs 1980. gada aprīlī saņēma Malahīta instalāciju ar ziedošām orhidejām. Orhidejas plaukst koku mizā un dobumos, un zinātnieki domāja, ka tās varētu būt mazāk uzņēmīgas pret ģeotropismu, augu orgānu spēju orientēties un augt noteiktā virzienā attiecībā pret zemeslodes centru. Ziedi nobira pēc dažām dienām, bet tajā pašā laikā orhidejās veidojās jaunas lapas un gaisa saknes. Nedaudz vēlāk padomju-vjetnamiešu apkalpe no V. Gorbatko un Pham Tuay atveda sev līdzi izaugušu Arabidopsis.
Augi negribēja ziedēt. Sēklas uzdīgušas, bet, piemēram, orhideja kosmosā neziedēja. Zinātniekiem vajadzēja palīdzēt augiem tikt galā ar bezsvara stāvokli. Tas tika darīts, cita starpā, ar sakņu zonas elektriskās stimulācijas palīdzību: zinātnieki uzskatīja, ka Zemes elektromagnētiskais lauks var ietekmēt augšanu. Vēl viena metode ietvēra Ciolkovska aprakstīto plānu mākslīgās gravitācijas radīšanai - augus audzēja centrifūgā. Centrifūga palīdzēja - asni bija orientēti pa centrbēdzes spēka vektoru. Beidzot astronauti panāca savu. Arabidopsis ziedēja "Svetoblokā".
Zemāk redzamā attēla kreisajā pusē ir Fiton siltumnīca uz Salyut-7 klāja. Pirmo reizi šajā orbitālajā siltumnīcā Taljas rezukhovidka (Arabidopsis) izgāja pilnu attīstības ciklu un deva sēklas. Vidū - "Svetoblok", kurā Arabidopsis pirmo reizi uzziedēja uz Salyut-6 klāja. Labajā pusē atrodas kuģa siltumnīca "Oasis-1A" stacijā "Salyut-7": tā bija aprīkota ar mērītu pusautomātisko apūdeņošanas, aerācijas un sakņu elektriskās stimulācijas sistēmu un varēja pārvietot augšanas traukus ar augiem. uz gaismas avotu.
"Fiton", "Svetoblok" un "Oasis-1A"
Instalācija "Trapezia" augu augšanas un attīstības izpētei.
Sēklu komplekti
Stacijas Salyut-7 lidojumu žurnāls, Svetlanas Savitskajas skices
Stacijā Mir tika uzstādīta pasaulē pirmā automātiskā siltumnīca "Svet". Krievu kosmonauti šajā siltumnīcā veica sešus eksperimentus 90.-2000. gados. Viņi audzēja salātus, redīsus un kviešus. 1996.-1997.gadā Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnas problēmu institūts plānoja audzēt kosmosā iegūtas augu sēklas - tas ir, strādāt ar divu paaudžu augiem. Eksperimentam tika izvēlēts aptuveni divdesmit centimetrus augsts savvaļas kāpostu hibrīds. Augam bija viens mīnuss – astronautiem bija jātiek galā ar apputeksnēšanu.
Rezultāts bija interesants – kosmosā tika saņemtas otrās paaudzes sēklas, un tās pat sadīguši. Bet augi izauga līdz sešiem centimetriem, nevis divdesmit pieciem. Margarita Levinskih, Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnas problēmu institūta pētniece, stāsta ka amerikāņu astronauts Maikls Fosums veica juvelierizstrādājumus par augu apputeksnēšanu.
Roscosmos video par augu audzēšanu kosmosā. 4:38 - augi Mir stacijā
2014. gada aprīlī Dragon SpaceX kravas kuģis Starptautiskajai kosmosa stacijai nogādāja Veggie zaļo audzēšanas iekārtu, un martā astronauti sāka orbitālās plantācijas testēšanu. Instalācija kontrolē gaismu un barības vielu piegādi. 2015. gada augustā astronautu ēdienkartē, audzēti mikrogravitācijā.
Starptautiskajā kosmosa stacijā audzēti salāti
Šādi nākotnē varētu izskatīties kosmosa stacijas plantācija
Siltumnīca Lada darbojas Starptautiskās kosmosa stacijas eksperimenta Plants-2 Krievijas segmentā. 2016. gada beigās vai 2017. gada sākumā uz kuģa parādīsies Lada-2 versija. Pie šiem projektiem strādā Krievijas Zinātņu akadēmijas Biomedicīnas problēmu institūts.
Augu audzēšana kosmosā neaprobežojas tikai ar eksperimentiem ar nulles gravitāciju. Cilvēkam, lai kolonizētu citas planētas, būs jāattīsta lauksaimniecība uz augsnes, kas atšķiras no zemes, un atmosfērā, kuras sastāvs ir atšķirīgs. 2014. gadā biologs Maikls Mautners sparģeļi un kartupeļi meteorīta augsnē. Lai iegūtu audzēšanai piemērotu augsni, meteorīts tika samalts pulverī. Pēc pieredzes viņš varēja pierādīt, ka baktērijas, mikroskopiskas sēnītes un augi var augt ārpuszemes izcelsmes augsnē. Lielākajā daļā asteroīdu materiāls satur fosfātus, nitrātus un dažreiz arī ūdeni.
Sparģeļi, kas audzēti meteoru augsnē
Marsa gadījumā, kur ir daudz smilšu un putekļu, iežu slīpēšana nav nepieciešama. Taču būs vēl viena problēma – augsnes sastāvs. Marsa augsnē ir smagie metāli, kuru palielinātais daudzums augos ir bīstams cilvēkiem. Nīderlandes zinātnieki ir atdarinājuši Marsa augsni un kopš 2013. gada tajā audzējuši desmit vairāku augu sugu kultūras.
Eksperimenta rezultātā zinātnieki atklāja, ka saturs smagie metāli zirņos, redīsos, rudzos un tomātos, kas audzēti imitētā Marsa augsnē, nav bīstami cilvēkiem. Zinātnieki turpina pētīt kartupeļus un citas kultūras.
Pētnieks Wager Vamelink pārbauda augus, kas audzēti imitētā Marsa augsnē. Foto: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Metālu saturs kultūrā, kas novākta uz Zemes, un augsnes simulācijās uz Mēness un Marsa
Viens no svarīgus uzdevumus ir izveidot slēgtu dzīves atbalsta ciklu. Augi saņem oglekļa dioksīds un apkalpes atkritumu produkti, pretī tie dod skābekli un ražo pārtiku. Zinātniekiem ir iespēja pārtikā izmantot hlorellas vienšūnu aļģes, kas satur 45% olbaltumvielu un 20% tauku un ogļhidrātu. Bet šo teorētiski barojošo pārtiku cilvēki neuzsūc blīvās šūnu sienas dēļ. Ir veidi, kā atrisināt šo problēmu. Var sadalīt šūnu sienas tehnoloģiskās metodes, izmantojot termisko apstrādi, slīpēšanas krītiņus vai citas metodes. Līdzi var ņemt fermentus, kas īpaši izstrādāti hlorellai, ko astronauti paņems līdzi ar pārtiku. Zinātnieki var izcelt arī ĢMO hlorellu, kuras sienu var noārdīt cilvēka fermenti. Hlorella vairs netiek izmantota uzturam kosmosā, bet tiek izmantota slēgtās ekosistēmās skābekļa ražošanai.
Eksperiments ar hlorellu tika veikts uz Salyut-6 orbitālās stacijas. 1970. gados joprojām tika uzskatīts, ka atrašanās mikrogravitācijā tā nav negatīva ietekme par cilvēka ķermeni - bija pārāk maz informācijas. Viņi arī mēģināja pētīt ietekmi uz dzīviem organismiem ar hlorellas palīdzību, kuras dzīves cikls ilgst tikai četras stundas. Bija ērti to salīdzināt ar uz Zemes audzēto hlorellu.
Ierīce IFS-2 bija paredzēta sēnīšu, audu kultūru un mikroorganismu, kā arī ūdensdzīvnieku audzēšanai.
Kopš 70. gadiem PSRS tika veikti eksperimenti ar slēgtām sistēmām. 1972. gadā sākās "BIOS-3" darbs - šī sistēma joprojām darbojas. Komplekss ir aprīkots ar kamerām augu audzēšanai kontrolētos mākslīgos apstākļos – fitotronos. Viņi audzēja kviešus, sojas pupas, čufu salātus, burkānus, redīsus, bietes, kartupeļus, gurķus, skābenes, kāpostus, dilles un sīpolus. Zinātnieki ir spējuši sasniegt gandrīz 100% slēgtu ciklu ūdenim un gaisam un līdz 50-80% uzturam. Starptautiskā Slēgto ekoloģisko sistēmu centra galvenie mērķi ir izpētīt šādu dažādas sarežģītības pakāpes sistēmu darbības principus un izstrādāt zinātnisko pamatojumu to izveidei.
Viens no augsta līmeņa eksperimentiem, kas simulēja lidojumu uz Marsu un atgriešanos uz Zemes, bija. 519 dienas seši brīvprātīgie atradās slēgtā kompleksā. Eksperimentu organizēja Rokosmos un Krievijas akadēmija zinātnes, un Eiropas Kosmosa aģentūra kļuva par partneri. Uz “kuģa dēļa” bija divas siltumnīcas - vienā auga salāti, otrā zirņi. Šajā gadījumā mērķis nebija audzēt augus tuvu kosmosa apstākļos, bet gan noskaidrot, cik augi ir svarīgi komandai. Tāpēc siltumnīcas durvis tika noslēgtas ar necaurspīdīgu plēvi un tika uzstādīts sensors, kas fiksēja katru atvērumu. Kreisajā pusē esošajā fotoattēlā Mars-500 apkalpes locekle Marina Tuguševa eksperimenta ietvaros strādā ar siltumnīcām.
Vēl viens eksperiments uz Mars-500 ir GreenHouse. Zemāk esošajā video ekspedīcijas dalībnieks Aleksejs Sitņevs stāsta par eksperimentu un parāda siltumnīcu ar dažādiem augiem.
Cilvēkam būs daudz iespēju. Viņš riskē avarēt nosēšanās laikā, sasalt uz virsmas vai vienkārši nelidot. Un, protams, nomirt badā. Augkopība ir būtiska kolonijas veidošanai, un zinātnieki un astronauti strādā šajā virzienā, rādot veiksmīgus piemērus dažu sugu audzēšanai ne tikai mikrogravitācijā, bet arī imitētajā Marsa un Mēness augsnē. Kosmosa kolonistiem noteikti būs iespēja.
Skenēja un apstrādāja Jurijs Ābolonko (Smoļenska)
JAUNUMS DZĪVE, ZINĀTŅĀ, TEHNOLOĢIJĀ
POPULĀRZINĀTNES SĒRIJAS ABONEMENTS
Kosmoss, ASTRONOMIJA
7/1989
Iznāk reizi mēnesī kopš 1971. gada.
Ju. I. Grišins
MĀKSLĪGĀS TELPAS EKOSISTĒMAS
Piemērojot šo jautājumu:
KOSMOSA TŪRISMS
KOSMOSA HRONIKA
ASTRONOMIJAS JAUNUMI
Izdevniecība "Knowledge" Maskava 1989
BBC 39.67
G 82
Redaktors I. G. VIRKO
| Ievads | 3 |
| Cilvēks dabiskajā ekosistēmā | 5 |
| Kosmosa kuģis ar apkalpi — mākslīgā ekosistēma | 11 |
| Vielu stafete bioloģiskajā ciklā | 21 |
| Vai ekosistēmas ir efektīvas? | 26 |
| Mākslīgās un dabiskās biosfēras ekosistēmas: līdzības un atšķirības | 32 |
| Par bioloģiskajām dzīvības uzturēšanas sistēmām kosmosa apkalpes | 36 |
| Zaļie augi kā galvenā saikne bioloģiskās dzīvības uzturēšanas sistēmās | 39 |
| Sasniegumi un izredzes | 44 |
| Secinājums | 53 |
| Literatūra | 54 |
PIETEIKUMS | |
| kosmosa tūrisms | 55 |
| Astronautikas hronika | 57 |
| Astronomijas ziņas | 60 |
Grišins Ju.I.
| G 82 |
ISBN 5-07-000519-7
Brošūra ir veltīta kosmosa kuģu apkalpju un nākotnes ilgtermiņa funkcionējošu kosmosa struktūru dzīvības uzturēšanas problēmām. Tiek aplūkoti dažādi mākslīgo ekoloģisko sistēmu modeļi, ieskaitot cilvēku un citas bioloģiskās saites. Brošūra paredzēta plašam lasītāju lokam.
3500000000BBK 39,67
ISBN 5-07-000519-7© Izdevniecība "Knowledge", 1989
IEVADS
21. gadsimta sākums var ieiet zemes civilizācijas attīstības vēsturē kā kvalitatīvi jauns posms gandrīz Saules kosmosa attīstībā: dabisku un mākslīgi radītu kosmosa objektu tieša apmešanās ar ilgu cilvēku uzturēšanos. uz šiem objektiem.
Šķiet, ka pavisam nesen Zemes tuvās kosmosa orbītā tika palaists pirmais mākslīgais Zemes pavadonis (1957), pirmais lidojums un fotografēšana otrā puse no Mēness (1959), pirmais cilvēks devās kosmosā (Ju. A. Gagarins, 1961), televīzijā tika demonstrēts aizraujošais cilvēka iziešanas brīdis kosmosā (A. A. Leonovs, 1965) un astronautu pirmie soļi tika demonstrēta Mēness virsma (N. Armstrong un E. Aldrin, 1969). Taču katru gadu šie un daudzi citi izcili kosmosa laikmeta notikumi aiziet pagātnē un kļūst par vēstures īpašumu. Faktiski tie ir tikai sākums diženā K. E. Ciolkovska formulēto ideju iemiesojumam, kurš kosmosu uzskatīja ne tikai par astronomisku telpu, bet arī par vidi cilvēku dzīvošanai un dzīvei nākotnē. Viņš uzskatīja, ka "ja dzīvība neizplatītos visā Visumā, ja tā būtu saistīta ar planētu, tad šī dzīvība bieži vien būtu nepilnīga un ar noslieci uz bēdīgām beigām" (1928).
Šodien jau tiek prognozēti iespējamie cilvēka bioloģiskās evolūcijas varianti saistībā ar ievērojamas iedzīvotāju daļas pārvietošanos ārpus Zemes, tiek izstrādāti iespējamie kosmosa izpētes modeļi, kosmosa programmu transformatīvā ietekme uz dabu, ekonomiku un tiek vērtētas sociālās attiecības. Tiek aplūkotas arī apmetņu daļējas vai pilnīgas pašpietiekamības problēmas kosmosā ar slēgtu biotehnisko dzīvības atbalsta sistēmu palīdzību, Mēness un planētu bāzu izveide, kosmosa rūpniecība un būvniecība, ārpuszemes enerģijas avotu un materiālu izmantošana un atrisināts.
Sāk piepildīties K. E. Ciolkovska teiktais, ka “cilvēce uz Zemes nepaliks mūžīgi, bet, tiecoties pēc gaismas un telpas, tā vispirms kautrīgi iekļūs ārpus atmosfēras un tad iekaros visu apkārtējo Saules telpu” (1911).
Nesenajās starptautiskajās sanāksmēs un forumos par sadarbību kosmosā, lai turpinātu paplašināt zinātniskos pētījumus par Zemei un Saulei tuvu kosmosu, Marsa, Mēness un citu Saules sistēmas planētu izpēti, tika paustas cerības, ka lielu kosmosa programmu īstenošana, kas prasa milzīgas materiāltehniskās un finansiālās izmaksas, tiks veikta daudzu valstu kopīgiem spēkiem starptautiskās sadarbības ietvaros. "Tikai cilvēces kolektīvais prāts ir spējīgs virzīties uz Zemes tuvās telpas augstumiem un tālāk - uz tuvu Saules un zvaigžņu telpu," sacīja M. S. Gorbačovs uzrunā komunistiskās kustības ārzemju pārstāvjiem, kas ir dalībnieki. Lielās Oktobra revolūcijas 70. gadadienas svinības.
Viens no svarīgākajiem nosacījumiem cilvēka tālākai kosmosa izpētei ir cilvēku dzīvības un drošas darbības nodrošināšana viņu ilgstošas uzturēšanās laikā un darbā kosmosa stacijās, kas atrodas tālu no Zemes, kosmosa kuģos, planētu un Mēness bāzēs.
Visizdevīgākais veids šīs nozīmīgākās problēmas risināšanai, pēc daudzu pašmāju un ārvalstu pētnieku šodien domām, ir slēgtu biotehnisko dzīvības uzturēšanas sistēmu izveide ilgtermiņa apdzīvojamās telpas struktūrās, t.i., mākslīgās telpas ekoloģiskās sistēmas, iekļaujot cilvēku un citas bioloģiskās saites. .
Šajā brošūrā centīsimies ieskicēt šādu sistēmu konstruēšanas pamatprincipus, sniegsim informāciju par vērienīgu uz zemes bāzētu eksperimentu rezultātiem, kas veikti, gatavojoties kosmosa biotehnisko dzīvības uzturēšanas sistēmu izveidei, norādīsim uz problēmām, kas līdz šim ir aktuālas. jārisina uz Zemes un kosmosā, lai nodrošinātu nepieciešamo šo sistēmu funkcionēšanas drošumu.sistēmas kosmosa apstākļos.
CILVĒKS DABAS EKOSISTĒMĀ
Pirms sūtīt cilvēku tālā kosmosa ceļojumā, vispirms mēģināsim atbildēt uz jautājumiem: kas viņam vajadzīgs, lai normāli dzīvotu un strādātu auglīgi uz Zemes, un kā tiek risināta cilvēka dzīvības atbalsta problēma uz mūsu planētas?
Atbildes uz šiem jautājumiem ir nepieciešamas, lai izveidotu dzīvības uzturēšanas sistēmas apkalpēm uz pilotējamiem kosmosa kuģiem, orbitālajām stacijām un citplanētiešu struktūrām un bāzēm. Mēs pamatoti varam uzskatīt savu Zemi par milzīgu dabiskas izcelsmes kosmosa kuģi, kas savu nebeidzamo orbitālo kosmosa lidojumu ap Sauli veic 4,6 miljardus gadu. Šī kuģa apkalpē šodien ir 5 miljardi cilvēku. Strauji augošais Zemes iedzīvotāju skaits, kas līdz 20. gs. bija 1,63 miljardi cilvēku, un uz XXI gadsimta sliekšņa. jau vajadzētu sasniegt 6 miljardus, ir labākais pierādījums tam, ka uz Zemes pastāv pietiekami efektīvs un uzticams mehānisms cilvēka dzīvības nodrošināšanai.
Tātad, kas ir nepieciešams, lai cilvēks uz Zemes nodrošinātu savu normālu dzīvi un darbību? Diez vai ir iespējams sniegt īsu, bet izsmeļošu atbildi: visi dzīves, darbības un cilvēku interešu aspekti ir pārāk plaši un daudzpusīgi. Detalizēti atjaunojiet vismaz vienu savu nodzīvoto dienu, un jūs redzēsiet, ka cilvēkam vajag ne tik maz.
Cilvēka vajadzību pēc pārtikas, ūdens un gaisa apmierināšana, kas saistītas ar fizioloģiskajām pamatvajadzībām, ir galvenais viņa normālas dzīves un darbības nosacījums. Tomēr šis nosacījums ir nesaraujami saistīts ar citu: cilvēka ķermenis, tāpat kā jebkurš cits dzīvs organisms, aktīvi eksistē, pateicoties vielmaiņai organismā un ar ārējo vidi.
Patērējot no vides skābekli, ūdeni, barības vielas, vitamīnus, minerālsāļus, cilvēka organisms tos izmanto savu orgānu un audu veidošanai un atjaunošanai, vienlaikus saņemot visu dzīvībai nepieciešamo enerģiju no pārtikas olbaltumvielām, taukiem un ogļhidrātiem. Atkritumu produkti tiek izvadīti no organisma vidē.
Kā zināms, vielmaiņas un enerģijas intensitāte cilvēka organismā ir tāda, ka pieaugušais bez skābekļa var pastāvēt tikai dažas minūtes, bez ūdens – aptuveni 10 dienas, bet bez ēdiena – līdz 2 mēnešiem. Ārējais iespaids, ka cilvēka ķermenī nenotiek izmaiņas, ir mānīgs un nepatiess. Izmaiņas organismā notiek nepārtraukti. Pēc A. P. Mjasņikova (1962) teiktā, dienas laikā pieauguša cilvēka organismā, kas sver 70 kg, tiek nomainīti un mirst 450 miljardi eritrocītu, no 22 līdz 30 miljardiem leikocītu, no 270 līdz 430 miljardiem trombocītu, tiek sadalīti aptuveni 125 g proteīnu. , 70 g tauku un 450 g ogļhidrātu, izdalot vairāk nekā 3000 kcal siltuma, atjaunojas un iet bojā 50% kuņģa-zarnu trakta epitēlija šūnu, 1/75 skeleta kaulu šūnu un 1/20 no visām ķermeņa iekšējām ādas šūnām (t.i., ik pēc 20 dienām cilvēks pilnībā “izmaina ādu”), uz galvas izkrīt ap 140 matiņu un 1/150 no visām skropstām, to vietā veidojas jaunas utt. tajā pašā laikā vidēji notiek 23 040 ieelpas un izelpas, caur plaušām izplūst 11 520 litri gaiss, tiek absorbēti 460 litri skābekļa, no organisma izdalās 403 litri oglekļa dioksīda un 1,2-1,5 litri urīna, kas satur līdz 30. g blīvu vielu iztvaiko caur plaušām 0,4 litri un ar sviedriem izdalās apmēram 0,6 litri ūdens, kas satur 10 g blīvu vielu, veidojas 20 g sebuma.
