Was erhalten Ökosysteme aus dem Weltraum und woher kommen sie? Ökosystem – elementare Einheit der Biosphäre

1935 A. Tansley führte das Konzept des „Ökosystems“ ein. 1940 V.N. Suchachow – „Biozönose“

Mischwald-Ökosystem

1 – Vegetation 2 – Tiere 3 – Bodenbewohner 4 – Luft 5 – Boden selbst

Ökosystem– historisch in einem bestimmten Territorium oder Wassergebiet entstanden, ein offenes, aber integrales stabiles System lebender und nicht lebender Komponenten.

Klassifizierung von Ökosystemen nach Größe Alle Ökosysteme sind in 4 Kategorien unterteilt

Mikroökosysteme

Mesoökosysteme

Makroökosysteme (riesige homogene Räume, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken (Tropenwälder, Ozean))

Globales Ökosystem (Biosphäre)

Klassifizierung nach Offenheitsgrad Offen bezeichnet die Fähigkeit, Energie und Informationen mit der Umwelt auszutauschen.

Isoliert

Geschlossen

Öffnen Sie ∞

Die Klassifizierung basiert auf einer Komponente wie der Vegetation. Es zeichnet sich durch Statik und Physiologie aus.

Klassifizierungen nach Lebensform

Woody = Wald

Krautig = Wiese und Steppe

Halbsträucher = Tundra und Wüste

Klassifizierung nach Ökosystemproduktivität

Wüstenwald

Ökosystemstruktur

Arten von Verbindungen in einem Ökosystem

Trophisch (Nahrung)

Tropisch (Energie)

Teleologisch (informativ)

Nahrungskette ist eine Folge von Nahrungseinheiten, von denen jede ein lebender Organismus ist.

Grashase Wolf

Trophäenniveau – eine Gruppe von Organismen, die einer beliebigen Ebene der Ernährungspyramide zugeordnet sind.

Elchfalke

Grashase Wolf

Fuchsmann

trophische Verbindungen werden von 3 funktionellen Organismengruppen ausgeführt:

Autotrophe(Pflanzen sind Organismen, die organische Substanzen aus anorganischen synthetisieren)

Heterotrophe(Organismen, die nicht in der Lage sind, durch Photosynthese oder Chemosynthese organische Substanzen aus anorganischen zu synthetisieren. Sie fressen fertige Substanzen)

Zersetzer(Zerstörer) (Organismen (Bakterien und Pilze), die tote Überreste von Lebewesen zerstören und sie in anorganische und einfache organische Verbindungen umwandeln.)

Kleiner (biologischer) Stoffkreislauf in der Natur

Energieverbindungen (tropisch)

Einreichen zwei Gesetze der Ökologie

Das Gesetz der ökologischen Akkumulationsenergie Dies ist die inhärente Fähigkeit vieler Ökosysteme, die vom Körper aufgenommene Energie in komplexe organische Substanzen zu konzentrieren und Energie in großen Mengen anzusammeln.

Gesetz des Nährstoffflusses

Effizienz (Mensch) = 50 % Effizienz (Natur) = 10 %

Informationskommunikation

In Ökosystemen können Informationen auf unterschiedliche Weise übermittelt werden:

Verhalten

(in Pflanzen noch nicht bekannt)

Ökosystemeigenschaften

Integrität ist die Eigenschaft eines Ökosystems, als einzelner Organismus zu funktionieren.

Resilienz ist die Fähigkeit eines Ökosystems, einem externen System standzuhalten

Unter Zusammensetzungskonstanz versteht man die Fähigkeit eines Ökosystems, die Zusammensetzung der Arten in einem relativ unveränderten Zustand zu halten.

Unter Selbstregulierung versteht man die Fähigkeit eines Ökosystems, die Artenzahl durch biologische Organe automatisch zu regulieren.

Biosphäre. Struktur und Funktionen

Biosphäre- 1875 der österreichische Biologe Suess.

Dies ist der untere Teil der Atmosphäre, die gesamte Hydrosphäre, ihr oberer Teil die Lithosphäre der Erde, in der lebende Organismen leben.

Theorie vom Ursprung des Lebens

Kosmologisch Diese Hypothese basiert auf der Idee, dass das Leben aus dem Weltraum gebracht wurde

Theologisch

KI-Theorie Oparina

Für sein Experiment nahm Oparin eine Flasche mit einer Zuckerlösung

Die Koazervate des Tropfens absorbierten den Zucker. Es entstand der Anschein einer Zellmembran.

Im Jahr 1924 veröffentlichte Oparin die Monographie „Der Ursprung des Lebens“. Im Jahr 1926 erschien „Biosphere“ von V.I. Wernadski. In Wernadskijs Monographie stechen zwei Postulate hervor:

Die biochemische Rolle des Planeten in der Natur kommt lebenden Organismen zu.

Die Biosphäre hat eine komplexe Organisation.

Zusammensetzung der Biosphäre

Wernadskij identifiziert die Zusammensetzung der Biosphäre 7 Arten von Substanzen:

Untätig– eine Substanz, die in der Natur vor dem Erscheinen der ersten lebenden Organismen existierte (Wasser, Gesteine, vulkanische Lava)

Biokosnoe- eine Substanz organischen Ursprungs, die die Eigenschaften hat, nicht zu leben. Das Ergebnis der gemeinsamen Aktivität lebender Organismen (Wasser, Boden, Verwitterungskruste, Sedimentgesteine, Tonmaterialien) und inerter (abiogener) Prozesse.

Biogen– eine Substanz organischen Ursprungs, die während ihrer Lebensprozesse in die Umwelt freigesetzt wird. (Luftgase, Kohle, Öl, Torf, Kalkstein, Kreide, Waldstreu, Bodenhumus usw.)

Radioaktiv

Verstreute Atome – 50 km

Substanz kosmischen Ursprungs

Lebende Materie- alle in der Natur lebenden Organismen

Eigenschaften von Organismen

Ubiquität des Lebens – die Fähigkeit lebender Organismen, überall zu leben

Durchführung von Redoxreaktionen

Fähigkeit zur Migration chemischer Elemente

Fähigkeit zur Gasmigration

Die Fähigkeit, einen kleinen Stoffkreislauf in der Natur durchzuführen

Die Fähigkeit, chemische Elemente im Gewebe anzusammeln und zu konzentrieren

Die Menschheit brauchte das gesamte Wissen, das Wissenschaftler über Hunderte von Jahren gesammelt hatten, um mit Raumflügen beginnen zu können. Und dann stand der Mensch vor einem neuen Problem: Für die Besiedlung anderer Planeten und Langstreckenflüge ist es notwendig, ein geschlossenes Ökosystem aufzubauen, einschließlich der Versorgung der Astronauten mit Nahrung, Wasser und Sauerstoff. Die Lieferung von Nahrungsmitteln zum Mars, der 200 Millionen Kilometer von der Erde entfernt liegt, ist teuer und schwierig; es wäre logischer, Wege zu finden, Produkte herzustellen, die im Flug und auf dem Roten Planeten einfach umzusetzen sind.

Wie wirkt sich die Schwerelosigkeit auf Samen aus? Welches Gemüse wäre harmlos, wenn es auf schwermetallreichen Böden auf dem Mars angebaut würde? Wie baut man an Bord eines Raumschiffs eine Plantage auf? Wissenschaftler und Astronauten suchen seit mehr als fünfzig Jahren nach Antworten auf diese Fragen.

Die Abbildung zeigt den russischen Kosmonauten Maxim Suraev, der Pflanzen in der Lada-Installation an Bord der Internationalen Raumstation umarmt, 2014.

Konstantin Ziolkowski schrieb in „Die Ziele der Astronomie“: „Stellen wir uns eine lange konische Oberfläche oder einen Trichter vor, dessen Basis oder weite Öffnung mit einer transparenten Kugeloberfläche bedeckt ist.“ Er ist direkt der Sonne zugewandt und der Trichter dreht sich um seine Längsachse (Höhe). Auf den undurchsichtigen Innenwänden des Kegels befindet sich eine Schicht feuchter Erde, in der Pflanzen gepflanzt sind.“ Deshalb schlug er vor, die Schwerkraft für Pflanzen künstlich zu erzeugen. Es sollten fruchtbare, kleine Pflanzen ohne dicke Stämme und Teile ausgewählt werden, die nicht der Sonne ausgesetzt sind. Auf diese Weise können Besiedler teilweise mit biologisch aktiven Substanzen und Mikroelementen versorgt sowie Sauerstoff und Wasser regeneriert werden.

Im Jahr 1962 stellte der Chefdesigner von OKB-1, Sergei Korolev, die Aufgabe: „Wir müssen mit der Entwicklung des „Gewächshauses (OR) nach Tsiolkovsky“ beginnen, mit schrittweise zunehmenden Verbindungen oder Blöcken, und wir müssen mit der Arbeit beginnen.“ kosmische Ernten.“

Manuskript von K.E. Tsiolkovsky „Album der Raumfahrt“, 1933.

Am 4. Oktober 1957, 22 Jahre nach Tsiolkovskys Tod, brachte die UdSSR den ersten künstlichen Erdsatelliten in die Umlaufbahn. Bereits im November desselben Jahres wurde der Mischling Laika ins All geschickt, der erste der Hunde, die den Menschen den Weg ins All ebnen sollten. Laika starb innerhalb von nur fünf Stunden an Überhitzung, obwohl der Flug für eine Woche geplant war – für diese Zeit hätte es genug Sauerstoff und Nahrung gegeben.

Wissenschaftler vermuten, dass das Problem auf eine genetisch bedingte Ausrichtung zurückzuführen ist – der Sämling sollte sich zum Licht hin ausdehnen und die Wurzel – in die entgegengesetzte Richtung. Sie verbesserten die Oase und die nächste Expedition brachte neue Samen in die Umlaufbahn.

Die Zwiebel ist gewachsen. Vitaly Sevastyanov berichtete der Erde, dass die Pfeile zehn bis fünfzehn Zentimeter erreicht hätten. „Welche Pfeile, welcher Bogen? Wir verstehen, das ist ein Witz, wir haben euch Erbsen gegeben, keine Zwiebeln“, sagten sie von der Erde. Der Flugingenieur antwortete, dass die Astronauten zwei Blumenzwiebeln von zu Hause mitgenommen hätten, um sie über den Plan hinaus zu pflanzen, und beruhigte die Wissenschaftler – fast alle Erbsen seien gekeimt.

Doch die Pflanzen weigerten sich zu blühen. In diesem Stadium starben sie. Das gleiche Schicksal erwartete die Tulpen, die in der Buttercup-Installation am Nordpol blühten, jedoch nicht im Weltraum.

Aber man konnte Zwiebeln essen, was den Kosmonauten V. Kovalenok und A. Ivanchenkov 1978 erfolgreich gelang: „Sie haben gute Arbeit geleistet. Vielleicht dürfen wir jetzt als Belohnung eine Zwiebel essen.“

Technik – Jugend, 1983-04, Seite 6. Erbsen in der Oasis-Installation

Im April 1980 erhielten die Kosmonauten V. Ryumin und L. Popov die Installation „Malachit“ mit blühenden Orchideen. Orchideen haften an der Rinde von Bäumen und in Höhlen, und Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie möglicherweise weniger anfällig für Geotropismus sind – die Fähigkeit von Pflanzenorganen, sich relativ zum Mittelpunkt der Erde in einer bestimmten Richtung anzuordnen und in diese zu wachsen. Die Blüten fielen nach einigen Tagen ab, die Orchideen bildeten jedoch neue Blätter und Luftwurzeln. Wenig später brachte die sowjetisch-vietnamesische Besatzung von V. Gorbatko und Pham Tuay eine ausgewachsene Arabidopsis mit.

Die Pflanzen wollten nicht blühen. Die Samen keimten, aber zum Beispiel blühte die Orchidee nicht im Weltraum. Wissenschaftler mussten Pflanzen helfen, mit der Schwerelosigkeit zurechtzukommen. Dies geschah unter anderem durch elektrische Stimulation der Wurzelzone: Wissenschaftler gingen davon aus, dass das elektromagnetische Feld der Erde das Wachstum beeinflussen könnte. Eine andere Methode beinhaltete den von Tsiolkovsky beschriebenen Plan, künstliche Schwerkraft zu erzeugen – Pflanzen wurden in einer Zentrifuge gezüchtet. Die Zentrifuge half – die Sprossen wurden entlang des Vektors der Zentrifugalkraft ausgerichtet. Endlich erreichten die Astronauten ihr Ziel. Arabidopsis blühte im Light Block.

Links im Bild unten ist das Fiton-Gewächshaus an Bord von Saljut 7 zu sehen. Zum ersten Mal in diesem Orbitalgewächshaus durchlief das Thals Rhizoid (Arabidopsis) einen vollständigen Entwicklungszyklus und produzierte Samen. In der Mitte befindet sich der „Svetoblok“, in dem an Bord von Saljut-6 zum ersten Mal Arabidopsis blühte. Auf der rechten Seite befindet sich das Bordgewächshaus „Oasis-1A“ an der Station Saljut-7: Es war mit einem System zur dosierten halbautomatischen Bewässerung, Belüftung und elektrischen Stimulation der Wurzeln ausgestattet und konnte Vegetationsgefäße mit Pflanzen relativ dazu bewegen Lichtquelle.

„Fiton“, „Svetoblok“ und „Oasis-1A“

Installation „Trapezium“ zur Untersuchung des Wachstums und der Entwicklung von Pflanzen.

Sets mit Samen

Flugbuch der Station Saljut-7, Skizzen von Svetlana Savitskaya

Das weltweit erste automatische Gewächshaus, Svet, wurde an der Mir-Station installiert. In diesem Gewächshaus führten russische Kosmonauten in den 1990er- und 2000er-Jahren sechs Experimente durch. Sie bauten Salat, Radieschen und Weizen an. In den Jahren 1996-1997 plante das Institut für medizinische und biologische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften, im Weltraum gewonnene Pflanzensamen zu züchten – also mit zwei Pflanzengenerationen zu arbeiten. Für das Experiment wählten wir eine etwa zwanzig Zentimeter hohe Wildkohlhybride. Die Pflanze hatte einen Nachteil: Die Astronauten mussten bestäuben.

Das Ergebnis war interessant: Die Samen der zweiten Generation wurden im Weltraum empfangen und keimten sogar. Aber die Pflanzen wuchsen auf sechs statt auf fünfundzwanzig. Margarita Levinskikh, Forscherin am Institut für medizinische und biologische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften, erzählt dass die großartige Arbeit der Pflanzenbestäubung vom amerikanischen Astronauten Michael Fossum geleistet wurde.

Roscosmos-Video über den Pflanzenanbau im Weltraum. Um 4:38 Uhr - Pflanzen am Bahnhof Mir

Im April 2014 lieferte das Frachtschiff Dragon von SpaceX die Gemüseanbauanlage zur Internationalen Raumstation, und im März begannen Astronauten mit dem Testen des Orbitalpflanzers. Die Installation steuert die Licht- und Nährstoffversorgung. Im August 2015 auf dem Speiseplan von Astronauten, gezüchtet unter Schwerelosigkeitsbedingungen.

Auf der Internationalen Raumstation angebauter Salat

So könnte eine Plantage auf einer Raumstation in Zukunft aussehen.

Im russischen Segment der Internationalen Raumstation befindet sich ein Lada-Gewächshaus für das Plants-2-Experiment. Ende 2016 oder Anfang 2017 wird die Lada-2-Version an Bord erscheinen. An diesen Projekten arbeitet das Institut für medizinische und biologische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften.

Der Weltraumgartenbau beschränkt sich nicht auf Experimente in der Schwerelosigkeit. Um andere Planeten zu besiedeln, müssen die Menschen Landwirtschaft auf einem anderen Boden als auf der Erde und in einer Atmosphäre mit einer anderen Zusammensetzung entwickeln. Im Jahr 2014 kochte der Biologe Michael Mautner Spargel und Kartoffeln auf Meteoritenboden. Um einen für den Anbau geeigneten Boden zu erhalten, wurde der Meteorit zu Pulver gemahlen. Experimentell konnte er nachweisen, dass Bakterien, mikroskopisch kleine Pilze und Pflanzen auf Böden außerirdischen Ursprungs wachsen können. Das Material der meisten Asteroiden enthält Phosphate, Nitrate und manchmal Wasser.

Auf Meteoritenboden angebauter Spargel

Im Fall des Mars, wo es viel Sand und Staub gibt, ist das Schleifen des Gesteins nicht notwendig. Es wird jedoch ein weiteres Problem auftreten – die Zusammensetzung des Bodens. Der Boden des Mars enthält Schwermetalle, deren erhöhte Menge in Pflanzen für den Menschen gefährlich ist. Wissenschaftler aus Holland haben Marsboden nachgeahmt und darauf seit 2013 zehn Kulturen verschiedener Pflanzenarten angebaut.

Als Ergebnis des Experiments stellten Wissenschaftler fest, dass der Schwermetallgehalt in Erbsen, Radieschen, Roggen und Tomaten, die auf simuliertem Marsboden angebaut wurden, für den Menschen ungefährlich ist. Wissenschaftler untersuchen weiterhin Kartoffeln und andere Nutzpflanzen.

Der Forscher Wager Wamelink untersucht Pflanzen, die auf simuliertem Marsboden wachsen. Foto: Joep Frissel/AFP/Getty Images

Metallgehalt von auf der Erde und in simulierten Mond- und Marsböden geernteten Pflanzen

Eine der wichtigen Aufgaben besteht darin, einen geschlossenen Lebenserhaltungskreislauf zu schaffen. Pflanzen nehmen Kohlendioxid und Abfallprodukte auf, geben im Gegenzug Sauerstoff ab und produzieren Nahrung. Wissenschaftler haben die Möglichkeit, einzellige Chlorella-Algen als Nahrung zu verwenden, die 45 % Protein und 20 % Fett und Kohlenhydrate enthalten. Doch aufgrund der dichten Zellwand wird dieses theoretisch nährstoffreiche Nahrungsmittel vom Menschen nicht verdaut. Es gibt Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Zellwände können technologisch durch Wärmebehandlung, Feinmahlung oder andere Verfahren aufgebrochen werden. Sie können speziell für Chlorella entwickelte Enzyme mitnehmen, die Astronauten mit der Nahrung zu sich nehmen. Wissenschaftler können auch GVO-Chlorella entwickeln, deren Wand durch menschliche Enzyme abgebaut werden kann. Chlorella wird derzeit nicht zur Ernährung im Weltraum verwendet, sondern in geschlossenen Ökosystemen zur Sauerstoffproduktion.

Das Experiment mit Chlorella wurde an Bord der Orbitalstation Saljut-6 durchgeführt. In den 1970er Jahren glaubte man noch, dass der Aufenthalt in der Schwerelosigkeit keine negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper habe – dazu gab es zu wenige Informationen. Sie versuchten auch, die Wirkung von Chlorella auf lebende Organismen zu untersuchen, deren Lebenszyklus nur vier Stunden dauert. Es war praktisch, es mit auf der Erde angebautem Chlorella zu vergleichen.

Das IFS-2-Gerät war für die Züchtung von Pilzen, Gewebekulturen und Mikroorganismen sowie Wassertieren vorgesehen.

Seit den 70er Jahren werden in der UdSSR Experimente an geschlossenen Systemen durchgeführt. 1972 begann die Arbeit an „BIOS-3“ – dieses System ist noch immer in Kraft. Der Komplex ist mit Kammern für den Pflanzenanbau unter kontrollierten künstlichen Bedingungen ausgestattet – Phytotrons. Sie bauten Weizen, Sojabohnen, Chufu-Salat, Karotten, Radieschen, Rüben, Kartoffeln, Gurken, Sauerampfer, Kohl, Dill und Zwiebeln an. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, einen nahezu 100 % geschlossenen Kreislauf bei Wasser und Luft und bis zu 50–80 % bei der Ernährung zu erreichen. Die Hauptziele des Internationalen Zentrums für geschlossene ökologische Systeme bestehen darin, die Funktionsprinzipien solcher Systeme unterschiedlicher Komplexität zu untersuchen und die wissenschaftlichen Grundlagen für ihre Entstehung zu entwickeln.

Eines der aufsehenerregendsten Experimente zur Simulation eines Fluges zum Mars und einer Rückkehr zur Erde war. 519 Tage lang wurden sechs Freiwillige in einem geschlossenen Komplex festgehalten. Das Experiment wurde von Rocosmos und der Russischen Akademie der Wissenschaften organisiert, die Europäische Weltraumorganisation wurde Partner. „An Bord des Schiffes“ gab es zwei Gewächshäuser – in einem wuchsen Salat, im anderen Erbsen. In diesem Fall bestand das Ziel nicht darin, Pflanzen unter weltraumnahen Bedingungen anzubauen, sondern herauszufinden, wie wichtig Pflanzen für die Besatzung sind. Daher wurden die Gewächshaustüren mit einer undurchsichtigen Folie versiegelt und ein Sensor installiert, der jede Öffnung registrierte. Auf dem Foto links arbeitet Mars 500-Besatzungsmitglied Marina Tugusheva im Rahmen eines Experiments mit Gewächshäusern.

Ein weiteres Experiment an Bord von „Mars-500“ ist GreenHouse. Im Video unten spricht Expeditionsmitglied Alexey Sitnev über das Experiment und zeigt ein Gewächshaus mit verschiedenen Pflanzen.

Die Person wird viele Chancen haben. Es besteht die Gefahr, dass es bei der Landung abstürzt, an der Oberfläche festfriert oder es einfach nicht schafft. Und natürlich verhungern. Der Pflanzenanbau ist für die Bildung einer Kolonie notwendig, und Wissenschaftler und Astronauten arbeiten in diese Richtung und zeigen erfolgreiche Beispiele für den Anbau einiger Arten nicht nur unter Schwerelosigkeitsbedingungen, sondern auch auf simulierten Böden des Mars und des Mondes. Weltraumkolonisten werden definitiv die Gelegenheit dazu haben.

Gescannt und bearbeitet von Yuri Abolonko (Smolensk)

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Kosmonautik, Astronomie

7/1989

Erscheint seit 1971 monatlich.

Yu. I. Grishin
KÜNSTLICHE RAUMÖKOSYSTEME

Im Anhang dieser Ausgabe:

WELTRAUM TOURISMUS
CHRONIK DER KOSMONAUtik
ASTRONOMIE-NEWS

Verlag „Wissen“ Moskau 1989

BBK 39,67
G 82

Editor I. G. VIRKO

Einführung	3
Der Mensch in einem natürlichen Ökosystem	5
Ein Raumschiff mit Besatzung ist ein künstliches Ökosystem	11
Staffellauf der Stoffe im biologischen Kreislauf	21
Sind Ökosysteme effizient?	26
Künstliche und natürliche Biosphärenökosysteme: Ähnlichkeiten und Unterschiede	32
Über biologische Lebenserhaltungssysteme für Raumfahrtbesatzungen	36
Grüne Pflanzen als Hauptglied in biologischen Lebenserhaltungssystemen	39
Erfolge und Perspektiven	44
Abschluss	53
Literatur	54
ANWENDUNG
Weltraum Tourismus	55
Chronik der Raumfahrt	57
Astronomie-Nachrichten	60

Grishin Yu. I.

G 82

Künstliche Weltraumökosysteme. – M.: Wissen, 1989. – 64 S. – (Neues in Leben, Wissenschaft, Technik. Reihe „Kosmonautik, Astronomie“; Nr. 7).

ISBN 5-07-000519-7

Die Broschüre widmet sich den Problemen der Lebenserhaltung von Raumfahrzeugbesatzungen und zukünftigen langfristigen Weltraumstrukturen. Berücksichtigt werden verschiedene Modelle künstlicher Ökosysteme, einschließlich Menschen und anderer biologischer Verbindungen. Die Broschüre richtet sich an einen breiten Leserkreis.

3500000000BBK 39,67

ISBN 5-07-000519-7© Verlag „Wissen“, 1989

EINFÜHRUNG

Der Beginn des 21. Jahrhunderts könnte als qualitativ neue Etappe in der Erforschung des zirkumsolaren Raums in die Geschichte der Entwicklung der irdischen Zivilisation eingehen: die direkte Besiedlung natürlicher und künstlich geschaffener Weltraumobjekte mit einem langen Aufenthalt von Menschen auf diesen Objekten.

Es scheint, dass erst kürzlich der erste künstliche Erdsatellit in eine erdnahe Weltraumumlaufbahn gebracht wurde (1957), der erste Vorbeiflug und ein Foto der Rückseite des Mondes gemacht wurden (1959), der erste Mensch im Weltraum war (Yu. A . Gagarin, 1961) wurde im Fernsehen ein spannender Film gezeigt, in dem der Moment des bemannten Weltraumspaziergangs gezeigt wurde (A. A. Leonov, 1965) und die ersten Schritte von Astronauten auf der Mondoberfläche demonstriert wurden (N. Armstrong und E. Aldrin, 1969). Aber jedes Jahr gehören diese und viele andere herausragende Ereignisse des Weltraumzeitalters der Vergangenheit an und werden Geschichte. Tatsächlich sind sie nur der Anfang der Verkörperung der Ideen des großen K. E. Tsiolkovsky, der den Weltraum nicht nur als astronomischen Raum, sondern auch als Umgebung für menschliches Wohnen und Leben in der Zukunft betrachtete. Er glaubte, dass „wenn das Leben nicht über das ganze Universum verteilt wäre, wenn es auf einen Planeten beschränkt wäre, dieses Leben oft unvollkommen wäre und einem traurigen Ende ausgesetzt wäre“ (1928).

