Co ekosystemy otrzymują z kosmosu i skąd pochodzą? Ekosystem – elementarna jednostka biosfery

1935 A. Tansley wprowadził koncepcję „ekosystemu”. 1940 V.N. Sukaczow – „Biocenoza”

Ekosystem lasów mieszanych

1 – roślinność 2 – zwierzęta 3 – mieszkańcy gleby 4 – powietrze 5 – sama gleba

Ekosystem– historycznie rozwinięty na określonym terytorium lub obszarze wodnym, otwarty, ale integralny, stabilny system elementów żywych i nieożywionych.

Klasyfikacja ekosystemów według wielkości Wszystkie ekosystemy są podzielone na 4 kategorie

Mikroekosystemy

Mezoekosystemy

Makroekosystemy (ogromne, jednorodne przestrzenie rozciągające się na setki kilometrów (lasy tropikalne, ocean))

Globalny ekosystem (biosfera)

Klasyfikacja według stopnia otwartości Otwartość oznacza zdolność do wymiany energii i informacji z otoczeniem.

Odosobniony

Zamknięte

Otwórz ∞

Klasyfikacja opiera się na komponencie takim jak roślinność. Charakteryzuje się statyką i fizjologią.

Klasyfikacje według form życia

Woody = las

Zielne = łąka i step

Półkrzewy = tundra i pustynia

Klasyfikacja według produktywności ekosystemu

pustynny las

Struktura ekosystemu

Rodzaje połączeń w ekosystemie

Troficzny (jedzenie)

Tropikalny (energia)

Teleologiczne (informacyjne)

łańcuch pokarmowy to ciąg jednostek pożywienia, z których każda jest żywym organizmem.

Wilk zając trawiasty

Poziom troficzny – grupa organizmów przypisana do dowolnego poziomu piramidy żywieniowej.

łoś jastrząb

Wilk zając trawiasty

lis człowiek

połączenia troficzne są realizowane przez 3 grupy funkcjonalne organizmów:

Autotrofy(rośliny to organizmy syntetyzujące substancje organiczne z nieorganicznych)

Heterotrofy(organizmy, które nie potrafią syntetyzować substancji organicznych z nieorganicznych poprzez fotosyntezę lub chemosyntezę. Żywią się gotowymi substancjami)

Rozkładacze(Destruktory) (organizmy (bakterie i grzyby), które niszczą martwe szczątki istot żywych, zamieniając je w nieorganiczne i proste związki organiczne.)

Mały (biologiczny) cykl substancji w przyrodzie

Połączenia energetyczne (tropikalne)

Składać dwa prawa ekologii

Prawo ekologicznej energii akumulacyjnej Jest to wrodzona zdolność wielu ekosystemów do koncentrowania energii otrzymywanej przez organizm w złożonych substancjach organicznych i gromadzenia energii w ogromnych ilościach.

Prawo przepływu składników odżywczych

Wydajność (człowiek) = 50% Wydajność (natura) = 10%

Komunikacja informacyjna

W ekosystemach informacje mogą być przekazywane na różne sposoby:

Zachowanie

(nadal nieznany u roślin)

Właściwości ekosystemu

Integralność to właściwość ekosystemu pozwalająca mu funkcjonować jako pojedynczy organizm.

Odporność to zdolność ekosystemu do przeciwstawienia się systemowi zewnętrznemu

Stałość składu to zdolność ekosystemu do utrzymywania składu gatunków w stosunkowo niezmiennym stanie.

Samoregulacja to zdolność ekosystemu do automatycznej regulacji liczby gatunków poprzez narządy biologiczne.

Biosfera. Struktura i funkcje

Biosfera- w 1875 r. austriacki biolog Suess.

Jest to dolna część atmosfery, cała hydrosfera, jej górna część litosfery ziemskiej, zamieszkana przez żywe organizmy.

Teoria pochodzenia życia

Kosmologiczna Hipoteza ta opiera się na założeniu, że życie zostało sprowadzone z kosmosu

Teologiczny

Teoria AI Oparina

Do swojego eksperymentu Oparin wziął butelkę z roztworem cukrów

Koacerwaty kropli wchłonęły cukier. Pojawił się wygląd błony komórkowej.

W 1924 r. Oparin opublikował monografię „Pochodzenie życia”. W 1926 r. „Biosfera” V.I. Wernadski. W monografii Wernadskiego wyróżniają się 2 postulaty:

Planetarna rola biochemiczna w przyrodzie należy do organizmów żywych.

Biosfera ma złożoną organizację.