Tāda ir cilvēka vielmaiņas intensitāte tikai vienas dienas laikā!
Tādējādi cilvēks nepārtraukti visas dzīves garumā izdala vielmaiņas produktus un siltumenerģiju, kas organismā veidojas pārtikas sadalīšanās un oksidēšanās rezultātā, pārtikā uzkrātās ķīmiskās enerģijas izdalīšanās un pārveidošanās rezultātā. Izdalītie vielmaiņas un siltuma produkti pastāvīgi vai periodiski jāizvada no organisma, saglabājot kvantitatīvo metabolisma līmeni pilnībā atbilstoši tā fizioloģiskās, fiziskās un garīgās aktivitātes pakāpei un nodrošinot ķermeņa apmaiņas līdzsvaru ar vidi. matērijas un enerģijas ziņā.
Ikviens zina, kā šīs cilvēka fizioloģiskās pamatvajadzības tiek realizētas ikdienas dzīvē: kosmosa kuģa "planēta Zeme" piecmiljardā komanda saņem vai ražo visu savai dzīvei nepieciešamo, pamatojoties uz planētas rezervēm un produktiem, kas baro, dzirdina. un apģērbu, veicina to skaita pieaugumu, ar savu atmosfēru aizsargā visu dzīvo no kosmisko staru nelabvēlīgās ietekmes. Šeit ir daži skaitļi, kas skaidri raksturo cilvēka galvenā "bartera" mērogu ar dabu.
Pirmā pastāvīga cilvēka vajadzība ir elpot gaisu. "Jūs nevarat elpot gaisa pieplūdumā," saka krievu sakāmvārds. Ja katram cilvēkam ikdienā nepieciešami vidēji 800 g skābekļa, tad visiem Zemes iedzīvotājiem gadā vajadzētu patērēt 1,5 miljardus tonnu skābekļa. Zemes atmosfērā ir milzīgas atjaunojamās skābekļa rezerves: ar kopējo zemes atmosfēras svaru aptuveni 5 10 15 tonnas skābekļa ir aptuveni 1/5, kas ir gandrīz 700 tūkstošus reižu vairāk nekā visu Zemes iedzīvotāju ikgadējais skābekļa patēriņš. . Protams, bez cilvēkiem atmosfēras skābekli izmanto arī dzīvnieku pasaule, un tas tiek tērēts arī citiem oksidācijas procesiem, kuru mērogs uz planētas ir milzīgs. Taču reversie reģenerācijas procesi ir ne mazāk intensīvi: fotosintēzes dēļ, pateicoties Saules starojuma enerģijai, augi uz sauszemes, jūrās un okeānos pastāvīgi saista dzīvo organismu oksidācijas procesos izdalīto oglekļa dioksīdu dažādos organiskos savienojumos ar vienlaicīgu izdalīšanos. molekulārā skābekļa. Pēc ģeoķīmiķu aprēķiniem, visi Zemes augi ik gadu izdala 400 miljardus tonnu skābekļa, bet 150 miljardus tonnu oglekļa (no oglekļa dioksīda) saista ar 25 miljardiem tonnu ūdeņraža (no ūdens). Deviņas desmitdaļas no šīs produkcijas saražo ūdensaugi.
Līdz ar to jautājums par cilvēka nodrošināšanu ar atmosfēras skābekli uz Zemes tiek veiksmīgi risināts galvenokārt ar fotosintēzes procesu palīdzību augos.
Nākamā svarīgākā cilvēka vajadzība ir ūdens.
Cilvēka organismā tā ir vide, kurā notiek daudzas vielmaiņas procesu bioķīmiskās reakcijas. Ūdenim, kas veido 2/3 no cilvēka ķermeņa svara, ir milzīga loma tā dzīvībai svarīgās aktivitātes nodrošināšanā. Ūdens ir saistīts ne tikai ar barības vielu iekļūšanu organismā, to uzsūkšanos, sadali un asimilāciju, bet arī ar vielmaiņas galaproduktu izdalīšanos.
Ūdens cilvēka ķermenī nonāk dzeramā un pārtikas veidā. Pieauguša cilvēka organismam nepieciešamais ūdens daudzums svārstās no 1,5 – 2 līdz 10 – 15 litriem dienā un ir atkarīgs no viņa fiziskajām aktivitātēm un vides apstākļiem. Ķermeņa dehidratācija vai pārmērīgs ūdens uzņemšanas ierobežojums izraisa strauju tā funkciju sabrukumu un saindēšanos ar vielmaiņas produktiem, jo īpaši ar slāpekli.
Papildu ūdens daudzums nepieciešams, lai cilvēks nodrošinātu sanitārās un sadzīves vajadzības (mazgāšana, mazgāšana, ražošana, lopkopība u.c.). Šī summa ievērojami pārsniedz fizioloģisko normu.
Ūdens daudzums uz Zemes virsmas ir milzīgs, tā tilpums pārsniedz 13,7 ∙ 10 8 km 3. Tomēr dzeršanai piemērota saldūdens piegāde joprojām ir ierobežota. Nokrišņu (saldūdens) daudzums, kas vidēji gadā nokrīt uz kontinentu virsmas ūdens cikla rezultātā uz Zemes, ir tikai aptuveni 100 tūkstoši km 3 (1/5 no kopējā nokrišņu daudzuma uz Zemes). Un tikai nelielu daļu no šī daudzuma cilvēki izmanto efektīvi.
Tādējādi ūdens rezerves uz kosmosa kuģa "Zeme" var uzskatīt par neierobežotām, bet tīra saldūdens patēriņam nepieciešama ekonomiska pieeja.
Pārtika kalpo cilvēka ķermenim kā enerģijas avots un vielas, kas iesaistītas audu komponentu sintēzē, šūnu un to struktūras elementu atjaunošanā. Organismā nepārtraukti tiek veikti ar pārtiku nākošo olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu bioloģiskās oksidācijas procesi. Pilnvērtīgā pārtikā jāiekļauj nepieciešamais aminoskābju, vitamīnu un minerālvielu daudzums. Pārtikas vielas, kuras parasti gremošanas traktā enzīmu ietekmē sadalās līdz vienkāršākiem, zemas molekulmasas savienojumiem (aminoskābes, monosaharīdi, taukskābes un daudzi citi), uzsūcas un ar asinīm tiek pārnestas pa visu ķermeni. Pārtikas oksidēšanās galaprodukti visbiežāk ir oglekļa dioksīds un ūdens, kas izdalās no organisma kā atkritumi. Enerģija, kas izdalās pārtikas oksidēšanās laikā, tiek daļēji uzkrāta organismā enerģētiski bagātinātu savienojumu veidā un daļēji pārvērsta siltumā un izkliedēta vidi.
Organismam nepieciešamais pārtikas daudzums galvenokārt ir atkarīgs no tā fiziskās aktivitātes intensitātes. Pamata vielmaiņas, tas ir, šādas vielmaiņas enerģija, cilvēkam atrodoties pilnīgā atpūtā, vidēji dienā ir 1700 kcal (vīriešiem līdz 30 gadu vecumam ar svaru līdz 70 kg). Šajā gadījumā tas tiek tērēts tikai fizioloģisko procesu īstenošanai (elpošana, sirds darbība, zarnu peristaltika utt.) un normālas ķermeņa temperatūras (36,6 ° C) noturības nodrošināšanai.
Cilvēka fiziskās un garīgās aktivitātes prasa palielināt ķermeņa enerģijas patēriņu un vairāk pārtikas. Konstatēts, ka vidēji smaga garīga un fiziska darba laikā cilvēka ikdienas enerģijas patēriņš ir ap 3000 kcal. Cilvēka ikdienas uzturā jābūt tādam pašam kaloriju saturam. Uztura kaloriju saturs tiek aptuveni aprēķināts, pamatojoties uz zināmajām siltuma vērtībām, kas izdalās katra grama olbaltumvielu (4,1 kcal), tauku (9,3 kcal) un ogļhidrātu (4,1 kcal) pilnīgas oksidēšanās laikā. Atbilstošu olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu attiecību uzturā medicīna ir noteikusi atbilstoši cilvēka fizioloģiskajām vajadzībām un ietver no 70 līdz 105 g olbaltumvielu, no 50 līdz 150 g tauku un no 300 līdz 600 g. ogļhidrāti vienā diētas kaloriju vērtībā. Atšķirības olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu uztura sastāvā parasti rodas, mainoties ķermeņa fiziskajai aktivitātei, bet ir atkarīgas arī no cilvēka paradumiem, nacionālajām uztura tradīcijām, konkrēta pārtikas produkta pieejamības un, protams, īpašas sociālās iespējas apmierināt uztura vajadzības.
Katra uzturviela organismā veic noteiktu funkciju. Īpaši tas attiecas uz olbaltumvielām, kas satur slāpekli, kas neietilpst citu uzturvielu sastāvā, bet ir nepieciešams, lai cilvēka organismā atjaunotos paša proteīni. Tiek lēsts, ka pieauguša cilvēka organismā dienā tiek iznīcināti vismaz 17 g paša olbaltumvielu, kas jāatjauno ar pārtiku. Tāpēc šāds olbaltumvielu daudzums ir minimālais, kas nepieciešams katra cilvēka uzturā.
Tauki un ogļhidrāti lielā mērā var aizstāt viens ar otru, bet līdz noteiktām robežām.
Parastā cilvēka pārtika pilnībā sedz organisma vajadzību pēc olbaltumvielām, taukiem un ogļhidrātiem, kā arī piegādā nepieciešamās minerālvielas un vitamīnus.
Tomēr atšķirībā no neierobežotās skābekļa (gaisa) un dzeramā ūdens piegādes, kas uz planētas joprojām ir pietiekamas un kura patēriņš tiek stingri regulēts tikai atsevišķos, parasti sausos reģionos, pārtikas ražošanas apjoms ir ierobežots. zemā produktivitāte dabiskajā trofiskajā (pārtikas) ciklā, kas sastāv no trim pamatlīmeņiem: augi - dzīvnieki - cilvēks. Patiešām, augi veido biomasu, izmantojot tikai 0,2% no saules gaismas enerģijas, kas nāk uz Zemi. Patērējot pārtikā augu biomasu, dzīvnieki savām vajadzībām tērē ne vairāk kā 10-12% no asimilētās enerģijas. Galu galā cilvēks, ēdot dzīvnieku izcelsmes pārtiku, nodrošina sava organisma enerģijas vajadzības ar ļoti zemu sākotnējās saules enerģijas izmantošanas koeficientu.
Uztura vajadzību apmierināšana vienmēr ir bijis cilvēka grūtākais uzdevums. Dabas iespēju pasīvā izmantošana šajā virzienā ir ierobežota, jo lielāko daļu zemeslodes klāj okeāni un tuksneši ar zemu bioloģisko produktivitāti. Tikai atsevišķi Zemes reģioni, kam raksturīgi stabili labvēlīgi klimatiskie apstākļi, nodrošina augstu vielu primāro produktivitāti, starp citu, ne vienmēr pieņemamu no cilvēka uztura vajadzību viedokļa. Zemes iedzīvotāju skaita pieaugums, tās izkliede pa visiem kontinentiem un planētas ģeogrāfiskajiem apgabaliem, tostarp apgabaliem ar nelabvēlīgiem klimatiskajiem apstākļiem, kā arī pakāpeniska dabisko pārtikas avotu izsīkšana ir novedusi pie stāvokļa, kurā uz Zemes ir apmierinātas pārtikas vajadzības. kļuvusi par universālu problēmu. Mūsdienās tiek uzskatīts, ka globālais uztura olbaltumvielu deficīts vien ir 15 miljoni tonnu gadā. Tas nozīmē, ka vismaz 700 miljoni cilvēku pasaulē sistemātiski cieš no nepietiekama uztura. Un tas ir neskatoties uz to, ka cilvēce 20. gadsimta beigās. tā kopumā izceļas ar diezgan augstu sociālo organizāciju, lieliem sasniegumiem zinātnes, tehnikas, rūpniecības un lauksaimnieciskās ražošanas attīstībā, dziļu izpratni par tās vienotību planētas biosfērā.
Pārtika ir svarīgs vides faktors ne tikai cilvēkiem, bet visiem dzīvniekiem. Atkarībā no pārtikas pieejamības, tās daudzveidības, kvalitātes un daudzuma dzīvo organismu populācijas raksturojums (auglība un mirstība, dzīves ilgums, attīstības ātrums u.c.) var būtiski mainīties. Uztura (trofiskās) saites starp dzīviem organismiem, kā tiks parādīts turpmāk, ir gan vielu biosfēras (sauszemes) bioloģiskā cikla, gan mākslīgo ekoloģisko sistēmu, tostarp cilvēku, pamatā.
Zeme spēs nodrošināt visu nepieciešamo tiem, kas uz tās dzīvo ilgstoši, ja cilvēce racionālāk un rūpīgāk tērēs planētas resursus, risinās ekoloģiski kompetentus dabas pārveidošanas jautājumus, likvidēs bruņošanās sacensību un pieliks punktu atomieroči.
V. I. Vernadska formulētais zinātniskais pamats cilvēces dzīvības uzturēšanas problēmas risināšanai uz Zemes ir Zemes biosfēras pāreja noosfērā, t.i., tādā biosfērā, kuru zinātniskā doma ir mainījusi un pārveidota, lai apmierinātu visas skaitliski augošas cilvēces vajadzības (saprāta sfēra). V. I. Vernadskis ierosināja, ka noosfērai, kas radusies uz Zemes, cilvēkam, pētot apkārtējo kosmosu, vajadzētu pārvērsties par īpašu strukturālais elements telpa.
APKILPAS KOSMOSA KUĢIS - MĀKSLĪGĀ EKOSISTĒMA
Kā atrisināt problēmu nodrošināt kosmosa kuģa apkalpi ar svaigu, daudzveidīgu pārtiku, tīru ūdeni un dzīvību sniedzošu gaisu? Protams, vienkāršākā atbilde ir paņemt līdzi visu nepieciešamo. Tas notiek īslaicīgu pilotētu lidojumu gadījumos.
Palielinoties lidojuma ilgumam, ir nepieciešams vairāk krājumu. Tādēļ nepieciešams veikt dažu patērējamo vielu (piemēram, ūdens) reģenerāciju, cilvēku radīto atkritumu un dažu kuģu sistēmu tehnoloģisko procesu atkritumu pārstrādi (piemēram, reģenerētus oglekļa dioksīda sorbentus), lai šīs vielas izmantotu atkārtoti. un samazināt sākotnējās rezerves.
Ideāls risinājums šķiet pilnīgas (vai gandrīz pilnīgas) vielu aprites īstenošana ierobežotā apdzīvotās telpas "mājas" apjomā. Taču šāds komplekss risinājums var būt izdevīgs un praktiski īstenojams tikai lielām kosmosa ekspedīcijām, kas ilgst vairāk par 1,5 - 3 gadiem (AM Genin, D. Talbot, 1975). Izšķirošā loma vielu aprites veidošanā šādās ekspedīcijās parasti tiek piešķirta biosintēzes procesiem. Apkalpes apgādes ar pārtiku, ūdeni un skābekli funkcijas, kā arī vielmaiņas produktu izņemšana un pārstrāde un nepieciešamo apkalpes dzīvesvietas parametru uzturēšana uz kuģa, stacijas utt. tiek piešķirtas tā sauktajām dzīvības uzturēšanas sistēmām ( LSS). Kosmosa apkalpēm paredzēto galveno LSS veidu shematisks attēlojums ir parādīts attēlā. 1.
 Rīsi. 1. att. Kosmosa ekipāžu dzīvības uzturēšanas sistēmu galveno veidu shēmas: 1 - sistēma noliktavā (visi atkritumi tiek izņemti); 2 - sistēma krājumos ar vielu daļēju fizikālo un ķīmisko reģenerāciju (PCR) (daļa atkritumu tiek izvesti, daļa krājumu var atjaunot); 3 - sistēma ar daļēju FCR un vielu daļēju bioloģisko reģenerāciju iekārtās (BR) ar atkritumu korekcijas bloku (WK); 4 - sistēma ar pilnīgu slēgtu vielu reģenerāciju (rezerves ierobežo mikropiedevas). Apzīmējumi: E - starojuma vai siltuma enerģija, IE - enerģijas avots, W - atkritumi, BB - biobloks ar dzīvniekiem, punktēta līnija - izvēles process |
Kosmosa apkalpju LSS ir vissarežģītākie kompleksi. Trīs kosmosa laikmeta desmitgades ir apstiprinājušas izveidotā LSS, kas veiksmīgi strādāja padomju kosmosa kuģos Vostok un Sojuz, amerikāņu Mercury, Gemini un Apollo, kā arī Salyut un Skylab orbitālajās stacijās, pietiekamu efektivitāti un uzticamību. Pētījumu komplekss "Mir" ar uzlabotu dzīvības uzturēšanas sistēmu uz kuģa turpinās darbu. Visas šīs sistēmas jau ir nodrošinājušas lidojumus vairāk nekā 200 kosmonautiem no dažādām valstīm.
Plaši zināmi ir LSS uzbūves un darbības principi, kas tika un tiek izmantoti kosmosa lidojumiem. To pamatā ir fizikālo un ķīmisko reģenerācijas procesu izmantošana. Tajā pašā laikā joprojām ir atklāta problēma par biosintēzes procesu pielietošanu kosmosa LSS, un vēl jo vairāk - slēgta biotehniskā LSS būvniecības problēma kosmosa lidojumiem.
Pastāv dažādi, dažkārt tieši pretēji viedokļi par šādu sistēmu praktiskas ieviešanas iespējamību un lietderību kopumā un jo īpaši kosmosa kuģos. Kā pretargumenti tiek minēti: sarežģītība, zināšanu trūkums, energointensitāte, neuzticamība, nepiemērotība utt. Tomēr lielākā daļa ekspertu uzskata, ka visi šie jautājumi ir risināmi, un biotehniskā LSS izmantošana kā nākotnes lielas telpas sastāvdaļa. apmetnes, Mēness, planētu un starpplanētu bāzes un citas attālas ārpuszemes struktūras - neizbēgami.
Apkalpes iekļaušana LSS kopā ar daudzām bioloģisko saišu tehniskajām ierīcēm, kuru darbība tiek veikta saskaņā ar sarežģītiem dzīvās vielas attīstības likumiem, ir nepieciešama kvalitatīvi jauna, ekoloģiska pieeja biotehniskās LSS veidošanai, kurā jāpanāk stabils dinamisks līdzsvars un vielas un enerģijas plūsmu konsekvence visās saitēs.sistēmas. Šajā ziņā jebkurš apdzīvojams kosmosa kuģis būtu jāuzskata par mākslīgu ekoloģisko sistēmu.
Pilotējams kosmosa kuģis ietver vismaz vienu aktīvi funkcionējošu bioloģisko saiti - cilvēku (apkalpi) ar savu mikrofloru. Tajā pašā laikā cilvēks un mikroflora pastāv mijiedarbībā ar kosmosa kuģī mākslīgi radīto vidi, nodrošinot stabilu bioloģiskās sistēmas dinamisko līdzsvaru vielu un enerģijas plūsmu ziņā.
Tādējādi, pat ar pilnu dzīvības nodrošināšanu kosmosa kuģī esošajai apkalpei vielu rezervju dēļ un citu bioloģisko saišu neesamības gadījumā pilotējams kosmosa kuģis jau ir mākslīga kosmosa ekoloģiskā sistēma. To pēc vielas var pilnībā vai daļēji izolēt no ārējās vides (kosmosa), bet tā enerģētiskā (termiskā) izolācija no šīs vides ir pilnībā izslēgta. Pastāvīga enerģijas apmaiņa ar vidi vai vismaz pastāvīga siltuma noņemšana ir nepieciešams nosacījums jebkuras mākslīgas kosmosa ekosistēmas funkcionēšanai.
21. gadsimts izvirza cilvēcei jaunus, vēl vērienīgākus uzdevumus turpmākajā kosmosa izpētē. (Acīmredzot precīzāk būtu teikt, ka cilvēce šos uzdevumus izvirza 21. gadsimtam.) Nākotnes kosmosa ekosistēmas konkrēto formu var noteikt atkarībā no kosmosa struktūras mērķa un orbītas (starpplanētu pilotējamie kosmosa kuģi, tuvu Zemei). orbitālā stacija, Mēness bāze, Marsa bāze, būvniecības kosmosa platforma, dzīvojamo ēku komplekss uz asteroīdiem utt.), apkalpes lielums, darbības ilgums, elektroapgāde un tehniskais aprīkojums un, protams, noteiktu gatavības pakāpe. tehnoloģiskie procesi, tostarp kontrolēti biosintēzes procesi un kontrolēta vielas un enerģijas transformācija ekosistēmu bioloģiskajās saitēs.