Bereits heute werden mögliche Optionen für die biologische Evolution des Menschen im Zusammenhang mit der Ansiedlung eines erheblichen Teils der Bevölkerung außerhalb der Erde vorhergesagt, mögliche Modelle der Weltraumforschung entwickelt und die transformativen Auswirkungen von Weltraumprogrammen auf Natur, Wirtschaft und soziale Beziehungen werden beurteilt. Berücksichtigt und gelöst werden auch die Probleme der teilweisen oder vollständigen Selbstversorgung von Siedlungen im Weltraum durch geschlossene biotechnische Lebenserhaltungssysteme, Fragen der Schaffung von Mond- und Planetenbasen, Raumfahrtindustrie und -bau sowie die Nutzung außerirdischer Energiequellen und Materialien.

Die Worte von K. E. Tsiolkovsky beginnen sich zu bewahrheiten, dass „die Menschheit nicht für immer auf der Erde bleiben wird, sondern auf der Suche nach Licht und Raum zunächst schüchtern über die Atmosphäre hinaus vordringen und dann den gesamten zirkumsolaren Raum erobern wird“ (1911).

Bei den jüngsten internationalen Treffen und Foren zur Zusammenarbeit im Weltraum im Interesse des weiteren Ausbaus der wissenschaftlichen Forschung im erdnahen und sonnennahen Raum, der Erforschung des Mars, des Mondes und anderer Planeten des Sonnensystems wurde die Hoffnung auf eine Umsetzung geäußert großer Raumfahrtprogramme, die enorme materielle und technische Ressourcen sowie finanzielle Kosten erfordern, werden durch gemeinsame Anstrengungen vieler Länder im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit durchgeführt. „Nur der kollektive Geist der Menschheit ist in der Lage, in die Höhen des erdnahen Raums und weiter in den sonnennahen und stellaren Raum vorzudringen“, sagte M. S. Gorbatschow in seiner Ansprache an ausländische Vertreter der kommunistischen Bewegung – Teilnehmer der Feierlichkeiten 70. Jahrestag der Großen Oktoberrevolution.

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die weitere Erforschung des Weltraums durch den Menschen besteht darin, das Leben und die sicheren Aktivitäten der Menschen während ihres längeren Aufenthalts und ihrer Arbeit auf von der Erde entfernten Raumstationen, Raumfahrzeugen, Planeten- und Mondbasen zu gewährleisten.

Der zweckmäßigste Weg, dieses wichtigste Problem zu lösen, ist nach Ansicht vieler in- und ausländischer Forscher heute die Schaffung geschlossener biotechnischer Lebenserhaltungssysteme in langfristig bewohnten Weltraumstrukturen, also künstlichen Weltraumökosystemen, die Menschen und andere biologische Verbindungen einbeziehen .

In dieser Broschüre werden wir versuchen, die Grundprinzipien des Aufbaus solcher Systeme zu skizzieren, Informationen über die Ergebnisse großer bodengestützter Experimente bereitzustellen, die zur Vorbereitung der Schaffung biotechnischer Lebenserhaltungssysteme im Weltraum durchgeführt wurden, und die Probleme aufzuzeigen, die noch gelöst werden müssen auf der Erde und im Weltraum gelöst werden, um die erforderliche Zuverlässigkeit der Funktion dieser Systeme unter Weltraumbedingungen sicherzustellen.

MENSCH IN EINEM NATÜRLICHEN ÖKOSYSTEM

Bevor wir einen Menschen auf eine lange Weltraumreise schicken, werden wir zunächst versuchen, die Fragen zu beantworten: Was braucht er, um auf der Erde normal zu leben und erfolgreich zu arbeiten, und wie wird das Problem der menschlichen Lebenserhaltung auf unserem Planeten gelöst?

Antworten auf diese Fragen sind erforderlich, um Lebenserhaltungssysteme für Besatzungen bemannter Raumschiffe, Orbitalstationen sowie außerirdischer Strukturen und Stützpunkte zu schaffen. Wir können unsere Erde zu Recht als ein riesiges Raumschiff natürlichen Ursprungs betrachten, das seit 4,6 Milliarden Jahren seinen endlosen Orbitalflug um die Sonne durchführt. Die Besatzung dieses Schiffes besteht heute aus 5 Milliarden Menschen. Die schnell wachsende Bevölkerung der Erde, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts. betrug 1,63 Milliarden Menschen und stand an der Schwelle zum 21. Jahrhundert. sollte bereits 6 Milliarden erreichen, der beste Beweis für das Vorhandensein eines ziemlich wirksamen und zuverlässigen Mechanismus zur menschlichen Lebenserhaltung auf der Erde.

Was braucht ein Mensch auf der Erde also, um sein normales Leben und seine normalen Aktivitäten sicherzustellen? Eine kurze, aber umfassende Antwort lässt sich kaum geben: Zu umfangreich und vielschichtig sind alle Aspekte des menschlichen Lebens, Handelns und Interesses. Stellen Sie mindestens einen Tag Ihres Lebens im Detail wieder her, und Sie werden sehen, dass ein Mensch nicht so wenig braucht.

Die Befriedigung der physiologischen Grundbedürfnisse eines Menschen nach Nahrung, Wasser und Luft ist die Hauptvoraussetzung für sein normales Leben und seine normale Aktivität. Dieser Zustand ist jedoch untrennbar mit einem anderen verbunden: Der menschliche Körper existiert wie jeder andere lebende Organismus dank des Stoffwechsels im Körper und mit der äußeren Umgebung aktiv.

Der menschliche Körper verbraucht Sauerstoff, Wasser, Nährstoffe, Vitamine und Mineralsalze aus der Umwelt und nutzt diese zum Aufbau und zur Erneuerung seiner Organe und Gewebe, während er gleichzeitig die gesamte lebensnotwendige Energie aus Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten in der Nahrung erhält. Abfallprodukte werden vom Körper in die Umwelt ausgeschieden.

Bekanntlich ist die Intensität des Stoffwechsels und der Energie im menschlichen Körper so hoch, dass ein Erwachsener nur wenige Minuten ohne Sauerstoff, etwa 10 Tage ohne Wasser und bis zu 2 Monate ohne Nahrung überleben kann. Der äußere Eindruck, dass der menschliche Körper keine Veränderungen erfährt, ist trügerisch und falsch. Veränderungen im Körper finden kontinuierlich statt. Laut A.P. Myasnikov (1962) werden im Körper eines 70 kg schweren Erwachsenen tagsüber 450 Milliarden Erythrozyten, 22 bis 30 Milliarden Leukozyten, 270 bis 430 Milliarden Blutplättchen ersetzt und sterben ab, etwa 125 g Proteine ​​werden zerstört Daunen, 70 g Fett und 450 g Kohlenhydrate unter Freisetzung von mehr als 3000 kcal Wärme, 50 % der Epithelzellen des Magen-Darm-Trakts, 1/75 der Knochenzellen des Skeletts und 1/20 aller Hautzellen des Körpers werden wiederhergestellt und sterben ab (d. h. alle 20 Tage verändert ein Mensch seine Haut vollständig), etwa 140 Haare auf dem Kopf und 1/150 aller Wimpern fallen aus und werden durch neue ersetzt usw. Im Durchschnitt werden 23.040 Ein- und Ausatmungen durchgeführt, 11.520 Liter Luft gelangen durch die Lunge, 460 Liter Sauerstoff werden aufgenommen, 403 Liter Kohlendioxid und 1,2–1,5 Liter Urin mit bis zu 30 g dichter Substanz werden aus dem Körper ausgeschieden 0,4 Liter werden über die Lunge verdunstet und es entstehen etwa 0,6 Liter Wasser mit 10 g dichter Substanz, 20 g Talg.

Dies ist die Intensität des Stoffwechsels eines Menschen an nur einem Tag!

Somit setzt ein Mensch im Laufe seines Lebens ständig Stoffwechselprodukte und Wärmeenergie frei, die im Körper durch den Abbau und die Oxidation von Nahrungsmitteln, die Freisetzung und Umwandlung der in der Nahrung gespeicherten chemischen Energie entstehen. Die freigesetzten Stoffwechselprodukte und die Wärme müssen dem Körper ständig oder periodisch entzogen werden, um das quantitative Niveau des Stoffwechsels entsprechend dem Grad seiner physiologischen, körperlichen und geistigen Aktivität aufrechtzuerhalten und ein Gleichgewicht im Stoff- und Energieaustausch zwischen dem Körper sicherzustellen und die Umwelt.

Jeder weiß, wie diese physiologischen Grundbedürfnisse eines Menschen im alltäglichen Leben verwirklicht werden: Die fünf Milliarden Besatzungsmitglieder des Raumschiffs „Planet Erde“ erhalten oder produzieren alles, was sie zum Leben brauchen, auf der Grundlage der Reserven und Produkte des Planeten, der sie ernährt , bewässert und kleidet sie, hilft, ihre Zahl zu erhöhen, schützt mit seiner Atmosphäre alle Lebewesen vor den schädlichen Auswirkungen der kosmischen Strahlung. Lassen Sie uns einige Zahlen vorstellen, die das Ausmaß des wichtigsten „Güteraustauschs“ zwischen Mensch und Natur deutlich charakterisieren.

Das erste ständige menschliche Bedürfnis ist das Atmen von Luft. „Man kann nicht zu viel Luft atmen“, sagt ein russisches Sprichwort. Wenn jeder Mensch täglich durchschnittlich 800 g Sauerstoff benötigt, müsste die gesamte Erdbevölkerung 1,5 Milliarden Tonnen Sauerstoff pro Jahr verbrauchen. Die Erdatmosphäre verfügt über riesige erneuerbare Sauerstoffreserven: Bei einem Gesamtgewicht der Erdatmosphäre von etwa 5 ∙ ​​​​10 15 Tonnen beträgt der Sauerstoffgehalt etwa 1/5, was fast 700.000 Mal mehr ist als der jährliche Sauerstoffverbrauch der gesamten Erdatmosphäre Bevölkerung der Erde. Natürlich wird Luftsauerstoff neben dem Menschen auch von der Tierwelt genutzt und auch für andere oxidative Prozesse aufgewendet, deren Ausmaß auf dem Planeten enorm ist. Die umgekehrten Reduktionsprozesse sind jedoch nicht weniger intensiv: Dank der Photosynthese binden Pflanzen an Land, in Meeren und Ozeanen aufgrund der Strahlungsenergie der Sonne ständig Kohlendioxid, das von lebenden Organismen in oxidativen Prozessen freigesetzt wird, in eine Vielzahl organischer Verbindungen mit dem gleichzeitige Freisetzung von molekularem Sauerstoff. Geochemikern zufolge setzen alle Pflanzen auf der Erde jährlich 400 Milliarden Tonnen Sauerstoff frei und binden dabei 150 Milliarden Tonnen Kohlenstoff (aus Kohlendioxid) mit 25 Milliarden Tonnen Wasserstoff (aus Wasser). Neun Zehntel dieser Produktion werden von Wasserpflanzen produziert.

Folglich wird die Frage der Versorgung des Menschen mit Luftsauerstoff auf der Erde vor allem durch die Prozesse der Photosynthese in Pflanzen erfolgreich gelöst.

Das zweitwichtigste menschliche Bedürfnis ist Wasser.

Im menschlichen Körper ist es die Umgebung, in der zahlreiche biochemische Reaktionen von Stoffwechselprozessen ablaufen. Wasser macht zwei Drittel des menschlichen Körpergewichts aus und spielt eine große Rolle bei der Sicherstellung seiner lebenswichtigen Funktionen. Mit Wasser ist nicht nur die Versorgung des Körpers mit Nährstoffen, deren Aufnahme, Verteilung und Assimilation verbunden, sondern auch die Freisetzung von Stoffwechselendprodukten.

Wasser gelangt in Form von Getränken und Nahrungsmitteln in den menschlichen Körper. Der Wasserbedarf des Körpers eines Erwachsenen variiert zwischen 1,5 – 2 und 10 – 15 Litern pro Tag und hängt von seiner körperlichen Aktivität und den Umweltbedingungen ab. Eine Dehydrierung des Körpers oder eine übermäßige Einschränkung der Wasseraufnahme führt zu einer starken Störung seiner Funktionen und zu einer Vergiftung durch Stoffwechselprodukte, insbesondere Stickstoff.

Eine zusätzliche Wassermenge ist erforderlich, damit eine Person den Sanitär- und Haushaltsbedarf decken kann (Waschen, Wäschewaschen, Produktion, Tierhaltung usw.). Diese Menge übersteigt die physiologische Norm deutlich.

Die Wassermenge auf der Erdoberfläche ist enorm, ihr Volumen beträgt über 13,7 ∙ 10 8 km 3 . Allerdings ist die Versorgung mit Trinkwasser, das zu Trinkwasserzwecken geeignet ist, immer noch begrenzt. Die Niederschlagsmenge (Süßwasser), die aufgrund des Wasserkreislaufs auf der Erde durchschnittlich pro Jahr auf die Oberfläche der Kontinente fällt, beträgt nur etwa 100.000 km 3 (1/5 der gesamten Niederschlagsmenge auf der Erde). Und nur ein kleiner Teil dieser Menge wird vom Menschen effektiv genutzt.

So können die Wasservorräte auf dem Raumschiff Erde als unbegrenzt angesehen werden, der Verbrauch von sauberem Süßwasser erfordert jedoch einen sparsamen Ansatz.

Nahrung dient dem menschlichen Körper als Energie- und Stoffquelle, die an der Synthese von Gewebebestandteilen, an der Erneuerung von Zellen und ihren Strukturelementen beteiligt ist. Der Körper führt kontinuierlich die Prozesse der biologischen Oxidation von mit der Nahrung zugeführten Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten durch. Eine nährstoffreiche Ernährung sollte die erforderlichen Mengen an Aminosäuren, Vitaminen und Mineralstoffen enthalten. Nahrungsbestandteile, die normalerweise im Verdauungstrakt durch Enzyme in einfachere, niedermolekulare Verbindungen (Aminosäuren, Monosaccharide, Fettsäuren und viele andere) zerlegt werden, werden vom Blut aufgenommen und im ganzen Körper verteilt. Die Endprodukte der Lebensmitteloxidation sind meist Kohlendioxid und Wasser, die als Abfallprodukte vom Körper ausgeschieden werden. Die bei der Oxidation von Nahrungsmitteln freigesetzte Energie wird teilweise in Form energieangereicherter Verbindungen im Körper gespeichert, teilweise in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben.

Die Menge an Nahrung, die der Körper benötigt, hängt in erster Linie von der Intensität seiner körperlichen Aktivität ab. Die Energie des Grundstoffwechsels, also des Stoffwechsels bei völliger Ruhe, beträgt durchschnittlich 1700 kcal pro Tag (für Männer unter 30 Jahren und bis zu 70 kg Körpergewicht). In diesem Fall wird es nur für die Durchführung physiologischer Prozesse (Atmung, Herzfunktion, Darmmotilität usw.) und die Gewährleistung der Konstanz der normalen Körpertemperatur (36,6 °C) aufgewendet.

Die körperliche und geistige Aktivität eines Menschen erfordert eine Erhöhung des Energieverbrauchs des Körpers und die Aufnahme von mehr Nahrungsmitteln. Es wurde festgestellt, dass der tägliche Energieverbrauch eines Menschen bei mäßiger geistiger und körperlicher Arbeit etwa 3000 kcal beträgt. Die tägliche Ernährung eines Menschen sollte den gleichen Kaloriengehalt haben. Der Kaloriengehalt der Nahrung wird näherungsweise anhand der bekannten Werte der bei der vollständigen Oxidation freigesetzten Wärme pro Gramm Proteine ​​(4,1 kcal), Fette (9,3 kcal) und Kohlenhydrate (4,1 kcal) berechnet. Das richtige Verhältnis von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten in der Ernährung wird von der Medizin entsprechend den physiologischen Bedürfnissen des Menschen festgelegt und umfasst 70 bis 105 g Proteine, 50 bis 150 g Fette und 300 bis 600 g Kohlenhydrate innerhalb eines Kalorienwertes der Diät. Schwankungen in der Zusammensetzung der Nahrung an Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten entstehen in der Regel durch Veränderungen der körperlichen Aktivität des Körpers, hängen aber auch von den Gewohnheiten einer Person, nationalen Ernährungstraditionen, der Verfügbarkeit eines bestimmten Lebensmittels usw. ab Natürlich auch spezifische soziale Möglichkeiten, um den Ernährungsbedarf zu decken.

Jeder der Nährstoffe erfüllt bestimmte Funktionen im Körper. Dies gilt insbesondere für Proteine, die Stickstoff enthalten, der nicht Bestandteil anderer Nährstoffe ist, aber für die Wiederherstellung seiner eigenen Proteine ​​im menschlichen Körper notwendig ist. Es wird geschätzt, dass im Körper eines Erwachsenen pro Tag mindestens 17 g eigener Proteine ​​zerstört werden, die über die Nahrung wiederhergestellt werden müssen. Daher ist diese Proteinmenge das Minimum, das in der Ernährung eines jeden Menschen benötigt wird.

Fette und Kohlenhydrate können weitgehend, jedoch bis zu gewissen Grenzen, durcheinander ersetzt werden.

Die normale menschliche Ernährung deckt den Bedarf des Körpers an Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten vollständig und versorgt ihn zudem mit den notwendigen Mineralien und Vitaminen.

Doch im Gegensatz zu den unbegrenzten Vorräten an Sauerstoff (Luft) und Trinkwasser, die auf dem Planeten immer noch ausreichend sind und deren Verbrauch nur in bestimmten, meist trockenen Regionen streng rationiert ist, ist die Menge an Nahrungsmitteln durch die geringen Mengen begrenzt Produktivität des natürlichen trophischen (Nahrungs-)Kreislaufs, bestehend aus drei Hauptebenen: Pflanzen – Tiere – Menschen. Tatsächlich bilden Pflanzen Biomasse, indem sie nur 0,2 % der auf die Erde einfallenden Sonnenenergie verbrauchen. Beim Verzehr pflanzlicher Biomasse als Nahrung verbrauchen Tiere nicht mehr als 10–12 % der aufgenommenen Energie für den Eigenbedarf. Letztendlich deckt ein Mensch durch den Verzehr von Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs den Energiebedarf seines Körpers mit einer sehr geringen Ausnutzung der anfänglichen Sonnenenergie.

Die Befriedigung des Ernährungsbedarfs war schon immer die schwierigste Aufgabe des Menschen. Die passive Nutzung der Möglichkeiten der Natur in dieser Richtung ist begrenzt, da der größte Teil der Erde von Ozeanen und Wüsten mit geringer biologischer Produktivität bedeckt ist. Nur bestimmte Regionen der Erde, die durch stabile, günstige klimatische Bedingungen gekennzeichnet sind, bieten eine hohe Primärproduktivität von Stoffen, die übrigens aus Sicht der menschlichen Ernährungsbedürfnisse nicht immer akzeptabel sind. Das Wachstum der Erdbevölkerung, ihre Ausbreitung über alle Kontinente und geografischen Zonen des Planeten, einschließlich Zonen mit ungünstigen klimatischen Bedingungen, sowie die allmähliche Erschöpfung der natürlichen Nahrungsquellen haben zu einem Zustand geführt, in dem die Deckung des Nahrungsmittelbedarfs auf der Erde erreicht ist ein universelles menschliches Problem. Man geht heute davon aus, dass allein das weltweite Defizit an Nahrungseiweiß 15 Millionen Tonnen pro Jahr beträgt. Das bedeutet, dass weltweit mindestens 700 Millionen Menschen systematisch unterernährt sind. Und das, obwohl die Menschheit am Ende des 20. Jahrhunderts existierte. Im Allgemeinen zeichnet es sich durch eine relativ hohe soziale Organisation, große Errungenschaften in der Entwicklung von Wissenschaft, Technologie, Industrie und landwirtschaftlicher Produktion sowie ein tiefes Verständnis seiner Einheit in der Zusammensetzung, der Biosphäre des Planeten, aus.

Nahrung ist nicht nur für den Menschen, sondern auch für alle Tiere ein wichtiger Umweltfaktor. Abhängig von der Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln, ihrer Vielfalt, Qualität und Quantität können sich die Eigenschaften einer Population lebender Organismen (Fruchtbarkeit und Sterblichkeit, Lebenserwartung, Entwicklungsrate usw.) erheblich ändern. Nahrungsverbindungen (trophische Verbindungen) zwischen lebenden Organismen liegen, wie weiter unten gezeigt wird, sowohl dem biologischen Stoffkreislauf der Biosphäre (terrestrisch) als auch künstlichen Ökosystemen zugrunde, zu denen auch der Mensch gehört.

Die Erde wird in der Lage sein, ihre Bewohner auf lange Zeit mit allem zu versorgen, was sie brauchen, wenn die Menschheit die Ressourcen des Planeten rationeller und sorgfältiger nutzt, die Probleme der umweltverträglichen Umgestaltung der Natur löst, das Wettrüsten unterbindet und eine setzt Schluss mit Atomwaffen.

Die von V. I. Wernadski formulierte wissenschaftliche Grundlage zur Lösung des Problems der Lebenserhaltung der Menschheit auf der Erde liegt im Übergang der Biosphäre der Erde in die Noosphäre, also in eine durch wissenschaftliches Denken veränderte und für alle Menschen umgestaltete Biosphäre die Bedürfnisse einer zahlenmäßig wachsenden Menschheit (Sphäre der Vernunft). V. I. Wernadski ging davon aus, dass sich die Noosphäre, nachdem sie auf der Erde entstanden ist, bei der Erforschung des zirkumstellaren Raums durch den Menschen zu einem besonderen Strukturelement des Weltraums entwickeln sollte.

RAUMSCHIFF MIT BESATZUNG – KÜNSTLICHES ÖKOSYSTEM

Wie lässt sich das Problem lösen, die Besatzung eines Raumschiffs mit frischer, abwechslungsreicher Nahrung, sauberem Wasser und lebensspendender Luft zu versorgen? Die einfachste Lösung ist natürlich, alles mitzunehmen, was man braucht. Dies geschieht bei kurzfristigen bemannten Flügen.

Mit zunehmender Flugdauer werden mehr Vorräte benötigt. Daher ist es notwendig, einige Verbrauchsstoffe (z. B. Wasser) zu regenerieren, menschliche Abfälle und Abfälle aus technologischen Prozessen einiger Schiffssysteme (z. B. regenerierte Kohlendioxid-Sorptionsmittel) zu verarbeiten, um diese Stoffe wiederzuverwenden und die anfänglichen Reserven zu reduzieren.

Die ideale Lösung scheint die Umsetzung einer vollständigen (oder nahezu vollständigen) Stoffzirkulation innerhalb eines begrenzten Volumens eines bewohnten Raums „Haus“ zu sein. Eine solch komplexe Lösung kann jedoch nur für große Weltraumexpeditionen von mehr als 1,5 bis 3 Jahren von Vorteil und praktisch umsetzbar sein (A. M. Genin, D. Talbot, 1975). Die entscheidende Rolle bei der Entstehung des Stoffkreislaufs wird bei solchen Expeditionen meist Biosyntheseprozessen zugeschrieben. Den sogenannten Lebenserhaltungssystemen (LSS) sind die Funktionen der Versorgung der Besatzung mit Nahrung, Wasser und Sauerstoff sowie der Abtransport und Verarbeitung von Stoffwechselprodukten und der Aufrechterhaltung der erforderlichen Parameter des Lebensraums der Besatzung auf einem Schiff, einer Station usw. zugeordnet ). Eine schematische Darstellung der wichtigsten Arten von Lebenserhaltungssystemen für Raumfahrtbesatzungen ist in Abb. dargestellt. 1.

Reis. 1. Schemata der wichtigsten Arten von Lebenserhaltungssystemen für Raumfahrtbesatzungen: 1 – System in Reserve (alle Abfälle werden entfernt); 2 – System auf Reserven mit teilweiser physikalischer und chemischer Regeneration von Stoffen (PCR) (ein Teil des Abfalls wird entfernt, ein Teil der Reserven kann erneuert werden); 3 – System mit teilweiser FCR und teilweiser biologischer Stoffregeneration durch Pflanzen (BR) mit einer Abfallbehandlungseinheit (BC); 4 – System mit vollständig geschlossener Stoffregeneration (Reserven werden durch Mikroadditive begrenzt). Bezeichnungen: E – Strahlungs- oder Wärmeenergie, IE – Energiequelle, O – Abfall, BB – Bioblock mit Tieren, gestrichelte Linie – optionaler Prozess

Die Lebenserhaltungssysteme von Raumfahrtbesatzungen sind äußerst komplexe Komplexe. Drei Jahrzehnte des Weltraumzeitalters haben die ausreichende Effizienz und Zuverlässigkeit der geschaffenen Lebenserhaltungssysteme bestätigt, die erfolgreich auf den sowjetischen Raumschiffen Wostok und Sojus, den amerikanischen Raumschiffen Mercury, Gemini und Apollo sowie auf den Orbitalen Saljut und Skylab eingesetzt wurden Stationen " Die Arbeit des Mir-Forschungskomplexes mit einem verbesserten Lebenserhaltungssystem an Bord wird fortgesetzt. Alle diese Systeme haben Flüge für mehr als 200 Kosmonauten aus verschiedenen Ländern ermöglicht.

Die Prinzipien des Aufbaus und Betriebs von Lebenserhaltungssystemen, die bei Raumflügen eingesetzt wurden und werden, sind weithin bekannt. Sie basieren auf der Nutzung physikalischer und chemischer Regenerationsverfahren. Gleichzeitig bleibt das Problem der Nutzung von Biosyntheseprozessen in Weltraum-LSS und noch mehr das Problem des Aufbaus geschlossener biotechnischer LSS für Raumflüge offen.