Skład biosfery

Vernadsky identyfikuje skład biosfery 7 rodzajów substancji:

Obojętny– substancja istniejąca w przyrodzie przed pojawieniem się pierwszych organizmów żywych (woda, skały, lawa wulkaniczna)

Biokosnoe- substancja pochodzenia organicznego, która ma właściwości nieożywione. Wynik wspólnej działalności organizmów żywych (wody, gleby, wietrzenia skorupy, skał osadowych, materiałów ilastych) i procesów obojętnych (abiogennych).

Biogenny– substancja pochodzenia organicznego, uwalniana do środowiska w trakcie procesów życiowych. (gazy atmosferyczne, węgiel, ropa naftowa, torf, wapień, kreda, ściółka leśna, próchnica glebowa itp.)

Radioaktywny

Rozproszone atomy – 50 km

Substancja pochodzenia kosmicznego

Żywa materia- wszystkie żywe organizmy żyjące w przyrodzie

Właściwości organizmów

Wszechobecność życia - zdolność organizmów żywych do życia wszędzie

Przeprowadzanie reakcji redoks

Zdolność do migracji pierwiastków chemicznych

Zdolność do migracji gazów

Zdolność do przeprowadzenia małego cyklu substancji w przyrodzie

Zdolność do gromadzenia i koncentracji pierwiastków chemicznych w tkankach

Aby rozpocząć loty kosmiczne, ludzkość potrzebowała całej wiedzy gromadzonej przez naukowców przez setki lat. I wtedy człowiek stanął przed nowym problemem – do kolonizacji innych planet i lotów na duże odległości konieczne jest stworzenie zamkniętego ekosystemu, obejmującego zapewnienie astronautom pożywienia, wody i tlenu. Dostarczanie żywności na Marsa, który znajduje się 200 milionów kilometrów od Ziemi, jest drogie i trudne; logiczniej byłoby znaleźć sposoby na wytwarzanie produktów, które są łatwe do wdrożenia w locie i na Czerwonej Planecie.

Jak mikrograwitacja wpływa na nasiona? Jakie warzywa byłyby nieszkodliwe, gdyby były uprawiane na Marsie na glebie bogatej w metale ciężkie? Jak założyć plantację na pokładzie statku kosmicznego? Naukowcy i astronauci szukają odpowiedzi na te pytania od ponad pięćdziesięciu lat.

Ilustracja przedstawia rosyjskiego kosmonautę Maksima Surajewa przytulającego rośliny w instalacji Łada na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, 2014.

Konstantin Ciołkowski napisał w „Celach astronomii”: „Wyobraźmy sobie długą stożkową powierzchnię lub lejek, którego podstawa lub szeroki otwór jest pokryty przezroczystą kulistą powierzchnią. Jest skierowany bezpośrednio w stronę Słońca, a lejek obraca się wokół swojej długiej osi (wysokości). Na nieprzezroczystych wewnętrznych ściankach szyszki znajduje się warstwa wilgotnej gleby, w której posadzone są rośliny.” Zaproponował więc sztuczne wytworzenie grawitacji dla roślin. Należy wybierać rośliny plenne, małe, bez grubych pni i części nienarażonych na działanie słońca. W ten sposób można częściowo zaopatrzyć kolonizatorów w substancje i mikroelementy biologicznie czynne, a także zregenerować tlen i wodę.

W 1962 roku główny projektant OKB-1 Siergiej Korolew postawił sobie za zadanie: „Musimy rozpocząć budowę „Szklarni (OR) według Ciołkowskiego” ze stopniowo zwiększającymi się ogniwami lub blokami i musimy rozpocząć pracę nad „ kosmiczne żniwa.”

Rękopis autorstwa K.E. Ciołkowskiego „Album podróży kosmicznych”, 1933.

ZSRR wystrzelił na orbitę pierwszego sztucznego satelitę Ziemi 4 października 1957 roku, dwadzieścia dwa lata po śmierci Ciołkowskiego. Już w listopadzie tego samego roku w kosmos wysłano kundel Łajka, pierwszy z psów, który miał otworzyć ludziom drogę do kosmosu. Łajka zmarła z przegrzania w ciągu zaledwie pięciu godzin, chociaż lot zaplanowano na tydzień - na ten czas wystarczyłoby tlenu i jedzenia.

Naukowcy sugerują, że problem powstał na skutek genetycznie zdeterminowanej orientacji – sadzonka powinna rozciągać się w kierunku światła, a korzeń – w przeciwnym kierunku. Ulepszyli Oazę, a następna wyprawa wyniosła na orbitę nowe nasiona.