Šodien var teikt, ka PSRS un ASV progresīvās kosmosa pētniecības uzdevumi un programmas valsts līmenī tika definēti aptuveni līdz 2000. gadam. Attiecībā uz nākamā gadsimta uzdevumiem zinātnieki joprojām runā prognožu formā. . Tādējādi 1984. gadā publicētā pētījuma rezultāti (kuru 1979. gadā veica Rand Corporation darbinieks, anketējot 15 vadošos speciālistus ASV un Lielbritānijā) atklāja attēlu, kas atspoguļots šajā tabulā:
| gadiem | Skatuves saturs |
| 2020 –2030 | Mēness un kosmosa kolonizācija ar lielu cilvēku kontingentu (vairāk nekā 1000 cilvēku). |
| 2020 – 2071 | Cilvēka mākslīgā intelekta attīstība. |
| 2024 – 2037 | Pirmais pilotētais lidojums uz Jupiteru. |
| 2030 – 2050 | Lidojumi Saules sistēmā, izmantojot Saules sistēmas dabas resursus, tostarp Mēnesi. |
| 2045 – 2060 | Pirmais bezpilota zondes lidojums ārpus Saules sistēmas. |
| 2045 – 2070 | Pirmais pilotētais lidojums uz Saules sistēmas robežām. |
| 2050 – 2100 | Kontaktu dibināšana ar ārpuszemes intelektu. |
Slavenais amerikāņu fiziķis J. O "Nīls, kurš nodarbojas ar cilvēces nākotnes kosmosa apmetņu problēmām, tālajā 1974. gadā publicēja savu prognozi, kurā 1988. gadā kosmosā bija jāstrādā 10 tūkstošiem cilvēku. Šī prognoze nepiepildījās, taču mūsdienās daudzi eksperti uzskata, ka līdz 1990. gadam kosmosā nepārtraukti strādās 50-100 cilvēku.
Pazīstamais speciālists Dr.Putkamers (Vācija) uzskata, ka laika posmu no 1990. līdz 2000.gadam raksturos Zemei tuvās telpas apmetnes sākums, savukārt pēc 2000.gada ir jānodrošina kosmosa iedzīvotāju autonomija un ekoloģiski noslēgts biotops. sistēma būtu jāizveido.
Aprēķini liecina, ka, palielinoties cilvēka uzturēšanās ilgumam kosmosā (līdz vairākiem gadiem), palielinoties apkalpes skaitam un palielinoties kosmosa kuģa attālumam no Zemes, rodas nepieciešamība veikt bioloģisko palīgmateriālu un galvenokārt pārtikas reģenerācija tieši uz kosmosa kuģa. Tajā pašā laikā par labu bioloģiskajai LSS liecina ne tikai tehniskie un ekonomiskie (masas un enerģijas) rādītāji, bet arī ne mazāk svarīgi rādītāji par cilvēka bioloģisko uzticamību kā noteicošo saikni mākslīgā kosmosa ekosistēmā. Paskaidrosim pēdējo sīkāk.
Ir vairākas pētītas (un līdz šim neizpētītas) cilvēka ķermeņa saiknes ar savvaļas dzīvniekiem, bez kurām tā veiksmīga ilgtermiņa dzīve nav iespējama. Tie ietver, piemēram, tās dabiskās trofiskās attiecības, kuras nevar pilnībā aizstāt ar pārtiku no kuģī glabātajiem krājumiem. Tātad daži vitamīni, kas cilvēkam nepieciešami (pārtikas karotinoīdi, askorbīnskābe u.c.), uzglabāšanas laikā ir nestabili: sauszemes apstākļos derīguma termiņš, piemēram, vitamīniem C un P ir 5-6 mēneši. Kosmisko apstākļu ietekmē laika gaitā notiek vitamīnu ķīmiska pārstrukturēšana, kā rezultātā tie zaudē savu fizioloģisko aktivitāti. Šī iemesla dēļ tie ir vai nu pastāvīgi bioloģiski jāatražo (svaigas pārtikas, piemēram, dārzeņu veidā), vai arī regulāri jāpiegādā no Zemes, kā tas notika rekordlielā ikgadējā kosmosa lidojuma laikā Mir stacijā. Turklāt medicīniskie un bioloģiskie pētījumi ir parādījuši, ka kosmosa lidojuma apstākļos astronautiem ir nepieciešams palielināt vitamīnu uzņemšanu. Līdz ar to Skylab programmas lidojumu laikā astronautu B grupas vitamīnu un C vitamīna (askorbīnskābes) patēriņš pieauga aptuveni 10 reizes, A vitamīna (akseroftols) – 2 reizes, D vitamīna (kalciferola) – nedaudz vairāk nekā uz zemes. norma. Tagad ir arī noskaidrots, ka bioloģiskas izcelsmes vitamīniem ir nepārprotamas priekšrocības salīdzinājumā ar attīrītiem to pašu vitamīnu preparātiem, kas iegūti ķīmiski. Tas ir saistīts ar to, ka vitamīni biomasas sastāvā ir atrodami kombinācijā ar vairākām citām vielām, tostarp stimulantiem, un, ēdot, tiem ir vairāk efektīva darbība uz dzīvā organisma vielmaiņu.
Zināms, ka dabīgie augu pārtikas produkti satur visas augu olbaltumvielas (aminoskābes), lipīdus (neaizstājamās taukskābes), visu cilvēkam nepieciešamo ūdenī šķīstošo un daļēji taukos šķīstošo vitamīnu, ogļhidrātu, bioloģiski aktīvo vielu un šķiedrvielu kompleksu. Šo pārtikas sastāvdaļu loma vielmaiņā ir milzīga (V. I. Yazdovskis, 1988). Protams, esošais kosmosa devu sagatavošanas process, kas ietver stingrus apstrādes režīmus (mehānisko, termisko, ķīmisko), var tikai samazināt atsevišķu svarīgu pārtikas sastāvdaļu efektivitāti cilvēka vielmaiņas procesā.
Acīmredzot jāņem vērā arī kosmiskā radioaktīvā starojuma iespējamā kumulatīvā ietekme uz ilgstoši uz kuģa glabātiem pārtikas produktiem.
Līdz ar to nepietiek tikai ar pārtikas kaloriju satura ievērošanu ar noteikto normu, ir nepieciešams, lai kosmonauta ēdiens būtu pēc iespējas daudzveidīgāks un svaigāks.
Franču biologu atklājums par tīra ūdens spēju “atcerēties” dažas bioloģiski aktīvo molekulu īpašības un pēc tam nodot šo informāciju dzīvām šūnām, šķiet, sāk skaidrot senās tautas pasaku gudrības par “dzīvu” un “mirušu” ūdeni. . Ja šis atklājums tiek apstiprināts, tad rodas ūdens reģenerācijas pamatproblēma uz ilgtermiņa kosmosa kuģiem: vai ūdens, kas ir attīrīts vai iegūts ar fizikāli ķīmiskām metodēm vairākos izolētos ciklos, spēj aizstāt bioloģiski aktīvo "dzīvo" ūdeni?
Tāpat var pieņemt, ka cilvēka ķermenim, kura visas paaudzes ir bijušas biogēnas izcelsmes atmosfērā, kuras sastāvs ir bijušas biogēnas izcelsmes atmosfērā, nav vienaldzīga ilgstoša uzturēšanās izolētā kosmosa kuģa tilpumā ar ķīmiski iegūtu mākslīgu gāzveida biotopu. ir daudzveidīgāka. Diez vai nejauši dzīvie organismi spēj atšķirt dažu ķīmisko elementu izotopus (tostarp stabilos skābekļa izotopus O 16, O 17, O 18), kā arī uztvert nelielu izotopu ķīmisko saišu stipruma atšķirību. Ir zināms, ka skābekļa atomu masa ir atkarīga no tā ražošanas avota: skābeklis no gaisa ir nedaudz smagāks par skābekli no ūdens. Dzīvie organismi "sajūt" šo atšķirību, lai gan kvantitatīvi to var noteikt tikai ar īpašiem instrumentiem, masas spektrometriem. Ilgstoša ķīmiski tīra skābekļa elpošana kosmosa lidojuma apstākļos var izraisīt pastiprināšanos oksidatīvie procesi cilvēka organismā un patoloģiskām izmaiņām plaušu audos.
Jāatzīmē, ka gaiss, kas ir biogēnas izcelsmes un bagātināts ar augu fitoncīdiem, spēlē īpašu lomu cilvēkiem. Fitoncīdi ir bioloģiski aktīvas vielas, ko pastāvīgi veido augi, kas nogalina vai nomāc baktērijas, mikroskopiskās sēnītes un vienšūņus. Fitoncīdu klātbūtne apkārtējā gaisā, kā likums, ir labvēlīga cilvēka ķermenim un rada svaiguma sajūtu gaisā. Tā, piemēram, Skylab stacijas trešās amerikāņu apkalpes komandieris uzsvēra, ka viņa apkalpe ar prieku ieelpoja gaisu, kas bagātināts ar citronu fitoncīdiem.
Zināmos gadījumos, kad cilvēki inficējas ar baktērijām, kas apmetas gaisa kondicionieros ("leģionāru slimība"), fitoncīdi būtu spēcīgs dezinfekcijas līdzeklis, un attiecībā uz gaisa kondicionēšanas sistēmām slēgtās ekosistēmās tie šādu iespēju varētu izslēgt. Kā parādīja M. T. Dmitrijeva pētījumi, fitoncīdi var darboties ne tikai tieši, bet arī netieši, palielinot gaisa baktericīdo darbību un palielinot gaismas negatīvo jonu saturu, kas labvēlīgi ietekmē cilvēka ķermeni. Tādējādi tiek samazināts nevēlamo smago pozitīvo jonu skaits gaisā. Fitoncīdi, kas ir sava veida augu aizsargfunkcijas nesēji no apkārtējās vides mikrofloras, ne tikai izdalās augam apkārt esošajā gaisā, bet arī atrodas pašu augu biomasā. Ķiploki, sīpoli, sinepes un daudzi citi augi ir visbagātākie ar fitoncīdiem. Tos ēdot, cilvēks veic nemanāmu, bet ļoti efektīvu cīņu pret infekciozo mikrofloru, kas nonāk organismā.
Runājot par bioloģisko saišu nozīmi mākslīgā kosmosa ekosistēmā cilvēkiem, nevar neatzīmēt augstāko augu īpašo pozitīvo lomu kā faktora astronautu emocionālā stresa mazināšanā un psiholoģiskā komforta uzlabošanā. Visi astronauti, kuriem kosmosa stacijās bija jāveic eksperimenti ar augstākiem augiem, bija vienprātīgi savos novērtējumos. Tātad L. Popovs un V. Ryumins orbitālajā stacijā Salyut-6 rūpīgi rūpējās par augiem eksperimentālajās siltumnīcās Malahīts (interjera vitrāžas ar tropiskām orhidejām) un Oasis (eksperimentālā siltumnīca ar dārzeņu un vitamīnu augu kultūrām). Viņi laistīja, uzraudzīja augu augšanu un attīstību, veica kārtējās pārbaudes un strādāja ar siltumnīcu tehnisko daļu un retos atpūtas brīžos vienkārši apbrīnoja orhideju dzīvo interjeru. “Bioloģijas pētījumi mums ir sagādājuši lielu prieku. Mums bija, piemēram, malahīta instalācija ar orhidejām, un, kad mēs to nosūtījām uz Zemi, mēs jutām kaut kādu zaudējumu, stacijā kļuva mazāk ērti. Tā teica pēc piezemēšanās L. Popovs. “Darbs ar Malahītu uz kosmosa kompleksa mums vienmēr ir sagādājis īpašu gandarījumu,” L. Popovai piebilda V. Rjumins.
Preses konferencē 1985. gada 14. oktobrī, kas veltīta kosmonautu V. Džanibekova un G. Grečko darba rezultātiem orbītā uz orbitālās stacijas Salyut-7, lidojuma inženieris (G. Grečko) teica: “Katrai dzīvai būtnei. , pret katru asnu kosmosā attieksme īpaša, uzmanīga: atgādina Zemi, uzmundrina.
Tādējādi astronautiem augstākie augi ir nepieciešami ne tikai kā saikne mākslīgā ekoloģiskajā sistēmā vai zinātniskās izpētes objekts, bet arī kā pazīstamās zemes vides estētiskais elements, astronauta dzīvs pavadonis viņa garajā, grūtajā un intensīvajā misijā. Un vai ne šī estētiskā puse un siltumnīcas psiholoģiskā loma uz kosmosa kuģa bija tas, ko S. P. Koroļovs bija domājis, gatavojoties gaidāmajiem kosmosa lidojumiem, kā citu jautājumu formulēja šādu jautājumu: “Kas jums var būt uz klāja smags starpplanētu kuģis vai smagas orbitālās stacijas (vai siltumnīcā) no dekoratīviem augiem, kam nepieciešamas minimālas izmaksas un aprūpe? Un šodien jau ir saņemta pirmā atbilde uz šo jautājumu: tās ir tropiskās orhidejas, kurām, šķiet, patīk kosmosa stacijas atmosfēra.
Apspriežot ilgtermiņa kosmosa lidojumu uzticamības un drošības nodrošināšanas problēmu, akadēmiķis O. G. Gazenko un līdzautori (1987) pamatoti norāda, ka “dažreiz neapzināta garīga vajadzība pēc kontakta ar savvaļas dzīvniekiem kļūst par reālu spēku, ko atbalsta stingrs zinātniski fakti, kas liecina par ekonomisko efektivitāti un tehnisko iespējamību maksimāli tuvināt mākslīgās biosfēras uz dabiska vide kas paaugstināja cilvēci. No šī viedokļa stratēģiskais virziens uz bioloģiskās LSS izveidi šķiet ļoti pareizs. Un tālāk: “Mēģinājumi izolēt cilvēku no dabas ir ārkārtīgi neekonomiski. Bioloģiskās sistēmas labāk nekā jebkura cita nodrošinās vielu apriti lielās kosmosa apmetnēs.
Viena no bioloģisko sistēmu fundamentālajām priekšrocībām salīdzinājumā ar nebioloģiskajām ir to stabilas funkcionēšanas iespēja ar minimālu kontroles un vadības funkciju apjomu (E. Ya. Shepelev, 1975). Šī priekšrocība ir saistīta ar dzīvo sistēmu, kas atrodas pastāvīgā mijiedarbībā ar vidi, dabisko spēju veikt izdzīvošanas procesu korekciju visos bioloģiskajos līmeņos - no vienas organisma vienas šūnas līdz populācijām un biogeocenozēm - neatkarīgi no tā pakāpes. cilvēka izpratne par šiem procesiem jebkurā brīdī un viņa spēja vai nespēja (pareizāk sakot, gatavība) veikt nepieciešamās korekcijas vielu aprites procesā mākslīgajā ekosistēmā.
Mākslīgo kosmosa ekosistēmu sarežģītības pakāpe var būt dažāda: no vienkāršākajām sistēmām krājumos, sistēmām ar vielu fizikālu un ķīmisku reģenerāciju un atsevišķu bioloģisko saišu izmantošanu līdz sistēmām ar praktiski slēgtu vielu bioloģisko ciklu. Bioloģisko saišu un trofisko ķēžu skaits, kā arī indivīdu skaits katrā saitē, kā jau minēts, ir atkarīgs no kosmosa kuģa mērķa un tehniskajām īpašībām.
Mākslīgās telpas ekosistēmas efektivitāti un galvenos parametrus, tostarp bioloģiskās saites, var iepriekš noteikt un aprēķināt, pamatojoties uz vielu bioloģiskā cikla procesu kvantitatīvo analīzi dabā un vietējo dabisko ekosistēmu energoefektivitātes novērtējumu. Nākamā sadaļa ir veltīta šim jautājumam.
VIELU RELEJS BIOLOĢISKĀ CIKLĀ
Slēgta ekoloģiskā sistēma, kas veidota uz bioloģisko saišu pamata, jāuzskata par ideālu LSS nākotnes lielām kosmosa apmetnēm. Šādu sistēmu izveide šodien joprojām ir aprēķinu, teorētisko konstrukciju un zemes testēšanas stadijā, lai savienotu pārī atsevišķas bioloģiskās saites ar testa komandu.
Eksperimentālās biotehniskās LSS izstrādes galvenais mērķis ir panākt stabilu, praktiski slēgtu vielu apriti ekosistēmā ar apkalpi un mākslīgi veidotas biocenozes relatīvi neatkarīgu eksistenci ilgstoša dinamiska līdzsvara režīmā, kura pamatā ir pārsvarā iekšējie kontroles mehānismi. . Tāpēc nepieciešama rūpīga vielu bioloģiskā cikla procesu izpēte Zemes biosfērā, lai efektīvāko no tiem izmantotu biotehniskajā LSS.
Bioloģiskais cikls dabā ir vielu un ķīmisko elementu apļveida stafetes (cirkulācija) starp augsni, augiem, dzīvniekiem un mikroorganismiem. Tās būtība ir šāda. Augi (autotrofie organismi) absorbē enerģētiski nabadzīgas nedzīvas dabas minerālvielas un atmosfēras oglekļa dioksīdu. Šīs vielas ir iekļautas augu organismu organiskās biomasas sastāvā, kam ir liels enerģijas krājums, kas iegūts, pārvēršot Saules starojuma enerģiju fotosintēzes procesā. Augu biomasa tiek pārveidota caur barības ķēdēm dzīvnieku un cilvēku organismos (heterotrofos organismos), izmantojot dažas no šīm vielām un enerģiju savai augšanai, attīstībai un vairošanai. Organismi-iznīcinātāji (iznīcinātāji vai sadalītāji), tostarp baktērijas, sēnītes, vienšūņi un organismi, kas barojas ar mirušām organiskām vielām, mineralizē atkritumus. Visbeidzot vielas un ķīmiskie elementi tiek atgriezti atpakaļ augsnē, atmosfērā vai ūdens vide. Tā rezultātā notiek vielu un ķīmisko elementu vairāku ciklu migrācija pa dzīvo organismu sazarotu ķēdi. Šī migrācija, ko pastāvīgi atbalsta Saules enerģija, veido bioloģisko ciklu.
Vispārējā bioloģiskā cikla atsevišķu ciklu reprodukcijas pakāpe sasniedz 90 - 98%, tāpēc par tās pilnīgu izolāciju var runāt tikai nosacīti. Galvenie biosfēras cikli ir oglekļa, slāpekļa, skābekļa, fosfora, sēra un citu biogēno elementu cikli.
Dabiskais bioloģiskais cikls ietver gan dzīvas, gan nedzīvas vielas.
Dzīvā viela ir biogēna, jo tā veidojas tikai uz Zemes jau esošo dzīvo organismu vairošanās rezultātā. Biosfērā esošā nedzīvā viela var būt vai nu ar biogēnu izcelsmi (nokritusi koku miza un lapas, nogatavojušies un no auga atdalījušies augļi, posmkāju hitīna pārklājumi, dzīvnieku ragi, zobi un mati, putnu spalvas, dzīvnieku ekskrementi u.c. .), un abiogēnas (aktīvo vulkānu emisiju produkti, gāzes, kas izdalās no zemes iekšpuses).
Planētas dzīvā viela pēc tās masas veido nenozīmīgu biosfēras daļu: visa Zemes biomasa sausnā ir tikai simttūkstošā daļa no zemes garozas masas (2∙ 1019 tonnas). Taču tieši dzīvajai vielai ir izšķiroša loma zemes garozas "kultūras" slāņa veidošanā, liela mēroga vielu un ķīmisko elementu stafetes īstenošanā starp milzīgu skaitu dzīvo organismu. Tas ir saistīts ar vairākām dzīvās vielas īpašām iezīmēm.
Metabolisms (vielmaiņa). Metabolisms dzīvā organismā ir visu vielu un enerģijas transformāciju kopums nepārtraukti organismā notiekošo bioķīmisko reakciju procesā.
Nepārtraukta vielu apmaiņa starp dzīvo organismu un tā vidi ir vissvarīgākā dzīvības iezīme.
Galvenie organisma vielmaiņas rādītāji ar ārējo vidi ir pārtikas daudzums, sastāvs un kaloriju saturs, dzīvā organisma patērētā ūdens un skābekļa daudzums, kā arī tas, cik lielā mērā organisms izmanto šīs vielas un enerģijas daudzumu. ēdiens. Metabolisma pamatā ir asimilācijas (no ārpuses organismā nonākušo vielu pārveide) un disimilācijas (organisko vielu sadalīšanās, ko izraisa vajadzība atbrīvot enerģiju ķermeņa dzīvībai) procesi.
Termodinamiskā nelīdzsvara stabilitāte. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu (sākumu) darba veikšanai nepietiek tikai ar enerģijas klātbūtni, bet ir nepieciešama arī potenciālu starpības jeb enerģijas līmeņu klātbūtne. Entropija kalpo kā jebkuras enerģijas sistēmas potenciālās starpības "zaudēšanas" mērs un attiecīgi šīs sistēmas spējas veikt darbu zaudēšanas mērs.
Procesos, kas notiek nedzīvā dabā, darba veikšana noved pie sistēmas entropijas palielināšanās. Tātad siltuma pārnesei procesa virziens unikāli nosaka otro termodinamikas likumu: no karstāka ķermeņa uz mazāk apsildāmu. Sistēmā ar nulles temperatūras starpību (pie vienas un tās pašas ķermeņu temperatūras) tiek novērota maksimālā entropija.
Dzīvā viela, dzīvie organismi, atšķirībā no nedzīvās dabas, iebilst pret šo likumu. Nekad neatrodoties līdzsvarā, viņi pastāvīgi veic darbu pret tā iedibināšanu, kam, šķiet, būtu likumīgi jānotiek kā atbilstība esošajiem ārējiem apstākļiem. Dzīvie organismi pastāvīgi tērē enerģiju, lai uzturētu noteiktu dzīvās sistēmas stāvokli. Šī vissvarīgākā iezīme literatūrā ir pazīstama kā Bauera princips jeb dzīvo sistēmu stabilas nelīdzsvarotības princips. Šis princips parāda, ka dzīvie organismi ir atvērtas nelīdzsvara sistēmas, kas atšķiras no nedzīvām ar to, ka tās attīstās entropijas samazināšanās virzienā.