Über die Möglichkeit und Durchführbarkeit der praktischen Umsetzung solcher Systeme im Allgemeinen und in Raumfahrzeugen im Besonderen gibt es unterschiedliche, teilweise direkt gegensätzliche Standpunkte. Die Argumente dagegen lauten wie folgt: Komplexität, mangelndes Wissen, Energieintensität, Unzuverlässigkeit, Unanpassungsfähigkeit usw. Die überwiegende Mehrheit der Experten hält jedoch alle diese Probleme für lösbar und den Einsatz biotechnischer Lebenserhaltungssysteme als Teil davon Zukünftige große Weltraumsiedlungen, Mond-, Planeten- und interplanetare Stützpunkte und andere entfernte außerirdische Strukturen sind unvermeidlich.

Die Einbindung biologischer Einheiten, deren Funktionsweise nach den komplexen Gesetzmäßigkeiten der Entwicklung lebender Materie erfolgt, neben zahlreichen technischen Geräten in das Lebenserhaltungssystem der Besatzung, erfordert einen qualitativ neuen, ökologischen Ansatz zur Bildung biotechnischer Lebenserhaltungssysteme, in denen ein stabiles dynamisches Gleichgewicht und Konsistenz der Stoff- und Energieströme in allen Verbindungssystemen erreicht werden muss. In diesem Sinne sollte jedes bewohnbare Raumschiff als künstliches Ökosystem betrachtet werden.

Zu einem bewohnten Raumschiff gehört mindestens ein aktiv funktionierendes biologisches Glied – ein Mensch (Besatzung) mit seiner Mikroflora. Gleichzeitig stehen Mensch und Mikroflora in Wechselwirkung mit der im Raumschiff künstlich geschaffenen Umgebung und sorgen so für ein stabiles dynamisches Gleichgewicht des biologischen Systems in Bezug auf Stoff- und Energieströme.

Somit ist das bewohnbare Raumschiff bereits ein künstliches Weltraum-Ökosystem, selbst wenn das Leben der Besatzung im Raumschiff aufgrund der Stoffreserven und in Ermangelung anderer biologischer Verbindungen vollständig gesichert ist. Es kann materiell ganz oder teilweise von der äußeren Umgebung (Weltraum) isoliert sein, seine energetische (thermische) Isolierung von dieser Umgebung ist jedoch völlig ausgeschlossen. Ein ständiger Energieaustausch mit der Umwelt oder zumindest eine ständige Wärmeabfuhr ist eine notwendige Voraussetzung für das Funktionieren jedes künstlichen Weltraumökosystems.

Das 21. Jahrhundert stellt die Menschheit vor neue, noch ehrgeizigere Aufgaben bei der weiteren Erforschung des Weltraums. (Anscheinend wäre es zutreffender zu sagen, dass die Menschheit diese Aufgaben für das 21. Erdorbitalstation, Mondbasis, Marsbasis, Bauraumplattform, Wohnkomplex auf Asteroiden usw.), Besatzungsgröße, Einsatzdauer, Stromversorgung und technische Ausrüstung und natürlich vom Grad der Einsatzbereitschaft bestimmter Technologien Prozesse, einschließlich Prozesse der kontrollierten Biosynthese und Prozesse der kontrollierten Umwandlung von Materie und Energie in biologischen Verbindungen von Ökosystemen.

Heute können wir sagen, dass die Aufgaben und Programme der fortgeschrittenen Weltraumforschung in der UdSSR und den USA auf staatlicher Ebene bis etwa zum Jahr 2000 definiert wurden. Über die Aufgaben des nächsten Jahrhunderts sprechen Wissenschaftler immer noch in Form von Prognosen. So ergaben die Ergebnisse einer 1984 veröffentlichten Studie (und bereits 1979 von einem Mitarbeiter der Rand Corporation im Rahmen einer Fragebogenbefragung von 15 führenden Spezialisten in den USA und Großbritannien durchgeführt) ein Bild, das sich in der folgenden Tabelle widerspiegelt:

Jahre	Inhalte der Bühne
2020 –2030	Besiedlung des Mondes und des Weltraums durch große Menschenkontingente (mehr als 1000 Menschen).
2020 – 2071	Entwicklung künstlicher menschlicher Intelligenz.
2024 – 2037	Der erste bemannte Flug zum Jupiter.
2030 – 2050	Flüge innerhalb des Sonnensystems, Nutzung natürlicher Ressourcen des Sonnensystems, einschließlich des Mondes.
2045 – 2060	Der erste Flug einer unbemannten Sonde über das Sonnensystem hinaus.
2045 – 2070	Der erste bemannte Flug an die Grenzen des Sonnensystems.
2050 – 2100	Kontaktaufnahme mit außerirdischen Geheimdiensten.

Der berühmte amerikanische Physiker J. O'Neil, der sich mit den Problemen zukünftiger Weltraumsiedlungen der Menschheit beschäftigt, veröffentlichte bereits 1974 seine Prognose, die 1988 davon ausging, dass 10.000 Menschen im Weltraum arbeiten würden. Diese Prognose bewahrheitete sich jedoch nicht Heute gehen viele Experten davon aus, dass bis 1990 50–100 Menschen ununterbrochen im Weltraum arbeiten werden.

Der bekannte Spezialist Dr. Puttkamer (Deutschland) geht davon aus, dass der Zeitraum von 1990 bis 2000 durch den Beginn der Besiedlung des erdnahen Weltraums gekennzeichnet sein wird und nach 2000 die Autonomie der Weltraumbewohner und ein ökologisch geschlossener Lebensraum gewährleistet sein müssen System muss erstellt werden.

Berechnungen zeigen, dass mit zunehmender Aufenthaltsdauer einer Person im Weltraum (bis zu mehreren Jahren), mit zunehmender Besatzungsgröße und mit zunehmender Entfernung des Raumfahrzeugs von der Erde die Notwendigkeit entsteht, biologische Untersuchungen durchzuführen Regeneration von Verbrauchsstoffen und vor allem Nahrungsmitteln direkt an Bord des Raumfahrzeugs. Gleichzeitig sprechen nicht nur technische und wirtschaftliche (Masse und Energie) Indikatoren für die biologische Lebenserhaltung, sondern auch, nicht weniger wichtige, Indikatoren für die biologische Zuverlässigkeit des Menschen als bestimmendes Glied im künstlichen Weltraumökosystem. Lassen Sie uns Letzteres genauer erläutern.

Es gibt eine Reihe untersuchter (und bisher unerforschter) Zusammenhänge zwischen dem menschlichen Körper und der belebten Natur, ohne die eine erfolgreiche langfristige Lebensaktivität unmöglich ist. Dazu gehören beispielsweise seine natürlichen trophischen Verbindungen, die nicht vollständig durch Nahrung aus den auf dem Schiff gelagerten Vorräten ersetzt werden können. So sind einige für den Menschen unbedingt notwendige Vitamine (Nahrungskarotinoide, Ascorbinsäure etc.) während der Lagerung instabil: Unter terrestrischen Bedingungen beträgt die Haltbarkeit beispielsweise der Vitamine C und P 5–6 Monate. Unter dem Einfluss der Weltraumbedingungen kommt es im Laufe der Zeit zu einer chemischen Umstrukturierung der Vitamine, wodurch sie ihre physiologische Aktivität verlieren. Aus diesem Grund müssen sie entweder ständig biologisch vermehrt werden (in Form von frischen Nahrungsmitteln, etwa Gemüse), oder regelmäßig von der Erde geliefert werden, wie es während des rekordverdächtigen jährlichen Weltraumflugs auf der Mir-Station der Fall war. Darüber hinaus haben medizinische und biologische Studien gezeigt, dass Astronauten unter Raumfahrtbedingungen eine erhöhte Zufuhr von Vitaminen benötigen. So stieg bei Flügen im Rahmen des Skylab-Programms der Verbrauch von B-Vitaminen und Vitamin C (Ascorbinsäure) durch Astronauten etwa um das Zehnfache, Vitamin A (Axerophthol) um das Zweifache und Vitamin D (Calciferol) um etwas mehr als die irdische Norm. Mittlerweile wurde auch festgestellt, dass Vitamine biologischen Ursprungs klare Vorteile gegenüber gereinigten, chemisch gewonnenen Präparaten derselben Vitamine haben. Dies liegt daran, dass Biomasse Vitamine in Kombination mit einer Reihe anderer Stoffe, darunter auch Stimulanzien, enthält und bei Verzehr eine wirksamere Wirkung auf den Stoffwechsel eines lebenden Organismus hat.

Es ist bekannt, dass natürliche pflanzliche Lebensmittel alle pflanzlichen Proteine ​​(Aminosäuren), Lipide (essentielle Fettsäuren), den gesamten Komplex wasserlöslicher und teilweise fettlöslicher Vitamine, Kohlenhydrate, biologisch aktive Substanzen und Ballaststoffe enthalten. Die Rolle dieser Nahrungsbestandteile im Stoffwechsel ist enorm (V.I. Yazdovsky, 1988). Natürlich kann der bestehende Prozess der Raumrationszubereitung, der strenge Verarbeitungsverfahren (mechanisch, thermisch, chemisch) mit sich bringt, die Wirksamkeit einzelner wichtiger Nahrungsbestandteile im menschlichen Stoffwechsel nur beeinträchtigen.

Offenbar sollte auch die mögliche kumulative Wirkung kosmischer radioaktiver Strahlung auf Lebensmittel berücksichtigt werden, die über einen längeren Zeitraum auf dem Schiff gelagert werden.

Daher reicht es nicht aus, nur den Kaloriengehalt der Nahrung an die festgelegte Norm anzupassen; es ist notwendig, dass die Nahrung des Astronauten so abwechslungsreich und frisch wie möglich ist.

Die Entdeckung französischer Biologen über die Fähigkeit von reinem Wasser, sich bestimmte Eigenschaften biologisch aktiver Moleküle zu „merken“ und diese Informationen dann an lebende Zellen weiterzuleiten, scheint die alte Märchenweisheit über „lebendes“ und „totes“ Wasser zu klären. Wenn sich diese Entdeckung bestätigt, entsteht ein grundlegendes Problem der Wasserregeneration auf Langzeitraumfahrzeugen: Ist Wasser durch physikalische und chemische Methoden in mehreren isolierten Kreisläufen gereinigt oder gewonnen und in der Lage, biologisch aktives „lebendiges“ Wasser zu ersetzen?

Es kann auch davon ausgegangen werden, dass ein längerer Aufenthalt in einem isolierten Volumen eines Raumfahrzeugs mit einem auf chemischem Wege gewonnenen künstlichen gasförmigen Lebensraum dem menschlichen Körper nicht gleichgültig ist, der seit Generationen in einer Atmosphäre biogenen Ursprungs existiert, deren Zusammensetzung ist vielfältiger. Es ist kaum ein Zufall, dass lebende Organismen die Fähigkeit besitzen, Isotope bestimmter chemischer Elemente (einschließlich stabiler Sauerstoffisotope O 16, O 17, O 18) zu unterscheiden und kleine Unterschiede in der Stärke chemischer Bindungen von Isotopen in Molekülen zu erkennen H 2 O, CO 2 usw. Es ist bekannt, dass das Atomgewicht von Sauerstoff von der Quelle seiner Produktion abhängt: Sauerstoff aus der Luft ist etwas schwerer als Sauerstoff aus Wasser. Lebewesen „spüren“ diesen Unterschied, obwohl nur spezielle Massenspektrometer ihn quantitativ bestimmen können. Längeres Einatmen von chemisch reinem Sauerstoff unter Raumfahrtbedingungen kann zu einer Intensivierung oxidativer Prozesse im menschlichen Körper und zu pathologischen Veränderungen im Lungengewebe führen.

Dabei ist zu beachten, dass Luft, die biogenen Ursprungs ist und mit pflanzlichen Phytonziden angereichert ist, für den Menschen eine besondere Rolle spielt. Phytonzide sind biologisch aktive Substanzen, die ständig von Pflanzen produziert werden und Bakterien, mikroskopisch kleine Pilze und Protozoen abtöten oder unterdrücken. Das Vorhandensein von Phytonziden in der Umgebungsluft ist in der Regel wohltuend für den menschlichen Körper und sorgt für ein Gefühl der Frische in der Luft. So betonte beispielsweise der Kommandant der dritten amerikanischen Besatzung der Skylab-Station, dass es seiner Besatzung Freude bereitete, mit Zitronen-Phytonziden angereicherte Luft einzuatmen.

In bekannten Fällen menschlicher Infektionen durch Bakterien, die sich in Klimaanlagen ansiedeln („Legionärskrankheit“), wären Phytonzide ein starkes Desinfektionsmittel, und in Bezug auf Klimaanlagen in geschlossenen Ökosystemen könnten sie diese Möglichkeit ausschließen. Wie Untersuchungen von M. T. Dmitriev gezeigt haben, können Phytonzide nicht nur direkt, sondern auch indirekt wirken, indem sie die bakterizide Kapazität der Luft erhöhen und den Gehalt an leichten negativen Ionen erhöhen, die sich positiv auf den menschlichen Körper auswirken. Dadurch wird die Anzahl unerwünschter schwerer positiver Ionen in der Luft reduziert. Phytonzide, die einzigartige Träger der Schutzfunktion von Pflanzen vor der Mikroflora in der Umwelt sind, werden nicht nur in die die Pflanze umgebende Luft abgegeben, sondern sind auch in der Biomasse der Pflanzen selbst enthalten. Knoblauch, Zwiebeln, Senf und viele andere Pflanzen sind am reichsten an Phytonziden. Durch den Verzehr als Nahrung führt eine Person einen unmerklichen, aber sehr wirksamen Kampf gegen die infektiöse Mikroflora durch, die in den Körper gelangt.

Wenn man über die Bedeutung biologischer Verbindungen in einem künstlichen Weltraumökosystem für den Menschen spricht, kann man die besondere positive Rolle höherer Pflanzen als Faktor bei der Reduzierung des emotionalen Stresses von Astronauten und der Verbesserung des psychologischen Wohlbefindens nicht übersehen. Alle Astronauten, die an Bord von Raumstationen Experimente mit höheren Pflanzen durchführen mussten, waren sich in ihrer Einschätzung einig. So kümmerten sich L. Popov und V. Ryumin an der Orbitalstation Saljut-6 gerne um Pflanzen in den Versuchsgewächshäusern „Malachite“ (Innenglas-Gewächshaus mit tropischen Orchideen) und „Oasis“ (Versuchsgewächshaus mit Gemüse- und Vitaminpflanzenkulturen). ). Sie führten die Bewässerung durch, überwachten das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen, führten vorbeugende Inspektionen und Arbeiten am technischen Teil der Gewächshäuser durch und bewunderten einfach in seltenen Momenten der Ruhe das lebendige Innere der Orchideen. „Die biologische Forschung hat uns viel Freude bereitet. Wir hatten zum Beispiel die Malachit-Installation mit Orchideen, und als wir sie zur Erde schickten, verspürten wir eine Art Verlust, die Station wurde unkomfortabler.“ Das sagte L. Popov nach der Landung. „Die Zusammenarbeit mit Malachite an Bord des Weltraumkomplexes hat uns immer besondere Freude bereitet“, fügte V. Ryumin zu L. Popov hinzu.

Auf einer Pressekonferenz am 14. Oktober 1985, die den Ergebnissen der Arbeit der Kosmonauten V. Dzhanibekov und G. Grechko an Bord der Orbitalstation Saljut-7 gewidmet war, sagte der Flugingenieur (G. Grechko): „An alle Lebewesen haben gegenüber jedem Spross im Weltraum eine besondere, fürsorgliche Haltung: Sie erinnern einen an die Erde und heben die Stimmung.“

Daher werden höhere Pflanzen von Astronauten nicht nur als Bindeglied in einem künstlichen Ökosystem oder als Gegenstand wissenschaftlicher Forschung benötigt, sondern auch als ästhetisches Element der vertrauten irdischen Umgebung, als lebendiger Begleiter des Astronauten auf seinem langen, schwierigen und intensiven Weg Mission. Und ist es nicht diese ästhetische Seite und psychologische Rolle des Gewächshauses an Bord des Raumschiffs, die S.P. Korolev im Sinn hatte, als er in Vorbereitung auf die bevorstehenden Raumflüge als nächste Frage folgende Frage formulierte: „Was können Sie anhaben?“ „Ein schweres interplanetares Raumschiff oder ein schweres orbitales Raumschiff besteigen?“ Station (oder in einem Gewächshaus) aus Zierpflanzen, die ein Minimum an Kosten und Pflege erfordern? Und die erste Antwort auf diese Frage gibt es heute bereits: Es handelt sich um tropische Orchideen, denen die Atmosphäre der Raumstation offenbar gefallen hat.

Bei der Erörterung des Problems der Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit langfristiger Raumflüge weisen Akademiemitglied O. G. Gazenko und Co-Autoren (1987) zu Recht darauf hin, dass „manchmal das unbewusste spirituelle Bedürfnis nach Kontakt mit der lebenden Natur zu einer echten Kraft wird, die durch unterstützt wird.“ strenge wissenschaftliche Fakten, die die wirtschaftliche Effizienz und die technische Machbarkeit belegen, künstliche Biosphären so nah wie möglich an die natürliche Umwelt heranzuführen, in der die Menschheit lebte. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint die strategische Ausrichtung zur Schaffung biologischer Lebenserhaltungssysteme sehr richtig.“ Und weiter: „Versuche, den Menschen von der Natur zu isolieren, sind äußerst unwirtschaftlich. Biologische Systeme werden die Stoffzirkulation in großen Weltraumsiedlungen besser als jedes andere gewährleisten.“

Einer der grundlegenden Vorteile biologischer Systeme im Vergleich zu nichtbiologischen Systemen ist das Potenzial für ihr stabiles Funktionieren mit einem minimalen Umfang an Kontroll- und Managementfunktionen (E. Ya. Shepelev, 1975). Dieser Vorteil beruht auf der natürlichen Fähigkeit lebender Systeme, die in ständiger Wechselwirkung mit der Umwelt stehen, Prozesse für das Überleben auf allen biologischen Ebenen – von einer einzelnen Zelle eines Organismus bis hin zu Populationen und Biogeozänosen – zu korrigieren, unabhängig vom Grad des Verständnisses diese Prozesse zu einem bestimmten Zeitpunkt durch eine Person und ihre Fähigkeit oder Unfähigkeit (oder vielmehr ihre Bereitschaft), die notwendigen Anpassungen am Prozess der Stoffzirkulation in einem künstlichen Ökosystem vorzunehmen.

Der Grad der Komplexität künstlicher Weltraumökosysteme kann unterschiedlich sein: von einfachsten Systemen auf Reserven, Systemen mit physikalisch-chemischer Regeneration von Stoffen und der Nutzung einzelner biologischer Verbindungen bis hin zu Systemen mit einem nahezu geschlossenen biologischen Stoffkreislauf. Die Anzahl der biologischen Glieder und trophischen Ketten sowie die Anzahl der Individuen in jedem Glied hängen, wie bereits erwähnt, vom Zweck und den technischen Eigenschaften des Raumfahrzeugs ab.

Die Effizienz und die wichtigsten Parameter eines künstlichen Weltraumökosystems einschließlich biologischer Zusammenhänge können auf der Grundlage einer quantitativen Analyse der Prozesse des biologischen Stoffkreislaufs in der Natur und einer Bewertung der Energieeffizienz lokaler natürlicher Ökosysteme im Voraus bestimmt und berechnet werden. Der nächste Abschnitt ist diesem Thema gewidmet.

RELAIS VON STOFFEN IM BIOLOGISCHEN ZYKLUS

Ein geschlossenes Ökosystem, das auf der Grundlage biologischer Verbindungen gebildet wird, sollte als ideales Lebenserhaltungssystem für zukünftige große Weltraumsiedlungen betrachtet werden. Die Schaffung solcher Systeme befindet sich heute noch im Stadium der Berechnungen, theoretischen Konstruktionen und Bodentests, um einzelne biologische Verbindungen mit der Testmannschaft zu verbinden.

Das Hauptziel der Erprobung experimenteller biotechnischer Lebenserhaltungssysteme besteht darin, einen stabilen, nahezu geschlossenen Stoffkreislauf in einem Ökosystem mit einer Besatzung und der relativ unabhängigen Existenz einer künstlich gebildeten Biozönose in einem langfristigen dynamischen Gleichgewichtsmodus zu erreichen, der hauptsächlich auf internen basiert Kontrollmechanismen. Daher ist eine gründliche Untersuchung der Prozesse des biologischen Stoffkreislaufs in der Biosphäre der Erde erforderlich, um die effektivsten davon in biotechnischen Lebenserhaltungssystemen nutzen zu können.

Der biologische Kreislauf in der Natur ist ein kreisförmiger Staffellauf (Zirkulation) von Stoffen und chemischen Elementen zwischen Boden, Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen. Sein Wesen ist wie folgt. Pflanzen (autotrophe Organismen) nehmen energiearme, unbelebte Mineralien und atmosphärisches Kohlendioxid auf. Diese Stoffe sind Teil der organischen Biomasse pflanzlicher Organismen, die über einen großen Energievorrat verfügt, der durch die Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne während des Prozesses der Photosynthese gewonnen wird. Pflanzliche Biomasse wird über Nahrungsketten in tierische und menschliche Organismen (heterotrophe Organismen) umgewandelt und nutzt einen Teil dieser Stoffe und Energie für ihr eigenes Wachstum, ihre Entwicklung und ihre Fortpflanzung. Zerstörende Organismen (Zersetzer oder Zersetzer), darunter Bakterien, Pilze, Protozoen und Organismen, die sich von toten organischen Stoffen ernähren, mineralisieren Abfälle. Schließlich werden Stoffe und chemische Elemente wieder in den Boden, die Atmosphäre oder die Gewässer zurückgeführt. Dadurch kommt es zu einer mehrzyklischen Migration von Stoffen und chemischen Elementen durch eine verzweigte Kette lebender Organismen. Diese Wanderung, die ständig von der Energie der Sonne unterstützt wird, bildet den biologischen Kreislauf.

Der Reproduktionsgrad einzelner Zyklen des allgemeinen biologischen Zyklus erreicht 90–98 %, sodass von einer vollständigen Schließung nur bedingt gesprochen werden kann. Die Hauptkreisläufe der Biosphäre sind die Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel und anderen Nährstoffen.

Am natürlichen biologischen Kreislauf sind sowohl lebende als auch unbelebte Stoffe beteiligt.

Lebende Materie ist biogen, da sie nur durch die Reproduktion lebender Organismen entsteht, die bereits auf der Erde existieren. In der Biosphäre vorhandene unbelebte Materie kann biogenen Ursprungs sein (abgefallene Rinde und Blätter von Bäumen, reife und von der Pflanze getrennte Früchte, chitinhaltige Hüllen von Arthropoden, Hörner, Zähne und Haare von Tieren, Vogelfedern, tierische Exkremente usw .) und abiogen (Produkte von Emissionen aktiver Vulkane, Gase, die aus dem Erdinneren freigesetzt werden).

Die lebende Materie des Planeten stellt aufgrund ihrer Masse einen unbedeutenden Teil der Biosphäre dar: Die gesamte Biomasse der Erde in Trockenmasse beträgt nur ein Hunderttausendstel Prozent der Masse der Erdkruste (2 ∙ 10 19 Tonnen). Es ist jedoch die lebende Materie, die eine entscheidende Rolle bei der Bildung der „kulturellen“ Schicht der Erdkruste und bei der Umsetzung eines groß angelegten Staffellaufs von Substanzen und chemischen Elementen zwischen einer Vielzahl lebender Organismen spielt. Dies ist auf eine Reihe spezifischer Merkmale lebender Materie zurückzuführen.

Stoffwechsel (Stoffwechsel). Der Stoffwechsel in einem lebenden Organismus ist die Gesamtheit aller Stoff- und Energieumwandlungen im Prozess biochemischer Reaktionen, die kontinuierlich im Körper ablaufen.

Der kontinuierliche Stoffaustausch zwischen einem lebenden Organismus und seiner Umwelt ist das wesentlichste Merkmal des Lebens.

Die Hauptindikatoren für den Stoffwechsel des Körpers mit der äußeren Umgebung sind Menge, Zusammensetzung und Kaloriengehalt der Nahrung, die Menge an Wasser und Sauerstoff, die ein lebender Organismus verbraucht, sowie der Grad, in dem der Körper diese Stoffe und die Energie davon nutzt Essen. Der Stoffwechsel basiert auf den Prozessen der Assimilation (Umwandlung von Substanzen, die von außen in den Körper gelangen) und Dissimilation (Zersetzung organischer Substanzen, die durch die Notwendigkeit verursacht werden, Energie für das Funktionieren des Körpers freizusetzen).

Thermodynamische Nichtgleichgewichtsstabilität. Gemäß dem zweiten Hauptsatz (Hauptsatz) der Thermodynamik reicht für die Verrichtung von Arbeit das Vorhandensein von Energie allein nicht aus, sondern es ist auch das Vorhandensein einer Potentialdifferenz bzw. von Energieniveaus erforderlich. Die Entropie ist ein Maß für den „Verlust“ der Potentialdifferenz durch jedes Energiesystem und dementsprechend ein Maß für den Verlust der Fähigkeit dieses Systems, Arbeit zu produzieren.

Bei Prozessen in der unbelebten Natur führt die Arbeitsleistung zu einer Erhöhung der Entropie des Systems. Somit bestimmt bei der Wärmeübertragung die Richtung des Prozesses eindeutig den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: von einem stärker erhitzten Körper zu einem weniger erhitzten. In einem System mit einem Temperaturunterschied von Null (bei gleicher Temperatur der Körper) wird maximale Entropie beobachtet.

Lebende Materie und lebende Organismen wirken im Gegensatz zur unbelebten Natur diesem Gesetz entgegen. Da sie sich nie im Gleichgewicht befinden, arbeiten sie ständig gegen dessen Etablierung, die, wie es scheint, rechtlich als Entsprechung zu den bestehenden äußeren Bedingungen erfolgen sollte. Lebende Organismen verbrauchen ständig Energie, um den spezifischen Zustand des lebenden Systems aufrechtzuerhalten. Dieses wichtigste Merkmal ist in der Literatur als Bauer-Prinzip oder Prinzip des stabilen Ungleichgewichts lebender Systeme bekannt. Dieses Prinzip zeigt, dass lebende Organismen offene Nichtgleichgewichtssysteme sind, die sich von unbelebten dadurch unterscheiden, dass sie sich in Richtung abnehmender Entropie entwickeln.