Cebula urosła. Witalij Sewastyanow poinformował Ziemię, że strzały osiągnęły dziesięć do piętnastu centymetrów. „Jakie strzały, jaki łuk? Rozumiemy, to żart, daliśmy wam groszek, a nie cebulę” – powiedzieli z Ziemi. Inżynier pokładowy odpowiedział, że astronauci zabrali z domu dwie cebule, aby posadzić je poza planem, i zapewnił naukowców – prawie cały groszek wyrósł.

Ale rośliny nie chciały kwitnąć. Na tym etapie zmarli. Ten sam los spotkał tulipany, które zakwitły w instalacji Buttercup na biegunie północnym, ale nie w kosmosie.

Ale cebulę można było jeść, co z powodzeniem zrobili kosmonauci V. Kovalenok i A. Ivanchenkov w 1978 roku: „Dobrze się spisałeś. Może teraz w nagrodę będziemy mogli zjeść cebulę.

Technologia – młodzież, 1983-04, s. 6. Groszek w instalacji Oaza

W kwietniu 1980 roku kosmonauci W. Ryumin i L. Popow otrzymali instalację „Malachit” z kwitnącymi orchideami. Storczyki przyczepiają się do kory drzew i zagłębień, a naukowcy uważają, że mogą być mniej podatne na geotropizm – zdolność organów roślinnych do lokalizowania się i wzrostu w określonym kierunku względem środka globu. Kwiaty opadły po kilku dniach, ale storczyki wypuściły nowe liście i korzenie powietrzne. Nieco później radziecko-wietnamska załoga z V. Gorbatko i Pham Tuay przywiozła ze sobą dorosłego Arabidopsis.

Rośliny nie chciały kwitnąć. Nasiona wykiełkowały, ale na przykład orchidea nie zakwitła w kosmosie. Naukowcy musieli pomóc roślinom radzić sobie ze stanem nieważkości. Dokonywano tego między innymi poprzez elektryczną stymulację strefy korzeniowej: naukowcy wierzyli, że ziemskie pole elektromagnetyczne może wpływać na wzrost. Inną metodą był opisany przez Ciołkowskiego plan wytworzenia sztucznej grawitacji – rośliny hodowano w wirówce. Wirówka pomogła - kiełki ułożono wzdłuż wektora siły odśrodkowej. Wreszcie astronauci osiągnęli swój cel. W Light Block zakwitł Arabidopsis.

Po lewej stronie na poniższym zdjęciu widać szklarnię Fiton na pokładzie Salut 7. Po raz pierwszy w tej orbitalnej szklarni ryzoid Thala (Arabidopsis) przeszedł pełny cykl rozwojowy i wyprodukował nasiona. Pośrodku znajduje się „Svetoblok”, w którym na pokładzie Salut-6 po raz pierwszy zakwitł Arabidopsis. Po prawej stronie szklarnia pokładowa „Oaza-1A” na stacji Salut-7: została wyposażona w system dozowanego półautomatycznego nawadniania, napowietrzania i elektrycznej stymulacji korzeni oraz mogła przemieszczać naczynia wegetacyjne z roślinami względem źródło światła.

„Fiton”, „Svetoblok” i „Oasis-1A”

Instalacja „Trapez” do badania wzrostu i rozwoju roślin.

Zestawy z nasionami

Dziennik lotów stacji Salut-7, szkice Swietłany Sawickiej

Na stacji Mir zainstalowano pierwszą na świecie automatyczną szklarnię Svet. Rosyjscy kosmonauci przeprowadzili w tej szklarni w latach 1990–2000 sześć eksperymentów. Uprawiali sałatę, rzodkiewkę i pszenicę. W latach 1996-1997 Instytut Problemów Medycznych i Biologicznych Rosyjskiej Akademii Nauk planował hodowlę nasion roślin uzyskanych w kosmosie – czyli pracę z dwoma pokoleniami roślin. Do eksperymentu wybraliśmy hybrydę dzikiej kapusty o wysokości około dwudziestu centymetrów. Roślina miała jedną wadę - astronauci musieli zapylać.

Wynik był interesujący - nasiona drugiego pokolenia zostały odebrane w kosmosie, a nawet wykiełkowały. Ale rośliny urosły do sześciu centymetrów zamiast dwudziestu pięciu. Margarita Levinskikh, pracownik naukowy Instytutu Problemów Medycznych i Biologicznych Rosyjskiej Akademii Nauk, opowiadaże wspaniałego dzieła zapylania roślin dokonał amerykański astronauta Michael Fossum.