Šī iezīme ir raksturīga visai biosfērai, kas ir arī nelīdzsvarota dinamiska sistēma. Sistēmas dzīvā viela ir milzīgas potenciālās enerģijas nesēja,
Spēja pašatražoties un augsta biomasas uzkrāšanās intensitāte. Dzīvai matērijai raksturīga pastāvīga vēlme palielināt savu indivīdu skaitu, vairoties. Dzīvā matērija, arī cilvēks, mēdz aizpildīt visu dzīvībai pieņemamo telpu. Dzīvo organismu vairošanās, to augšanas un biomasas uzkrāšanās intensitāte ir diezgan augsta. Dzīvo organismu vairošanās ātrums, kā likums, ir apgriezti proporcionāls to lielumam. Dzīvo organismu izmēru dažādība ir vēl viena savvaļas dzīvnieku iezīme.
Augstie vielmaiņas reakciju ātrumi dzīvos organismos, kas ir par trīs līdz četrām kārtām augstāki nekā reakciju ātrumu nedzīvā dabā, ir saistīti ar bioloģisko paātrinātāju, fermentu, līdzdalību vielmaiņas procesos. Tomēr, lai palielinātu katru biomasas vienību vai uzkrātu enerģijas vienību, dzīvam organismam sākotnējā masa ir jāapstrādā daudzumos, kas ir par vienu vai divām kārtām lielāki nekā uzkrātā.
Daudzveidības, atjaunošanas un evolūcijas spēja. Biosfēras dzīvajai vielai ir raksturīgi dažādi, bet ļoti īsi (kosmiskā mērogā) dzīves cikli. Dzīvo būtņu dzīves ilgums svārstās no dažām stundām (un pat minūtēm) līdz simtiem gadu. Savas dzīves aktivitātes laikā organismi izlaiž cauri litosfēras, hidrosfēras un atmosfēras ķīmisko elementu atomus, tos šķirojot un saistot ķīmiskos elementus noteikta veida organisma biomasas specifisku vielu veidā. Tajā pašā laikā pat bioķīmiskās vienveidības un vienotības ietvaros organiskā pasaule(visi mūsdienu dzīvie organismi ir veidoti galvenokārt no olbaltumvielām) savvaļas dzīvnieki izceļas ar milzīgu morfoloģisko daudzveidību un matērijas formu daudzveidību. Kopumā ir vairāk nekā 2 miljoni organisko savienojumu, kas veido dzīvu vielu. Salīdzinājumam mēs atzīmējam, ka nedzīvās vielas dabisko savienojumu (minerālu) skaits ir tikai aptuveni 2 tūkstoši. Liela ir arī savvaļas dzīvnieku morfoloģiskā daudzveidība: augu valstībā uz Zemes ir gandrīz 500 tūkstoši sugu, bet dzīvnieki - 1 miljons 500 tūkstoši. .
Dzīvam organismam, kas izveidojies viena dzīves cikla laikā, ir ierobežotas adaptācijas spējas vides apstākļu izmaiņām. Tomēr dzīvo organismu salīdzinoši īsais dzīves cikls veicina to pastāvīgu atjaunošanos no paaudzes paaudzē, nododot katras paaudzes uzkrāto informāciju caur ģenētisko iedzimtības aparātu un ņemot šo informāciju vērā nākamā paaudze. No šī viedokļa vienas paaudzes organismu īsais dzīves ilgums ir cena, ko tie maksā par sugas kopumā izdzīvošanas nepieciešamību pastāvīgi mainīgā vidē.
Evolūcijas process ir raksturīgs galvenokārt augstākajiem organismiem.
Esamības kolektīvs. Dzīvā viela uz Zemes faktiski pastāv biocenožu veidā, nevis atsevišķas izolētas sugas (populācijas). Populāciju attiecības ir saistītas ar to trofisko (pārtikas) atkarību viena no otras, bez kurām šo sugu pastāvēšana nav iespējama.
Šīs ir dzīvās vielas galvenās kvalitatīvās pazīmes, kas piedalās vielu biosfēras bioloģiskajā ciklā. Kvantitatīvā izteiksmē biomasas uzkrāšanās intensitāte biosfērā ir tāda, ka vidēji ik pēc astoņiem gadiem tiek atjaunota visa Zemes biosfēras dzīvā viela. Pabeidzot savu dzīves ciklu, organismi atgriež dabā visu, ko dzīves laikā no tās paņēmuši.
Krievu ģeologa A. V. Lapo (1979) formulētās biosfēras dzīvās vielas galvenās funkcijas ietver enerģiju (biosintēzi ar enerģijas uzkrāšanos un enerģijas pārveidošanu trofiskajās ķēdēs), koncentrēšanu (selektīva vielas uzkrāšanos), destruktīvo (mineralizāciju un sagatavošanu). vielu iesaistīšanai ciklā ), vidi veidojošās (vides fizikāli ķīmisko parametru izmaiņas) un transportēšanas (vielu pārneses) funkcijas.
VAI EKOSISTĒMĀM IR EFEKTIVITĀTE?
Tagad mēģināsim atbildēt uz jautājumu: vai ir iespējams novērtēt vielu bioloģiskā cikla efektivitāti no cilvēka uztura vajadzību apmierināšanas viedokļa kā šī cikla augstākās trofiskās saites?
Aptuvenu atbildi uz uzdoto jautājumu var iegūt, pamatojoties uz enerģētisko pieeju bioloģiskā cikla procesu analīzei un dabisko ekosistēmu enerģijas pārneses un produktivitātes izpētei. Patiešām, ja aprites vielas ir pakļautas nepārtrauktām kvalitatīvām izmaiņām, tad šo vielu enerģija nepazūd, bet tiek sadalīta virzītās plūsmās. Pārejot no viena bioloģiskā cikla trofiskā līmeņa uz citu, bioķīmiskā enerģija pakāpeniski tiek pārveidota un izkliedēta. Vielas enerģijas transformācija trofiskajos līmeņos nenotiek patvaļīgi, bet saskaņā ar zināmiem modeļiem, un tāpēc tā ir kontrolējama konkrētā biogeocenozes ietvaros.
Jēdziens "biogeocenoze" ir līdzīgs jēdzienam "ekosistēma", bet pirmajam ir stingrāka semantiska slodze. Ja par ekosistēmu sauc gandrīz jebkuru autonomi pastāvošu dabisku vai mākslīgu biokompleksu (skudru pūznis, akvārijs, purvs, nokaltuša koka stumbrs, mežs, ezers, okeāns, Zemes biosfēra, kosmosa kuģa kabīne u.c.), tad par biogeocenozi, kas ir viens no kvalitatīvajiem. ekosistēmas līmeņus nosaka tās obligātās augu sabiedrības (fitocenozes) robežas. Ekosistēma, tāpat kā jebkura stabila dzīvo organismu kopa, kas mijiedarbojas savā starpā, ir kategorija, kas piemērojama jebkurai bioloģiskai sistēmai tikai supraorganismu līmenī, t.i., viens organisms nevar būt ekosistēma.
Vielu bioloģiskais cikls ir neatņemama zemes biogeocenozes sastāvdaļa. Īpašu lokālu biogeocenožu ietvaros vielu bioloģiskais cikls ir iespējams, bet nav nepieciešams.
Enerģijas savienojumi vienmēr pavada trofiskos savienojumus biogeocenozē. Kopā tie veido jebkuras biogeocenozes pamatu. Vispārīgā gadījumā var izšķirt piecus biogeocenozes trofiskos līmeņus (skat. tabulu un 2. att.), caur kuriem visas tās sastāvdaļas tiek secīgi sadalītas pa ķēdi. Parasti biogeocenozēs veidojas vairākas šādas ķēdes, kuras, daudzkārt sazarojoties un krustojoties, veido sarežģītus barības (trofiskos) tīklus.
Trofiskie līmeņi un barības ķēdes biogeocenozē
Pirmā trofiskā līmeņa organismi - primārie ražotāji, ko sauc par autotrofiem (pašbarojošiem) un ieskaitot mikroorganismus un augstākos augus, veic organisko vielu sintēzes procesus no neorganiskām. Autotrofi kā enerģijas avotu šim procesam izmanto vai nu gaismas saules enerģiju (fototrofus), vai noteiktu minerālu savienojumu (ķīmotrofu) oksidācijas enerģiju. Fototrofi iegūst sintēzei nepieciešamo oglekli no oglekļa dioksīda.
Parasti fotosintēzes procesu zaļajos augos (zemāk un augstāk) var raksturot kā šādu ķīmisku reakciju:
Galu galā no enerģētiski nabadzīgām neorganiskām vielām (oglekļa dioksīds, ūdens, minerālsāļi, mikroelementi) tiek sintezētas organiskās vielas (galvenokārt ogļhidrāti), kas ir uzkrātās enerģijas nesējs. ķīmiskās saites veidojas viela. Šajā reakcijā vienas grama-molekulas vielas (180 g glikozes) veidošanai nepieciešams 673 kcal saules enerģijas.
Fotosintēzes efektivitāte tieši ir atkarīga no augu gaismas apstarošanas intensitātes. Vidēji izstarotās saules enerģijas daudzums uz Zemes virsmas ir aptuveni 130 W/m 2 . Tajā pašā laikā tikai daļa no starojuma, kas atrodas viļņu garuma diapazonā no 0,38 līdz 0,71 mikronam, ir fotosintētiski aktīva. Būtiska daļa starojuma, kas nokrīt uz augu lapas vai ūdens slāņa ar mikroaļģēm, tiek atstarots vai nelietderīgi iziet cauri lapai vai slānim, un absorbētais starojums lielākoties tiek tērēts ūdens iztvaikošanai augu transpirācijas laikā.
Rezultātā visa zemeslodes veģetācijas seguma fotosintēzes procesa vidējā energoefektivitāte ir aptuveni 0,3% no Saules gaismas enerģijas, kas nonāk Zemē. Zaļo augu augšanai labvēlīgos apstākļos un ar cilvēka palīdzību atsevišķi augu stādījumi spēj saistīt gaismas enerģiju ar efektivitāti 5 - 10%.
Nākamo trofisko līmeņu organismi (patērētāji), kas sastāv no heterotrofiskiem (dzīvnieku) organismiem, galu galā nodrošina iztiku uz pirmajā trofiskajā līmenī uzkrātās augu biomasas rēķina. Augu biomasā uzkrāto ķīmisko enerģiju var atbrīvot, pārvērst siltumenerģijā un izkliedēt vidē ogļhidrātu rekombinācijas procesā ar skābekli. Izmantojot augu biomasu kā pārtiku, dzīvnieki to pakļauj oksidācijai elpošanas laikā. Šajā gadījumā notiek fotosintēzei pretējs process, kurā tiek atbrīvota pārtikas enerģija un ar noteiktu efektivitāti tiek tērēta heterotrofiska organisma augšanai un dzīvībai.
Kvantitatīvā izteiksmē biogeocenozes gadījumā augu biomasai vajadzētu "pārsniegt" dzīvnieku biomasu, parasti vismaz par divām kārtām. Tādējādi kopējā dzīvnieku biomasa uz zemes zemes nepārsniedz 1 - 3% no tās augu biomasas.
Heterotrofiska organisma enerģijas metabolisma intensitāte ir atkarīga no tā masas. Palielinoties ķermeņa izmēram, ievērojami samazinās vielmaiņas intensitāte, kas aprēķināta uz svara vienību un izteikta absorbētā skābekļa daudzumā laika vienībā. Tajā pašā laikā relatīvā miera stāvoklī (standarta metabolisms) dzīvnieka metabolisma intensitātes atkarība no tā masas, kurai ir funkcijas forma y \u003d Ak, k (X- dzīvnieka svars, A Un k- koeficienti), izrādās derīgs gan vienas sugas organismiem, kuri augšanas procesā maina izmērus, gan dažāda svara dzīvniekiem, kas pārstāv noteiktu grupu vai klasi.
Tajā pašā laikā dažādu dzīvnieku grupu vielmaiņas līmeņa rādītāji jau būtiski atšķiras viens no otra. Šīs atšķirības ir īpaši nozīmīgas dzīvniekiem ar aktīvu vielmaiņu, kam raksturīgas enerģijas izmaksas muskuļu darbam, jo īpaši motoriskajām funkcijām.
Dzīvnieka organisma (jebkura līmeņa patērētāja) enerģijas bilanci uz noteiktu laiku vispārīgā gadījumā var izteikt ar šādu vienādību:
E = E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 ,
Kur E- pārtikas enerģētiskā vērtība (kaloriju saturs) (kcal dienā), E 1 - galvenās apmaiņas enerģija, E 2 - ķermeņa enerģijas patēriņš, E 3 - ķermeņa "tīro" produktu enerģija, E 4 - neizmantoto pārtikas vielu enerģija, E 5 - ķermeņa ekskrementu un izdalījumu enerģija.
Pārtika ir vienīgais dzīvnieka un cilvēka ķermeņa normālas enerģijas uzņemšanas avots, kas nodrošina tā vitālo darbību. Jēdziens "pārtika" dažādiem dzīvnieku organismiem ir atšķirīgs kvalitatīvs saturs un ietver tikai tās vielas, kuras patērē un izmanto konkrētais dzīvais organisms un. ir viņam nepieciešami.
Vērtība E cilvēkam ir vidēji 2500 kcal dienā. pamata vielmaiņas enerģija E 1 apzīmē vielmaiņas enerģiju pilnīgas ķermeņa atpūtas stāvoklī un bez gremošanas procesu. Tas tiek tērēts dzīvības uzturēšanai organismā, ir atkarīgs no ķermeņa virsmas lieluma un tiek pārveidots siltumā, ko ķermenis izdala videi. Kvantitatīvie rādītāji E 1 parasti izsaka konkrētās vienībās, kas saistītas ar 1 kg masas vai 1 m 2 ķermeņa virsmas. Jā, cilvēkam E 1 ir 32,1 kcal dienā uz 1 kg ķermeņa svara. Uz virsmas laukuma vienību E 1 dažādi organismi (zīdītāji) ir gandrīz vienādi.
Komponents E 2 ietver organisma enerģijas patēriņu termoregulācijai, mainoties apkārtējās vides temperatūrai, kā arī par Dažādiķermeņa aktivitātes un darbs: košļāšana, pārtikas gremošana un asimilācija, muskuļu darbs ķermeņa kustības laikā utt. E 2 būtiski ietekmē apkārtējās vides temperatūra. Temperatūrai paaugstinoties un nokrītot no organismam optimālā līmeņa, tās regulēšanai ir nepieciešamas papildu enerģijas izmaksas. Pastāvīgas ķermeņa temperatūras regulēšanas process ir īpaši attīstīts siltasiņu dzīvniekiem un cilvēkiem.
Komponents E 3 ietver divas daļas: paša ķermeņa biomasas (vai populācijas) augšanas enerģiju un papildu ražošanas enerģiju.
Pašu biomasas pieaugums parasti notiek jaunā augošā organismā, kas pastāvīgi pieņemas svarā, kā arī organismā, kas veido rezerves barības vielas. Šī komponenta daļa E 3 var būt vienāds ar nulli, kā arī iegūt negatīvas vērtības ar pārtikas trūkumu (ķermenis zaudē svaru).
Papildu ražošanas enerģija slēpjas vielās, ko organisms ražo reprodukcijai, aizsardzībai no ienaidniekiem utt.
Katrs indivīds ir ierobežots ar minimālo produktu daudzumu, kas radīts viņa dzīves laikā. Par salīdzinoši augstu sekundāro produktu radīšanas rādītāju var uzskatīt 10 - 15% rādītāju (no patērētās barības), kas raksturīgs, piemēram, siseņiem. Tas pats rādītājs zīdītājiem, kuri tērē ievērojamu enerģijas daudzumu termoregulācijai, ir 1 - 2% līmenī.
Komponents E 4 - tā ir enerģija, ko satur pārtikas vielas, kuras ķermenis neizmantoja un viena vai otra iemesla dēļ neiekļuva ķermenī.
Enerģija E 5, kas atrodas ķermeņa izdalījumos pārtikas nepilnīgas sagremojamības un asimilācijas rezultātā, svārstās no 30–60% no patērētās barības (lieliem nagaiņiem) līdz 1–20% (grauzējiem).
Dzīvnieka organisma enerģijas pārveidošanas efektivitāti kvantitatīvi nosaka neto (sekundārās) produkcijas attiecība pret kopējo patērētās pārtikas daudzumu vai neto produkcijas attiecība pret sagremotās pārtikas daudzumu. Pārtikas ķēdē katras trofiskās saites (līmeņa) efektivitāte (COP) vidēji ir aptuveni 10%. Tas nozīmē, ka katrā nākamajā pārtikas mērķa trofiskajā līmenī veidojas produkti, kas kaloriju (vai masas) izteiksmē nepārsniedz 10% no iepriekšējā enerģijas. Ar šādiem rādītājiem primārās saules enerģijas izmantošanas kopējā efektivitāte četru līmeņu ekosistēmas barības ķēdē būs neliela procenta daļa: vidēji tikai 0,001%.
Neskatoties uz šķietami zemo kopējās produktu atražošanas efektivitātes vērtību, lielākā daļa Zemes iedzīvotāju pilnībā nodrošina sevi ar sabalansētu uzturu ne tikai ar primāro, bet arī otrreizējo ražotāju starpniecību. Runājot par dzīvu organismu atsevišķi, dažos no tiem pārtikas (enerģijas) izmantošanas efektivitāte ir diezgan augsta un pārsniedz daudzu tehnisko līdzekļu efektivitāti. Piemēram, cūka 20% no patērētās pārtikas enerģijas pārvērš kaloriju gaļā.
Patērētāju pārtikas enerģijas izmantošanas efektivitāti ekoloģijā parasti novērtē ar ekoloģisko enerģiju piramīdu palīdzību. Šādu piramīdu būtība ir pārtikas ķēdes posmu vizuālā attēlojumā pakārtota taisnstūru izkārtojuma veidā viens virs otra, kura garums vai laukums atbilst attiecīgā trofiskā līmeņa enerģijas ekvivalentam. laika vienībā. Barības ķēžu raksturošanai tiek izmantotas arī skaitļu piramīdas (taisnstūru laukumi atbilst indivīdu skaitam katrā barības ķēdes līmenī) un biomasas piramīdas (tas pats attiecas uz organismu kopējās biomasas daudzumu katrā līmenī).
Tomēr enerģiju piramīda sniedz vispilnīgāko priekšstatu par funkcionālā organizācija bioloģiskās kopienas noteiktā pārtikas ķēdē, jo tas ļauj ņemt vērā pārtikas biomasas pārejas dinamiku pa šo ķēdi.
MĀKSLĪGĀS UN DABISKĀS BIOSFĒRAS EKOSISTĒMAS: LĪDZĪBAS UN ATŠĶIRĪBAS
K. E. Ciolkovskis pirmais ierosināja kosmosa raķetē izveidot slēgtu visu apkalpes dzīvei nepieciešamo vielu aprites sistēmu, t.i., slēgtu ekosistēmu. Viņš uzskatīja, ka kosmosa kuģī miniatūrā ir jāatveido visi galvenie vielu transformācijas procesi, kas notiek Zemes biosfērā. Tomēr gandrīz pusgadsimtu šis priekšlikums pastāvēja kā zinātniskās fantastikas hipotēze.
Praktiskais darbs pie mākslīgu kosmosa ekosistēmu izveides, pamatojoties uz vielu bioloģiskā cikla procesiem, strauji attīstījās ASV, PSRS un dažās citās valstīs 50. gadu beigās un 60. gadu sākumā. To neapšaubāmi veicināja kosmonautikas panākumi, kas atklāja kosmosa izpētes ēru ar pirmā mākslīgā Zemes pavadoņa palaišanu 1957. gadā.
Turpmākajos gados, kad šie darbi tika paplašināti un padziļināti, vairums pētnieku varēja pārliecināties, ka izvirzītā problēma izrādījās daudz sarežģītāka, nekā sākotnēji domāts. Tam bija nepieciešama ne tikai sauszemes, bet arī kosmosa izpēte, kas savukārt radīja ievērojamas materiālās un finansiālās izmaksas, un to kavēja lielu kosmosa kuģu vai pētniecības staciju trūkums. Neskatoties uz to, PSRS šajā periodā tika izveidoti atsevišķi sauszemes eksperimentālie ekosistēmu paraugi, pašreizējā šo sistēmu vielu aprites ciklā iekļaujot dažas bioloģiskās saites un cilvēkus. Tika veikts arī zinātnisku pētījumu komplekss, lai izstrādātu tehnoloģijas bioloģisko objektu kultivēšanai bezsvara stāvoklī uz kosmosa pavadoņiem, kuģiem un stacijām: Cosmos-92, Cosmos-605, Cosmos-782, Cosmos-936, Salyut-6 un citiem. Šodienas pētījuma rezultāti ļauj formulēt dažus nosacījumus, kas tiek ņemti par pamatu nākotnes slēgto telpu ekosistēmu un astronautu bioloģiskās dzīvības uzturēšanas sistēmu būvniecībai.
Tātad, kas ir kopīgs lielām mākslīgām kosmosa ekosistēmām un dabiskajai biosfērai. ekosistēmas? Pirmkārt, tā ir viņu relatīvā izolācija, to galvenie varoņi ir cilvēks un citas dzīvās bioloģiskās saites, vielu bioloģiskais cikls un nepieciešamība pēc enerģijas avota.
Slēgts ekoloģiskās sistēmas- tās ir sistēmas ar organizētu elementu ciklu, kurā vielas ar noteiktu ātrumu tiek izmantotas dažu saišu bioloģiskai apmaiņai ar vienādām Vidējais ātrums tiek reģenerēti no vielmaiņas galaproduktiem līdz sākuma stāvoklim, izmantojot citas saites, un tiek atkārtoti izmantoti tajos pašos bioloģiskās apmaiņas ciklos (Gitelzon et al., 1975).
Tajā pašā laikā ekosistēma var palikt slēgta pat nepanākot pilnīgu vielu apriti, neatgriezeniski patērējot daļu vielu no iepriekš izveidotajām rezervēm.