Dieses Merkmal ist charakteristisch für die Biosphäre als Ganzes, die ebenfalls ein dynamisches Nichtgleichgewichtssystem ist. Die lebende Materie des Systems ist ein Träger enormer potentieller Energie,

Die Fähigkeit zur Selbstreproduktion und die hohe Intensität der Biomasseakkumulation. Lebewesen zeichnet sich durch den ständigen Wunsch aus, die Zahl ihrer Individuen zu erhöhen und sich zu vermehren. Lebewesen, einschließlich des Menschen, streben danach, den gesamten für Leben akzeptablen Raum auszufüllen. Die Intensität der Fortpflanzung lebender Organismen, ihres Wachstums und der Ansammlung von Biomasse ist recht hoch. Die Reproduktionsrate lebender Organismen ist in der Regel umgekehrt proportional zu ihrer Größe. Die Vielfalt der Größen lebender Organismen ist ein weiteres Merkmal der belebten Natur.

Hohe Stoffwechselreaktionsraten in lebenden Organismen, die drei bis vier Größenordnungen höher sind als die Reaktionsraten in der unbelebten Natur, sind auf die Beteiligung biologischer Beschleuniger – Enzyme – an Stoffwechselprozessen zurückzuführen. Um jedoch jede Biomasseeinheit zu vergrößern oder eine Energieeinheit anzusammeln, muss ein lebender Organismus die anfängliche Masse in Mengen verarbeiten, die ein oder zwei Größenordnungen höher sind als die akkumulierte Masse.

Fähigkeit zur Vielfalt, Erneuerung und Weiterentwicklung. Die lebende Materie der Biosphäre zeichnet sich durch unterschiedliche, im kosmischen Maßstab sehr kurze Lebenszyklen aus. Die Lebensdauer von Lebewesen reicht von mehreren Stunden (und sogar Minuten) bis zu Hunderten von Jahren. Im Verlauf ihrer Lebenstätigkeit durchdringen Organismen Atome chemischer Elemente der Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre, sortieren sie und binden chemische Elemente in Form spezifischer Substanzen der Biomasse eines bestimmten Organismustyps. Darüber hinaus zeichnet sich die belebte Natur auch im Rahmen der biochemischen Einheitlichkeit und Einheit der organischen Welt (alle modernen lebenden Organismen bestehen hauptsächlich aus Proteinen) durch ihre enorme morphologische Vielfalt und Vielfalt der Materieformen aus. Insgesamt gibt es mehr als 2 Millionen organische Verbindungen, aus denen lebende Materie besteht. Zum Vergleich stellen wir fest, dass die Zahl der natürlichen Verbindungen (Mineralien) unbelebter Materie nur etwa 2.000 beträgt. Auch die morphologische Vielfalt der lebenden Natur ist groß: Das Pflanzenreich auf der Erde umfasst fast 500.000 Arten und Tiere - 1 Million 500 tausend.

Ein innerhalb eines Lebenszyklus gebildeter lebender Organismus verfügt über begrenzte Anpassungsfähigkeiten an veränderte Umweltbedingungen. Der relativ kurze Lebenszyklus lebender Organismen trägt jedoch zu ihrer ständigen Erneuerung von Generation zu Generation bei, indem er die von jeder Generation gesammelten Informationen über den genetischen Erbapparat überträgt und diese Informationen von der nächsten Generation berücksichtigt. Aus dieser Sicht ist die kurze Lebensdauer von Organismen einer Generation der Preis, den sie für das Überleben der gesamten Art in einer sich ständig verändernden äußeren Umgebung zahlen.

Der Evolutionsprozess ist hauptsächlich für höhere Organismen charakteristisch.

Kollektivität der Existenz. Lebende Materie existiert auf der Erde tatsächlich in Form von Biozönosen und nicht in Form einzelner isolierter Arten (Populationen). Die Verbindung der Populationen ist auf ihre trophischen (Nahrungs-)Abhängigkeiten voneinander zurückzuführen, ohne die die Existenz dieser Arten unmöglich ist.

Dies sind die wichtigsten qualitativen Merkmale der lebenden Materie, die am biologischen Stoffkreislauf der Biosphäre beteiligt ist. Quantitativ gesehen ist die Intensität der Biomasseakkumulation in der Biosphäre so groß, dass im Durchschnitt alle acht Jahre die gesamte lebende Materie in der Biosphäre der Erde erneuert wird. Nach Abschluss ihres Lebenszyklus geben Organismen alles an die Natur zurück, was sie ihr im Laufe ihres Lebens entnommen haben.

Zu den Hauptfunktionen lebender Materie in der Biosphäre, die vom heimischen Geologen A. V. Lapo (1979) formuliert wurden, gehören Energie (Biosynthese mit Energieakkumulation und Energieumwandlung in trophischen Ketten), Konzentration (selektive Ansammlung von Materie), Zerstörung (Mineralisierung und Vorbereitung von Stoffe zur Aufnahme in den Kreislauf), umweltbildende (Änderung physikalischer und chemischer Parameter der Umwelt) und Transportfunktionen (Stofftransport).

SIND ÖKOSYSTEME EFFIZIENZ?

Versuchen wir nun, die Frage zu beantworten: Ist es möglich, die Wirksamkeit des biologischen Stoffkreislaufs unter dem Gesichtspunkt der Befriedigung der Ernährungsbedürfnisse des Menschen als oberstes trophisches Glied dieses Kreislaufs zu beurteilen?

Eine ungefähre Antwort auf die gestellte Frage kann auf der Grundlage eines energetischen Ansatzes zur Analyse biologischer Kreislaufprozesse und der Untersuchung des Energietransfers und der Produktivität natürlicher Ökosysteme erhalten werden. Unterliegen die Stoffe des Kreislaufs nämlich kontinuierlichen qualitativen Veränderungen, dann verschwindet die Energie dieser Stoffe nicht, sondern verteilt sich in gerichteten Strömen. Bei der Übertragung von einer trophischen Ebene des biologischen Kreislaufs auf eine andere wird biochemische Energie nach und nach umgewandelt und abgebaut. Die Umwandlung der Energie der Materie auf trophischen Ebenen erfolgt nicht willkürlich, sondern nach bekannten Mustern und wird daher im Rahmen einer bestimmten Biogeozänose gesteuert.

Der Begriff „Biogeozänose“ ähnelt dem Begriff „Ökosystem“, ersterer trägt jedoch eine strengere semantische Belastung. Wenn ein Ökosystem fast jeder autonom existierende natürliche oder künstliche Biokomplex (Ameisenhaufen, Aquarium, Sumpf, toter Baumstamm, Wald, See, Ozean, Biosphäre der Erde, Raumschiffkabine usw.) genannt wird, dann ist Biogeozänose eine der qualitativen Ebenen von Das Ökosystem wird durch die Grenzen seiner obligatorischen Pflanzengemeinschaft (Phytozönose) festgelegt. Ein Ökosystem ist, wie jede stabile Gruppe lebender Organismen, die miteinander interagieren, eine Kategorie, die auf jedes biologische System nur auf der Ebene des Supraorganismus anwendbar ist, d. h. ein einzelner Organismus kann kein Ökosystem sein.

Der biologische Stoffkreislauf ist ein integraler Bestandteil der Biogeozänose der Erde. Innerhalb spezifischer lokaler Biogeozänosen ist eine biologische Stoffzirkulation möglich, aber nicht erforderlich.

Energieverbindungen gehen in der Biogeozänose immer mit trophischen Verbindungen einher. Zusammen bilden sie die Grundlage jeder Biogeozänose. Generell lassen sich fünf trophische Ebenen der Biogeozänose unterscheiden (siehe Tabelle und Abb. 2), durch die alle ihre Komponenten sequentiell entlang der Kette verteilt sind. Typischerweise werden in Biogeozänosen mehrere solcher Ketten gebildet, die sich mehrfach verzweigen und kreuzen und komplexe Nahrungsnetzwerke (trophische Netzwerke) bilden.

Trophische Ebenen und Nahrungsketten in der Biogeozänose

Organismen der ersten trophischen Ebene – Primärproduzenten, sogenannte Autotrophe (Selbsternährung) und einschließlich Mikroorganismen und höhere Pflanzen – führen die Prozesse der Synthese organischer Substanzen aus anorganischen Substanzen durch. Als Energiequelle für diesen Prozess nutzen Autotrophe entweder leichte Sonnenenergie (Phototrophe) oder die Energie der Oxidation bestimmter Mineralverbindungen (Chemotrophe). Phototrophe Menschen gewinnen den für die Synthese notwendigen Kohlenstoff aus Kohlendioxid.

Herkömmlicherweise kann der Prozess der Photosynthese in grünen Pflanzen (niedriger und höher) in Form der folgenden chemischen Reaktion beschrieben werden:

Letztendlich wird organische Substanz (hauptsächlich Kohlenhydrate) aus energiearmen anorganischen Substanzen (Kohlendioxid, Wasser, Mineralsalze, Mikroelemente) synthetisiert, die der Energieträger ist, der in den chemischen Bindungen der gebildeten Substanz gespeichert ist. Bei dieser Reaktion werden 673 kcal Sonnenenergie benötigt, um ein Gramm Molekül einer Substanz (180 g Glucose) zu bilden.

Die Effizienz der Photosynthese hängt direkt von der Intensität der Lichteinstrahlung der Pflanzen ab. Im Durchschnitt beträgt die Strahlungsenergie der Sonne auf der Erdoberfläche etwa 130 W/m2. In diesem Fall ist nur ein Teil der im Wellenlängenbereich von 0,38 bis 0,71 Mikrometer enthaltenen Strahlung photosynthetisch aktiv. Ein erheblicher Teil der Strahlung, die auf ein Pflanzenblatt oder eine Wasserschicht mit Mikroalgen fällt, wird reflektiert oder geht nutzlos durch das Blatt oder die Schicht hindurch, und die absorbierte Strahlung wird größtenteils für die Verdunstung von Wasser während der Pflanzentranspiration aufgewendet.

Infolgedessen beträgt die durchschnittliche Energieeffizienz des Photosyntheseprozesses der gesamten Pflanzendecke der Erde etwa 0,3 % der Energie des auf die Erde einfallenden Sonnenlichts. Unter günstigen Bedingungen für das Wachstum grüner Pflanzen und mit menschlicher Hilfe können einzelne Plantagen Lichtenergie mit einem Wirkungsgrad von 5–10 % binden.

Organismen nachfolgender trophischer Ebenen (Konsumenten), bestehend aus heterotrophen (tierischen) Organismen, sichern letztlich ihren Lebensunterhalt auf Kosten der in der ersten trophischen Ebene angesammelten pflanzlichen Biomasse. Die in pflanzlicher Biomasse gespeicherte chemische Energie kann durch die umgekehrte Verbindung von Kohlenhydraten mit Sauerstoff freigesetzt, in Wärme umgewandelt und an die Umwelt abgegeben werden. Tiere verwenden pflanzliche Biomasse als Nahrung und unterziehen sie während der Atmung einer Oxidation. In diesem Fall findet der umgekehrte Prozess der Photosynthese statt, bei dem Nahrungsenergie freigesetzt und mit einer gewissen Effizienz für das Wachstum und die lebenswichtige Aktivität eines heterotrophen Organismus aufgewendet wird.

Quantitativ gesehen sollte bei einer Biogeozänose die pflanzliche Biomasse der tierischen Biomasse „voraus“ sein, in der Regel um mindestens zwei Größenordnungen. Somit übersteigt die Gesamtbiomasse der Tiere auf dem Erdboden nicht 1–3 % der pflanzlichen Biomasse.

Die Intensität des Energiestoffwechsels eines heterotrophen Organismus hängt von seiner Masse ab. Mit zunehmender Körpergröße sinkt der Stoffwechsel, berechnet pro Gewichtseinheit und ausgedrückt in der pro Zeiteinheit aufgenommenen Sauerstoffmenge, merklich. Darüber hinaus besteht im relativen Ruhezustand (Standardstoffwechsel) die Abhängigkeit der Stoffwechselrate des Tieres von seiner Masse, die die Form einer Funktion hat y = Ax k (X– Gewicht des Tieres, A Und k- Koeffizienten) erweist sich sowohl für Organismen derselben Art, die ihre Größe während des Wachstums ändern, als auch für Tiere mit unterschiedlichem Gewicht, die jedoch eine bestimmte Gruppe oder Klasse repräsentieren, als gültig.

Gleichzeitig unterscheiden sich die Indikatoren des Stoffwechselniveaus verschiedener Tiergruppen bereits deutlich voneinander. Diese Unterschiede sind besonders wichtig für Tiere mit einem aktiven Stoffwechsel, der durch einen Energieaufwand für die Muskelarbeit, insbesondere für motorische Funktionen, gekennzeichnet ist.

Die Energiebilanz eines tierischen Organismus (Verbraucher jeglicher Ebene) für einen bestimmten Zeitraum kann allgemein durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

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

Wo E– Energie (Kaloriengehalt) der Nahrung (kcal pro Tag), E 1 – Grundumsatzenergie, E 2 – Energieverbrauch des Körpers, E 3 – Energie der „sauberen“ Produktion des Körpers, E 4 – Energie ungenutzter Nahrungsstoffe, E 5 – Energie von Exkrementen und Körpersekreten.

Nahrung ist die einzige normale Energiequelle, die in den tierischen und menschlichen Körper gelangt und seine lebenswichtigen Funktionen gewährleistet. Der Begriff „Nahrung“ hat für verschiedene tierische Organismen unterschiedliche qualitative Inhalte und umfasst nur solche Stoffe, die von einem bestimmten lebenden Organismus konsumiert und verwertet werden. sind für ihn notwendig.

Größe E Für einen Menschen sind es durchschnittlich 2500 kcal pro Tag. Grundstoffwechselenergie E 1 stellt die Stoffwechselenergie im Zustand völliger Ruhe des Körpers und ohne Verdauungsprozesse dar. Sie dient der Aufrechterhaltung des Lebens im Körper, ist abhängig von der Größe der Körperoberfläche und wird in Wärme umgewandelt, die der Körper an die Umgebung abgibt. Quantitative Indikatoren E 1 wird üblicherweise in spezifischen Einheiten pro 1 kg Masse oder 1 m 2 Körperoberfläche ausgedrückt. Ja, für eine Person E 1 sind 32,1 kcal pro Tag pro 1 kg Körpergewicht. Pro Flächeneinheit E 1 verschiedene Organismen (Säugetiere) sind praktisch gleich.

Komponente E 2 umfasst den Energieverbrauch des Körpers für die Thermoregulation bei Änderungen der Umgebungstemperatur sowie für verschiedene Arten von Aktivitäten und Körperarbeit: Kauen, Verdauung und Aufnahme von Nahrungsmitteln, Muskelarbeit beim Bewegen des Körpers usw. Nach der Menge E 2 Die Umgebungstemperatur hat einen wesentlichen Einfluss. Wenn die Temperatur vom für den Körper optimalen Niveau ansteigt und abfällt, ist ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich, um sie zu regulieren. Besonders entwickelt ist der Prozess der Regulierung der konstanten Körpertemperatur bei Warmblütern und Menschen.

Komponente E 3 besteht aus zwei Teilen: der Wachstumsenergie der eigenen Biomasse (oder Population) des Organismus und der Energie der zusätzlichen Produktion.

Eine Zunahme der eigenen Biomasse erfolgt in der Regel sowohl bei einem jungen, wachsenden Organismus, der ständig an Gewicht zunimmt, als auch bei einem Organismus, der Reservenährstoffe bildet. Dieser Teil der Komponente E 3 kann gleich Null sein und bei Nahrungsmangel (der Körper verliert an Gewicht) auch negative Werte annehmen.

Die Energie der zusätzlichen Produktion ist in Substanzen enthalten, die der Körper zur Fortpflanzung, zum Schutz vor Feinden usw. produziert.

Jeder Mensch ist auf die Mindestmenge an Produkten beschränkt, die im Laufe seines Lebens entstehen. Eine relativ hohe Entstehungsrate von Sekundärprodukten kann als Indikator von 10–15 % (des verzehrten Futters) angesehen werden, was beispielsweise für Heuschrecken charakteristisch ist. Der gleiche Indikator liegt bei Säugetieren, die viel Energie für die Thermoregulation aufwenden, bei 1 – 2 %.

Komponente E 4 ist die Energie, die in Nahrungssubstanzen enthalten ist, die vom Körper nicht genutzt wurden und aus dem einen oder anderen Grund nicht in den Körper gelangt sind.

Energie E 5, das in Körpersekreten als Folge einer unvollständigen Verdauung und Assimilation der Nahrung enthalten ist, liegt zwischen 30–60 % der aufgenommenen Nahrung (bei großen Huftieren) und 1–20 % (bei Nagetieren).

Die Effizienz der Energieumwandlung durch einen tierischen Organismus wird quantitativ durch das Verhältnis der Netto-(Sekundär-)Produktion zur Gesamtmenge der aufgenommenen Nahrung bzw. das Verhältnis der Netto-Produktion zur Menge der verdauten Nahrung bestimmt. In einer Nahrungskette beträgt die Effizienz (Effizienz) jedes trophischen Glieds (Ebene) durchschnittlich etwa 10 %. Dies bedeutet, dass auf jeder weiteren trophischen Ebene eines Lebensmittelziels Produkte gebildet werden, deren Kaloriengehalt (oder Masse) 10 % der Energie des vorherigen nicht überschreitet. Mit solchen Indikatoren wird die Gesamteffizienz der Nutzung primärer Solarenergie in der Nahrungskette eines Ökosystems mit vier Ebenen nur einen kleinen Bruchteil eines Prozents betragen: im Durchschnitt nur 0,001 %.

Trotz des scheinbar geringen Wertes der Gesamteffizienz der Produktionsreproduktion versorgt sich die Mehrheit der Erdbevölkerung vollständig mit einer ausgewogenen Ernährung nicht nur von Primär-, sondern auch von Sekundärproduzenten. Was den einzelnen lebenden Organismus betrifft, so ist die Effizienz der Nahrungs-(Energie-)Nutzung in einigen von ihnen recht hoch und übersteigt die Effizienzindikatoren vieler technischer Mittel. Ein Schwein wandelt beispielsweise 20 % der aufgenommenen Nahrungsenergie in kalorienreiches Fleisch um.

Die Effizienz der Nutzung der durch Lebensmittel bereitgestellten Energie durch Verbraucher wird in der Ökologie üblicherweise anhand ökologischer Energiepyramiden bewertet. Das Wesen solcher Pyramiden ist eine visuelle Darstellung der Glieder der Nahrungskette in Form einer untergeordneten Anordnung übereinander liegender Rechtecke, deren Länge bzw. Fläche dem Energieäquivalent der entsprechenden trophischen Ebene pro entspricht Zeiteinheit. Zur Charakterisierung von Nahrungsketten werden auch Zahlenpyramiden (die Flächen der Rechtecke entsprechen der Anzahl der Individuen auf jeder Ebene der Nahrungskette) und Biomassepyramiden (dasselbe im Verhältnis zur Gesamtbiomasse der Organismen auf jeder Ebene) verwendet Ebene).

Die Energiepyramide bietet jedoch das umfassendste Bild der funktionalen Organisation biologischer Gemeinschaften innerhalb einer bestimmten Nahrungskette, da sie es ermöglicht, die Dynamik des Durchgangs von Nahrungsbiomasse durch diese Kette zu berücksichtigen.

KÜNSTLICHE UND NATÜRLICHE BIOSPHÄRENÖKOSYSTEME: ÄHNLICHKEITEN UND UNTERSCHIEDE

K. E. Tsiolkovsky war der erste, der vorschlug, in einer Weltraumrakete ein geschlossenes System für die Zirkulation aller für das Leben der Besatzung notwendigen Substanzen, also ein geschlossenes Ökosystem, zu schaffen. Er glaubte, dass in einem Raumschiff alle grundlegenden Prozesse der Stoffumwandlung, die in der Biosphäre der Erde stattfinden, im Miniaturformat reproduziert werden sollten. Allerdings existierte dieser Vorschlag fast ein halbes Jahrhundert lang als Science-Fiction-Hypothese.

In den späten 50er und frühen 60er Jahren entwickelten sich in den USA, der UdSSR und einigen anderen Ländern rasch praktische Arbeiten zur Schaffung künstlicher Weltraumökosysteme auf der Grundlage der Prozesse des biologischen Stoffkreislaufs. Es besteht kein Zweifel, dass dies durch die Erfolge der Raumfahrt ermöglicht wurde, die mit dem Start des ersten künstlichen Erdsatelliten im Jahr 1957 das Zeitalter der Weltraumforschung einläutete.

In den folgenden Jahren, als diese Arbeiten erweitert und vertieft wurden, konnten die meisten Forscher davon überzeugt werden, dass sich das gestellte Problem als viel komplexer herausstellte als ursprünglich angenommen. Dafür war nicht nur die Durchführung bodengestützter, sondern auch weltraumgestützter Forschung erforderlich, was wiederum einen erheblichen materiellen und finanziellen Aufwand erforderte und durch den Mangel an großen Raumfahrzeugen oder Forschungsstationen erschwert wurde. Dennoch wurden in der UdSSR in dieser Zeit separate terrestrische experimentelle Proben von Ökosystemen geschaffen, wobei einige biologische Verbindungen und Menschen in den aktuellen Zyklus der Stoffzirkulation dieser Systeme einbezogen wurden. Außerdem wurde eine Reihe wissenschaftlicher Studien durchgeführt, um Technologien für die Kultivierung biologischer Objekte in der Schwerelosigkeit an Bord von Weltraumsatelliten, Schiffen und Stationen zu entwickeln: „Cosmos-92“, „Cosmos-605“, „Cosmos-782“, „Cosmos-936“. “, „Salyut-6“ und andere. Die heutigen Forschungsergebnisse ermöglichen es uns, einige Bestimmungen zu formulieren, die als Grundlage für den Aufbau zukünftiger geschlossener Weltraumökosysteme und biologischer Lebenserhaltungssysteme für Astronauten dienen.

Was haben also große künstliche Weltraumökosysteme und die natürliche Biosphäre gemeinsam? Ökosysteme? Dies ist zunächst einmal ihre relative Isolation, ihre Hauptfiguren sind Menschen und andere lebende biologische Einheiten, der biologische Stoffkreislauf und die Notwendigkeit einer Energiequelle.

Geschlossene Ökosysteme sind Systeme mit einem organisierten Kreislauf von Elementen, in denen Substanzen, die von einigen Einheiten mit einer bestimmten Geschwindigkeit für den biologischen Austausch verwendet werden, von anderen Einheiten mit der gleichen Durchschnittsgeschwindigkeit von den Endprodukten ihres Austauschs in ihren ursprünglichen Zustand regeneriert werden und wieder hergestellt werden in den gleichen Zyklen des biologischen Austauschs verwendet. (Gitelzon et al., 1975).

Gleichzeitig kann das Ökosystem geschlossen bleiben, ohne dass ein vollständiger Stoffkreislauf erreicht wird, wodurch ein Teil der Stoffe aus zuvor geschaffenen Reserven irreversibel verbraucht wird.

Das natürliche terrestrische Ökosystem ist materiell praktisch geschlossen, da nur terrestrische Substanzen und chemische Elemente an den Zirkulationskreisläufen teilnehmen (der Anteil der kosmischen Materie, der jährlich auf die Erde fällt, beträgt nicht mehr als 2 × 10–14 Prozent der Erdmasse). Der Grad der Beteiligung irdischer Stoffe und Elemente an sich immer wieder wiederholenden chemischen Zyklen des Erdkreislaufs ist recht hoch und gewährleistet, wie bereits erwähnt, die Reproduktion einzelner Zyklen um 90–98 %.

In einem künstlichen geschlossenen Ökosystem ist es unmöglich, die gesamte Vielfalt der Prozesse in der Biosphäre der Erde nachzubilden. Dies sollte jedoch nicht angestrebt werden, da die Biosphäre als Ganzes nicht als Ideal eines künstlichen geschlossenen Ökosystems mit dem Menschen dienen kann, das auf dem biologischen Stoffkreislauf basiert. Es gibt eine Reihe grundlegender Unterschiede, die den biologischen Kreislauf von Substanzen charakterisieren, die in einem begrenzten geschlossenen Raum künstlich zur Lebenserhaltung des Menschen erzeugt werden.

Was sind diese Hauptunterschiede?

Das Ausmaß des künstlichen biologischen Stoffkreislaufs als Mittel zur Sicherung des menschlichen Lebens auf engstem Raum kann nicht mit dem Ausmaß des biologischen Kreislaufs der Erde verglichen werden, obwohl die Grundgesetze den Ablauf und die Effizienz von Prozessen in ihren einzelnen biologischen Verbindungen bestimmen kann zur Charakterisierung ähnlicher Verbindungen in einem künstlichen Ökosystem angewendet werden. In der Biosphäre der Erde sind die Akteure fast 500.000 Pflanzenarten und 1,5 Millionen Tierarten, die in der Lage sind, sich unter bestimmten kritischen Umständen (z. B. dem Tod einer Art oder Population) gegenseitig zu ersetzen und so die Stabilität der Biosphäre aufrechtzuerhalten. In einem künstlichen Ökosystem sind die Repräsentativität der Arten und die Anzahl der Individuen sehr begrenzt, was die „Verantwortung“ jedes im künstlichen Ökosystem enthaltenen lebenden Organismus stark erhöht und erhöhte Anforderungen an seine biologische Stabilität unter extremen Bedingungen stellt.