Dabiskā sauszemes ekosistēma matērijā ir praktiski slēgta, jo cirkulācijas ciklos piedalās tikai sauszemes vielas un ķīmiskie elementi (kosmiskās vielas daļa, kas ik gadu nokrīt uz Zemi, nepārsniedz 2∙ 10 -14 procentus no Zemes masas). Sauszemes vielu un elementu līdzdalības pakāpe vairākkārt atkārtotos zemes cirkulācijas ķīmiskajos ciklos ir diezgan liela un, kā jau minēts, nodrošina atsevišķu ciklu reproducēšanu par 90 - 98%.
Mākslīgi noslēgtā ekosistēmā nav iespējams atkārtot visu sauszemes biosfēras procesu daudzveidību. Tomēr uz to nevajadzētu tiekties, jo biosfēra kopumā nevar kalpot kā ideāls mākslīgai slēgtai ekosistēmai ar cilvēku, pamatojoties uz vielu bioloģisko ciklu. Ir vairākas fundamentālas atšķirības, kas raksturo ierobežotā slēgtā telpā cilvēka dzīvības uzturēšanas nolūkos mākslīgi radīto vielu bioloģisko ciklu.
Kādas ir šīs galvenās atšķirības?
Vielu mākslīgā bioloģiskā cikla mērogs kā līdzeklis cilvēka dzīvības nodrošināšanai ierobežotā slēgtā telpā nevar būt salīdzināms ar sauszemes bioloģiskā cikla mērogu, lai gan galvenie modeļi, kas nosaka procesu norisi un efektivitāti tā individuālajās bioloģiskajās saitēs. var izmantot, lai raksturotu šādas saites mākslīgā ekosistēmā. Zemes biosfērā aktieri ir gandrīz 500 tūkstoši augu sugu un 1,5 miljoni dzīvnieku sugu, kas noteiktos kritiskos apstākļos (piemēram, sugas vai populācijas bojāeja) spēj viena otru aizstāt, saglabājot biosfēras stabilitāti. Mākslīgā ekosistēmā sugu reprezentativitāte un īpatņu skaits ir ļoti ierobežots, kas krasi palielina katra mākslīgajā ekosistēmā iekļautā dzīvā organisma "atbildību" un uzliek paaugstinātas prasības tā bioloģiskajai stabilitātei ekstremālos apstākļos.
Zemes biosfērā vielu un ķīmisko elementu aprite balstās uz milzīgu skaitu dažādu neatkarīgu un savstarpēju ciklu, kas nav saskaņoti laikā un telpā, un katrs no tiem tiek veikts sev raksturīgā ātrumā. Mākslīgā ekosistēmā šādu ciklu skaits ir ierobežots, katra cikla loma vielu apritē; daudzkārt palielinās, un ir stingri jāsaglabā koordinētie procesu ātrumi sistēmā kā nepieciešams nosacījums stabilai bioloģiskā LSS darbībai.
Strupceļu procesu klātbūtne biosfērā būtiski neietekmē vielu dabisko ciklu, jo Zemē joprojām ir ievērojamas vielu rezerves, kas pirmo reizi piedalās ciklā. Turklāt strupceļu procesu vielu masa ir neizmērojami mazāka par Zemes bufera kapacitāti. Mākslīgajā telpā LSS vienmēr pastāvošie vispārīgie masas, tilpuma un enerģijas patēriņa ierobežojumi uzliek atbilstošus ierobežojumus bioloģiskā LSS ciklā iesaistīto vielu masai. Jebkura strupceļa procesa klātbūtne vai veidošanās šajā gadījumā būtiski samazina sistēmas efektivitāti kopumā, samazina tās izolētības rādītāju, prasa atbilstošu kompensāciju no izejvielu krājumiem un līdz ar to šo krājumu palielināšanos. sistēmā.
Svarīgākā vielu bioloģiskā cikla iezīme aplūkotajās mākslīgajās ekosistēmās ir cilvēka noteicošā loma kvalitātes un kvantitatīvās īpašības matērijas cirkulācija. Cikls šajā gadījumā tiek veikts, lai apmierinātu personas (apkalpes) vajadzības, kas ir galvenā noteicošā saikne. Pārējie bioloģiskie objekti ir cilvēka vides uzturēšanas funkciju veicēji. Pamatojoties uz to, katrai bioloģiskajai sugai mākslīgā ekosistēmā tiek radīti optimālākie eksistences apstākļi, lai sasniegtu sugas maksimālo produktivitāti. Zemes biosfērā biosintēzes procesu intensitāti galvenokārt nosaka saules enerģijas ieplūšana noteiktā reģionā. Vairumā gadījumu šīs iespējas ir ierobežotas: Saules starojuma intensitāte uz Zemes virsmas ir aptuveni 10 reizes zemāka nekā ārpus Zemes atmosfēras. Turklāt, lai izdzīvotu un attīstītos, ikvienam dzīvam organismam pastāvīgi jāpielāgojas dzīves apstākļiem, jārūpējas par barības atrašanu, tērējot tam ievērojamu daļu dzīvībai svarīgās enerģijas. Tāpēc biosintēzes intensitāti Zemes biosfērā nevar uzskatīt par optimālu no bioloģiskās LSS galvenās funkcijas - cilvēka uztura vajadzību apmierināšanas - viedokļa.
Atšķirībā no Zemes biosfēras mākslīgās ekosistēmās notiek liela mēroga abiotiskie procesi un faktori, kuriem ir manāma, bet bieži vien akla loma biosfēras un tās elementu veidošanā (laikapstākļu un klimata ietekme, noplicinātas augsnes un nepiemērotas teritorijas). Ķīmiskās īpašībasūdens utt.).
Šīs un citas atšķirības veicina ievērojami lielāku vielu pārveidošanas efektivitāti mākslīgās ekosistēmās, lielāku cirkulācijas ciklu izpildes ātrumu un augstākas bioloģiskās cilvēka dzīvības atbalsta sistēmas efektivitātes vērtības.
PAR KOSMOSA APKALPAS BIOLOĢISKĀM DZĪVĪBAS SISTĒMĀM
Bioloģiskais LSS ir mākslīgs bioloģisko objektu (mikroorganismu, augstāko augu, dzīvnieku), palīgmateriālu un tehnisko līdzekļu kopums, kas tiek atlasīts noteiktā veidā, savstarpēji saistīti un savstarpēji atkarīgi bioloģiskie objekti, kas ierobežotā slēgtā telpā nodrošina cilvēka fizioloģiskās pamatvajadzības. pārtikā, ūdenī un skābeklī, galvenokārt pamatojoties uz stabilu vielu bioloģisko cirkulāciju.
Nepieciešamā dzīvo organismu (bioloģisko objektu) un tehnisko līdzekļu kombinācija bioloģiskajā LSS ļauj šīs sistēmas saukt arī par biotehniskām. Tajā pašā laikā zem tehniskajiem līdzekļiem attiecas uz apakšsistēmām, blokiem un ierīcēm, kas nodrošina nepieciešamos apstākļus biokompleksā iekļauto bioloģisko objektu normālai dzīvei (gāzveida vides sastāvs, spiediens, temperatūra un mitrums, dzīvojamās telpas apgaismojums, ūdens kvalitātes sanitārie un higiēniskie rādītāji, operatīvi). atkritumu savākšanu, apstrādi vai apglabāšanu utt.). Bioloģiskās LSS galvenie tehniskie līdzekļi ietver apakšsistēmas energoapgādei un enerģijas pārvēršanai gaismā, atmosfēras gāzes sastāva regulēšanu un uzturēšanu ierobežotā slēgtā telpā, termisko kontroli, telpu siltumnīcu blokus, virtuves un fizikālās un ķīmiskās reģenerācijas līdzekļus. ūdens un gaisa, pārstrādes, transportēšanas un mineralizācijas iekārtu atkritumus citiem Vairākus procesus vielu reģenerācijai sistēmā var efektīvi veikt arī ar fizikāli ķīmiskām metodēm (skat. attēlu 52. lpp.).
LSS bioloģiskie objekti kopā ar cilvēku veido biokompleksu. Biokompleksā iekļauto dzīvo organismu sugu un skaita sastāvs tiek noteikts tā, lai tas varētu nodrošināt stabilu, līdzsvarotu un kontrolētu vielmaiņu starp apkalpi un biokompleksa dzīvajiem organismiem visā noteiktajā laika posmā. Biokompleksa lielums (mērogs) un biokompleksā pārstāvēto dzīvo organismu sugu skaits ir atkarīgs no nepieciešamās produktivitātes, LSS tuvuma pakāpes un tiek noteikts saistībā ar telpas struktūras specifiskajām tehniskajām un enerģētiskajām iespējām, tās darbības ilgums un apkalpes locekļu skaits. Dzīvo organismu selekcijas principi biokompleksa sastāvā ir aizgūti no dabisko sauszemes kopienu ekoloģijas un kontrolētajām biogeocenozēm, balstoties uz konstatētajām bioloģisko objektu trofiskajām attiecībām.
Bioloģisko sugu atlase bioloģiskā LSS trofisko ciklu veidošanai ir visgrūtākais uzdevums.
Katram bioloģiskajam objektam, kas piedalās bioloģiskajā LSS, savai dzīves aktivitātei ir nepieciešama noteikta dzīves telpa (ekoloģiskā niša), kurā ietilpst ne tikai tīri fiziska telpa, bet arī noteiktai bioloģiskajai sugai nepieciešamo dzīves apstākļu kopums: tās dzīvesveida, režīma nodrošināšana. uzturs un vides apstākļi. Tāpēc, lai veiksmīgi funkcionētu dzīvi organismi kā saikne bioloģiskajā LSS, to aizņemtās telpas apjoms nedrīkst būt pārāk ierobežots. Citiem vārdiem sakot, ir jābūt ierobežotiem minimālajiem pilotējamā kosmosa kuģa izmēriem, zem kuriem ir izslēgta iespēja tajā izmantot bioloģiskās LSS saites.
Ideālā gadījumā visa sākotnēji uzglabātā vielu masa, kas paredzēta apkalpes dzīvības uzturēšanai, ieskaitot visus dzīvos iedzīvotājus, būtu jāpiedalās vielu apritē šī kosmosa objekta iekšienē, neievadot tajā papildu masas. Tajā pašā laikā šāda slēgta bioloģiska LSS ar visu cilvēkam nepieciešamo vielu reģenerāciju un neierobežotu darbības laiku mūsdienās ir vairāk teorētiska nekā praktiski reāla sistēma, ja paturam prātā tās iespējas, kuras tiek apsvērtas. kosmosa ekspedīcijas tuvākajā nākotnē.
Termodinamiskajā izpratnē (enerģijas izteiksmē) jebkura ekosistēma nevar būt slēgta, jo ekosistēmas dzīvo saišu pastāvīga enerģijas apmaiņa ar apkārtējo telpu ir tās pastāvēšanas nepieciešams nosacījums. Saule var kalpot kā brīvas enerģijas avots kosmosa kuģu bioloģiskajai LSS tuvajā Saules telpā.Tomēr liela mēroga bioloģiskās LSS funkcionēšanai nepieciešama ievērojama enerģijas daudzuma nepieciešamība prasa efektīvus tehniskus risinājumus nepārtrauktas savākšanas problēmai. , saules enerģijas koncentrēšana un ievadīšana kosmosa kuģī, kā arī sekojoša zema potenciāla enerģijas izvadīšana kosmosā.siltuma enerģija.
Īpašs jautājums, kas rodas saistībā ar dzīvo organismu izmantošanu kosmosa lidojumos, ir tas, kā tos ietekmē ilgstošs bezsvara stāvoklis? Atšķirībā no citiem kosmosa lidojumu un kosmosa faktoriem, kuru ietekmi uz dzīviem organismiem var simulēt un pētīt uz Zemes, bezsvara ietekmi var konstatēt tikai tieši kosmosa lidojumā.
ZAĻIE AUGI KĀ BIOLOĢISKĀS DZĪVĪBAS ATBALSTA SISTĒMU GALVENĀ SAITE
Augstākie sauszemes augi tiek uzskatīti par galvenajiem un visticamākajiem bioloģiskās dzīvības atbalsta sistēmas elementiem. Viņi spēj ne tikai ražot pārtiku, kas atbilst lielākajai daļai cilvēku kritēriju, bet arī atjaunot ūdeni un atmosfēru. Atšķirībā no dzīvniekiem, augi spēj sintezēt vitamīnus no vienkāršiem savienojumiem. Gandrīz visi vitamīni veidojas lapās un citās zaļajās augu daļās.
Augstāko augu biosintēzes efektivitāti galvenokārt nosaka gaismas režīms: palielinoties gaismas plūsmas jaudai, fotosintēzes intensitāte palielinās līdz noteiktu līmeni kam seko fotosintēzes gaismas piesātinājums. Maksimālā (teorētiskā) fotosintēzes efektivitāte saules gaismā ir 28%. Reālos apstākļos blīvām kultūrām ar labiem audzēšanas apstākļiem tas var sasniegt: 15%.
Optimālā fizioloģiskā (fotosintētiski aktīvā) starojuma (PAR), kas nodrošināja maksimālu fotosintēzi mākslīgos apstākļos, intensitāte bija 150–200 W/m 2 (Nichiporovich, 1966). Augu (vasaras kviešu, miežu) produktivitāte sasniedza 50 g biomasas dienā uz 1 m 2 (līdz 17 g graudu uz 1 m 2 dienā). Citos eksperimentos, kas veikti ar mērķi izvēlēties gaismas režīmus redīsu audzēšanai slēgtās sistēmās, sakņu kultūru raža bija līdz 6 kg no 1 m 2 22–24 dienās ar bioloģisko produktivitāti līdz 30 g biomasas ( sausnā) uz 1 m 2 dienā (Lisovskis, Šilenko, 1970). Salīdzinājumam atzīmējam, ka uz lauka vidējā kultūraugu dienas ražība ir 10 g uz 1 m 2.
Biocikls: "augstākie augi - cilvēks" būtu ideāls cilvēka dzīvības uzturēšanai, ja ilgā kosmosa lidojumā būtu iespējams apmierināties ar tikai augu izcelsmes olbaltumvielu un tauku uzturu un ja augi varētu veiksmīgi mineralizēties un izmantot visi cilvēku atkritumi.
Kosmiskā siltumnīca gan nespēs atrisināt visu bioloģiskajai LSS uzdoto jautājumu loku. Ir zināms, piemēram, ka augstākie augi nespēj nodrošināt līdzdalību vairāku vielu un elementu apritē. Tādējādi augi nepatērē nātriju, atstājot atklātu NaCl (veselā sāls) cikla problēmu. Molekulārā slāpekļa fiksācija ar augiem nav iespējama bez mezgliņu augsnes baktēriju palīdzības. Ir arī zināms, ka saskaņā ar PSRS apstiprinātajām cilvēka uztura fizioloģiskajām normām vismaz pusei no ikdienas uztura olbaltumvielu normas jābūt dzīvnieku izcelsmes olbaltumvielām, bet dzīvnieku taukiem - līdz 75% no kopējās tauku normas. uzturā.
Ja uztura augu daļas kaloriju saturs saskaņā ar iepriekš minētajām normām ir 65% no kopējā diētas kaloriju satura (stacijā Salyut-6 astronauta dienas pārtikas devas vidējais kaloriju saturs bija 3150 kcal), tad, lai iegūtu nepieciešamo augu biomasas daudzumu, siltumnīcu ar paredzamo platību vienam cilvēkam vismaz 15 - 20 m 2. Ņemot vērā neapēstos augu atkritumus (apmēram 50%), kā arī nepieciešamību pēc pārtikas konveijera nepārtrauktai ikdienas biomasas pavairošanai, siltumnīcas faktiskā platība jāpalielina vismaz 2-3 reizes.
Siltumnīcas efektivitāti var ievērojami palielināt, papildus izmantojot iegūtās biomasas neēdamo daļu. Ir dažādi veidi, kā izmantot biomasu: barības vielu iegūšana ar ekstrakciju vai hidrolīzi, fizikāli ķīmiskā vai bioloģiskā mineralizācija, tieša izmantošana pēc atbilstošas vārīšanas, izmantošana dzīvnieku barības veidā. Šo metožu ieviešanai ir nepieciešams izstrādāt atbilstošus papildu tehniskos līdzekļus un enerģijas izmaksas, tāpēc optimālo risinājumu var iegūt, tikai ņemot vērā ekosistēmas kopējos tehniskos un enerģētiskos rādītājus.
Bioloģiskās LSS izveides un izmantošanas sākumposmā atsevišķi jautājumi par vielu pilnīgu apriti vēl nav atrisināti, daļa patērējamo vielu tiks ņemta no kosmosa kuģa klāja nodrošinātajām rezervēm. Šādos gadījumos siltumnīcai tiek piešķirta funkcija reproducēt minimāli nepieciešamo svaigu, vitamīnus saturošu garšaugu daudzumu. Siltumnīca ar stādīšanas platību 3 - 4 m 2 var pilnībā apmierināt viena cilvēka vajadzības pēc vitamīniem. Šādās ekosistēmās, pamatojoties uz augstāko augu – cilvēka – biocikla daļēju izmantošanu, galveno slodzi uz vielu reģenerāciju un apkalpes dzīvības nodrošināšanu veic sistēmas ar fizikāli ķīmiskām apstrādes metodēm.
Praktiskās astronautikas pamatlicējs S.P.Koroļovs sapņoja par lidojumu kosmosā, kuram nebija saistoši nekādi ierobežojumi. Tikai šāds lidojums, pēc S.P.Koroļeva domām, nozīmēs uzvaru pār stihijām. 1962. gadā viņš formulēja kosmosa biotehnoloģijas prioritāro uzdevumu kopumu šādi: “Mums vajadzētu sākt attīstīt “siltumnīcu pēc Ciolkovska”, pakāpeniski veidojot saites vai blokus, un jāsāk strādāt pie “kosmosa ražas”. ”. Kāds ir šo kultūru sastāvs, kādas kultūras? To efektivitāte, lietderība? Kultūraugu atgriezeniskums (atkārtojamība) no pašu sēklām, pamatojoties uz siltumnīcas ilgtermiņa pastāvēšanu? Kuras organizācijas veiks šos darbus: augkopības jomā (un augsnes, mitruma uc jautājumi), mehanizācijas un "gaismas-siltuma-saules" tehnoloģijas un tās vadības sistēmu siltumnīcām jomā utt.?
Šis formulējums faktiski atspoguļo galvenos zinātniskos un praktiskos mērķus un uzdevumus, kuru sasniegšana un risināšana ir jānodrošina, pirms tiek izveidota "Ciolkovska siltumnīca", t.i., tāda siltumnīca, kas ilga kosmosa lidojuma laikā apgādās cilvēku ar nepieciešamo svaigu augu izcelsmes pārtiku, kā arī attīra ūdeni un gaisu. Topošo starpplanētu kosmosa kuģu kosmiskā siltumnīca kļūs par to dizaina neatņemamu sastāvdaļu. Šādā siltumnīcā jānodrošina optimāli apstākļi augstāko augu sēšanai, augšanai, attīstībai un savākšanai. Siltumnīcai jābūt aprīkotai arī ar gaismas sadales un gaisa kondicionēšanas ierīcēm, blokiem barības vielu šķīdumu sagatavošanai, sadalei un piegādei, transpirācijas mitruma savākšanai utt. Padomju un ārvalstu zinātnieki šobrīd veiksmīgi strādā pie šādu liela mēroga siltumnīcu izveides kosmosa kuģiem. tuvākajā nākotnē.
Kosmosa kultūraugu audzēšana šodien joprojām ir sākotnējā attīstības stadijā un prasa jaunus īpašus pētījumus, jo daudzi jautājumi, kas saistīti ar augstāko augu reakciju uz ekstremālajiem kosmosa lidojuma apstākļiem un galvenokārt ar bezsvara stāvokli, joprojām nav izskaidroti. Bezsvara stāvoklim ir ļoti būtiska ietekme uz daudzām fiziskām parādībām, uz dzīvo organismu dzīvībai svarīgo darbību un uzvedību un pat uz kuģa aprīkojuma darbību. Tāpēc dinamiskā bezsvara ietekmes efektivitāti var novērtēt tikai tā sauktajos pilna mēroga eksperimentos, kas tiek veikti tieši uz orbitālajām kosmosa stacijām.
Eksperimenti ar augiem dabiskos apstākļos iepriekš tika veikti Salyut stacijās un Cosmos sērijas satelītos (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 utt.). Īpaša uzmanība tika pievērsta augstāko augu audzēšanas eksperimentiem. Šim nolūkam tika izmantotas dažādas speciālas ierīces, kurām katrai tika dots īpašs nosaukums, piemēram, “Vazon”, “Svetoblok”, “Fiton”, “Biogravistat” utt. Katra ierīce, kā likums, bija paredzēta atrisināt vienu problēmu. Tādējādi neliela centrifūga "Biogravistat" kalpoja stādu audzēšanas procesu salīdzinošam novērtējumam bezsvara stāvoklī un darbības laukā. centrbēdzes spēki. Iekārtā "Vazon" tika izstrādāti sīpolu audzēšanas procesi uz spalvas kā vitamīnu papildinājums astronautu uzturam. Arabidopsis, kas iestādīts izolētā kamerā uz mākslīgas barotnes, pirmo reizi uzziedēja bezsvara apstākļos aparātā "Svetoblok", un Arabidopsis sēklas tika iegūtas ierīcē "Fiton". Plašāks uzdevumu loks tika risināts Oasis pētniecības objektos, kas sastāvēja no audzēšanas, apgaismojuma, ūdens apgādes, piespiedu ventilācijas un telemetriskās temperatūras kontroles. Augā "Oasis" zirņu un kviešu augiem tika praktizēti kultivēšanas režīmi ar elektrisko stimulāciju, lai samazinātu nelabvēlīgo faktoru ietekmi, kas saistīti ar gravitācijas neesamību.