In der Biosphäre der Erde basiert die Zirkulation von Stoffen und chemischen Elementen auf einer Vielzahl unterschiedlicher, unabhängiger und kreuzweiser, zeitlich und räumlich nicht koordinierter Kreisläufe, die jeweils mit ihrer eigenen charakteristischen Geschwindigkeit ablaufen. In einem künstlichen Ökosystem ist die Anzahl solcher Zyklen begrenzt, die Rolle jedes Zyklus im Stoffkreislauf; um ein Vielfaches ansteigt und die vereinbarten Geschwindigkeiten der Prozesse im System als notwendige Voraussetzung für den nachhaltigen Betrieb eines biologischen Lebenserhaltungssystems strikt eingehalten werden müssen.

Das Vorhandensein von Sackgassenprozessen in der Biosphäre hat keinen wesentlichen Einfluss auf den natürlichen Stoffkreislauf, da auf der Erde erstmals noch erhebliche Mengen an Stoffreserven am Kreislauf beteiligt sind. Darüber hinaus ist die Masse der Stoffe in Sackgassenprozessen unermesslich geringer als die Pufferkapazitäten der Erde. Im künstlichen Weltraum-LSS führen die stets bestehenden allgemeinen Beschränkungen von Masse, Volumen und Energieverbrauch zu entsprechenden Beschränkungen der Masse der am Kreislauf biologischer LSS beteiligten Stoffe. Das Vorhandensein oder die Bildung eines Sackgassenprozesses verringert in diesem Fall die Effizienz des Gesamtsystems erheblich, verringert den Indikator seiner Geschlossenheit, erfordert einen angemessenen Ausgleich aus den Reserven an Ausgangsstoffen und damit eine Erhöhung dieser Reserven Im System.

Das wichtigste Merkmal des biologischen Stoffkreislaufs in den betrachteten künstlichen Ökosystemen ist die bestimmende Rolle des Menschen für die qualitativen und quantitativen Eigenschaften des Stoffkreislaufs. Die Zirkulation erfolgt in diesem Fall letztlich im Interesse der Befriedigung der Bedürfnisse der Person (Besatzung), die die Hauptantriebskraft ist. Die übrigen biologischen Objekte erfüllen die Funktion der Erhaltung der menschlichen Umwelt. Auf dieser Grundlage werden jeder biologischen Art in einem künstlichen Ökosystem optimale Existenzbedingungen geboten, um eine maximale Produktivität der Art zu erreichen. In der Biosphäre der Erde wird die Intensität von Biosyntheseprozessen hauptsächlich durch den Fluss der Sonnenenergie in eine bestimmte Region bestimmt. In den meisten Fällen sind diese Möglichkeiten begrenzt: Die Intensität der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ist etwa zehnmal geringer als außerhalb der Erdatmosphäre. Darüber hinaus muss sich jeder lebende Organismus zum Überleben und zur Entwicklung ständig an die Lebensbedingungen anpassen, sich um die Nahrungssuche kümmern und dafür einen erheblichen Teil seiner Lebensenergie aufwenden. Daher kann die Intensität der Biosynthese in der Biosphäre der Erde im Hinblick auf die Hauptfunktion biologischer lebenserhaltender Flüssigkeiten – die Befriedigung der menschlichen Ernährungsbedürfnisse – nicht als optimal angesehen werden.

Im Gegensatz zur Biosphäre der Erde schließen künstliche Ökosysteme großflächige abiotische Prozesse und Faktoren aus, die eine spürbare, aber oft blinde Rolle bei der Bildung der Biosphäre und ihrer Elemente spielen (Wetter- und Klimaeinflüsse, erschöpfte Böden und ungeeignete Gebiete, chemische Eigenschaften von Wasser, usw.).

Diese und andere Unterschiede tragen dazu bei, eine deutlich höhere Effizienz der Stoffumwandlung in künstlichen Ökosystemen, eine höhere Geschwindigkeit bei der Umsetzung von Zirkulationszyklen und höhere Effizienzwerte des menschlichen biologischen Lebenserhaltungssystems zu erreichen.

ÜBER BIOLOGISCHE LEBENSERHALTUNGSSYSTEME FÜR RAUMBESATZUNGEN

Biologische Lebenserhaltung ist ein künstlicher Satz speziell ausgewählter, miteinander verbundener und voneinander abhängiger biologischer Objekte (Mikroorganismen, höhere Pflanzen, Tiere), Verbrauchsstoffe und technischer Mittel, die in einem begrenzten geschlossenen Raum die grundlegenden physiologischen Bedürfnisse eines Menschen nach Nahrung, Wasser und Sauerstoff decken , hauptsächlich auf der Grundlage eines nachhaltigen biologischen Stoffkreislaufs.

Die notwendige Kombination von lebenden Organismen (Bioobjekten) und technischen Mitteln in biologischen Lebenserhaltungssystemen ermöglicht es uns, diese Systeme auch als biotechnisch zu bezeichnen. Unter technischen Mitteln werden in diesem Fall Subsysteme, Blöcke und Geräte verstanden, die die erforderlichen Bedingungen für das normale Leben der im Biokomplex enthaltenen biologischen Objekte bereitstellen (Zusammensetzung, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Gasumgebung, Beleuchtung des Wohnraums, Sanitäranlagen). und hygienische Indikatoren der Wasserqualität, betriebliche Sammlung, Verarbeitung oder Abfallentsorgung usw.). Zu den wichtigsten technischen Mitteln der biologischen Lebenserhaltung gehören Subsysteme zur Energieversorgung und Energieumwandlung in Licht, Regulierung und Aufrechterhaltung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre in einem begrenzten geschlossenen Raum, Temperaturkontrolle, Raumgewächshäuser, Küchen sowie Mittel zur physikalischen und chemischen Regeneration von Wasser und Luft, Aufbereitungs-, Transport- und Mineralisierungsgeräten Abfälle usw. Eine Reihe von Prozessen zur Regeneration von Stoffen im System können auch mit physikalisch-chemischen Methoden effektiv durchgeführt werden (siehe Abbildung auf Seite 52).

Biologische Objekte von LSS bilden zusammen mit Menschen einen Biokomplex. Die Art und zahlenmäßige Zusammensetzung der im Biokomplex enthaltenen lebenden Organismen wird so bestimmt, dass über den gesamten festgelegten Zeitraum ein stabiler, ausgewogener und kontrollierter Stoffwechsel zwischen der Besatzung und den lebenden Organismen des Biokomplexes gewährleistet werden kann. Die Abmessungen (Maßstab) des Biokomplexes und die Anzahl der im Biokomplex vertretenen Arten lebender Organismen hängen von der erforderlichen Produktivität, dem Grad der Schließung des Lebenserhaltungssystems ab und werden im Zusammenhang mit den spezifischen technischen und energetischen Möglichkeiten des Raums festgelegt Struktur, Betriebsdauer und Anzahl der Besatzungsmitglieder. Die Prinzipien für die Auswahl lebender Organismen in einem Biokomplex können der Ökologie natürlicher Landgemeinschaften und verwalteter Biogeozänosen entlehnt werden, basierend auf den etablierten trophischen Beziehungen biologischer Objekte.

Die Auswahl biologischer Arten für die Bildung trophischer Kreisläufe biologischer lebenserhaltender Flüssigkeiten ist die schwierigste Aufgabe.

Jedes biologische Objekt, das an einem biologischen lebenserhaltenden System beteiligt ist, benötigt für seine Lebensaktivität einen bestimmten Lebensraum (ökologische Nische), der nicht nur den rein physischen Raum, sondern auch eine Reihe notwendiger Lebensbedingungen für eine bestimmte biologische Art umfasst: die Sicherung ihres Weges Lebensweise, Ernährungsweise und Umweltbedingungen. Für das erfolgreiche Funktionieren lebender Organismen als Teil eines biologischen Lebenserhaltungssystems sollte daher das von ihnen eingenommene Raumvolumen nicht zu begrenzt sein. Mit anderen Worten: Es muss maximale Mindestabmessungen eines bemannten Raumfahrzeugs geben, unterhalb derer die Möglichkeit des Einsatzes biologischer lebenserhaltender Komponenten darin ausgeschlossen ist.

Im Idealfall sollte die gesamte ursprünglich gespeicherte Stoffmasse, die zur Lebenserhaltung der Besatzung und einschließlich aller lebenden Bewohner bestimmt ist, an der Stoffzirkulation innerhalb dieses Weltraumobjekts teilnehmen, ohne zusätzliche Masse in dieses einzubringen. Gleichzeitig ist ein solches geschlossenes biologisches Lebenserhaltungssystem mit der Regeneration aller für den Menschen notwendigen Stoffe und einer unbegrenzten Betriebszeit heute eher theoretisch als ein praktisch reales System, wenn man die betrachteten Varianten davon berücksichtigt für Weltraumexpeditionen in naher Zukunft.

Im thermodynamischen (energetischen) Sinne kann kein Ökosystem geschlossen werden, da ein ständiger Energieaustausch zwischen den lebenden Teilen des Ökosystems und dem umgebenden Raum eine notwendige Voraussetzung für seine Existenz ist. Die Sonne kann als Quelle kostenloser Energie für biologische Lebenserhaltungssysteme von Raumfahrzeugen im zirkumsolaren Raum dienen. Der Bedarf an einer erheblichen Energiemenge für das Funktionieren großer biologischer Lebenserhaltungssysteme erfordert jedoch wirksame technische Lösungen für das Problem Kontinuierliche Sammlung, Konzentration und Eingabe von Sonnenenergie in ein Raumfahrzeug sowie die anschließende Freisetzung von Energie mit niedrigem Potenzial in thermische Energie im Weltraum.

Eine besondere Frage, die sich im Zusammenhang mit dem Einsatz lebender Organismen in der Raumfahrt stellt, ist, wie sich eine längere Schwerelosigkeit auf sie auswirkt. Im Gegensatz zu anderen Faktoren der Raumfahrt und des Weltraums, deren Wirkung auf lebende Organismen auf der Erde nachgeahmt und untersucht werden kann, kann die Wirkung der Schwerelosigkeit nur in der Raumfahrt direkt bestimmt werden.

GRÜNE PFLANZEN ALS GRUNDGLIED DER BIOLOGISCHEN LEBENSERHALTUNGSSYSTEME

Höhere Landpflanzen gelten als die wichtigsten und wahrscheinlichsten Elemente des biologischen Lebenserhaltungssystems. Sie sind in der Lage, nicht nur nach den meisten Kriterien für den Menschen vollständige Nahrung zu produzieren, sondern auch Wasser und Atmosphäre zu regenerieren. Im Gegensatz zu Tieren sind Pflanzen in der Lage, Vitamine aus einfachen Verbindungen zu synthetisieren. Fast alle Vitamine werden in den Blättern und anderen grünen Pflanzenteilen gebildet.

Die Effizienz der Biosynthese höherer Pflanzen wird in erster Linie durch das Lichtregime bestimmt: Mit zunehmender Leistung des Lichtflusses steigt die Intensität der Photosynthese auf ein bestimmtes Niveau, wonach die Lichtsättigung der Photosynthese eintritt. Die maximale (theoretische) Effizienz der Photosynthese im Sonnenlicht beträgt 28 %. Unter realen Bedingungen kann er bei dichten Kulturen und guten Anbaubedingungen 15 % erreichen.

Die optimale Intensität der physiologischen (photosynthetisch aktiven) Strahlung (PAR), die eine maximale Photosynthese unter künstlichen Bedingungen gewährleistete, lag bei 150–200 W/m2 (Nichiporovich, 1966). Die Produktivität der Pflanzen (Sommerweizen, Gerste) erreichte 50 g Biomasse pro Tag und 1 m2 (bis zu 17 g Getreide pro 1 m2 und Tag). In anderen Experimenten, die durchgeführt wurden, um Lichtregime für den Anbau von Radieschen in geschlossenen Systemen auszuwählen, betrug der Ertrag an Hackfrüchten bis zu 6 kg pro 1 m 2 in 22 bis 24 Tagen mit einer biologischen Produktivität von bis zu 30 g Biomasse (in Trockengewicht). ) pro 1 m 2 pro Tag (Lisovsky, Shilenko, 1970). Zum Vergleich stellen wir fest, dass unter Feldbedingungen die durchschnittliche tägliche Produktivität der Pflanzen 10 g pro 1 m 2 beträgt.

Der Biokreislauf: „Höhere Pflanzen – Mensch“ wäre ideal für die Lebenserhaltung des Menschen, wenn man sich während eines langen Raumfluges mit der Ernährung nur von Proteinen und Fetten pflanzlichen Ursprungs zufrieden geben könnte und wenn Pflanzen alle menschlichen Abfälle erfolgreich mineralisieren und verwerten könnten.

Das Weltraumgewächshaus wird jedoch nicht in der Lage sein, alle Probleme des biologischen Lebenserhaltungssystems zu lösen. Es ist beispielsweise bekannt, dass höhere Pflanzen nicht in der Lage sind, die Teilnahme am Kreislauf einer Reihe von Stoffen und Elementen sicherzustellen. Daher wird Natrium von Pflanzen nicht verbraucht, so dass das Problem des NaCl-Kreislaufs (Speisesalz) offen bleibt. Ohne die Hilfe von Wurzelknöllchen-Bodenbakterien ist die Fixierung von molekularem Stickstoff durch Pflanzen nicht möglich. Es ist auch bekannt, dass gemäß den in der UdSSR genehmigten physiologischen Normen der menschlichen Ernährung mindestens die Hälfte der täglichen Nahrungsproteine ​​​​Proteine ​​​​tierischen Ursprungs und tierische Fette sein sollten – bis zu 75 % der Gesamtnorm Fette in der Ernährung.

Wenn der Kaloriengehalt des pflanzlichen Teils der Nahrung gemäß den genannten Standards 65 % des Gesamtkaloriengehalts der Nahrung beträgt (der durchschnittliche Kalorienwert der täglichen Nahrungsration eines Astronauten an der Station Saljut-6 betrug 3150 kcal). ), um dann die erforderliche Menge an pflanzlicher Biomasse zu erhalten, ein Gewächshaus mit einer geschätzten Fläche von mindestens 15 - 20 m2 für eine Person. Unter Berücksichtigung von Pflanzenabfällen, die nicht für Lebensmittel verwendet werden (ca. 50 %), sowie der Notwendigkeit eines Lebensmittelförderers für die kontinuierliche tägliche Vermehrung von Biomasse sollte die tatsächliche Fläche des Gewächshauses um mindestens 2–3 vergrößert werden mal.

Durch die zusätzliche Nutzung des ungenießbaren Teils der entstehenden Biomasse lässt sich die Effizienz eines Gewächshauses deutlich steigern. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Biomasse zu nutzen: Gewinnung von Nährstoffen durch Extraktion oder Hydrolyse, physikalisch-chemische oder biologische Mineralisierung, direkte Verwendung nach entsprechender Aufbereitung, Verwendung in Form von Tierfutter. Die Umsetzung dieser Methoden erfordert die Entwicklung entsprechender zusätzlicher technischer Mittel und Energiekosten, sodass die optimale Lösung nur unter Berücksichtigung der gesamten technischen und energetischen Indikatoren des gesamten Ökosystems erzielt werden kann.

In der Anfangsphase der Herstellung und Nutzung biologischer lebenserhaltender Flüssigkeiten sind bestimmte Fragen des gesamten Stoffkreislaufs noch nicht geklärt; ein Teil der Verbrauchsstoffe wird aus den an Bord des Raumfahrzeugs bereitgestellten Reserven entnommen. In diesen Fällen wird dem Gewächshaus die Aufgabe übertragen, die erforderliche Mindestmenge an frischen, vitaminhaltigen Kräutern zu reproduzieren. Ein Gewächshaus mit einer Pflanzfläche von 3–4 m2 kann den Vitaminbedarf einer Person vollständig decken. In solchen Ökosystemen, die auf der teilweisen Nutzung des Biokreislaufs höherer Pflanzen – des Menschen – basieren, wird die Hauptlast für die Regeneration von Stoffen und die Lebenserhaltung der Besatzung durch Systeme mit physikalisch-chemischen Verarbeitungsverfahren übernommen.

Der Begründer der praktischen Kosmonautik, S.P. Korolev, träumte von einer Raumfahrt ohne Einschränkungen. Nur ein solcher Flug würde laut S.P. Korolev den Sieg über die Elemente bedeuten. 1962 formulierte er eine Reihe vorrangiger Aufgaben für die Weltraumbiotechnologie wie folgt: „Wir müssen mit der Entwicklung eines „Gewächshauses nach Tsiolkovsky“ beginnen, mit schrittweise zunehmenden Verbindungen oder Blöcken, und wir müssen mit der Arbeit an „Weltraumernten“ beginnen. Wie ist die Zusammensetzung dieser Nutzpflanzen, welche Nutzpflanzen? Ihre Wirksamkeit, Nützlichkeit? Reversibilität (Wiederholbarkeit) von Ernten aus eigenem Saatgut, basierend auf der langfristigen Existenz des Gewächshauses? Welche Organisationen werden diese Arbeit durchführen: im Bereich der Pflanzenproduktion (und Fragen zu Boden, Feuchtigkeit usw.), im Bereich der Mechanisierung und der „Licht-Wärme-Solar“-Technologie und deren Regulierungssysteme für Gewächshäuser , usw.?"

Diese Formulierung spiegelt tatsächlich die wichtigsten wissenschaftlichen und praktischen Ziele wider, deren Erreichung und Lösung sichergestellt werden muss, bevor ein „Gewächshaus nach Ziolkowski“ entsteht, also ein Gewächshaus, das den Menschen mit den notwendigen frischen Lebensmitteln versorgt während eines langen Raumfluges. Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs sowie zur Reinigung von Wasser und Luft. Das Weltraumgewächshaus zukünftiger interplanetarer Raumfahrzeuge wird ein integraler Bestandteil ihres Designs sein. In einem solchen Gewächshaus müssen optimale Bedingungen für die Aussaat, das Wachstum, die Entwicklung und das Sammeln höherer Pflanzen geschaffen werden. Das Gewächshaus muss außerdem mit Geräten zur Lichtverteilung und Klimatisierung, Einheiten zur Aufbereitung, Verteilung und Zufuhr von Nährlösungen, zum Sammeln von Transpirationsfeuchtigkeit usw. ausgestattet sein. Sowjetische und ausländische Wissenschaftler arbeiten erfolgreich an der Schaffung solcher Großgewächshäuser für Raumfahrzeuge in naher Zukunft.

Der heutige Weltraumpflanzenanbau befindet sich noch im Anfangsstadium seiner Entwicklung und bedarf neuer Spezialforschung, da viele Fragen zur Reaktion höherer Pflanzen auf die extremen Bedingungen der Raumfahrt und vor allem auf Bedingungen der Schwerelosigkeit noch ungeklärt sind. Der Zustand der Schwerelosigkeit hat einen sehr erheblichen Einfluss auf viele physikalische Phänomene, auf die Lebensaktivität und das Verhalten lebender Organismen und sogar auf den Betrieb von Bordgeräten. Die Wirksamkeit des Einflusses der dynamischen Schwerelosigkeit lässt sich daher nur in sogenannten Full-Scale-Experimenten direkt an Bord orbitaler Raumstationen beurteilen.

Experimente mit Pflanzen unter natürlichen Bedingungen wurden zuvor auf den Saljut-Stationen und Satelliten der Cosmos-Serie (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 usw.) durchgeführt. Besonderes Augenmerk wurde auf Experimente zur Züchtung höherer Pflanzen gelegt. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Spezialgeräte verwendet, denen jeweils ein bestimmter Name gegeben wurde, zum Beispiel „Vazon“, „Svetoblok“, „Fiton“, „Biogravistat“ usw. Jedes Gerät war in der Regel dazu bestimmt ein Problem lösen. So diente eine kleine Zentrifuge „Biogravistat“ zur vergleichenden Beurteilung der Wachstumsprozesse von Sämlingen in der Schwerelosigkeit und im Bereich der Zentrifugalkräfte. Das Gerät „Vazon“ testete den Prozess des Zwiebelanbaus als Vitaminergänzung zur Ernährung der Astronauten. Im „Svetoblok“-Gerät blühte erstmals eine Arabidopsis-Pflanze, die in einer isolierten Kammer auf einem künstlichen Nährmedium gepflanzt wurde, unter Schwerelosigkeitsbedingungen, und im „Fiton“-Gerät wurden Arabidopsis-Samen gewonnen. In den Oasis-Forschungsanlagen wurde ein breiteres Spektrum an Problemen gelöst, bestehend aus Anbaueinheiten, Beleuchtung, Wasserversorgung, Zwangsbelüftung und einem telemetrischen Temperaturkontrollsystem. In der Installation „Oasis“ wurden Anbauregime mit Elektrostimulation an Erbsen- und Weizenpflanzen getestet, um den Einfluss ungünstiger Faktoren, die mit der fehlenden Schwerkraft einhergehen, zu reduzieren.

Eine Reihe von Experimenten mit höheren Pflanzen unter Raumfahrtbedingungen wurden in den USA im Skylab, Spacelab und an Bord der Columbia (Shuttle) durchgeführt.

Zahlreiche Experimente haben gezeigt, dass das Problem des Pflanzenanbaus auf Weltraumobjekten unter Bedingungen, die sich deutlich von denen auf der Erde unterscheiden, noch nicht vollständig gelöst ist. Es kommt beispielsweise auch nicht selten vor, dass Pflanzen im generativen Entwicklungsstadium aufhören zu wachsen. Es müssen noch zahlreiche wissenschaftliche Experimente durchgeführt werden, um die Technologie zur Kultivierung von Pflanzen in allen Phasen ihres Wachstums und ihrer Entwicklung zu entwickeln. Es wird auch notwendig sein, die Konstruktionen von Pflanzenzüchtern und einzelnen technischen Mitteln zu entwickeln und zu testen, die dazu beitragen, den negativen Einfluss verschiedener Faktoren der Raumfahrt auf Pflanzen zu beseitigen.

Neben höheren Landpflanzen werden auch niedere Pflanzen als Elemente der autotrophen Verbindung geschlossener Ökosysteme betrachtet. Dazu gehören aquatische Phototrophen – einzellige Algen: Grünalgen, Blaualgen, Kieselalgen usw. Sie sind die Hauptproduzenten primärer organischer Substanz in den Meeren und Ozeanen. Am bekanntesten ist die mikroskopisch kleine Süßwasseralge Chlorella, die viele Wissenschaftler als wichtigstes biologisches Objekt der produzierenden Verbindung eines Ökosystems im geschlossenen Raum bevorzugen.

Die Chlorella-Kultur zeichnet sich durch eine Reihe positiver Eigenschaften aus. Durch die Aufnahme von Kohlendioxid setzt die Kultur Sauerstoff frei. Bei intensivem Anbau können 30–40 Liter Chlorella-Suspension den Gasaustausch einer Person vollständig sicherstellen. Dabei entsteht Biomasse, die aufgrund ihrer biochemischen Zusammensetzung als Futtermittelzusatzstoff und bei entsprechender Verarbeitung auch als Zusatzstoff zur menschlichen Ernährung geeignet ist. Das Verhältnis von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten in der Chlorella-Biomasse kann je nach Anbaubedingungen variieren, was einen kontrollierten Biosyntheseprozess ermöglicht. Die Produktivität intensiver Chlorella-Kulturen während der Laborkultivierung liegt zwischen 30 und 60 g Trockenmasse pro 1 m2 und Tag. In Versuchen an speziellen Laborkultivatoren unter starkem Licht erreicht der Chlorella-Ertrag 100 g Trockenmasse pro 1 m2 und Tag. Chlorella ist am wenigsten von Schwerelosigkeit betroffen. Seine Zellen haben eine haltbare zellulosehaltige Hülle und sind äußerst widerstandsfähig gegen ungünstige Lebensbedingungen.

Zu den Nachteilen von Chlorella als Glied in einem künstlichen Ökosystem zählen die Diskrepanz zwischen dem CO 2 -Assimilationskoeffizienten und dem menschlichen Atmungskoeffizienten, die Notwendigkeit erhöhter CO 2 -Konzentrationen in der Gasphase für den effektiven Betrieb der biologischen Regenerationsverbindung, eine gewisse Diskrepanz im Bedarf von Chlorella-Algen an biogenen Elementen mit dem Vorhandensein dieser Elemente in menschlichen Ausscheidungen, die Notwendigkeit einer speziellen Behandlung von Chlorella-Zellen, um die Verdaulichkeit der Biomasse zu erreichen. Einzellige Algen im Allgemeinen (insbesondere Chlorella) verfügen im Gegensatz zu höheren Pflanzen über keine Regulierungsmechanismen und erfordern eine automatisierte Steuerung des Biosyntheseprozesses für ein zuverlässiges und effektives Funktionieren in Kultur.

Die maximalen Wirkungsgradwerte in Experimenten für alle Algenarten liegen im Bereich von 11 bis 16 % (der theoretische Wirkungsgrad der Lichtenergienutzung durch Mikroalgen beträgt 28 %). Eine hohe Ernteproduktivität und ein geringer Energieverbrauch sind jedoch meist widersprüchliche Anforderungen, da maximale Effizienzwerte bei relativ geringen optischen Dichten des Ernteguts erreicht werden.

Derzeit werden die einzellige Alge Chlorella sowie einige andere Arten von Mikroalgen (Scenedesmus, Spirulina usw.) als biologische Modellobjekte der autotrophen Verbindung künstlicher Ökosysteme verwendet.

ERGEBNISSE UND PERSPEKTIVEN

Mit der Anhäufung praktischer Erfahrungen bei der Erforschung und Entwicklung des erdnahen Weltraums werden Weltraumforschungsprogramme immer komplexer. Die Hauptfragen der Bildung biologischer Lebenserhaltungssysteme für künftige langfristige Weltraummissionen müssen heute gelöst werden, da wissenschaftliche Experimente mit Teilen biologischer Lebenserhaltungssysteme durch eine lange Dauer vom Anfang bis zum Ende gekennzeichnet sind Ergebnis erhalten wird. Dies ist insbesondere auf die relativ langen Entwicklungszyklen zurückzuführen, die objektiv bei vielen lebenden Organismen vorliegen, die als Glieder in biologischen Lebenserhaltungssystemen ausgewählt wurden, sowie auf die Notwendigkeit, verlässliche Informationen über die langfristigen Folgen trophischer und anderer Verbindungen zu erhalten von Biolinks, die bei lebenden Organismen normalerweise erst in nachfolgenden Generationen auftreten können. Es gibt noch keine Methoden, solche biologischen Experimente zu beschleunigen. Genau dieser Umstand erfordert es, Experimente zur Untersuchung von Energie- und Stoffübertragungsprozessen in biologischen Lebenserhaltungssystemen, einschließlich des Menschen, deutlich früher zu starten.

Es ist klar, dass die Hauptprobleme bei der Schaffung biologischer Lebenserhaltungssysteme für Raumfahrtbesatzungen zunächst unter Bodenbedingungen erarbeitet und gelöst werden müssen. Zu diesem Zweck wurden und werden spezielle technische und medizinisch-biologische Zentren geschaffen, darunter leistungsstarke Forschungs- und Testbasen, großvolumige Druckkammern, Stände zur Simulation von Raumflugbedingungen usw. In komplexen bodengestützten Experimenten werden unter Druck durchgeführt Kammern unter Beteiligung von Prüfergruppen, Die Kompatibilität von Systemen und Verknüpfungen untereinander und mit Menschen wird ermittelt, die Stabilität biologischer Verknüpfungen in einem seit langem funktionierenden künstlichen Ökosystem geklärt, die Wirksamkeit und Verlässlichkeit der getroffenen Entscheidungen beurteilt, und es wird eine Auswahl einer biologischen Lebenserhaltungsoption für deren abschließende eingehende Untersuchung in Bezug auf ein bestimmtes Weltraumobjekt oder einen bestimmten Flug getroffen.

In den 60er und 70er Jahren wurden in der UdSSR eine Reihe einzigartiger wissenschaftlicher Experimente durchgeführt, die darauf abzielten, biologische Lebenserhaltungssysteme für Besatzungen künstlicher Weltraumökosysteme zu schaffen. Im November 1968 wurde in der UdSSR ein Langzeitexperiment (ein Jahr) unter Beteiligung von drei Testern abgeschlossen. Seine Hauptziele bestanden darin, die technischen Mittel und Technologien eines integrierten Lebenserhaltungssystems zu testen und zu testen, das auf physikalisch-chemischen Methoden zur Regeneration von Substanzen und einer biologischen Methode zur Deckung des menschlichen Bedarfs an Vitaminen und Ballaststoffen beim Anbau grüner Pflanzen in einem Gewächshaus basiert In diesem Experiment betrug die Aussaatfläche des Gewächshauses nur 7,5 m2, die Biomasseproduktivität pro Person betrug durchschnittlich 200 g pro Tag. Zu den Nutzpflanzen gehörten Weißkohl, Borretsch, Brunnenkresse und Dill.

Während des Experiments wurde die Möglichkeit einer normalen Kultivierung höherer Pflanzen in einem geschlossenen Volumen mit menschlicher Anwesenheit darin und der wiederholten Verwendung von Transpirationswasser ohne dessen Regeneration zur Bewässerung des Substrats festgestellt. Im Gewächshaus wurde eine teilweise Stoffregeneration durchgeführt, um eine minimale Einschränkung von Nahrung und Sauerstoff zu gewährleisten – um 3 – 4 %.

1970 wurde auf der Ausstellung wirtschaftlicher Errungenschaften der UdSSR ein experimentelles Modell eines Lebenserhaltungssystems demonstriert, das vom All-Union Scientific Research Biotechnical Institute des Glavmicrobioprom der UdSSR vorgestellt wurde und die optimale Zusammensetzung eines Komplexes bestimmen sollte biotechnischer Anlagen und deren Funktionsweise. Das Lebenserhaltungssystem des Modells wurde entwickelt, um den Bedarf von drei Personen an Wasser, Sauerstoff und frischen Pflanzenprodukten für einen unbegrenzten Zeitraum zu decken. Die wichtigsten Regenerationsblöcke im System waren ein Algenkultivator mit einem Fassungsvermögen von 50 l und ein Gewächshaus mit einer Nutzfläche von etwa 20 m2 (Abb. 3). Die Vermehrung tierischer Nahrungsmittel wurde dem Hühnerzüchter anvertraut.

Reis. 3. Außenansicht des Gewächshauses

Am Institut für Physik der sibirischen Zweigstelle der Akademie der Wissenschaften der UdSSR wurde eine Reihe experimenteller Studien zu Ökosystemen einschließlich des Menschen durchgeführt. Ein 45-tägiges Experiment mit einem Zweigliedsystem „Mensch – Mikroalge“ (Chlorella) ermöglichte es, den Stofftransport zwischen den Gliedern des Systems und der Umwelt zu untersuchen und eine Gesamtschließung des Stoffkreislaufs von 38 % zu erreichen. (Regeneration der Atmosphäre und des Wassers).

Der Versuch mit einem Dreigliedersystem „Mensch – höhere Pflanzen – Mikroalgen“ wurde 30 Tage lang durchgeführt. Ziel ist es, die Verträglichkeit des Menschen mit höheren Pflanzen bei vollständig geschlossenem Gasaustausch und teilweise geschlossenem Wasseraustausch zu untersuchen. Gleichzeitig wurde versucht, die Nahrungskette durch pflanzliche (pflanzliche) Biomasse zu schließen. Die Ergebnisse des Experiments zeigten, dass es während des Experiments zu keiner gegenseitigen hemmenden Beeinflussung der Systemverbindungen durch die allgemeine Atmosphäre kam. Die Mindestanbaufläche für einen kontinuierlichen Gemüseanbau wurde so festgelegt, dass sie den Bedarf einer Person an frischem Gemüse unter dem gewählten Anbauregime (2,5 – 3 m2) vollständig deckt.

Mit der Einführung des vierten Glieds in das System – eines mikrobiellen Kultivators, der dazu bestimmt ist, Non-Food-Pflanzenabfälle zu verarbeiten und in das System zurückzuführen – wurde ein neues Experiment mit einer Person gestartet, das 73 Tage dauerte. Während des Experiments war der Gasaustausch der Einheiten vollständig geschlossen, der Wasseraustausch fast vollständig (mit Ausnahme der Proben für die chemische Analyse) und der Lebensmittelaustausch war teilweise geschlossen. Während des Experiments wurde eine Verschlechterung der Produktivität höherer Pflanzen (Weizen) festgestellt, die durch die Anreicherung von Pflanzenmetaboliten oder begleitender Mikroflora im Nährmedium erklärt wurde. Aufgrund der technischen und wirtschaftlichen Indikatoren des viergliedrigen biologischen Systems wurde der Schluss gezogen, dass es unangemessen sei, eine Mineralisierungsverbindung für feste menschliche Ausscheidungen in das System einzuführen.

1973 wurde ein sechsmonatiges Experiment zur Lebenserhaltung einer dreiköpfigen Besatzung in einem geschlossenen Ökosystem mit einem Gesamtvolumen von etwa 300 m 3 abgeschlossen, das neben Testern auch Verbindungen höherer und niedrigerer Pflanzen umfasste. Der Versuch wurde in drei Stufen durchgeführt. Während der ersten Phase, die zwei Monate dauerte, wurde der gesamte Sauerstoff- und Wasserbedarf der Besatzung durch höhere Pflanzen gedeckt, darunter Weizen, Rüben, Karotten, Dill, Rüben, Grünkohl, Radieschen, Gurken, Zwiebeln und Sauerampfer. Dem Weizenanbausubstrat wurde Abwasser aus dem häuslichen Bereich zugeführt. Feste und flüssige Sekrete der Besatzung wurden aus dem Druckvolumen nach außen abgeführt. Der Nährstoffbedarf der Besatzung wurde teils durch höhere Pflanzen, teils durch dehydrierte Nahrungsmittel aus Reserven gedeckt. Jeden Tag wurden in den höheren Pflanzen auf einer Pflanzfläche von etwa 40 m2 1953 g Biomasse (in Trockengewicht), davon 624 g essbares, synthetisiert, was 30 % des Gesamtbedarfs der Besatzung entsprach. Gleichzeitig wurde der Sauerstoffbedarf von drei Personen vollständig gedeckt (ca. 1500 Liter pro Tag). Die Geschlossenheit des Systems „Mensch – Höhere Pflanzen“ betrug zu diesem Zeitpunkt 82 %.

In der zweiten Phase des Experiments wurde ein Teil des Gewächshauses durch eine Verbindung niederer Pflanzen – Chlorella – ersetzt. Der Wasser- und Sauerstoffbedarf der Besatzung wurde durch höhere (Weizen- und Gemüsepflanzen) und niedrigere Pflanzen gedeckt, die flüssigen Sekrete der Besatzung wurden zu einem Algenreaktor geleitet und feste Sekrete wurden getrocknet, um das Wasser wieder in den Kreislauf zurückzuführen. Die Verpflegung der Besatzung erfolgte analog zur ersten Etappe. Es zeigte sich eine Verschlechterung des Weizenwachstums aufgrund einer Erhöhung der mit dem Nährmedium versorgten Abwassermenge pro Pflanzflächeneinheit, die um die Hälfte reduziert wurde.

In der dritten Stufe waren im oberen Pflanzenbereich nur noch Gemüsepflanzen übrig, und die Hauptlast zur Regeneration der Atmosphäre des hermetischen Volumens wurde vom Algenreaktor übernommen. Der Pflanzennährlösung wurde kein Abwasser zugesetzt. Dennoch wurde in diesem Stadium des Experiments eine Vergiftung der Pflanzen durch die Atmosphäre des hermetischen Volumens festgestellt. Die Geschlossenheit des Systems, einschließlich Chlorella, das menschliche Flüssigkeitssekrete verwertet, stieg auf 91 %.

Besonderes Augenmerk wurde während des Experiments auf die Frage gelegt, vorübergehende Schwankungen im Austausch von Exometaboliten der Besatzung auszugleichen. Zu diesem Zweck lebten die Tester nach einem Zeitplan, der die Kontinuität des Ökosystemmanagements und die Einheitlichkeit des Niveaus des Stofftransfers während der autonomen Existenz des Ökosystems gewährleistete. Während der 6 Monate des Experiments befanden sich 4 Tester im System, von denen einer ununterbrochen darin lebte und drei jeweils 6 Monate lang darin lebten und nach einem Zeitplan ausgetauscht wurden.

Das Hauptergebnis des Experiments ist der Beweis für die Möglichkeit, in einem begrenzten geschlossenen Raum ein biologisches Lebenserhaltungssystem zu implementieren, das autonom von innen gesteuert wird. Die Analyse der physiologischen, biochemischen und technologischen Funktionen der Probanden ergab keine Richtungsänderungen, die durch ihren Aufenthalt im künstlichen Ökosystem verursacht wurden.

1977 wurde am Institut für Physik der sibirischen Abteilung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR ein viermonatiges Experiment mit einem künstlichen geschlossenen Ökosystem „Mensch – höhere Pflanzen“ durchgeführt. Die Hauptaufgabe besteht darin, einen Weg zu finden, die Produktivität höherer Pflanzen in einem geschlossenen Ökosystem zu erhalten. Gleichzeitig wurde auch die Möglichkeit untersucht, die Geschlossenheit des Systems durch eine Erhöhung des darin reproduzierbaren Anteils der Nahrungsration der Besatzung zu erhöhen. An dem Experiment nahmen zwei Tester teil (drei Tester in den ersten 27 Tagen). Die Aussaatfläche des Phytotrons betrug ca. 40 m2. Zu den Nutzpflanzen höherer Pflanzen gehörten Weizen, Chufa, Rüben, Karotten, Radieschen, Zwiebeln, Dill, Grünkohl, Gurken, Kartoffeln und Sauerampfer. Im Experiment wurde die Zwangszirkulation der Innenatmosphäre entlang der Kontur „Wohnraum – Phytotrons (Gewächshaus) – Wohnraum“ organisiert. Das Experiment war eine Fortsetzung des vorherigen Experiments mit einem geschlossenen Ökosystem „Mensch – höhere Pflanzen – niedere Pflanzen“.

Während des Experiments, dessen erste Phase die Bedingungen der vorherigen reproduzierte, wurde ein Rückgang der pflanzlichen Photosynthese festgestellt, der am 5. Tag begann und bis zu 24 Tage anhielt. Als nächstes wurde die thermokatalytische Reinigung der Atmosphäre eingeschaltet (Nachverbrennung angesammelter giftiger gasförmiger Verunreinigungen), wodurch die hemmende Wirkung der Atmosphäre auf Pflanzen aufgehoben und die Photosyntheseproduktivität von Phytotronen wiederhergestellt wurde. Aufgrund des zusätzlichen Kohlendioxids, das beim Verbrennen von Stroh und Zellulose gewonnen wurde, wurde der reproduzierbare Anteil der Ernährung der Besatzung auf 60 % des Gewichts (bis zu 52 % des Kaloriengehalts) erhöht.

Der Wasseraustausch im System war teilweise geschlossen: Die Quelle des Trink- und teilweise des Sanitärwassers war das Kondensat der Transpirationsfeuchtigkeit der Pflanzen, zur Bewässerung des Weizens wurde ein Nährmedium unter Zusatz von Haushaltsabwasser verwendet und der Wasserhaushalt wurde durch Einleiten aufrechterhalten destilliertes Wasser in Mengen, die die Entfernung menschlicher flüssiger Ausscheidungen aus dem System ausgleichen.

Am Ende des Experiments wurden keine negativen Reaktionen des Körpers der Tester auf die komplexen Auswirkungen der Bedingungen eines geschlossenen Systems festgestellt. Pflanzen versorgten die Tester vollständig mit Sauerstoff, Wasser und dem Großteil der pflanzlichen Nahrung.

Ebenfalls 1977 wurde ein anderthalbmonatiges Experiment mit zwei Testpersonen am Institut für medizinische und biologische Probleme des Gesundheitsministeriums der UdSSR abgeschlossen. Das Experiment wurde durchgeführt, um ein geschlossenes Ökosystemmodell zu untersuchen, das ein Gewächshaus und eine Chlorella-Pflanze umfasste.

Die durchgeführten Experimente zeigten, dass bei der biologischen Regeneration der Atmosphäre und des Wassers in einem künstlichen Ökosystem mit Hilfe von Grünpflanzen niedere Pflanzen (Chlorella) eine größere biologische Verträglichkeit für den Menschen aufweisen als höhere. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Atmosphäre des Wohnraums und menschliche Emissionen die Entwicklung höherer Pflanzen negativ beeinflussten und eine zusätzliche physikalische und chemische Behandlung der in das Gewächshaus eintretenden Luft erforderlich war.

Im Ausland wird in den USA am intensivsten an der Schaffung vielversprechender Lebenserhaltungssysteme gearbeitet. Die Forschung erfolgt in drei Richtungen: theoretisch (Bestimmung der Struktur, Zusammensetzung und Gestaltungsmerkmale), experimentell am Boden (Testen einzelner biologischer Verbindungen) und experimentell im Flug (Vorbereitung und Durchführung biologischer Experimente an bemannten Raumfahrzeugen). NASA-Zentren und Unternehmen, die Raumfahrzeuge und Systeme für sie entwickeln, arbeiten an dem Problem der Schaffung biologischer Lebenserhaltungssysteme. Viele zukunftsweisende Studien beziehen Universitäten mit ein. Die NASA hat eine Abteilung für Biosysteme eingerichtet, die die Arbeit am Programm zur Schaffung eines kontrollierten biotechnischen Lebenserhaltungssystems koordiniert.

Das Projekt zur Schaffung einer grandiosen künstlichen Struktur in den USA namens „Biosphere-2“ stieß bei Umweltexperten auf großes Interesse. Diese Glas-, Stahl- und Betonkonstruktion ist ein vollständig versiegeltes Volumen von 150.000 m 3 und deckt eine Fläche von 10.000 m 2 ab. Das gesamte Volumen ist in großräumige Kompartimente unterteilt, in denen physikalische Modelle verschiedener Klimazonen der Erde gebildet werden, darunter tropische Wälder, tropische Savannen, Lagunen, flache und tiefe Meereszonen, Wüste usw. „Biosphere-2“ beherbergt auch Wohnräume für Tester, Labore, Werkstätten, landwirtschaftliche Gewächshäuser und Fischteiche, Abfallbehandlungssysteme und andere für das menschliche Leben notwendige Dienstleistungssysteme und technische Mittel. Die gläsernen Decken und Wände der Biosphere-2-Abteile sollen den Zufluss strahlender Sonnenenergie zu den Bewohnern gewährleisten, zu denen in den ersten beiden Jahren acht freiwillige Tester gehören. Sie müssen die Möglichkeit eines aktiven Lebens und einer aktiven Aktivität unter isolierten Bedingungen auf der Grundlage der internen Stoffzirkulation in der Biosphäre nachweisen.

Das Institut für Ökotechnik, das 1986 die Gründung von Biosphere-2 leitete, plant, den Bau in diesem Jahr abzuschließen. Viele angesehene Wissenschaftler und technische Spezialisten haben sich dem Projekt angeschlossen.

Trotz der erheblichen Kosten der Arbeit (mindestens 30 Millionen US-Dollar) wird die Umsetzung des Projekts die Durchführung einzigartiger wissenschaftlicher Forschungen auf dem Gebiet der Ökologie und der Biosphäre der Erde ermöglichen, um die Möglichkeit der Nutzung einzelner Elemente der „Biosphäre“ zu ermitteln. 2“ in verschiedenen Wirtschaftszweigen (biologische Reinigung und Wasserregeneration, Luft und Lebensmittel). „Solche Strukturen werden für die Errichtung von Siedlungen im Weltraum und möglicherweise für den Erhalt bestimmter Arten von Lebewesen auf der Erde notwendig sein“, sagt US-Astronaut R. Schweickart.

Die praktische Bedeutung der genannten Experimente liegt nicht nur in der Lösung einzelner Probleme der Schaffung geschlossener Raumökosysteme unter Einbeziehung des Menschen. Die Ergebnisse dieser Experimente sind nicht weniger wichtig für das Verständnis der Gesetze der Ökologie und der medizinischen und biologischen Grundlagen der menschlichen Anpassung an extreme Umweltbedingungen, für die Klärung der potenziellen Fähigkeiten biologischer Objekte in intensiven Anbaumethoden und für die Entwicklung abfallfreier und umweltfreundlicher Technologien Befriedigung des menschlichen Bedarfs an hochwertiger Nahrung, Wasser und Luft in künstlichen isolierten bewohnten Strukturen (Unterwassersiedlungen, Polarstationen, Geologendörfer im hohen Norden, Verteidigungsanlagen usw.).

Wir können uns in Zukunft ganze abfallfreie und umweltfreundliche Städte vorstellen. So glaubt beispielsweise der Direktor des Internationalen Instituts für Systemanalyse, C. Marchetti: „Unsere Zivilisation wird in der Lage sein, friedlich und darüber hinaus unter besseren Bedingungen als den gegenwärtigen zu existieren, eingesperrt in völlig autonomen Inselstädten.“ ausreichend, nicht abhängig von den Wechselfällen der Natur, nicht auf natürliche Ressourcen angewiesen.“ Rohstoffe, weder in natürlicher Energie noch vor Verschmutzung geschützt.“ Fügen wir hinzu, dass dies die Erfüllung nur einer Bedingung erfordert: die Vereinigung der Bemühungen der gesamten Menschheit in friedlicher kreativer Arbeit auf der Erde und im Weltraum.

ABSCHLUSS

Die erfolgreiche Lösung des Problems der Schaffung großer künstlicher Ökosysteme, die den Menschen einbeziehen und auf einem ganz oder teilweise geschlossenen biologischen Stoffkreislauf basieren, ist nicht nur für den weiteren Fortschritt der Raumfahrt von großer Bedeutung. In einer Zeit, in der „wir mit so erschreckender Klarheit sahen, dass sich eine zweite Front, die Umweltfront, der Front der nuklearen Weltraumbedrohung näherte und sich ihr anschloss“ (aus der Rede des Außenministers der UdSSR, E. A. Schewardnadse, auf der 43. Sitzung des (Generalversammlung der Vereinten Nationen) könnte einer der wirklichen Auswege aus der drohenden Umweltkrise die Schaffung nahezu abfallfreier und umweltfreundlicher intensiver agroindustrieller Technologien sein, die auf dem biologischen Stoffkreislauf und einer effizienteren Nutzung basieren sollten der Solarenergie.

Wir sprechen von einem grundlegend neuen wissenschaftlichen und technischen Problem, dessen Ergebnisse von großer Bedeutung für den Schutz und die Erhaltung der Umwelt, die Entwicklung und breite Nutzung neuer intensiver und abfallfreier Biotechnologien, die Schaffung autonomer automatisierter und Roboterkomplexe zur Produktion von Lebensmittelbiomasse, die Lösung des Lebensmittelprogramms auf hohem Niveau. Modernes wissenschaftliches und technisches Niveau. Das Kosmische ist untrennbar mit dem Irdischen verbunden, daher haben die Ergebnisse von Raumfahrtprogrammen auch heute noch erhebliche wirtschaftliche und soziale Auswirkungen auf verschiedene Bereiche der Volkswirtschaft.

Der Raum dient und muss den Menschen dienen.

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Anwendung

WELTRAUM TOURISMUS

V. P. MIKHAILOV

Im Kontext des in den 60er Jahren überall einsetzenden Tourismusbooms machten Experten auf die Möglichkeit der Raumfahrt zu touristischen Zwecken aufmerksam.

Der Weltraumtourismus entwickelt sich in zwei Richtungen. Einer davon ist rein terrestrisch – ohne Raumflüge. Touristen besuchen irdische Objekte – Kosmodrome, Flugkontrollzentren, „Stern“-Städte, Unternehmen zur Entwicklung und Produktion von Elementen der Raumfahrttechnik, und nehmen an und beobachten den Start fliegender Raumfahrzeuge und Trägerraketen.

Der erdgebundene Weltraumtourismus begann im Juli 1966, als die ersten Bustouren zu den Startanlagen der NASA in Cape Kennedy organisiert wurden. In den frühen 70er Jahren besuchten Touristen mit Bussen den Standort des Komplexes Nr. 39, von dem aus Astronauten ihren Flug zum Mond starteten, das vertikale Montagegebäude (ein über 100 m hoher Hangar), in dem die Saturn-V-Trägerrakete montiert wurde und getestet und das Raumschiff wurde am Apollo-Schiff angedockt, der Parkplatz des einzigartigen Kettenfahrwerks, das die Trägerrakete zur Startrampe bringt, und vieles mehr. In einem speziellen Kinosaal sahen sie sich Wochenschauen über Weltraumereignisse an. Zu dieser Zeit unternahmen im Sommer täglich bis zu 6.000–7.000 Touristen einen solchen Ausflug, in der Nebensaison etwa 2.000. Unorganisierte Touristen erhöhten den Besucherstrom um weitere 20–25 %.

Von Anfang an erfreuten sich solche Ausflüge großer Beliebtheit. Bereits 1971 wurde der viermillionste Teilnehmer verzeichnet. Bei einigen Starts (zum Beispiel zum Mond) betrug die Zahl der Touristen Hunderttausende.

Eine andere Richtung ist der direkte Weltraumtourismus. Obwohl es heute noch in den Kinderschuhen steckt, sind die Aussichten weitreichend. Neben dem rein touristischen Aspekt müssen auch strategische und wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden.

Der strategische Aspekt liegt in der möglichen teilweisen Ansiedlung der Menschheit im Sonnensystem. Natürlich ist dies eine Frage der fernen Zukunft. Die Besiedlung wird über Hunderte von Jahren und Jahrtausenden erfolgen. Ein Mensch muss sich an das Leben im Weltraum gewöhnen, sich darin niederlassen, bestimmte Erfahrungen sammeln – es sei denn natürlich, es kommt zu irdischen oder kosmischen Katastrophen, bei denen dieser Prozess beschleunigt werden muss. Und der Weltraumtourismus ist ein gutes Modell, um diesen Prozess voranzutreiben. Andererseits werden die während touristischer Reisen gesammelten Erfahrungen bei der Sicherung des menschlichen Lebens im Weltraum sowie die Vertrautheit mit Ausrüstung und Lebenserhaltungsgeräten im Weltraum es einem Menschen ermöglichen, unter Bedingungen der Umweltzerstörung erfolgreicher auf der Erde zu leben und zu arbeiten und den Weltraum zu nutzen -basierte „geerdete“ technische Mittel und Systeme.

Der wirtschaftliche Aspekt des Weltraumtourismus ist auch für die Raumfahrt von großer Bedeutung. Einige Experten betrachten den Weltraumtourismus, der sich auf die Verwendung persönlicher Mittel von Weltraumtouristen konzentriert, als eine wichtige Finanzierungsquelle für Weltraumprogramme. Ihrer Meinung nach wird eine Steigerung des Frachtflusses in den Weltraum infolge des Weltraumtourismus um das 100-fache im Vergleich zur aktuellen (was realistisch ist) wiederum die spezifischen Kosten für den Start einer Nutzlasteinheit um das 100- bis 200-fache senken für die gesamte Raumfahrt als Ganzes ohne zusätzliche staatliche Investitionen.