Vairāki eksperimenti ar augstākiem augiem kosmosa lidojumu apstākļos tika veikti ASV Skylab un Spacelab stacijās un uz Columbia (Shuttle).
Daudzi eksperimenti ir parādījuši, ka problēma ar augu audzēšanu kosmosa objektos apstākļos, kas ievērojami atšķiras no parastajiem sauszemes apstākļiem, vēl nav pilnībā atrisināta. Joprojām nav retums, piemēram, gadījumi, kad augi pārtrauc augt ģeneratīvajā attīstības stadijā. Mums vēl ir jāveic ievērojams daudzums zinātnisku eksperimentu, lai izstrādātu augu kultivēšanas tehnoloģiju visos to augšanas un attīstības posmos. Tāpat būs jāizstrādā un jāpārbauda stādu kultivatoru konstrukcijas un individuālie tehniskie līdzekļi, kas palīdz novērst negatīvo ietekmi dažādi faktori lidojums kosmosā uz augiem.
Papildus augstākajiem sauszemes augiem arī zemākie augi tiek uzskatīti par slēgtu ekosistēmu autotrofiskās saites elementiem. Tie ietver ūdens fototrofus - vienšūnu aļģes: zaļas, zili zaļas, kramaļģes utt. Tie ir galvenie primāro organisko vielu ražotāji jūrās un okeānos. Visplašāk zināmā saldūdens mikroskopiskā hlorella aļģe, kurai daudzi zinātnieki dod priekšroku kā slēgtas telpas ekosistēmas ražošanas saites galvenajam bioloģiskajam objektam.
Hlorellas kultūrai ir raksturīgas vairākas pozitīvas iezīmes. Oglekļa dioksīda asimilācija, kultūra atbrīvo skābekli. Ar intensīvu audzēšanu 30 - 40 litri hlorellas suspensijas var pilnībā nodrošināt gāzes apmaiņu vienam cilvēkam. Tādā gadījumā veidojas biomasa, kas pēc bioķīmiskā sastāva ir pieņemama lietošanai kā barības piedeva, un, atbilstoši apstrādājot, kā piedeva cilvēka uzturam. Olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu attiecība hlorellas biomasā var mainīties atkarībā no audzēšanas apstākļiem, kas ļauj veikt kontrolētu biosintēzes procesu. Intensīvo hlorellas kultūru produktivitāte laboratorijas audzēšanā svārstās no 30 līdz 60 g sausnas uz 1 m 2 dienā. Eksperimentos ar īpašiem laboratorijas kultivatoriem ar augstu apgaismojumu hlorellas raža sasniedz 100 g sausnas uz 1 m 2 dienā. Vismazāk hlorellu ietekmē bezsvara stāvoklis. Tās šūnām ir spēcīga celulozi saturoša membrāna un tās ir visizturīgākās pret nelabvēlīgiem eksistences apstākļiem.
Hlorellas kā mākslīgās ekosistēmas saites trūkumi ietver neatbilstību starp CO 2 asimilācijas koeficientu un cilvēka elpošanas koeficientu, nepieciešamību palielināt CO 2 koncentrāciju gāzes fāzē efektīvai bioloģiskās reģenerācijas saites darbībai, zināmas neatbilstības hlorellas aļģu vajadzības pēc biogēniem elementiem ar šo elementu klātbūtni cilvēka izdalījumos, nepieciešamība pēc īpašas hlorellas šūnu apstrādes, lai panāktu biomasas sagremojamību. Vienšūnu aļģēm kopumā (jo īpaši hlorellai), atšķirībā no augstākajiem augiem, nav regulēšanas ierīču, un tām ir nepieciešama automatizēta biosintēzes procesa kontrole, lai nodrošinātu uzticamu un efektīvu darbību kultūrā.
Maksimālās efektivitātes vērtības eksperimentos visu veidu aļģēm ir robežās no 11 līdz 16% (mikroaļģu gaismas enerģijas izmantošanas teorētiskā efektivitāte ir 28%). Tomēr augsta kultūras produktivitāte un zems enerģijas patēriņš parasti ir pretrunīgas prasības, jo maksimālās efektivitātes vērtības tiek sasniegtas pie salīdzinoši zema kultūras optiskā blīvuma.
Šobrīd kā mākslīgo ekosistēmu autotrofās saites bioloģiskie paraugobjekti tiek izmantotas vienšūnu aļģes Chlorella, kā arī daži citi mikroaļģu veidi (scenedesmus, spirulina u.c.).
SASNIEGUMI UN PERspektīvas
Uzkrājoties praktiskai pieredzei Zemei tuvās telpas izpētē un attīstībā, kosmosa izpētes programmas kļūst arvien sarežģītākas. Bioloģiskās LSS veidošanās galvenie jautājumi turpmākajām ilgtermiņa kosmosa ekspedīcijām ir jārisina jau šodien, jo ar bioloģisko LSS saitēm veiktajiem zinātniskajiem eksperimentiem raksturīgs ilgs ilgums no sākuma līdz gala rezultāta iegūšanas brīdim. . Tas jo īpaši ir saistīts ar salīdzinoši garajiem attīstības cikliem, kas objektīvi pastāv daudzos dzīvajos organismos, kas izvēlēti kā bioloģiskās LSS saites, kā arī nepieciešamību iegūt ticamu informāciju par trofisko un citu biosaišu saišu ilgtermiņa sekām, kas dzīviem organismiem parasti var izpausties tikai nākamajās paaudzēs. Metodes šādu bioloģisko eksperimentu paātrinātai veikšanai vēl nepastāv. Tieši šis apstāklis prasa ievērojami pirms laika veikt eksperimentus par enerģijas un masas pārneses procesu izpēti bioloģiskajā LSS, ieskaitot cilvēku.
Skaidrs, ka galvenie jautājumi, veidojot bioloģisko LSS kosmosa apkalpēm, ir iepriekš jāizstrādā un jāatrisina zemes apstākļos. Šiem nolūkiem ir izveidoti un tiek veidoti speciāli tehniski un medicīniski bioloģiski centri, tostarp jaudīgas pētniecības un izmēģinājumu bāzes, liela apjoma hermētiskas kameras, kosmosa lidojumu apstākļus imitējoši stendi u.c. Kompleksos zemes eksperimentos, kas veikti hermētiskās kamerās ar piedaloties testa grupām, tiek noteikta sistēmu un saikņu savietojamība savā starpā un ar cilvēku, noteikta bioloģisko saišu stabilitāte ilgstoši funkcionējošā mākslīgā ekosistēmā, izvērtēta pieņemto lēmumu efektivitāte un ticamība, tiek izvēlēts bioloģiskā LSS variants tā galīgajam padziļinātajam pētījumam saistībā ar konkrētu kosmosa objekts vai lidojums.
60. un 70. gados PSRS tika veikti vairāki unikāli zinātniski eksperimenti, kuru mērķis bija izveidot bioloģisko LSS mākslīgo kosmosa ekosistēmu apkalpēm. 1968. gada novembrī PSRS tika pabeigts ilgs (vienu gadu) eksperiments, kurā piedalījās trīs testētāji. Tās galvenie mērķi bija pārbaudīt un izstrādāt integrētas LSS tehniskos līdzekļus un tehnoloģijas, kas balstītas uz vielu fizikālajām un ķīmiskajām reģenerācijas metodēm un bioloģisku metodi cilvēku vajadzību apmierināšanai pēc vitamīniem un šķiedrvielām, audzējot zaļās kultūras siltumnīcā. , siltumnīcas apsētā platība bija tikai 7,5 m 2, biomasas produktivitāte uz vienu cilvēku vidēji bija 200 g dienā. Kultūraugu komplektā bija kāposti, gurķi, kreses un dilles.
Eksperimenta laikā tika konstatēta augstāku augu normālas audzēšanas iespēja slēgtā tilpumā, tajā uzturoties cilvēkam un atkārtota transpirācijas ūdens izmantošana bez tā reģenerācijas substrāta apūdeņošanai. Siltumnīcā tika veikta daļēja vielu reģenerācija, nodrošinot minimālu pārtikas un skābekļa izolāciju - par 3 - 4%.
1970. gadā PSRS VDNKh tika demonstrēts dzīvības uzturēšanas sistēmas eksperimentālais modelis, ko prezentēja PSRS Glavmikrobioprom Vissavienības Pētnieciskais Biotehniskais institūts un kas izstrādāts, lai noteiktu optimālo biotehnisko bloku kompleksa sastāvu un to. darbības režīms. Izkārtojuma dzīvības uzturēšanas sistēma tika izstrādāta, lai neierobežotu laiku apmierinātu trīs cilvēku vajadzības pēc ūdens, skābekļa un svaigiem augu produktiem. Galvenie reģenerācijas bloki sistēmā bija aļģu kultivators ar 50 litru tilpumu un siltumnīca ar lietderīgo platību aptuveni 20 m2 (3. att.). Dzīvnieku pārtikas produktu pavairošana tika uzticēta vistas kultivatoram.
 Rīsi. 3. Siltumnīcas izskats |
PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Fizikas institūtā tika veikta virkne eksperimentālu pētījumu par ekosistēmām, tostarp cilvēkiem. Eksperiments ar divu saišu sistēmu "cilvēks - mikroaļģes" (hlorella), kas ilga 45 dienas, ļāva izpētīt masas pārnesi starp sistēmas saitēm un vidi un sasniegt rādītāju par kopējo vielu aprites slēgšanu. līdz 38% (atmosfēras un ūdens reģenerācija).
Eksperiments ar trīs saišu sistēmu "cilvēks - augstākie augi - mikroaļģes" tika veikts 30 dienas. Mērķis ir izpētīt cilvēka saderību ar augstākiem augiem ar pilnībā slēgtu gāzes apmaiņu un daļēji slēgtu ūdens apmaiņu. Tajā pašā laikā tika mēģināts slēgt barības ķēdi ar augu (dārzeņu) biomasu. Eksperimenta rezultāti parādīja, ka eksperimenta laikā nepastāv sistēmas saišu savstarpēja nomācoša ietekme caur kopējo atmosfēru. Vienlaidu dārzeņu ražas stādīšanas platības minimālais lielums tika noteikts tā, lai izvēlētajā audzēšanas režīmā (2,5-3 m 2) pilnībā apmierinātu vienas personas vajadzības pēc svaigiem dārzeņiem.
Ieviešot sistēmā ceturto saiti - mikrobu kultivatoru, kas paredzēts nepārtikas augu atkritumu pārstrādei un atgriešanai sistēmā, tika uzsākts jauns eksperiments ar cilvēku 73 dienu garumā. Eksperimenta laikā saišu gāzes apmaiņa bija pilnībā slēgta, un ūdens apmaiņa bija gandrīz pilnībā slēgta (izņemot paraugus uz ķīmiskā analīze) un daļēji pārtikas metabolismu. Eksperimenta laikā tika atklāta augstāko augu (kviešu) produktivitātes pasliktināšanās, kas tika skaidrota ar augu metabolītu vai saistītās mikrofloras uzkrāšanos barības vielu vidē. Pamatojoties uz četrsaišu bioloģiskās sistēmas tehniskajiem un ekonomiskajiem rādītājiem, tika izdarīts secinājums par cilvēka cieto ekskrēciju mineralizācijas saites ieviešanas sistēmā nelietderīgumu.
1973. gadā tika pabeigts sešus mēnešus ilgs eksperiments par dzīvības nodrošināšanu trīs cilvēku apkalpei slēgtā ekosistēmā ar kopējo tilpumu aptuveni 300 m 3, kurā papildus testētājiem tika iekļautas augstāku un zemāku augu saites. Eksperiments tika veikts trīs posmos. Pirmajā posmā, kas ilga divus mēnešus, visas ekipāžas vajadzības pēc skābekļa un ūdens apmierināja augstākie augi, tostarp kvieši, bietes, burkāni, dilles, rāceņi, kāposti, redīsi, gurķi, sīpoli un skābenes. Notekūdeņi no mājsaimniecības nodalījuma tika ievadīti kviešu barotnē. Cietie un šķidrie apkalpes izdalījumi tika izņemti no spiediena tilpuma uz āru. Apkalpes uztura vajadzības daļēji apmierināja augstākie augi un daļēji dehidrēta pārtika no krājumiem. Katru dienu augstāko augu saitē no aptuveni 40 m 2 lielas stādījumu platības tika sintezēti 1953 g biomasas (sausā), tai skaitā 624 g ēdamās, kas sastādīja 30% no kopējās apkalpes vajadzības. Tajā pašā laikā pilnībā tika nodrošināta skābekļa nepieciešamība trim cilvēkiem (apmēram 1500 litri dienā). Sistēmas "cilvēks - augstākie augi" slēgšana šajā posmā bija 82%.
Eksperimenta otrajā posmā daļa siltumnīcas tika aizstāta ar zemāko augu saiti - hlorellu. Apkalpes vajadzības pēc ūdens un skābekļa apmierināja augstākie (kvieši un dārzeņu kultūras) un zemākie augi, apkalpes šķidrās izdalījumi tika nosūtīti uz aļģu reaktoru, bet cietie izdalījumi tika žāvēti, lai atgrieztu ciklā ūdeni. Apkalpes ēdienreizes tika veiktas līdzīgi kā pirmajā posmā. Kviešu augšanas pasliktināšanās tika atklāta, palielinoties ar barības vielu piegādāto notekūdeņu daudzumu uz vienu stādījumu platības vienību, kas tika samazināts uz pusi.
Trešajā posmā augstāko augu saitē tika atstātas tikai dārzeņu kultūras, un aļģu reaktors veica galveno slodzi uz hermētiskā tilpuma atmosfēras atjaunošanos. Notekūdeņi netika pievienoti augu barības vielu šķīdumam. Neskatoties uz to, šajā eksperimenta posmā tika konstatēts, ka augi ir apreibināti no hermētiskās atmosfēras. Sistēmas slēgšana, ieskaitot hlorellu, kas izmanto cilvēka šķidruma izdalīšanos, palielinājās līdz 91%.
Eksperimenta laikā īpaša uzmanība tika pievērsta jautājumam par eksometabolītu apmaiņas laika svārstību izlīdzināšanu ekipāžā. Šim nolūkam testētāji dzīvoja saskaņā ar grafiku, kas nodrošināja ekosistēmu pārvaldības nepārtrauktību un masas pārneses līmeņa vienveidību ekosistēmas autonomas pastāvēšanas procesā. Eksperimenta 6 mēnešus sistēmā bija 4 testeri, no kuriem viens tajā dzīvoja nepārtraukti, bet trīs - 6 mēnešus, nomainot pēc grafika.
Eksperimenta galvenais rezultāts ir pierādījums iespējai ieviest no iekšpuses autonomi kontrolētu bioloģisko dzīvības atbalsta sistēmu ierobežotā slēgtā telpā. Testētāju fizioloģisko, bioķīmisko un tehnoloģisko funkciju rādītāju analīze neatklāja virzītas izmaiņas, ko izraisījusi viņu uzturēšanās mākslīgajā ekosistēmā.
1977. gadā PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Fizikas institūtā tika veikts četrus mēnešus ilgs eksperiments ar mākslīgi noslēgtu ekosistēmu "cilvēks - augstākie augi". Galvenais uzdevums ir atrast veidu, kā slēgtā ekosistēmā saglabāt augstāko augu produktivitāti. Vienlaikus tika pētīta arī iespēja palielināt sistēmas slēgšanu, palielinot tajā reproducētās apkalpes barības devas daļu. Eksperimentā piedalījās divi testētāji (pirmajās 27 dienās - trīs testētāji). Fitotrona apsētā platība bija aptuveni 40 m2. Augstāko augu kultūru komplektā ietilpa kvieši, čufa, bietes, burkāni, redīsi, sīpoli, dilles, kāposti, gurķi, kartupeļi un skābenes. Eksperimentā iekšējās atmosfēras piespiedu cirkulācija tika organizēta pa kontūru "dzīvojamais nodalījums - fitotrons (siltumnīca) - dzīvojamais nodalījums". Eksperiments bija turpinājums iepriekšējam eksperimentam ar slēgtu ekosistēmu "cilvēks - augstāki augi - zemāki augi".
Eksperimenta laikā, kura pirmajā posmā tika atveidoti iepriekšējā apstākļi, atklājās augu fotosintēzes samazināšanās, kas sākās no 5. dienas un ilga līdz 24 dienām. Tālāk tika ieslēgta atmosfēras termiskā katalītiskā attīrīšana (uzkrāto toksisko gāzveida piemaisījumu pēcsadedzināšana), kā rezultātā tika novērsta atmosfēras inhibējošā iedarbība uz augiem un atjaunota fitotronu fotosintētiskā produktivitāte. Sakarā ar papildu oglekļa dioksīdu, kas iegūts, sadedzinot salmus un celulozi, apkalpes uztura reproducētā daļa tika palielināta līdz 60% no svara (līdz 52% pēc kaloriju satura).
Ūdens apmaiņa sistēmā bija daļēji slēgta: dzeramā un daļēji sanitārā ūdens avots bija augu transpirācijas mitruma kondensāts, kviešu apūdeņošanai tika izmantota barības vide, pievienojot sadzīves notekūdeņus, un tika uzturēts ūdens bilance. ievadot destilētu ūdeni tādā daudzumā, kas kompensēja cilvēka šķidruma izdalīšanos no sistēmas.
Pabeidzot eksperimentu, netika konstatētas negatīvas testētāju ķermeņa reakcijas uz slēgtas sistēmas apstākļu sarežģīto ietekmi. Augi pilnībā nodrošināja testētājus ar skābekli, ūdeni un lielāko daļu augu barības.
Tajā pašā 1977. gadā PSRS Veselības ministrijas Biomedicīnas problēmu institūtā tika pabeigts pusotru mēnesi ilgs eksperiments ar diviem testeriem. Eksperiments tika veikts, lai izpētītu slēgtas ekosistēmas modeli, kas ietvēra siltumnīcu un augu ar hlorellu.
Veiktie eksperimenti parādīja, ka, veicot atmosfēras un ūdens bioloģisko atjaunošanos mākslīgā ekosistēmā ar zaļo augu palīdzību, zemākiem augiem (hlorella) ir lielāka bioloģiskā saderība ar cilvēku nekā augstākajiem. Tas izriet no tā, ka dzīvojamās telpas atmosfēra un cilvēku izdalījumi nelabvēlīgi ietekmēja augstāko augu attīstību, un bija nepieciešama papildu fizikāli ķīmiskā gaisa apstrāde, kas nonāk siltumnīcā.
Ārzemēs darbs, kas vērsts uz perspektīvas LSS izveidi, visintensīvāk tiek veikts ASV. Pētījumi tiek veikti trīs virzienos: teorētiskajā (struktūras, sastāva un aprēķināto raksturlielumu noteikšana), eksperimentālajā laukā (atsevišķu bioloģisko vienību pārbaude) un eksperimentālajā lidojumā (bioloģisko eksperimentu sagatavošana un veikšana uz pilotējamiem kosmosa kuģiem). NASA centri un firmas, kas izstrādā kosmosa kuģus un sistēmas tiem, nodarbojas ar bioloģisko LSS radīšanas problēmu. Universitātes ir iesaistītas daudzos perspektīvos pētījumos. NASA ir izveidota biosistēmu nodaļa, kas koordinē darbu pie vadāmas biotehniskās LSS izveides programmas.
Lielu vides speciālistu interesi izraisīja grandiozas mākslīgās struktūras "Biosfēra-2" izveides projekts ASV. Šī stikla, tērauda un betona konstrukcija ir pilnībā noslēgta tilpums 150 000 m 3 un tā platība ir 10 000 m 2 . Viss tilpums ir sadalīts liela mēroga nodalījumos, kuros tiek veidoti dažādu Zemes klimatisko zonu fiziskie modeļi, tostarp tropu mežs, tropiskā savanna, lagūna, okeāna seklās un dziļūdens zonas, tuksnesis utt. Biosfērā-2 atrodas arī testētāju dzīvojamās telpas, laboratorijas, darbnīcas, lauksaimniecības siltumnīcas un zivju dīķi, atkritumu pārstrādes sistēmas un citas cilvēka dzīvībai nepieciešamās apkalpošanas sistēmas un tehniskie līdzekļi. Biosfēras-2 nodalījumu stikla griestiem un sienām jānodrošina izstarotās saules enerģijas plūsma tās iemītniekiem, kuru vidū pirmajos divos gados būs astoņi brīvprātīgie testētāji. Viņiem būs jāpierāda aktīvas dzīves un darbības iespēja izolētos apstākļos, pamatojoties uz vielu iekšējo biosfēras cirkulāciju.
Ekotehnikas institūts, kas vadīja Biosphere-2 izveidi 1986. gadā, plāno pabeigt tā būvniecību šogad. Projekta realizācijā ir iesaistījušies daudzi cienījami zinātnieki un tehniskie speciālisti.
Neskatoties uz ievērojamajām darbu izmaksām (vismaz 30 miljoni USD), projekta īstenošana ļaus veikt unikālus Zinātniskie pētījumi ekoloģijas un Zemes biosfēras jomā noteikt iespēju izmantot atsevišķus "Biosfēras-2" elementus š.g. dažādas nozares ekonomika (ūdens, gaisa un pārtikas bioloģiskā attīrīšana un reģenerācija). "Šādas struktūras būs nepieciešamas apmetņu izveidei kosmosā un, iespējams, noteiktu veidu dzīvo būtņu saglabāšanai uz Zemes," saka ASV astronauts R. Šveikarts.