Experten zufolge belaufen sich die jährlichen Ausgaben der Menschheit für den Tourismus auf etwa 200 Milliarden Pfund. Kunst. In den kommenden Jahrzehnten könnte der Weltraumtourismus 5 % dieser Zahl ausmachen, also 10 Milliarden Pfund. Kunst. Man geht davon aus, dass, wenn die Kosten einer Weltraumtour optimal ausbalanciert sind und gleichzeitig eine ausreichend hohe Flugsicherheit gewährleistet ist (vergleichbar mindestens mit der Flugsicherheit eines modernen Passagierflugzeugs), dann etwa 100 Millionen Menschen ausreisen würden der Wunsch, in den kommenden Jahrzehnten eine Raumfahrt zu unternehmen. Anderen Schätzungen zufolge wird der Strom von Weltraumtouristen bis 2025 jährlich 100.000 Menschen betragen, und in den nächsten 50 Jahren wird die Zahl der Menschen, die im Weltraum waren, etwa 120 Millionen Menschen erreichen.

Wie viel kann eine Weltraumtour heutzutage kosten? Schätzen wir die Obergrenze des „Tourpakets“. In der UdSSR kostet die Ausbildung eines Astronauten etwa 1 Million Rubel, eine Serienträgerrakete kostet 2–3 Millionen Rubel, ein zweisitziges Raumschiff kostet 7–8 Millionen Rubel. Ein „Flug für zwei“ wird also etwa 11 bis 13 Millionen Rubel kosten, die sogenannte Bodenunterstützung nicht mitgerechnet. Diese Zahl könnte erheblich reduziert werden, wenn das Raumschiff in einer rein touristischen Version konzipiert würde: Es würde nicht mit komplexer wissenschaftlicher Ausrüstung gefüllt, wodurch die Anzahl der Passagiere erhöht und sie nicht nach dem Astronautenprogramm, sondern nach einem einfacheren auf den Flug vorbereitet würden usw. Es wäre interessant, die Kosten eines Touristenfluges genauer zu bestimmen, aber das muss getan werden. Ökonomen auf dem Gebiet der Raketen- und Raumfahrttechnologie.

Es gibt andere Möglichkeiten, die Kosten eines Touristenfluges ins All zu senken. Eine davon ist die Schaffung eines speziellen wiederverwendbaren Touristenschiffs. Optimisten glauben, dass die Kosten für einen Flug mit Raumtransportschiffen der zweiten und dritten Generation mit den Kosten für einen Flug mit einem Passagierflugzeug vergleichbar sein werden, was den Massentourismus im Weltraum vorbestimmen wird. Dennoch gehen Experten davon aus, dass die Kosten für die Tour für die ersten Touristen etwa 1 Million US-Dollar betragen werden. In den folgenden Jahrzehnten werden sie schnell sinken und 100.000 US-Dollar erreichen, wenn die optimal gesättigte Weltraumtourismus-Infrastruktur, einschließlich einer Flotte von Raumfahrzeugen, erreicht ist , Hotels in den Umlaufbahnen der Erde und auf dem Mond, kontinuierliche Produktion von Touristenausrüstung, Schulung in Sicherheitsmaßnahmen usw. Unter den Bedingungen des Massentourismus werden die Kosten für die Tour auf 2.000 Dollar sinken. Das bedeutet, dass die Die Kosten für den Start einer Nutzlast in den Weltraum sollten nicht mehr als 20 Dollar/kg betragen. Derzeit beträgt diese Zahl 7.000 bis 8.000.

Auf dem Weg zum Weltraumtourismus gibt es noch viele Schwierigkeiten und ungelöste Probleme. Allerdings ist der Weltraumtourismus Realität und ein 21. Meilenstein. Mittlerweile haben bereits 260 Menschen aus zehn Ländern Geld an eine der amerikanischen Organisationen gespendet, die in dieser Richtung für die Entwicklung und Durchführung eines touristischen Weltraumflugs arbeiteten. Einige amerikanische Reisebüros haben mit dem Verkauf von Tickets für den ersten Touristenflug von der Erde zum Mond begonnen. Der Abreisetermin ist offen. Es wird angenommen, dass es in 20 bis 30 Jahren auf dem Ticket abgestempelt wird.

Doch die Amerikaner sind hier nicht die Ersten. Im Jahr 1927 fand in der Twerskaja-Straße in Moskau die weltweit erste internationale Ausstellung von Raumfahrzeugen statt. Es wurden Listen derjenigen zusammengestellt, die zum Mond oder Mars fliegen möchten. Es gab viele Interessenten. Vielleicht haben einige von ihnen die Hoffnung auf die erste touristische Reise ins All noch nicht verloren.

CHRONIK DER KOSMONAUtik*

* Fortsetzung (siehe Nr. 3, 1989). Basierend auf Materialien verschiedener Nachrichtenagenturen und Zeitschriften werden Daten zum Start einiger künstlicher Erdsatelliten (AES) ab dem 15. November 1989 bereitgestellt. Starts des Cosmos-Satelliten werden nicht registriert. Über sie wird beispielsweise regelmäßig in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet und wir verweisen interessierte Leser darauf. Den bemannten Raumflügen ist ein eigener Anhang gewidmet.

Am 15. November 1988 fand in der Sowjetunion der erste Teststart des universellen Raketen- und Raumtransportsystems „Energia“ mit dem wiederverwendbaren Raumschiff „Buran“ statt. Nach einem unbemannten Flug in zwei Umlaufbahnen landete das Orbitalfahrzeug Buran erfolgreich im automatischen Modus auf der Landebahn des Kosmodroms Baikonur. Das Buran-Schiff ist nach dem Design eines schwanzlosen Flugzeugs mit einem Deltaflügel mit variabler Pfeilung gebaut. Kann einen kontrollierten Abstieg in der Atmosphäre mit seitlichen Manövern bis zu 2000 km durchführen. Die Länge des Schiffes beträgt 36,4 m, die Spannweite beträgt etwa 24 m, die Höhe des auf dem Fahrgestell stehenden Schiffes beträgt mehr als 16 m. Das Startgewicht beträgt mehr als 100 Tonnen, davon sind 14 Tonnen Treibstoff. Sein Frachtraum bietet Platz für eine Nutzlast von bis zu 30 Tonnen. Im Bugraum ist eine Druckkabine für Besatzung und Ausrüstung mit einem Volumen von mehr als 70 m 3 eingebaut. Das Hauptantriebssystem befindet sich am Heck des Schiffes; zwei Gruppen von Manövriermotoren befinden sich am Ende des Heckteils und an der Vorderseite des Rumpfes. Die Wärmeschutzbeschichtung, bestehend aus fast 40.000 einzeln profilierten Fliesen, besteht aus speziellen Materialien – Hochtemperatur-Quarz und organischen Fasern sowie Material auf Kohlenstoffbasis. Der Erstflug der wiederverwendbaren Raumsonde Buran eröffnet eine qualitativ neue Etappe im sowjetischen Weltraumforschungsprogramm.

Am 10. Dezember 1988 brachte die Trägerrakete Proton den nächsten (19.) sowjetischen Satelliten der Fernsehsendung Ekran in die Umlaufbahn. In eine geostationäre Umlaufbahn bei 99° E gestartet. (internationaler Registrierungsindex „Stationary T“) werden über diese Satelliten Fernsehprogramme im Dezimeterwellenlängenbereich in die Regionen Ural und Sibirien an Teilnehmerempfangsgeräte zur gemeinsamen Nutzung übertragen.

Am 11. Dezember 1988 wurden vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana mit Hilfe der westeuropäischen Trägerrakete Ariane-4 zwei Kommunikationssatelliten in die geostationäre Umlaufbahn gebracht – der englische Sky-net-4B und der dazugehörige Astra-1 das Luxemburger Konsortium SES. Der Satellit Astra-1 ist für die Weiterverbreitung von Fernsehprogrammen an lokale Vertriebszentren in westeuropäischen Ländern bestimmt. Der Satellit verfügt über 16 Repeater mittlerer Leistung, die größtenteils von der britischen Organisation British Telecom gemietet werden. Die geschätzte Position des Satelliten „Astra-1“ beträgt 19,2° W. d. Ursprünglich sollte der englische Satellit mit dem amerikanischen Space Shuttle gestartet werden. Der Challenger-Unfall im Januar 1986 durchkreuzte diese Pläne jedoch und man entschied sich, für den Start die Ariane-Trägerrakete zu nutzen. Der Start von zwei Satelliten erfolgte mit der Trägerrakete Ariane-4, die mit zwei Feststofftreibstoffen und zwei Flüssigkeitsboostern ausgestattet war. Das Arianespace-Konsortium teilte potenziellen Verbrauchern mit, dass dieses Raketenmodell in der Lage sei, eine 3,7 Tonnen schwere Nutzlast auf eine Transferbahn mit einer Apogäumshöhe von 36.000 km zu befördern. In dieser Version wird Ariane-4 zum zweiten Mal eingesetzt. Der erste Start der Trägerrakete in dieser Konfiguration war ein Teststart. Dann wurden 1988 mit seiner Hilfe drei Satelliten in die Umlaufbahn gebracht: der westeuropäische Wettersatellit Meteosat-3 und der Amateurfunksatellit Amsat-3 sowie der amerikanische Kommunikationssatellit Panamsat-1.

Am 22. Dezember 1988 startete der Molnija LV in der UdSSR den nächsten (32.) Molnija-3-Satelliten in eine stark elliptische Umlaufbahn mit einer Apogäumshöhe von 39.042 km auf der Nordhalbkugel, um den Betrieb über große Entfernungen sicherzustellen Telefon- und Teund die Übertragung von Fernsehprogrammen nach dem Orbit-System.

Am 23. Dezember 1988 wurde der 24. Satellit der Volksrepublik China mit der Trägerrakete „Langer Marsch-3“ vom Kosmodrom Xichang aus gestartet. Dies ist der vierte chinesische Kommunikationssatellit, der in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht wurde. Mit der Inbetriebnahme des Satelliten ist die Umstellung aller nationalen Fernsehprogramme auf die Weiterverbreitung über das Satellitensystem abgeschlossen. Der Ministerpräsident des Staatsrates der Volksrepublik China Li Peng war beim Start des Satelliten anwesend.

Am 25. Dezember 1988 brachte die Sojus-Trägerrakete in der UdSSR das automatische Frachtraumschiff Progress-39 in die Umlaufbahn, das die sowjetische Orbitalstation Mir versorgen sollte. Das Schiff koppelte am 27. Dezember an der Station an, legte am 7. Februar 1989 wieder ab, trat am selben Tag in die Atmosphäre ein und hörte auf zu existieren.

Am 28. Dezember 1988 wurde die Molniya LV in der UdSSR vom nächsten (75.) Kommunikationssatelliten Moliya-1 in eine stark elliptische Umlaufbahn mit einer Apogäumshöhe von 38.870 km in der nördlichen Hemisphäre gebracht. Dieser Satellit wird als Teil eines Satellitensystems betrieben, das in der Sowjetunion für die Telefon- und Telegrafenfunkkommunikation sowie die Übertragung von Fernsehprogrammen über das Orbit-System genutzt wird.

Am 26. Januar 1989 startete Proton LV den nächsten (17.) Horizon-Kommunikationssatelliten in der UdSSR. In eine geostationäre Umlaufbahn bei 53° E gebracht. usw. erhielt es den internationalen Registrierungsindex „Stationar-5“. Der Satellit Horizon dient zur Übertragung von Fernsehprogrammen an ein Netzwerk der Bodenstationen „Orbita“, „Moskau“ und „Intersputnik“ sowie zur Kommunikation mit Schiffen und Flugzeugen über zusätzliche Repeater.

27. JANUAR 1989 Die Trägerrakete Ariane-2 brachte den Satelliten Intelsat-5A (Modell F-15) in eine Transferumlaufbahn für den Einsatz im globalen kommerziellen Satellitenkommunikationssystem des internationalen Konsortiums ITSO. Übertragen auf einen stationären Punkt in der geostationären Umlaufbahn 60° Ost. d., der Satellit wird den dort befindlichen Satelliten Intelsat-5A (Modell F-12) ersetzen, der im September 1985 gestartet wurde.

Am 10. Februar 1989 startete die Sojus-Trägerrakete in der UdSSR das automatische Frachtraumschiff Progress-40, das die sowjetische Orbitalstation Mir versorgen sollte. Das Schiff legte am 12. Februar an der Station an und legte am 3. März wieder ab. Nach dem Abdocken wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem zwei große Multi-Link-Strukturen, die auf der Außenfläche des Progress-40-Raumfahrzeugs gefaltet waren, unter Freiraumbedingungen eingesetzt wurden. Auf Befehl der Bordautomation wurden diese Strukturen nacheinander geöffnet. Ihr Einsatz erfolgte durch den Einsatz von Elementen aus Material mit Formgedächtniseffekt. Am 5. März wurde das Antriebssystem des Schiffes eingeschaltet. Durch das Bremsen gelangte das Schiff in die Atmosphäre und hörte auf zu existieren.

Am 15. Februar 1989 wurde die Molnija LV der UdSSR vom nächsten (76.) Kommunikationssatelliten Molnija-1 in eine stark elliptische Umlaufbahn mit einer Apogäumshöhe von 38.937 km auf der Nordhalbkugel gebracht. Dieser Satellit ist Teil des Satellitensystems, das in der Sowjetunion für die Telefon- und Telegrafenfunkkommunikation sowie die Übertragung von Fernsehprogrammen über das Orbita-System verwendet wird.

Am 16. März startete die Sojus-Trägerrakete in der UdSSR das automatische Frachtraumschiff Progress-41, das die sowjetische Orbitalstation Mir versorgen sollte. Das Schiff legte am 18. März an der Station an.

Chronik bemannter Flüge 1

1 Fortsetzung (siehe Nr. 3, 1989).

2 Die Anzahl der Raumflüge, einschließlich des letzten, ist in Klammern angegeben.

3 Expedition zur Mir-Station.

4 Kosmonauten A. Volkov und S. Krikalev blieben in der Besatzung der Mir-Station. 21. Dezember 1988, zusammen mit J.-L. Chretien kehrte von der Mir-Station zur Erde zurück, V. Titov und M. Manarov, die den längsten Flug in der Geschichte der Raumfahrt absolvierten, der ein Jahr dauerte.

ASTRONOMIE-NEWS

FADEN IM WUNDERLAND

Wir haben in unseren kurzen Notizen bereits eine der kosmologischen Konsequenzen einiger Modelle der Großen Vereinigung erwähnt – die Vorhersage der Existenz kosmologischer Fäden. Hierbei handelt es sich um eindimensional ausgedehnte Strukturen mit einer hohen linearen Massendichte (~ 0 2, wobei 0 ein Vakuumdurchschnitt ungleich Null ist) und einer Dicke von ~ 1/0 .

Unter den vielen realistischen Modellen der Großen Vereinigung (da es auch unrealistische gibt) sind diejenigen am erfolgreichsten, die Spiegelpartikel enthalten, deren Eigenschaften streng symmetrisch zu den entsprechenden gewöhnlichen Partikeln sind. Nicht nur Materieteilchen (Elektronen, Quarks), sondern auch Teilchen, die Wechselwirkungen tragen (Photonen, W-Bosonen, Gluonen usw.). Bei solchen Schemata führt die Verletzung der vollständigen Symmetrie zu einem Übergang von gewöhnlichen Teilchen zu Spiegelteilchen. Die in diesen Modellen vorkommenden Threads werden Alice-Threads genannt. Sie unterscheiden sich von „normalen“ kosmologischen Fäden durch die folgende zusätzliche Eigenschaft: Das Umrunden des Fadens verändert die Spiegelung des Objekts.

Aus dieser „Spiegel“-Eigenschaft folgt, dass die eigentliche Definition der Spiegelung relativ wird: Wenn ein makroskopisches Objekt von uns als gewöhnlich angesehen wird, wenn wir den Faden links umrunden, dann erweist es sich als gespiegelt, wenn der Faden links herumgeht richtig (oder: umgekehrt). Darüber hinaus wird die elektromagnetische Strahlung, die wir links von Alices Faden als normal wahrnehmen, rechts davon gespiegelt. Unsere gewöhnlichen elektromagnetischen Empfänger können es nicht registrieren.

Aber das ist alles in der Theorie. Gibt es mögliche Beobachtungsmanifestationen von Alice-Threads? Alle Eigenschaften, die gewöhnliche kosmologische Fäden haben, finden sich auch in Alices Fäden wieder. Aber im Gegensatz zum ersten müssen Alices Fäden während ihrer Entwicklung die relative Spiegelung von Teilchen und Lichtstrahlen verändern. Die Existenz von Spiegelteilchen führt dazu, dass Sterne und wahrscheinlich auch Kugelsternhaufen eine Spiegelung haben sollten, während Galaxien und größere Inhomogenitäten (Haufen, Superhaufen) aus einer gleichen Anzahl von Spiegel- und gewöhnlichen Teilchen bestehen. Darüber hinaus sind ihre durchschnittlichen Eigenschaften (Spektrum, Leuchtkraft, Massen- und Geschwindigkeitsverteilung usw.) gleich. Wenn wir die Galaxie daher nicht in einzelne Sterne „auflösen“ können, können wir nicht einmal den Durchgang des Alice-Filaments zwischen ihnen und der Galaxie bemerken, da sowohl die spiegelnde als auch die gewöhnliche Leuchtkraft und die Spektren der Galaxie völlig symmetrisch sind.

Sie können versuchen, die Manifestation des Alice-Fadens (als tatsächlich eines kosmologischen Fadens jeglicher Art) anhand des Gasglüheffekts zu erkennen, den er in der Stoßwelle verursacht. Letzteres entsteht, wenn Materie durch das konische Gravitationsfeld des Fadens gestört wird. Zwar ist die Leuchtkraft des Gases in der Stoßwelle hinter dem Filament schwer vom Hintergrund der allgemeinen Leuchtkraft dieses Gases zu trennen. Gleiches gilt für die Störung der Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung in Richtung des Filaments. Am vielversprechendsten ist daher laut Theoretikern die Suche nach dem durch den Alice-Faden verursachten Gravitationslinseneffekt.

Ist es konstant?

Wir sprechen von der Newtonschen Gravitationskonstante G. Es gibt viele Theorien, die die Notwendigkeit einer Änderung vorhersagen. Allerdings nicht nur sie, sondern auch andere fundamentale Konstanten – in einigen Modellen der Superstringtheorie beispielsweise sollten sich diese Konstanten mit dem Alter des Universums (mit der Expansion des Universums) ändern G, sollte beispielsweise sinken).

Keines der bisher durchgeführten Experimente lieferte einen Beweis für die Unbeständigkeit G. Es wurden nur die Obergrenzen dieser Änderung festgelegt – etwa 10–11 Teile pro Jahr. Kürzlich bestätigten amerikanische Wissenschaftler diese Einschätzung durch die Beobachtung eines doppelten Radiopulsars.

Der 1974 entdeckte binäre Pulsar PSR 1913+16 besteht aus einem Neutronenstern, der ein anderes kompaktes Objekt umkreist. Zufällig ist die Änderungsrate seiner Umlaufperiode mit erstaunlich hoher Genauigkeit bekannt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass ein solches Doppelsystem Gravitationswellen aussenden wird. In diesem Fall ändert sich die Umlaufzeit des Doppelpulsars. Die Geschwindigkeit seiner Änderung, vorhergesagt unter der Annahme der Konstanz G, stimmt perfekt mit dem beobachteten überein.

Beobachtungen amerikanischer Wissenschaftler ermöglichen es uns, die Grenze der Variabilität abzuschätzen G durch den kleinen Unterschied zwischen Beobachtungen und Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Schätzung ergibt, wie bereits erwähnt, einen Wert in der Größenordnung von 10–11 Teilen pro Jahr. Also höchstwahrscheinlich GÄndert sich nie.

„LICHT-ECHO“ VON SUPERNOVA-87

Australische und amerikanische Astronomen haben einen ziemlich starken Anstieg der Infrarotstrahlung der LMC-Supernova festgestellt. Die Tatsache einer solchen Strahlung an sich ist nichts Besonderes. Sein Ausbruch ist unverständlich und unerwartet.

Es wurden mehrere Hypothesen vorgeschlagen. Einer von ihnen zufolge „sitzt“ ein Pulsar im Gas, das von einem explodierenden Stern ausgestoßen wird (obwohl die Pulsarstrahlung eine kürzere Wellenlänge haben sollte). Nach der zweiten Hypothese kondensieren Gase aus der Explosion zu festen Makrostaubpartikeln, die beim Erhitzen Infrarotstrahlung aussenden.

Die dritte Hypothese ist ebenfalls „Staub“. Tausende und Abertausende Jahre vor der Explosion verlor der ursprüngliche Stern Gas, das sich um ihn herum angesammelt hatte. Die Staubhülle erstreckte sich fast ein Lichtjahr lang um die Supernova – so lange brauchte das Licht des explodierenden Sterns, um die Staubwolke zu erreichen. Der erhitzte Staub strahlt im Infrarotbereich erneut ab, und es dauert ein weiteres Jahr, bis die Strahlung Beobachter auf der Erde erreicht. Dies erklärt die Zeit, die von der Registrierung der Supernova-Explosion bis zur Entdeckung des Infrarotstrahlungsblitzes verging.

FEHLENDE MASSE

Wenn die moderne Theorie der Sternentstehung richtig ist (und es scheint keinen Grund zu geben, daran zu zweifeln), dann haben massearme Sterne (mit einer Masse, die geringer ist als die Masse der Sonne) nicht „das Temperament“, um zu enden ihr Leben in Form eines planetarischen Nebels – einer leuchtenden Gaswolke, in deren Mitte sich Überreste des ursprünglichen Sterns befinden.

Dieses Verbot wurde jedoch lange Zeit auf mysteriöse Weise verletzt – in vielen Fällen stellte sich heraus, dass die Masse des planetarischen Nebels geringer war als die Masse der Sonne. Englische und niederländische Astronomen untersuchten drei helle planetarische Nebel (oder besser gesagt ihre schwach leuchtenden Hüllen). Anhand der erhaltenen Spektren wurde die Masse sowohl der Hülle als auch des Nebels selbst berechnet. Das Problem des Massenmangels ist deutlicher geworden – in der Hülle befindet sich viel mehr Materie als im Nebel selbst. Zunächst sollten die Sterne – die „Organisatoren“ der planetarischen Nebel – schwerer sein. Die fehlende Masse befindet sich in der Schale.

Doch dann tauchte ein neues Geheimnis auf. Die für den Nebel und die Hülle berechneten Gastemperaturen unterscheiden sich – die Hülle erwies sich als doppelt so heiß wie der Nebel. Es scheint, dass es umgekehrt sein sollte, da der Zentralstern dazu verpflichtet ist, das Hüllengas zu erhitzen. Eine der Annahmen, die dieses Paradoxon erklärt: Die Energie zum Erhitzen der Hülle wird von einem schnellen „Wind“ geliefert, der vom Zentralstern weht.

ACHTUNG – BLITZ

Der amerikanische Satellit SMM, der zur Erforschung der Sonne entwickelt wurde, sagte seinen vorzeitigen „Tod“ voraus – das Verlassen der Umlaufbahn. Die von diesem Satelliten erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass wir Experten der National Oceanic and Atmospheric Administration zufolge die nächsten vier Jahre in einer Umgebung erhöhter Sonnenaktivität verbringen werden. Mit allen daraus resultierenden Konsequenzen – magnetische Stürme, die die Funkkommunikation und Navigation erschweren, den Betrieb von Radargeräten beeinträchtigen, eine eindeutige Gefahr für die Besatzungen von Raumfahrzeugen darstellen, empfindliche elektronische Teile von Satelliten beschädigen usw.

Sonneneruptionen geben harte ultraviolette Strahlung ab, die die obere Atmosphäre erwärmt. Dadurch erhöht sich die Höhe seines oberen (bedingten) Randes. Kurz gesagt, die Atmosphäre wird „gestört“, was vor allem Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen betrifft. Ihre Lebensdauer verkürzt sich. Dies geschah einmal mit der amerikanischen Skylab-Station, die die Umlaufbahn vorzeitig verließ. Das gleiche Schicksal erwartet, wie bereits erwähnt, den SMM-Satelliten.

Zyklen der Sonnenaktivität sind seit langem bekannt, die Natur der Prozesse, die diese Phänomene verursachen, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

NEUES TELESKOP

Der Mount Mauna Kea (4170 m, Hawaii, USA) wird bald zu einem astronomischen Mekka. Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Teleskopen des Observatoriums auf diesem Berg werden neue, leistungsstärkere optische Teleskope entworfen (und sind bereits im Bau).

Die University of California baut ein 10-Meter-Teleskop, das 1992 fertiggestellt und installiert werden soll. Es wird aus 36 sechseckigen konjugierten Spiegeln bestehen, die in drei konzentrischen Ringen angeordnet sind. An allen Enden der Segmentspiegel installierte elektronische Sensoren übermitteln Daten über ihre aktuelle Position und Ausrichtung relativ zueinander an den Computer, der Befehle an die aktiven Spiegelantriebe sendet. Dadurch wird die Kontinuität der Verbundoberfläche und ihrer Form unter dem Einfluss mechanischer Bewegungen und Windlasten gewährleistet.

Auf demselben Mauna Kea ist 1995 die Installation eines von japanischen Wissenschaftlern entwickelten 7,5-Meter-Teleskops geplant. Es wird mehr als hundert Meter vom amerikanischen entfernt sein. Dieser „Spargel“ wird das leistungsstärkste optisch-interferometrische System sein, das es ermöglichen wird, riesige Entfernungen zu betrachten, Quasare zu untersuchen und neue Sterne und Galaxien zu entdecken.

Acht westeuropäische Länder – Miteigentümer dieses Observatoriums – planen den Bau von vier separaten Teleskopen (jeweils 8 m Durchmesser), die durch Glasfaseroptik in einer einzigen Brennebene zusammengefasst sind, am Südobservatorium (Chile). Der Bau des ersten Spiegels (d. h. des ersten Teleskops) soll bis 1994 abgeschlossen sein, die restlichen drei bis 2000.