Iepriekš minēto eksperimentu praktiskā nozīme ir ne tikai atsevišķu slēgtas telpas ekosistēmu, tostarp cilvēku, izveides jautājumu risināšanā. Ne mazāk svarīgi ir šo eksperimentu rezultāti, lai izprastu ekoloģijas likumus un biomedicīnas pamatus cilvēka adaptācijai ekstremāliem vides apstākļiem, bioloģisko objektu potenciāla noskaidrošanai intensīvās audzēšanas režīmos, bezatkritumu un videi draudzīgu tehnoloģiju izstrādei cilvēka vajadzībām. kvalitatīvai pārtikai, ūdenim un gaisam mākslīgā vidē.izolētas apdzīvojamas būves (zemūdens apmetnes, polārās stacijas, ģeologu apmetnes Tālajos Ziemeļos, aizsardzības būves u.c.).
Nākotnē var iedomāties veselas pilsētas bez atkritumiem un videi draudzīgas. Piemēram, Starptautiskā Sistēmanalīzes institūta direktors K. Marčeti uzskata: “Mūsu civilizācija varēs mierīgi pastāvēt, turklāt labākos apstākļos nekā pašreizējie, ieslēdzoties salu pilsētās, kas ir pilnīgi pašpārliecinātas. -pietiekama, nav atkarīga no dabas svārstībām, nav nepieciešamas nekādas dabīgas izejvielas, ne arī dabīgā enerģijā un garantēta pret piesārņojumu. Piebildīsim, ka tam ir jāizpilda tikai viens nosacījums: visas cilvēces centienu apvienošana mierīgā radošā darbā uz Zemes un kosmosā.
SECINĀJUMS
Lielu, mākslīgu ekosistēmu, tajā skaitā cilvēku, izveides problēmas veiksmīgam risinājumam, kas balstās uz pilnībā vai daļēji slēgtu vielu bioloģisko ciklu, ir liela nozīme ne tikai astronautikas tālākai virzībai. Laikmetā, kad "ar tik biedējošu skaidrību redzējām, ka kodolenerģijas un kosmosa draudu frontei tuvojas otrā fronte, ekoloģiskā fronte un ir tai līdzvērtīga" (no ārlietu ministra runas PSRS E. A. Ševardnadze Apvienoto Nāciju Organizācijas Ģenerālās Asamblejas 43. sesijā), viens no reālajiem izejiem no tuvojošās ekoloģiskās krīzes var būt veids, kā radīt praktiski bez atkritumiem un videi draudzīgas intensīvās agroindustriālās tehnoloģijas, kuras vajadzētu pamatojoties uz vielu bioloģisko ciklu un efektīvāku saules enerģijas izmantošanu.
Šī ir principiāli jauna zinātniski tehniska problēma, kuras risināšanas rezultātiem var būt liela nozīme vides aizsardzībā un saglabāšanā, jaunu intensīvu un bezatkritumu biotehnoloģiju attīstībā un plašā izmantošanā, autonomas automatizācijas izveidē. un robotu kompleksi pārtikas biomasas ražošanai, un pārtikas programmas risinājums augstā mūsdienīgā zinātniski tehniskā līmenī. Kosmiskais nav atdalāms no zemes, tāpēc arī mūsdienās kosmosa programmu rezultāti sniedz būtisku ekonomisku un sociālu efektu lielākajā daļā. dažādas jomas Tautsaimniecība.
Kosmoss kalpo un jākalpo cilvēkiem.
LITERATŪRA
Blinkins S.A., Rudņitskaja T.V. Fitoncīdi mums apkārt. – M.: Zināšanas, 1981.g.
Gazenko O.G., Pestovs I.D., Makarovs V.I. Cilvēce un kosmoss. – M.: Nauka, 1987. gads.
Dadykin V.P. Kosmosa augkopība. – M.: Zināšanas, 1968.g.
Dažo R. Ekoloģijas pamati. – M.: Progress, 1975.
Slēgtā sistēma: cilvēks - augstākie augi (četru mēnešu eksperiments) / Red. G. M. Lisovskis. - Novosibirska-Nauka, 1979. gads.
Kosmonautika. Enciklopēdija. / Red. V. P. Gluško - M .: Padomju enciklopēdija, 1985.
Lapo A. V. Pagājušo biosfēru pēdas. – M.: Zināšanas, 1987.g.
Ničiporovičs A.A. zaļo lapu efektivitāte. - M .: Zināšanas 1964.
Kosmosa bioloģijas un medicīnas pamati. / Red. O G Gazenko (PSRS) un M. Kalvins (ASV). - T. 3 - M .: Nauka, 1975.
Plotņikovs V. V. Ekoloģijas krustcelēs. - M.: Doma, 1985. gads
Sytnik K. M., Brion A. V., Gordetsky A. V. Biosfēra, ekoloģija, dabas aizsardzība. - Kijeva: Naukova Dumka, 1987. gads.
Eksperimentālās ekoloģiskās sistēmas, tostarp cilvēks / Red. V. N. Čerņigovskis. - M.: Nauka, 1975. gads
Jazdovskis V. I. Mākslīgā biosfēra. - M.: Nauka, 1976. gads
Pieteikums
KOSMOSA TŪRISMS
V. P. MIHAILOVS
Saistībā ar tūrisma uzplaukumu, kas visur sākās 60. gados, eksperti vērsa uzmanību uz iespēju ceļot kosmosā tūrisma nolūkos.
Kosmosa tūrisms attīstās divos virzienos. Viens no tiem ir tīri sauszemes – bez lidojumiem kosmosā. Tūristi apmeklē sauszemes objektus - kosmodromus, lidojumu vadības centrus, "zvaigžņu" pilsētas, kosmosa tehnoloģiju elementu izstrādes un ražošanas uzņēmumus, viņi ir klāt un vēro lidojošu kosmosa kuģu un nesējraķešu palaišanu.
Sauszemes kosmosa tūrisms sākās 1966. gada jūlijā, kad tika organizētas pirmās ekskursijas ar autobusu uz NASA palaišanas vietām Kenedija ragā. 70. gadu sākumā tūristi ar autobusiem apmeklēja kompleksa Nr.39 vietu, no kuras astronauti startēja, lidojot uz Mēnesi, vertikālo montāžas ēku (angārs virs 100 m augstumā), kur tika samontēta nesējraķete Saturn-V un testēts un kosmosa kuģis tika pieslēgts. kosmosa kuģis "Apollo", unikālās kāpurķēžu šasijas stāvlaukums, kas nogādā nesējraķeti palaišanas paliktnis, un daudz vairāk. Īpašā kinoteātrī viņi skatījās kinohroniku par notikumiem kosmosā. Toreiz vasarā šādu ekskursiju veica līdz 6 - 7 tūkstošiem tūristu, bet nesezonā - aptuveni 2 tūkstoši. Neorganizētie tūristi palielināja apmeklētāju plūsmu par aptuveni 20 - 25%.
Jau no pašiem pirmsākumiem šādas ekskursijas ir guvušas plašu popularitāti. Jau 1971. gadā tika reģistrēts viņu četrmiljonais dalībnieks. Dažu palaišanas laikā (piemēram, uz Mēnesi) tūristu skaits sasniedza simtiem tūkstošu.
Vēl viens virziens ir tiešais kosmosa tūrisms. Lai gan šodien tas ir sākuma stadijā, tā izredzes ir plašas. Papildus tīri tūrisma aspektam šeit jāpatur prātā stratēģiskais un ekonomiskais aspekts.
Stratēģiskais aspekts ir iespējama daļēja cilvēces nosēšanās Saules sistēmā. Protams, tas ir tālās nākotnes jautājums. Norēķini notiks simtiem gadu un gadu tūkstošiem. Cilvēkam ir jāpierod dzīvot kosmosā, jāiedzīvojas tajā, jākrāj zināma pieredze – ja vien, protams, nenotiek kādas sauszemes vai kosmiskas kataklizmas, kad šis process ir jāpaātrina. Un kosmosa tūrisms ir labs modelis šī procesa īstenošanai. Savukārt tūristu ceļojumu laikā uzkrātā cilvēka dzīvības nodrošināšanas pieredze kosmosā, tehnikas, dzīvības uzturēšanas ierīču iepazīšana kosmosā ļaus cilvēkam veiksmīgāk dzīvot un strādāt uz Zemes vides degradācijas apstākļos, izmantot kosmosu "zemēta". "tehniskie līdzekļi un sistēmas.
Kosmosa tūrisma ekonomiskais aspekts ir ļoti svarīgs arī astronautikai. Daži eksperti kosmosa tūrismu, kas orientēts uz kosmosa tūristu personīgo līdzekļu izmantošanu, uzskata par nozīmīgu kosmosa programmu finansējuma avotu. Pēc viņu domām, kravu plūsmas palielināšanās kosmosā kosmosa tūrisma rezultātā, salīdzinot ar pašreizējo, 100 reizes (kas ir reāli), savukārt lietderīgās kravas vienības palaišanas izmaksas samazinās par 100–200. reizes visai kosmonautikai kopumā, nepiesaistot papildu valsts investīcijas.
Pēc ekspertu domām, cilvēces ikgadējie izdevumi tūrismam ir izteikti aptuveni 200 miljardu mārciņu apmērā. Art. Nākamajās desmitgadēs kosmosa tūrisms varētu veidot 5% no šī skaitļa, t.i., 10 miljardus mārciņu. Art. Tiek uzskatīts, ka, ja kosmosa tūres izmaksas ir optimāli sabalansētas un tajā pašā laikā tiek nodrošināta pietiekami augsta lidojumu drošība (salīdzināma vismaz ar lidojumu drošības līmeni uz moderna pasažieru reaktīvo lainera), tad aptuveni 100 milj. izteikt vēlmi tuvākajās desmitgadēs veikt kosmosa ceļojumu. Saskaņā ar citiem aprēķiniem, līdz 2025. gadam kosmosa tūristu plūsma sasniegs 100 tūkstošus cilvēku gadā, un nākamo 50 gadu laikā kosmosā esošo cilvēku skaits sasniegs aptuveni 120 miljonus cilvēku.
Cik mūsdienās var maksāt kosmosa tūre? Novērtēsim ceļojumu paketes augšējo robežu. PSRS astronauta apmācība ir aptuveni 1 miljons rubļu, sērijveida nesējraķete maksā 2–3 miljonus, divvietīgs kosmosa kuģis 7–8 miljonus rubļu. Tādējādi "lidojums diviem" būs aptuveni 11 - 13 miljoni rubļu, neskaitot tā saukto zemes atbalstu. Šo skaitli varētu ievērojami samazināt, ja kosmosa kuģis tiktu veikts tīri tūrisma versijā: nepiepildīt to ar sarežģītu zinātnisku aprīkojumu, tādējādi palielinot pasažieru skaitu, sagatavot tos lidojumam nevis saskaņā ar kosmonautu programmu, bet gan saskaņā ar vienkāršāku utt. Būtu interesanti precīzāk noteikt ekskursijas izmaksas, bet tas būtu jādara. ekonomisti raķešu un kosmosa tehnoloģiju jomā.
Ir arī citi veidi, kā samazināt izmaksas par tūristu lidojumu kosmosā. Viens no tiem ir īpaša atkārtoti lietojama tūrisma kuģa izveide. Optimisti uzskata, ka kosmosa lidojumu izmaksas transporta kuģi Otrās un trešās paaudzes lidmašīnu izmaksas būs samērīgas ar lidojumu izmaksām ar pasažieru reaktīvo lidmašīnu, kas noteiks masu kosmosa tūrismu. Neskatoties uz to, eksperti norāda, ka ekskursijas izmaksas pirmajiem tūristiem būs aptuveni 1 miljons USD. Nākamajās desmitgadēs tās strauji samazināsies un sasniegs USD 100 tūkstošus.Kā optimāli piesātināta kosmosa tūrisma infrastruktūra, tajā skaitā kosmosa kuģu flote. tiek sasniegts, viesnīcas Zemes un Mēness orbītās, tūrisma aprīkojuma kārtējā ražošana, apmācība drošības pasākumos utt., masu tūrisma apstākļos ekskursijas izmaksas samazināsies līdz 2 tūkstošiem dolāru. Tas nozīmē, ka izmaksas par kravas palaišanu kosmosā nedrīkst pārsniegt 20 USD/kg. Šobrīd šis rādītājs ir 7-8 tūkst.
Kosmosa tūrisma ceļā joprojām ir daudz grūtību un neatrisinātu problēmu. Tomēr kosmosa tūrisms ir 21. pavērsiena realitāte. Tikmēr jau 260 cilvēki no desmit pasaules valstīm iemaksājuši naudu kādā no amerikāņu organizācijām, kas sākusi darbu šajā virzienā kosmosa tūrisma lidojuma izstrādei un īstenošanai. Dažas amerikāņu ceļojumu aģentūras ir sākušas pārdot biļetes uz pirmo tūristu lidojumu no Zemes uz Mēnesi. Atvērts izbraukšanas datums. Uz biļetes uzliks, kā saka, pēc gadiem 20-30.
Tomēr amerikāņi šeit nav pirmie. 1927. gadā Maskavā Tverskas ielā notika pasaulē pirmā starptautiskā kosmosa kuģu izstāde. Tā sastādīja sarakstus ar tiem, kas vēlas lidot uz Mēnesi vai Marsu. Gribētāju bija daudz. Varbūt kāds no viņiem vēl nav zaudējis cerības doties pirmajā tūrisma braucienā kosmosā.
KOSMOSA HRONIKA*
* Turpinājums (sk. Nr. 3, 1989). Pamatojoties uz dažādu informācijas aģentūru un periodisko izdevumu materiāliem, sniegti dati par dažu mākslīgo Zemes pavadoņu (AES) palaišanu, sākot no 1989.gada 15.novembra. AES "Cosmos" palaišanas nav reģistrētas. Par tiem regulāri ziņo, piemēram, žurnāls "Priroda", tievi un sūta ieinteresētus lasītājus. Atsevišķs pielikums ir veltīts pilotētiem kosmosa lidojumiem.
1988. GADA 15. NOVEMBRĪ pirmo reizi Padomju Savienībā tika veikta universālās raķešu un kosmosa transporta sistēmas Energia izmēģinājuma palaišana ar atkārtoti lietojamo kosmosa kuģi Buran. Pabeidzis divu orbītu bezpilota lidojumu, orbitālais kosmosa kuģis Buran veiksmīgi nolaidās automātiskajā režīmā uz Baikonuras kosmodroma skrejceļa. Buran kuģis tika uzbūvēts pēc bezastes lidmašīnas shēmas ar mainīga spārna delta spārnu. Spēj veikt kontrolētu nolaišanos atmosfērā ar sānu manevru līdz 2000 km. Kuģa garums ir 36,4 m, spārnu plētums aptuveni 24 m, kuģa augstums, stāvot uz šasijas, ir vairāk nekā 16 m. Palaišanas svars ir vairāk nekā 100 tonnas, no kurām 14 tonnas ir degviela. Tā kravas nodalījumā var ievietot lietderīgo kravu, kas sver līdz 30 tonnām.Priekšgala nodalījumā ir iebūvēta spiediena kabīne apkalpei un aprīkojumam ar tilpumu vairāk nekā 70 m 3. Galvenā dzinējspēka sistēma atrodas kuģa astes daļā, divas dzinēju grupas manevrēšanai atrodas astes sekcijas galā un korpusa priekšā. Siltuma aizsargpārklājums, kas sastāv no gandrīz 40 000 atsevišķu profilu flīžu, ir izgatavots no īpašiem materiāliem - augstas temperatūras kvarca un organiskām šķiedrām, kā arī materiāla uz oglekļa bāzes. Pirmais atkārtoti lietojamā kosmosa kuģa Buran lidojums atklāj kvalitatīvi jaunu posmu padomju kosmosa pētniecības programmā.
1988. gada 10. DECEMBRĪ nesējraķete Proton palaida orbītā nākamo (19.) padomju televīzijas apraides satelītu Ekran. Palaists ģeostacionārajā orbītā 99° austrumu leņķī. (starptautiskais reģistrācijas indekss "Stacionārais T"), šie satelīti tiek izmantoti, lai pārraidītu televīzijas programmas decimetra viļņu garuma diapazonā uz Urālu un Sibīrijas reģioniem uz abonentu uztvērējiem kolektīvai lietošanai.
1988. gada 11. decembrī no Kourou kosmodroma Franču Gviānā ar Rietumeiropas nesējraķetes Ariane-4 palīdzību ģeostacionārajā orbītā tika palaisti divi sakaru pavadoņi - angļu Skynet-4B un Luksemburgai piederošais Astra-1. konsorcijs SES. Satelīts Astra-1 ir paredzēts televīzijas programmu retranslācijai uz vietējiem izplatīšanas centriem Rietumeiropas valstīs. Satelītam ir 16 vidējas jaudas retranslatori, no kuriem lielāko daļu nomā British Telecom. Paredzamais satelīta "Astra-1" stāvēšanas punkts 19,2 ° W. e) Sākotnēji britu satelītu bija paredzēts palaist ar amerikāņu kosmosa kuģa palīdzību. Taču 1986. gada janvārī notikušā "Challenger" avārija šos plānus pārkāpa, un tika nolemts palaišanai izmantot nesējraķeti "Arian". Divu satelītu palaišanu veica nesējraķete Arian-4, kas aprīkota ar diviem cietās degvielas un diviem šķidruma pastiprinātājiem. Arianspace konsorcijs potenciālajiem patērētājiem paziņoja, ka šis raķetes modelis spēj nogādāt 3,7 tonnu lielu kravnesību pārneses orbītā ar apogeja augstumu 36 000 km. Šajā versijā Ariane-4 tiek izmantots otro reizi. Pirmā nesējraķetes palaišana šajā konfigurācijā bija pārbaude. Tad 1988. gadā ar tās palīdzību orbītā tika palaisti trīs satelīti: Rietumeiropas meteoroloģiskais Meteosat-3 un amatieru radio Amsat-3, kā arī amerikāņu sakaru Panamsat-1.
1988. gada 22. DECEMBRĪ PSRS nesējraķete Molnija tika palaista augsti eliptiskā orbītā ar apogeja augstumu 39 042 km Ziemeļu puslodē, lai nodrošinātu liela attāluma telefona un telegrāfa radiosakaru sistēmas darbību un televīzijas programmu pārraide, izmantojot sistēmu Orbit.
1988. gada 23. DECEMBRĪ no Sjičanas kosmodroma ĶTR ar nesējraķetes Long March-3 palīdzību tika palaists ĶTR 24. satelīts. Tas ir ceturtais Ķīnas sakaru satelīts, kas palaists ģeostacionārajā orbītā. Satelīta nodošana ekspluatācijā pabeigs visu nacionālo televīzijas programmu nodošanu retranslācijai, izmantojot satelītu sistēmu. Mākslīgā pavadoņa palaišanā piedalījās Ķīnas Tautas Republikas Valsts padomes premjerministrs Li Pens.
1988. gada 25. DECEMBRĪ PSRS nesējraķete Sojuz palaida orbītā automātisko kravas kosmosa kuģi Progress-39, kas paredzēts padomju orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja stacijā 27. decembrī, no tās atkāpās 1989. gada 7. februārī un tajā pašā dienā iegāja atmosfērā un beidza pastāvēt.
1988. gada 28. DECEMBRĪ PSRS nesējraķete Molnija tika palaista ļoti eliptiskā orbītā ar apogeja augstumu 38 870 km nākamā (75.) sakaru pavadoņa Molija-1 ziemeļu puslodē. Šis satelīts tiek darbināts kā daļa no satelītu sistēmas, ko Padomju Savienībā izmanto telefona un telegrāfa radio sakariem, kā arī televīzijas programmu pārraidei caur Orbītas sistēmu.
1989. GADA 26. JANVĀRĪ ar nesējraķeti "Proton" tika palaists nākamais (17.) sakaru pavadonis "Horizonts" PSRS. Palaists ģeostacionārajā orbītā 53° austrumu garuma. viņš saņēma starptautiskās reģistrācijas indeksu "Stacionārais-5". Satelīts Gorizont tiek izmantots televīzijas programmu pārraidīšanai uz zemes staciju Orbita, Moskva un Intersputnik tīklu, kā arī saziņai ar kuģiem un lidmašīnām, izmantojot papildu retranslatorus.
1989. GADA 27. JANVĀRĪ nesējraķeti Ariane-2 pārvietošanas orbītā palaiž satelīts Intelsat-5A (modelis F-15), lai to izmantotu starptautiskā ITSO konsorcija globālajā komerciālajā satelītsakaru sistēmā. Pārnests uz ģeostacionāro orbītu 60° austrumu leņķī. Satelīts aizstās tur izvietoto satelītu Intelsat-5A (modelis F-12), kas palaists 1985. gada septembrī.
1989. gada 10. FEBRUĀRĪ PSRS ar nesējraķeti Sojuz palaists automātiskais kravas kosmosa kuģis Progress-40, kas paredzēts padomju orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja stacijā 12. februārī un no tās atkāpās 3. martā. Pēc atbloķēšanas tika veikts eksperiments divu liela izmēra daudzsaišu konstrukciju izvietošanai atklātā kosmosā, kas atradās salocītā stāvoklī uz kosmosa kuģa Progress-40 ārējās virsmas. Pēc borta automatizācijas pavēles šīs konstrukcijas tika atvērtas pa vienai. To izvietošana tika veikta, izmantojot elementus no materiāla ar formas atmiņas efektu. 5. martā uz kuģa tika ieslēgta piedziņas sistēma. Palēninājuma rezultātā kuģis iekļuva atmosfērā un beidza pastāvēt.