WAS KOMMT WOHER

Bekanntlich weist die Marsatmosphäre eine relativ hohe Kohlendioxidkonzentration auf. Dieses Gas entweicht in den Weltraum, daher muss seine konstante Konzentration durch eine Quelle aufrechterhalten werden.

Experten glauben, dass eine solche Quelle das auf der Erde seltene Mineral Skapolit ist (auf unserem Planeten ist es ein Halbedelstein, der neben Kohlenstoff, Silizium, Sauerstoff auch Natrium, Kalzium, Chlor, Schwefel und Wasserstoff enthält), das dies kann speichern große Mengen Kohlendioxid als Teil seiner kristallinen Struktur (Karbonat). Auf dem Mars gibt es viel Skapolit.

In einem Ökosystem sehen wir also das Zusammenspiel einer aus vielen Organismen bestehenden Lebensgemeinschaft mit charakteristischen Umweltfaktoren, die auf diese Gemeinschaft einwirken. Ökosysteme werden üblicherweise nach den wichtigsten Umweltfaktoren klassifiziert. Sie sprechen also von Meeres-, Land- oder Land-, Küsten- oder Küstenökosystemen, See- oder Limnischen Ökosystemen und so weiter. Wie ist das Ökosystem aufgebaut?

Es besteht normalerweise aus vier Hauptelementen:

1. Unbelebte (abiotische) Umgebung. Dies sind Wasser, Mineralien, Gase sowie unbelebte organische Stoffe und Humus.

2. Produzenten (Hersteller). Dazu gehören Lebewesen, die in der Lage sind, organische Substanzen aus anorganischen Materialien in der Umwelt aufzubauen. Diese Arbeit wird hauptsächlich von grünen Pflanzen übernommen, die mithilfe von Sonnenenergie organische Verbindungen aus Kohlendioxid, Wasser und Mineralien herstellen. Dieser Vorgang wird Photosynthese genannt. Dabei wird Sauerstoff (O2) freigesetzt. Von Pflanzen produzierte organische Stoffe dienen Tieren und Menschen als Nahrung, Sauerstoff dient der Atmung.

3. Verbraucher (Verbraucher). Sie verwenden pflanzliche Produkte. Organismen, die sich ausschließlich von Pflanzen ernähren, werden als Verbraucher erster Ordnung bezeichnet. Tiere, die nur (oder überwiegend) Fleisch essen, werden als Verbraucher zweiter Ordnung bezeichnet.

4. Reduzierer (Destruktoren, Zersetzer). Diese Gruppe von Organismen zersetzt die Überreste toter Lebewesen, wie Pflanzenreste oder Tierkadaver, und wandelt sie wieder in Rohstoffe um – Wasser, Mineralien, CO 2 , was für Produzenten geeignet ist, die sie in Bestandteile und wieder in organische Substanzen umwandeln.

Zu den Zersetzern zählen viele Würmer, Insektenlarven und andere kleine Bodenorganismen. Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen, die lebende Materie in Mineralien umwandeln, werden als Mineralisatoren bezeichnet.

Ein Ökosystem kann auch künstlich sein. Ein Beispiel für ein künstliches Ökosystem, das im Vergleich zu natürlichen Ökosystemen extrem vereinfacht und unvollständig ist, ist ein Raumschiff. Sein Pilot muss lange Zeit auf engstem Raum des Schiffes leben und mit begrenzten Vorräten an Nahrung, Sauerstoff und Energie auskommen. In diesem Fall ist es wünschenswert, verbrauchte Stoff- und Abfallreserven nach Möglichkeit zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Zu diesem Zweck sind in der Raumsonde spezielle Regenerationsanlagen vorgesehen, und in jüngster Zeit wurden Experimente mit lebenden Organismen (Pflanzen und Tieren) durchgeführt, die an der Verarbeitung von Astronautenabfällen mithilfe der Energie des Sonnenlichts beteiligt sein sollen.

Vergleichen wir das künstliche Ökosystem eines Raumschiffs mit einem natürlichen, zum Beispiel dem Ökosystem eines Teiches. Beobachtungen zeigen, dass die Anzahl der Organismen in diesem Biotop – mit einigen saisonalen Schwankungen – im Wesentlichen konstant bleibt. Ein solches Ökosystem wird als stabil bezeichnet. Das Gleichgewicht bleibt erhalten, bis sich äußere Faktoren ändern. Die wichtigsten sind der Zu- und Abfluss von Wasser, die Zufuhr verschiedener Nährstoffe und die Sonneneinstrahlung.

Im Ökosystem Teich leben verschiedene Organismen. Nach der Schaffung eines künstlichen Reservoirs wird es nach und nach von Bakterien, Plankton, dann von Fischen und höheren Pflanzen besiedelt. Wenn die Entwicklung einen bestimmten Höhepunkt erreicht hat und äußere Einflüsse über längere Zeit unverändert bleiben (der Zufluss von Wasser, Stoffen, Strahlung einerseits und der Abfluss bzw. die Verdunstung, der Abtransport von Stoffen und der Abfluss von Energie andererseits). ) stabilisiert sich das Teichökosystem. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Lebewesen ein.

Wie ein vereinfachtes künstliches Ökosystem eines Raumschiffs ist ein Teichökosystem in der Lage, sich selbst zu erhalten. Unbegrenztes Wachstum wird durch Wechselwirkungen zwischen produzierenden Pflanzen einerseits und tierischen und pflanzlichen Konsumenten und Zersetzern andererseits behindert.

Verbraucher können sich nur so lange fortpflanzen, wie sie das Angebot an verfügbaren Nährstoffen nicht überbeanspruchen. Wenn sie sich übermäßig vermehren, wird ihre Zahl von alleine nicht mehr wachsen, weil sie nicht genug Nahrung haben. Die Produzenten wiederum benötigen eine konstante Versorgung mit Mineralien. Reduzierer oder Destruktoren zersetzen organisches Material und erhöhen dadurch die Versorgung mit Mineralien. Sie bringen Abfallprodukte wieder in den Kreislauf. Und der Kreislauf beginnt von neuem: Pflanzen (Produzenten) nehmen diese Mineralien auf und produzieren daraus mit Hilfe der Sonnenenergie wieder energiereiche Nährstoffe.

Die Natur arbeitet äußerst sparsam. Die von Organismen erzeugte Biomasse (die Substanz ihres Körpers) und die darin enthaltene Energie werden auf die übrigen Mitglieder des Ökosystems übertragen: Tiere fressen Pflanzen, andere Tiere fressen erstere, Menschen fressen sowohl Pflanzen als auch Tiere. Dieser Vorgang wird Nahrungskette genannt. Beispiele für Nahrungsketten: Pflanzen – Pflanzenfresser – Raubtier; Getreide - Feldmaus - Fuchs; Nahrungspflanzen - Kuh - Mensch. In der Regel ernährt sich jede Art von mehr als einer Art. Daher verflechten sich Nahrungsketten zu einem Nahrungsnetz. Je enger Organismen durch Nahrungsnetze und andere Interaktionen miteinander verbunden sind, desto widerstandsfähiger ist die Gemeinschaft gegenüber möglichen Störungen. Natürliche, ungestörte Ökosysteme streben nach Gleichgewicht. Der Gleichgewichtszustand beruht auf dem Zusammenspiel biotischer und abiotischer Umweltfaktoren.

Die Aufrechterhaltung geschlossener Kreisläufe in natürlichen Ökosystemen ist durch zwei Faktoren möglich: das Vorhandensein von Zersetzern (Reduzierern), die alle Abfälle und Rückstände verwerten, und die konstante Versorgung mit Sonnenenergie. In städtischen und künstlichen Ökosystemen gibt es nur wenige oder keine Zersetzer, und Abfälle – flüssige, feste und gasförmige – sammeln sich an und verschmutzen die Umwelt. Durch die Förderung der Entwicklung von Zersetzern, beispielsweise durch Kompostierung, kann die schnelle Zersetzung und Wiederverwertung solcher Abfälle gefördert werden. So lernt der Mensch von der Natur.

Hinsichtlich des Energieeinsatzes ähneln sich natürliche und anthropogene (vom Menschen geschaffene) Ökosysteme. Sowohl natürliche als auch künstliche Ökosysteme – Häuser, Städte, Verkehrssysteme – benötigen eine externe Energieversorgung. Aber natürliche Ökosysteme beziehen Energie aus einer fast ewigen Quelle – der Sonne, die darüber hinaus zwar Energie „produziert“, aber die Umwelt nicht belastet. Der Mensch hingegen treibt die Produktions- und Verbrauchsprozesse hauptsächlich durch die Endenergiequellen Kohle und Öl voran, die zusammen mit der Energie Staub, Gase, thermische und andere Abfälle erzeugen, die für die Umwelt schädlich sind und nicht sein können im künstlichen Ökosystem selbst verarbeitet werden. Vergessen wir nicht, dass es auch beim Verbrauch von „sauberer“ Energie wie Strom (sofern dieser in einem Wärmekraftwerk erzeugt wird) zu Luftverschmutzung und thermischer Verschmutzung der Umwelt kommt.

Thema:„Der Mensch und sein Platz in der Natur.“

Ziele.

Lehrreich:

• weiterhin systematisch an der Bildung eines elementaren ganzheitlichen Weltbildes bei jüngeren Schulkindern arbeiten;
• Einführung künstlicher Ökosysteme von Städten und Dörfern als Orte des menschlichen Lebens (Lebensraum);
• lehren, den Unterschied in der Wirtschaft alter und moderner Menschen zu erkennen und die Besonderheiten künstlicher Ökosysteme zu verstehen;
• Bringen Sie den Schülern bei, Widersprüche zwischen der menschlichen Wirtschaft und der Natur zu finden und Wege zu ihrer Beseitigung vorzuschlagen.
• ein Konzept einer ökologischen Wirtschaftsform zu entwickeln, die harmonisch mit der Natur verbunden ist.

Lehrreich:

• die Fähigkeit entwickeln, die Welt um uns herum zu erkennen und zu verstehen, das erworbene Wissen sinnvoll anzuwenden, um Bildungs-, kognitive und Lebensprobleme zu lösen;
• Sprache und logisches Denken entwickeln;

Pädagogen:

• eine fürsorgliche Haltung gegenüber der Natur um uns herum, einen sparsamen Umgang mit natürlichen Ressourcen und eine fürsorgliche Haltung gegenüber der Welt zu kultivieren.

Unterrichtsart: Lektion, neues Material zu lernen.

Art des Trainings: problematisch.

Hauptphasen des Unterrichts:

1. Einführung neuen Wissens basierend auf bisherigen Erfahrungen.
2. Reproduktion neuen Wissens.

Ausrüstung:

• Videoaufnahmen zur Demonstration des Ökosystems Stadt und Dorf;
• Arbeitsseite;
• Referenzdiagramme;
• Illustrationen einer vernünftigen Kombination von Zivilisation und Natur.

WÄHREND DES UNTERRICHTS

I. Aktivierung des Wissens und Formulierung des Problems.

1. Leute, heute haben wir die erste Lektion des letzten Abschnitts unseres Lehrbuchs und unseres gesamten Kurses „Die Welt und der Mensch“. Der Titel dieses Abschnitts ist meiner Meinung nach etwas ungewöhnlich. Was macht es so ungewöhnlich?

An der Tafel hängt ein Zettel: „Wie sollen wir leben?“

Es stellt sich heraus, dass diese Frage viele Menschen auf unserem Planeten beschäftigt, unabhängig davon, in welchem ​​Land sie leben und welche Sprache sie miteinander kommunizieren. Aber die Hauptsache ist, dass diesen Menschen das Schicksal unseres Planeten, unseres gemeinsamen Zuhauses, nicht gleichgültig ist.

Ich bin davon überzeugt, dass Sie und ich nicht abseits stehen und versuchen sollten, nach einer Antwort auf diese Frage zu suchen.

Weißt du was das ist Konferenz? Und ist es möglich, unsere Lektion „zu nennen?“ Unterrichtskonferenz”?

Wörterbuch: “Konferenz- ein Treffen, Treffen verschiedener Organisationen, darunter auch Bildungsorganisationen, um einige spezielle Themen zu besprechen.“

(Die Kinder lesen die Interpretation des Wortes „Konferenz“ auf der Arbeitsseite und diskutieren die gestellte Frage).

Und jetzt schlage ich vor, über unsere spezielle Frage nachzudenken "Wie machen wir Leben?" Und " Der Mensch und sein Platz in der Natur“, erinnern Sie sich an das, was wir wissen und studiert haben.

2. Blitz – Quiz „Testen Sie Ihr Wissen“:

1. Das Uralgebirge trennt Europa und Asien;
2. Amerika wurde von Christoph Kolumbus entdeckt;
3. Wolga, Ob, Jenissei, Lena, Amur sind die Flüsse unseres Landes;
4. Es gibt andere Kontinente südlich der Antarktis;
5. Bei vorsichtigem Umgang mit Wasser, Licht, d.h. Energie sparen, dann bleibt die Natur erhalten und das Leben der Menschen wird einfacher;
6. Die Sahara-Wüste liegt in Südamerika;
7. Reisende besuchten sich gegenseitig zu Fuß von Insel zu Insel;
8. Das Sammeln essbarer Pflanzen und die Jagd auf Wildtiere ist die älteste menschliche Tätigkeit;
9. Ein Ökosystem ist eine Gemeinschaft lebender und unbelebter Natur auf der Erde, in der sich jeder zu Hause fühlt.
10. Ein Ökosystem ist eine Zelle der lebenden Hülle der Erde.

(Die Kinder hören sich diese Aussagen an und tragen in die Tabelle auf der Arbeitsseite ein „+“ ein, wenn sie der Aussage zustimmen, und ein „-“, wenn sie der Aussage nicht zustimmen. Nach Erledigung der Aufgabe hängt der Lehrer eine Checkliste an die Tafel und die Schüler führen eine Selbstüberwachung und Selbstkontrolle der erledigten Aufgabe durch.).

3. Das Kreuzworträtsel zu zweit lösen.

1. Wissenschaftler, der Ökosysteme untersucht.
2. Lebende Organismen, die andere Organismen fressen.
3. Die kleinsten „Aasfresser“.
4. Organismen, von denen sich „Esser“ ernähren.

4. Problemdialog.

Ja, das sind unsere Freunde Lena und Mischa. Hören wir ihnen zu...

Lena: Der Mensch, der Wissenschaft und Technologie entwickelt, verletzt natürliche Ökosysteme. Also kann er ohne sie leben?

Mischa: Nein, Lena, du liegst falsch. Der Mensch braucht, wie jeder andere Organismus auch, andere Mitglieder seines Ökosystems, denn er muss atmen, essen und am Stoffkreislauf teilnehmen.

Und wieder, zum dritten Mal, hören wir dasselbe Wort. Wie viele von euch haben auf ihn geachtet? Tatsächlich ist dies das richtige Wort „Ökosystem“. (Im Forum gepostet).

Was ist ein Ökosystem?

(Kinder konsultieren das Wörterbuch auf der Arbeitsseite und geben verschiedene Definitionen an.)

Welche Arten von Ökosystemen gibt es?

- Natürlich- natürlich;
- künstlich sind von Menschenhand geschaffene Ökosysteme.

Nennen Sie ein Beispiel für natürliche Ökosysteme. Künstliche Ökosysteme.

5. Darstellung des Problems.

Kinder, was denkt ihr, in welchem ​​der von euch aufgelisteten Ökosysteme gibt es einen Platz für den Menschen, für euch und mich?

II. Gemeinsames Entdecken von Wissen.

1. Lassen Sie uns auf unserer Konferenz die Themen betrachten, die wir untersuchen und diskutieren müssen:

• Zwei-Personen-Haushalte;
• wo lebt eine Person;
• wie sich Errungenschaften von Wissenschaft und Technik auf das Leben der Menschen auswirken, welchen Nutzen sie haben, warum sie schädlich sind und welche Gefahren in ihrer Nutzung lauern.

2. Unabhängige Bekanntschaft mit zwei Arten der menschlichen Ökonomie anhand der Seiten eines Lehrbuchs.

3. Gemeinsame Arbeit mit der Klasse durch Problemlösungsgespräche zur Systematisierung des erworbenen Wissens:

• Was haben die alten Menschen getan?
• Unterscheideten sie sich von Wildtieren in der Art und Weise, wie sie Nahrung erhielten?
• Wenn sie sich fertige natürliche Ressourcen aneigneten, wie könnte dann ihre Farm heißen? Bilden Sie aus dem Verb „aneignen“ ein Wort, das die Frage „Was für eine Farm?“ beantwortet. (Aneignend).
• Warum lernten die Menschen später, Haustiere und Kulturpflanzen zu züchten?
• Wo haben die Menschen angefangen zu leben?
• Was wurde ihre Hauptbeschäftigung?
• Wenn die Menschen begannen, Nahrungsmittel und andere lebensnotwendige Produkte zu produzieren, wie könnte dann ihre Wirtschaft heißen? Bilden Sie aus dem Verb „produzieren“ ein Wort, das die Frage „Welche Art von Bauernhof?“ beantwortet. (Produzieren)

4. Demonstration zweier ökologischer Pyramiden:

• Welcher von ihnen symbolisiert die aneignende Wirtschaft und welcher die produzierende Wirtschaft?
• Welche davon können mit einem natürlichen Ökosystem in Zusammenhang gebracht werden, welche mit einem künstlichen Ökosystem?
• Wie würden Sie dieses Ökosystem nennen?

(Ökosystem eines Feldes, Gartens, Scheunenhofs, Geflügelstalls, Viehzuchtbetriebes – landwirtschaftliches Ökosystem)

Dies ist das erste künstliche Ökosystem, das von Menschen geschaffen wurde. Hier leben Bauern, die in der Landwirtschaft tätig sind.

Das zweite künstliche Ökosystem, das Menschen für ihr eigenes Leben schaffen, ist das Stadtökosystem.

Wenn Felder, Gärten und Bauernhöfe natürliche Ökosysteme ähneln, dann fällt die Stadt durch ihren Widerspruch zur natürlichen Umgebung auf. Anstelle des Raschelns der Blätter und des Gesangs der Vögel hören wir in der Stadt den Lärm der Motoren, das Knarren der Bremsen, das Klopfen der Straßenbahnräder auf den Schienen. In der Ebene erheben sich Steinberge aus mehrstöckigen Gebäuden. Leider gibt es in der Stadt nur wenige Grünpflanzen. Gerade wegen des Mangels oder Fehlens von Grün versuchen die Menschen – Stadtbewohner – an Wochenenden, die Stadt zu verlassen und sich aufs Land, in den Wald zu begeben, um frische Luft zu atmen und sich eine Pause vom Stadtlärm zu gönnen. Manchmal glauben die Menschen, dass der moderne Mensch nahezu unabhängig von der Natur sei. Das ist ein sehr gefährliches Missverständnis.

Erinnern! Der Mensch in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ist durch viele unsichtbare Fäden mit der Natur verbunden. Pass auf sie auf!

Aber trotz allem ist die Stadt ein Ökosystem, das die Menschen geschaffen haben, um darin zu leben.

5. Schließen Sie Aufgabe 2 auf Seite 59 ab.

• Welche Möglichkeiten hat der Mensch durch die Schaffung künstlicher Ökosysteme gewonnen?
• Welche Beziehung besteht zwischen natürlichen und künstlichen Ökosystemen? Warum?
• Was ist menschliche Stärke?
• Hat das schon immer etwas für Mensch und Umwelt getan?
• Ist der Kreislauf in der Natur geschlossen oder nicht?
• Was passiert unter dem Einfluss menschlichen Managements? (Umweltverschmutzung, Aussterben von Pflanzen und Tieren, Verringerung der Bodenfruchtbarkeit, Brennstoffmangel usw.)

6. Schließen Sie Aufgabe 3 auf Seite 59 ab.

• Welche Konsequenzen hat es, wenn eine Person die Macht nutzt, die sie besitzt?
• Wozu führt das?
• Was muss behoben werden?
• Wenn sich der Kreislauf schließt, kann man diese Wirtschaftsform als... (ökologisch) bezeichnen.
• Was zu tun? Können wir helfen?

Kehren wir zum Konzept zurück „Ökosystem“.

(Die Definition wird an der Tafel ausgehängt)

Ökosystem- das ist ein solcher Verbund (Gemeinschaft) von belebter und unbelebter Natur, in dem sich alle seine Bewohner zu Hause fühlen.

7. Arbeiten Sie an Schlüsselwörtern:

• Commonwealth
• Lebe die Natur
• Unbelebte Natur
• Alle? Wer ist jeder?
• Wie geht es dir zu Hause?

III. Workshop zur selbstständigen Anwendung und Nutzung des erworbenen Wissens.

• Antworten auf Fragen auf Seite 59.
• Erledige 2–3 optionale Aufgaben (1, 4, 5, 7, 8).
• Füllen Sie die Tabelle auf der Arbeitsseite aus. Berechnen Sie Ihre Punkte und finden Sie heraus, wie gut Sie die Natur im Ökosystem der Stadt schützen.

		1
		1
		1
		1
Ich habe die Vögel den ganzen Winter über gefüttert.		2
Ich störe die Vögel am Nest nicht.		1
Ich habe ein Nisthaus für Vögel gebaut.		3
		1
Ich habe einen Baum gepflanzt.		5

13–16 Punkte – Sie sind ein großartiger Kerl, ein Naturschützer. Jeder kann Ihrem Beispiel folgen.

9–12 Punkte – Sie wissen, wie man mit der Natur befreundet ist.

Weniger als 9 Punkte – Sie haben etwas zum Nachdenken. Versuchen Sie, vorsichtiger mit der Natur um Sie herum umzugehen.

IV. Zusammenfassung der Lektion - Konferenz.

• Meinungsaustausch zur Erledigung von Aufgaben;
• Was haben Sie in der Lektion Neues gelernt?
• Warum stellt die menschliche Macht eine große Bedrohung für die gesamte Welt um uns herum dar?

Eine Person hat zwei Wege. Die erste besteht darin, dass alle Menschen gemeinsam in den Weltraum fliegen und sich auf anderen Planeten niederlassen. Aber wenn dies möglich wird, wird es nicht sehr bald sein, vielleicht erst in Hunderten von Jahren.

Der zweite Weg besteht darin, sich an die Natur anzupassen, zu lernen, sie nicht zu zerstören, eine etablierte Wirtschaft nicht zu stören und zu versuchen, mit der Wiederherstellung dessen zu beginnen, was zerstört und beschädigt wurde. Und gehen Sie sorgsam mit der gegenwärtigen Natur um und schützen Sie, was übrig bleibt. Vielleicht ist dieser Weg der einzig mögliche.

V. Hausaufgaben.

Lektion Nr. 12, Aufgabe 6.

ANHANG 1

ARBEITSSEITE

Studenten)______________________________

THEMA: „Wie sollen wir leben?
Der Mensch und sein Platz in der Natur.“

Planen.

1. Zwei-Mann-Farmen.
2. Wo lebt ein Mensch?
3. Wie sollen wir leben?

Übung 1. Blitz - Quiz.

Aufgabe 2. Kreuzworträtsel.

1. Wissenschaftler, der Ökosysteme untersucht.
2. Lebende Organismen, die andere Organismen (Pflanzen und Tiere) fressen.
3. Ein Gas, das für die Atmung aller lebenden Organismen notwendig ist.
4. Was erhält das Ökosystem aus dem Weltraum?
5. Die kleinsten „Aasfresser“.
6. Organismen, die Abfälle und Überreste lebender Organismen verarbeiten.
7. Das Organ einer Pflanze, in dem die Umwandlung unbelebter Stoffe in organisches Material für alle Organismen stattfindet.
8. Düngung zur Steigerung des Pflanzenertrags.
9. Organismen, von denen sich Esser ernähren.
10. Die oberste fruchtbare Bodenschicht, aus der die Pflanze Wasser und Nährstoffe erhält.

Aufgabe 3. Entdeckung neuer Konzepte.

1.____________________

2.____________________

3.____________________

4.____________________

5.____________________

6.____________________

7.____________________

8.____________?_______

Aufgabe 4. Tabelle - Test.

Nützliches Zeug	Abschlussschild	Punkte
Ich schalte das Licht aus, wenn ich den Raum verlasse.		1
Ich drehe den Wasserhahn zu, wenn ich das Badezimmer verlasse.		1
Ich versuche, im Wald und im Park keine Blumen zu pflücken.		1
Ich breche keine Bäume für ein Feuer ab, sondern nehme totes Holz.		1
Ich habe die Vögel den ganzen Winter über gefüttert.		2
Ich störe die Vögel am Nest nicht.		1
Ich habe ein Vogelnisthaus gebaut.		3
Ich kümmere mich um Zimmerpflanzen und Tiere.		1
Ich habe einen Baum gepflanzt.		5

ANLAGE 2

WÖRTERBUCH.

KONFERENZ – ein Treffen verschiedener Organisationen, einschließlich Bildungsorganisationen, um einige spezielle Themen zu besprechen.

ÖKOSYSTEM– Zusammenleben lebender Organismen und das Stück Land, auf dem sie sich zu Hause fühlen.

ÖKOSYSTEM- ein kleiner Teil der Biosphäre. In diesem System finden sich viele Elemente der Biosphäre: Luft, Boden, Wasser, Gesteine.

ÖKOSYSTEM– die Einheit von belebter und unbelebter Natur, in der lebende Organismen verschiedener Berufe gemeinsam den Stoffkreislauf aufrechterhalten können.

ÖKOSYSTEM – es ist eine Gemeinschaft lebender Organismen in Einheit mit dem Ort, an dem sie leben.

ÖKOSYSTEM – Dies ist eine solche Beziehung zwischen belebter und unbelebter Natur, in der sich alle Bewohner zu Hause fühlen.