1989. GADA 15. FEBRUĀRIS PSRS Nesējraķete "Molnija" tika palaista nākamā (76.) sakaru pavadoņa "Molnija-1" ziemeļu puslodē ļoti eliptiskā orbītā ar apogeja augstumu 38 937 km. Šis satelīts ir iekļauts Padomju Savienībā izmantotajā satelītu sistēmā telefona un telegrāfa radio sakariem, kā arī televīzijas programmu pārraidei caur Orbītas sistēmu.
16. MARTĀ PSRS ar nesējraķeti Sojuz palaists automātiskais kravas kosmosa kuģis Progress-41, kas paredzēts padomju orbitālās stacijas Mir apgādei. Kuģis piestāja stacijā 18. martā.
Pilotu lidojumu hronika 1
1 Turpinājums (sk. Nr. 3, 1989).
2 Cipari iekavās norāda kosmosa lidojumu skaitu, ieskaitot pēdējo.
3 Ekspedīcija uz Mir staciju.
Stacijas Mir apkalpē palika 4 kosmonauti A. Volkovs un S. Krikaļevs. 1988. gada 21. decembrī kopā ar J.-L. Chretien, V. Titov un M. Manarov atgriezās uz zemes no Mir stacijas, veicot garāko 1 gadu lidojumu astronautikas vēsturē.
ASTRONOMIJAS JAUNUMI
PATVIELI BRĪNUMZEMĒ
Mēs jau esam minējuši savās īsajās piezīmēs par vienu no dažu Lielās apvienošanās modeļu kosmoloģiskajām sekām - kosmoloģisko pavedienu eksistences prognozēšanu. Tās ir viendimensijas paplašinātas konstrukcijas ar augstu lineāro masas blīvumu (~Ф 0 2, kur Ф 0 ir vakuuma vidējais rādītājs, kas nav nulles) un biezums ~1/Ф 0.
Starp daudziem reālistiskajiem Lielās apvienošanas modeļiem (jo ir arī nereāli) visveiksmīgākās ir tās shēmas, kurās ir iekļautas spoguļdaļiņas, kas pēc īpašībām ir stingri simetriskas ar attiecīgajām parastajām daļiņām. Spoguļdvīņi iegūst ne tikai matērijas daļiņas (elektronus, kvarkus), bet arī mijiedarbības nesējdaļiņas (fotonus, W-bozoni, gluoni utt.). Šāda veida shēmās pilnīgas simetrijas pārkāpums noved pie pārejas no parastajām daļiņām uz spoguļdaļiņām. Šajos modeļos redzamos pavedienus sauc par Alises pavedieniem. Tos no "parastajiem" kosmoloģiskajiem pavedieniem atšķir sekojoša papildu īpašība: ejot apkārt pavedienam, mainās objekta spožums.
No šīs "spogulim līdzīgās" īpašības izriet, ka pati spekulatīvās definīcija kļūst relatīva: ja mēs uzskatām makroskopisku objektu par parastu, kad mēs apejam pavedienu pa kreisi, tad tas izrādās spoguļattēls, ja pavediens iet apkārt. labajā pusē (vai otrādi). Turklāt elektromagnētiskais starojums, ko mēs uztveram kā normālu pa kreisi no Alises pavediena, pa labi no tā tiks atspoguļots. Mūsu parastie elektromagnētiskie uztvērēji to nevarēs reģistrēt.
Bet tas viss ir teorētiski. Vai ir kādas iespējamas Alises pavedienu novērošanas izpausmes? Visas tās īpašības, kas piemīt parastajiem kosmoloģiskajiem pavedieniem, piemīt arī Alises pavedieniem. Bet atšķirībā no pirmā, Alises pavedieniem evolūcijas gaitā ir jāmaina daļiņu un gaismas staru relatīvā spožums. Spoguļdaļiņu esamība noved pie tā, ka zvaigznēm un, iespējams, lodveida klasteriem jābūt vienādiem, savukārt galaktikas un lielākas neviendabības (kopas, superkopas) sastāv no vienāda skaita spoguļu un parasto daļiņu. Tajā pašā laikā to vidējie raksturlielumi (spektrs, spilgtums, masas un ātruma sadalījums utt.) ir vienādi. Tāpēc, ja mēs nevaram “izšķirt” galaktiku atsevišķās zvaigznēs, tad mēs pat nevaram pamanīt Alises pavediena pāreju starp tām un galaktiku, jo gan spogulis, gan parastie spoguļi un galaktikas spektri ir pilnīgi simetriski.
Alises kvēldiega (kā arī, starp citu, jebkura rakstura kosmoloģiskā pavediena) izpausmi var mēģināt noteikt pēc gāzes mirdzuma iedarbības tā radītajā triecienviļņā. Pēdējais veidojas, kad vielu traucē vītnes koniskais gravitācijas lauks. Tiesa, gāzes spožumu triecienviļņā aiz kvēldiega ir grūti nodalīt no šādas gāzes vispārējā spilgtuma fona. Tas pats attiecas uz reliktā starojuma temperatūras traucējumiem kvēldiega virzienā. Tāpēc visdaudzsološākie, pēc teorētiķu domām, ir gravitācijas lēcas efekta meklējumi Alises pavediena dēļ.
VAI PASTĀVĪGS IR PASTĀVĪGS?
Šī ir Ņūtona gravitācijas konstante G. Ir daudzas teorijas, kas paredz nepieciešamību to mainīt. Taču ne tikai tā, bet arī citas fundamentālās konstantes – dažos superstīgu teorijas modeļos, piemēram, šīm konstantēm jāmainās līdz ar Visuma vecumu (ar Visuma izplešanos G, piemēram, vajadzētu samazināties).
Neviens no līdz šim veiktajiem eksperimentiem nav sniedzis pierādījumus par nepastāvību. G. Ir noteiktas tikai šādu izmaiņu augšējās robežas - aptuveni 10–11 daļas gadā. Nesen amerikāņu zinātnieki apstiprināja šo aplēsi, novērojot dubultu radio pulsāru.
1974. gadā atklātais binārais pulsārs PSR 1913+16 sastāv no neitronu zvaigzne, kas griežas ap citu kompaktu objektu. Gadās, ka tā orbitālā perioda izmaiņu ātrums ir zināms ar pārsteidzoši augstu precizitāti.
Vispārējā relativitāte paredz, ka šāda binārā sistēma izstaros gravitācijas viļņus. Šajā gadījumā mainās binārā pulsāra orbitālais periods. Tās izmaiņu ātrums tiek prognozēts, pieņemot nemainīgumu G, labi sakrīt ar novēroto.
Amerikāņu zinātnieku novērojumi ļauj novērtēt mainīguma robežu G neliela atšķirība starp novērojumiem un prognozēm vispārējā teorija relativitāte. Šī tāme, kā jau minēts, dod vērtību 10–11 daļas gadā. Tātad visticamāk G nekad nemainās.
"GAISMAS ATBALSTS" SUPERNOVA-87
Austrālijas un Amerikas astronomi ir atklājuši diezgan lielu infrasarkanā starojuma pieaugumu no supernovas no LMC. Pats par sevi šāda starojuma fakts nav nekas īpašs. Viņa uzliesmojums ir nesaprotams un negaidīts.
Ir izvirzītas vairākas hipotēzes. Saskaņā ar vienu no tiem pulsārs "spīd" "nogulsnējies" eksplodētas zvaigznes izmestajā gāzē (lai gan pulsāra starojumam vajadzētu būt īsākam viļņa garumam). Saskaņā ar otro hipotēzi sprādziena gāzes kondensējas cietās makrodaļiņās, kuras sildot izstaro infrasarkano starojumu.
Arī trešā hipotēze ir “putekļaina”. Tūkstošiem un tūkstošiem gadu pirms sprādziena sākotnējā zvaigzne zaudēja gāzi, kas bija sakrājusies ap to. Putekļu apvalks izstiepās ap supernovu gandrīz gaismas gadu — tik ilgi, cik ilgi sprāgstošās zvaigznes gaisma sasniedza putekļu mākoni. Sakarušie putekļi atkārtoti izstaro infrasarkano staru, un ir vajadzīgs vēl gads, lai starojums sasniegtu sauszemes novērotājus. Tas izskaidro laiku, kas pagājis no supernovas sprādziena reģistrēšanas līdz infrasarkanā uzliesmojuma noteikšanai.
TRŪKUMS MASAS
Ja mūsdienu teorija Zvaigžņu evolūcija ir patiesa (un šķiet, ka nav iemesla par to šaubīties), tad mazmasas zvaigznēm (kuru masa ir mazāka par Saules masu) nav "savaldības" beigt savu dzīvi formā. planetārais miglājs - gaismas gāzes mākonis, kura centrā atrodas sākotnējās zvaigznes paliekas.
Tomēr diezgan ilgu laiku šis aizliegums tika mistiski pārkāpts - daudzos gadījumos planētas miglāja masa izrādījās mazāka par Saules masu. Angļu un holandiešu astronomi pētīja trīs spožus planētu miglājus (pareizāk sakot, to vāji mirdzošos apvalkus). Ar to iegūto spektru palīdzību tika aprēķināta gan čaulas, gan paša miglāja masa. Masas deficīta problēma ir kļuvusi skaidra – čaulā ir daudz vairāk matērijas nekā pašā miglājā. Sākotnēji zvaigznēm - planētu miglāju "organizatorēm" - vajadzētu būt smagākām. Trūkstošā masa atrodas čaulā.
Bet tad radās jauns noslēpums. Gāzu temperatūras, kas aprēķinātas miglājam un apvalkam, atšķiras - apvalks izrādījās 2 reizes karstāks nekā miglājs. Šķiet, ka vajadzētu būt otrādi, jo centrālajai zvaigznei ir pienākums sildīt apvalka gāzi. Viens no pieņēmumiem, kas izskaidro šo paradoksu, ir tāds, ka enerģiju apvalka sildīšanai piegādā ātrs "vējš", kas pūš no centrālās zvaigznes.
BRĪDINĀJUMS — MIROŠANĀS
Amerikāņu satelīts SMM, kas paredzēts Saules pētīšanai, paredzēja tās priekšlaicīgu "nāvi" - deorbītu. Dati no šī satelīta liecina, ka saskaņā ar Nacionālās okeānu un atmosfēras administrācijas datiem nākamos četrus gadus mēs pavadīsim paaugstinātas vides apstākļos. saules aktivitāte. Ar visām no tā izrietošajām sekām - magnētiskās vētras, kas apgrūtina radiosakarus un navigāciju, traucē radaru darbību, rada ļoti noteiktas briesmas: kosmosa kuģu komandām, bojā pavadoņu smalkās elektroniskās daļas u.c.
Saules uzliesmojumi izstaro skarbu ultravioleto starojumu, kas silda augšējos atmosfēras slāņus. Tā rezultātā palielinās tās augšējās (nosacījuma) robežas augstums. Īsāk sakot, atmosfēra ir "traucēta", kas galvenokārt atspoguļojas satelītos, kas atrodas zemās orbītās. Viņu mūžs saīsinās. Savulaik tas notika ar Amerikas Skylab staciju, kas deorbitēja pirms grafika. Tāds pats liktenis, kā jau minēts, sagaida SMM satelītu.
Saules aktivitātes cikli ir zināmi jau ilgu laiku, taču to procesu būtība, kas izraisa šīs parādības, joprojām nav pilnībā izprotama.
JAUNIE TELESKOPI
Mauna Kea kalns (4170 m, Havaju salas, ASV) drīz kļūs par astronomisku Meku. Papildus teleskopiem, kas jau pastāv observatorijā, kas atrodas šajā kalnā, tiek projektēti (un jau tiek būvēti) jauni, jaudīgāki optiskie teleskopi.
Kalifornijas Universitāte būvē 10 metru teleskopu, kas jāpabeidz un jāuzstāda 1992. gadā. Tas sastāvēs no 36 sešstūra konjugētiem spoguļiem, kas sakārtoti trīs koncentriskos gredzenos. Elektroniskie sensori, kas uzstādīti visos segmenta spoguļu galos, pārraidīs datus par to pašreizējo stāvokli un orientāciju vienam pret otru uz datoru, kas izdos komandas aktīvajiem spoguļu diskdziņiem. Rezultātā tiek nodrošināta kompozītmateriāla virsmas un tās formas nepārtrauktība mehānisko nobīdi un vēja slodžu ietekmē.
Uz tās pašas Mauna Kea 1995. gadā paredzēts uzstādīt japāņu zinātnieku izstrādātu 7,5 metru teleskopu. Tas atradīsies vairāk nekā simts metrus no Amerikas. Šis "sparģelis" būs jaudīgākā optiski interferometriskā sistēma, kas ļaus ielūkoties lielos attālumos, pētīt kvazārus, atklāt jaunas zvaigznes un galaktikas.
Paredzēts, ka Dienvidu observatorijā (Čīlē) 8 Rietumeiropas valstis - šīs observatorijas līdzīpašnieces - uzbūvēs četrus atsevišķus teleskopus (katrs 8 m diametrā), kurus optiskās šķiedras savienos vienā fokusa plaknē. Pirmā spoguļa (t.i., pirmā teleskopa) būvniecību paredzēts pabeigt līdz 1994. gadam, bet pārējos trīs – līdz 2000. gadam.
KAS NĀK NO KURIENES
Kā zināms, Marsa atmosfērā ir diezgan augsta oglekļa dioksīda koncentrācija. Šī gāze izplūst kosmosā, tāpēc tās nemainīgā koncentrācija ir jāuztur kādam avotam.
Speciālisti uzskata, ka šāds avots ir uz Zemes reti sastopamais minerāls skapolīts (uz mūsu planētas tas ir pusdārgakmens, kas bez oglekļa satur silīciju, skābekli arī nātriju, kalciju, hloru, sēru, ūdeņradi), kas spēj uzglabāt liels daudzums oglekļa dioksīda kā daļa no tā kristāla struktūras (karbonāts). Uz Marsa ir daudz skapolītu.
Tātad ekosistēmā mēs redzam dzīvības kopienas, kas sastāv no daudziem organismiem, mijiedarbību ar raksturīgiem vides faktoriem, kas iedarbojas uz šo kopienu. Ekosistēmas parasti klasificē pēc svarīgākajiem vides faktoriem. Tātad viņi runā par jūras, sauszemes vai sauszemes, piekrastes vai piekrastes, ezeru vai limniskajām ekosistēmām utt. Kā tiek veidota ekosistēma?
Tas parasti sastāv no četriem galvenajiem elementiem:
1. Nedzīva (abiotiska) vide. Tie ir ūdens, minerāli, gāzes, kā arī nedzīvi organisko vielu un humusu.
2. Ražotāji (ražotāji). Tie ietver dzīvās būtnes, kas spēj veidot organiskas vielas no neorganiskiem vides materiāliem. Šo darbu veic galvenokārt zaļie augi, kas ar saules enerģijas palīdzību no oglekļa dioksīda, ūdens un minerāliem ražo organiskos savienojumus. Šo procesu sauc par fotosintēzi. Ar to izdalās skābeklis (O 2). Augu ražotās organiskās vielas pārtikā izmanto dzīvnieki un cilvēki, skābekli izmanto elpošanai.
3. Patērētāji (patērētāji). Viņi izmanto augu izcelsmes produktus. Organismus, kas barojas tikai ar augiem, sauc par pirmās kārtas patērētājiem. Dzīvniekus, kas ēd tikai (vai galvenokārt) gaļu, sauc par otrās kārtas patērētājiem.
4. Reducētāji (destruktori, sadalītāji). Šī organismu grupa sadala mirušo radījumu atliekas, piemēram, augu atliekas vai dzīvnieku līķus, pārvēršot tās atpakaļ par izejvielām - ūdeni, minerālvielām, CO 2, kas ir piemērots ražotājiem, pārvēršot to komponentos atkal organiskās vielās.
Sadalītāji ir daudzi tārpi, kukaiņu kāpuri un citi nelieli augsnes organismi. Baktērijas, sēnītes un citus mikroorganismus, kas dzīvo vielu pārvērš minerālvielās, sauc par mineralizatoriem.
Ekosistēma var būt arī mākslīga. Mākslīgās ekosistēmas piemērs, kas ir ārkārtīgi vienkāršots un nepilnīgs salīdzinājumā ar dabiskajām, ir kosmosa kuģis. Tā pilotam ilgstoši jādzīvo slēgtā kuģa telpā, iztiekot ar ierobežotām pārtikas, skābekļa un enerģijas piegādēm. Vienlaikus ir vēlams, ja iespējams, atjaunot un atkārtoti izmantot izlietotās vielas un atkritumu rezerves. Šim nolūkam kosmosa kuģī ir paredzētas speciālas reģenerācijas vienības, kā arī pēdējā laikā veikti eksperimenti ar dzīviem organismiem (augiem un dzīvniekiem), kuriem būtu jāpiedalās astronauta atkritumproduktu apstrādē, izmantojot saules gaismas enerģiju.
Salīdzināsim kosmosa kuģa mākslīgo ekosistēmu ar jebkuru dabisko, piemēram, dīķa ekosistēmu. Novērojumi liecina, ka organismu skaits šajā biotopā saglabājas - ar dažām sezonālām svārstībām - būtībā nemainīgs. Šādu ekosistēmu sauc par stabilu. Līdzsvars tiek saglabāts līdz ārējo faktoru maiņai. Galvenās ir ūdens pieplūde un aizplūšana, dažādu barības vielu piegāde, saules starojums.
Dīķa ekosistēmā dzīvo dažādi organismi. Tātad pēc mākslīgā rezervuāra izveides to pamazām apdzīvo baktērijas, planktons, tad zivis, augstākie augi. Kad attīstība ir sasniegusi noteiktu maksimumu un ārējā ietekme ilgstoši paliek nemainīga (ūdens, vielu, starojuma pieplūde, no vienas puses, un aizplūšana vai iztvaikošana, vielu izvadīšana un enerģijas aizplūšana, no otras puses ), dīķa ekosistēma stabilizējas. Tiek izveidots līdzsvars starp dzīvajām būtnēm.
Tāpat kā vienkāršotā kosmosa kuģa mākslīgā ekosistēma, arī dīķu ekosistēma spēj sevi uzturēt. Neierobežotu izaugsmi kavē mijiedarbība starp ražojošajiem augiem, no vienas puses, un patērētājiem un sadalītājiem dzīvniekiem un augiem, no otras puses.
Patērētāji var vairoties tikai tik ilgi, kamēr viņi neizmanto pieejamo uzturvielu daudzumu. Ja tie pārmērīgi vairojas, to skaita pieaugums apstāsies pats par sevi, jo viņiem nebūs pietiekami daudz pārtikas. Savukārt ražotājiem ir nepieciešama pastāvīga minerālvielu piegāde. Reducētāji jeb destruktori sadala organiskās vielas un tādējādi palielina minerālvielu piegādi. Viņi atkal pārstrādā atkritumus. Un cikls sākas no jauna: augi (ražotāji) uzņem šīs minerālvielas un ar saules enerģijas palīdzību atkal ražo no tiem enerģētiski bagātas barības vielas.
Daba darbojas iekšā augstākā pakāpe ekonomiski. Organismu radītā biomasa (to ķermeņu viela) un tajā esošā enerģija tiek pārnesta uz pārējo ekosistēmu: dzīvnieki ēd augus, citi dzīvnieki ēd pirmos, cilvēks ēd gan augus, gan dzīvniekus. Šo procesu sauc par barības ķēdi. Barības ķēžu piemēri: augi – zālēdājs – plēsējs; labība - lauka pele - lapsa; lopbarības augi - govs - cilvēks. Parasti katra suga barojas ar vairāk nekā vienu sugu. Tāpēc barības ķēdes savijas, veidojot barības tīklu. Jo ciešāk organismi ir saistīti ar pārtikas tīkliem un citām mijiedarbībām, jo sabiedrība ir izturīgāka pret iespējamiem traucējumiem. Dabiskas, neskartas ekosistēmas cenšas panākt līdzsvaru. Līdzsvara stāvoklis ir balstīts uz biotisko un abiotisko vides faktoru mijiedarbību.
Slēgtu ciklu saglabāšana dabiskajās ekosistēmās ir iespējama, pateicoties diviem faktoriem: sadalītāju (sadalītāju) klātbūtnei, kas izmanto visus atkritumus un atliekas, un pastāvīgu saules enerģijas piegādi. Pilsētu un mākslīgajās ekosistēmās ir maz vai nav nemaz, un atkritumi – šķidri, cieti un gāzveida – uzkrājas, piesārņojot vidi. Šādu atkritumu ātrāko sadalīšanos un pārstrādi iespējams veicināt, veicinot sadalītāju attīstību, piemēram, kompostējot. Tātad cilvēks mācās no dabas.
Enerģijas ievades ziņā dabiskās un antropogēnās (cilvēku radītās) ekosistēmas ir līdzīgas. Gan dabiskajām, gan mākslīgajām ekosistēmām – mājām, pilsētām, transporta sistēmām – ir nepieciešama enerģija no ārpuses. Bet dabiskās ekosistēmas saņem enerģiju no gandrīz mūžīga avota - Saules, kas turklāt "ražojot" enerģiju, nepiesārņo vidi. Cilvēks, gluži pretēji, baro ražošanas un patēriņa procesus galvenokārt uz gala enerģijas avotu - ogļu un naftas - rēķina, kas kopā ar enerģiju nodrošina putekļus, gāzes, siltumu un citus atkritumus, kas kaitē videi un nav pārstrādājami. pati mākslīgā ekosistēma. Neaizmirsīsim, ka, patērējot tādu "tīru" enerģiju kā elektroenerģiju (ja to ražo termoelektrostacijā), rodas gaisa piesārņojums un vides termiskais piesārņojums.