Film Roscosmos o uprawie roślin w kosmosie. O 4:38 - rośliny na stacji Mir

W kwietniu 2014 r. statek towarowy Dragon firmy SpaceX dostarczył na Międzynarodową Stację Kosmiczną obiekt do uprawy warzyw warzywnych, a w marcu astronauci rozpoczęli testowanie sadzarki orbitalnej. Instalacja kontroluje dopływ światła i składników odżywczych. W sierpniu 2015 roku w menu astronautów hodowana w warunkach mikrograwitacji.

Sałata uprawiana na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Tak w przyszłości może wyglądać plantacja na stacji kosmicznej.

W rosyjskim segmencie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej znajduje się szklarnia Łada przeznaczona do eksperymentu Plants-2. Pod koniec 2016 lub na początku 2017 roku na pokładzie pojawi się wersja Łada-2. Nad tymi projektami pracuje Instytut Problemów Medycznych i Biologicznych Rosyjskiej Akademii Nauk.

Ogrodnictwo kosmiczne nie ogranicza się do eksperymentów przy zerowej grawitacji. Aby skolonizować inne planety, ludzie będą musieli rozwinąć rolnictwo na glebie innej niż ziemska i w atmosferze o innym składzie. W 2014 roku biolog Michael Mautner ugotował szparagi i ziemniaki na ziemi meteorytowej. Aby uzyskać glebę nadającą się do uprawy, meteoryt rozdrobniono na proszek. Doświadczalnie udało mu się udowodnić, że bakterie, mikroskopijne grzyby i rośliny mogą rosnąć na glebie pochodzenia pozaziemskiego. Materiał większości asteroid zawiera fosforany, azotany i czasami wodę.

Szparagi uprawiane na ziemi meteorytowej

W przypadku Marsa, gdzie jest dużo piasku i pyłu, szlifowanie skały nie będzie konieczne. Ale pojawi się inny problem - skład gleby. Gleba Marsa zawiera metale ciężkie, których zwiększona ilość w roślinach jest niebezpieczna dla ludzi. Naukowcy z Holandii naśladowali marsjańską glebę i od 2013 roku uprawiali na niej dziesięć upraw kilku rodzajów roślin.

W wyniku eksperymentu naukowcy odkryli, że zawartość metali ciężkich w grochu, rzodkiewce, żyto i pomidorach uprawianych na symulowanej glebie marsjańskiej nie jest niebezpieczna dla człowieka. Naukowcy nadal badają ziemniaki i inne uprawy.

Badacz Wager Wamelink sprawdza rośliny uprawiane na symulowanej marsjańskiej glebie. Zdjęcie: Joep Frissel/AFP/Getty Images

Zawartość metali w uprawach zebranych na Ziemi oraz w symulowanych glebach Księżyca i Marsa

Jednym z ważnych zadań jest stworzenie zamkniętego cyklu podtrzymywania życia. Rośliny otrzymują dwutlenek węgla i odpady załogi, w zamian dają tlen i produkują żywność. Naukowcy mają możliwość wykorzystania jako pożywienia jednokomórkowej algi chlorella, zawierającej 45% białka i 20% tłuszczu i węglowodanów. Ale ten teoretycznie pożywny pokarm nie jest trawiony przez człowieka ze względu na gęstą ścianę komórkową. Istnieją sposoby na rozwiązanie tego problemu. Ściany komórkowe można rozbijać metodami technologicznymi poprzez obróbkę cieplną, drobne mielenie lub innymi metodami. Możesz zabrać ze sobą enzymy opracowane specjalnie dla chlorelli, które astronauci będą przyjmować z pożywieniem. Naukowcy mogą również opracować chlorellę GMO, której ściana może zostać rozbita przez ludzkie enzymy. Chlorella nie jest obecnie wykorzystywana do odżywiania się w kosmosie, ale w zamkniętych ekosystemach jest wykorzystywana do produkcji tlenu.

Eksperyment z chlorellą przeprowadzono na pokładzie stacji orbitalnej Salut-6. W latach 70. XX w. nadal wierzono, że przebywanie w mikrograwitacji nie ma negatywnego wpływu na organizm człowieka – informacji było za mało. Próbowali także zbadać wpływ chlorelli, której cykl życiowy trwa zaledwie cztery godziny, na organizmy żywe. Wygodnie było porównać ją z chlorellą uprawianą na Ziemi.

Urządzenie IFS-2 przeznaczone było do hodowli grzybów, kultur tkankowych i mikroorganizmów oraz zwierząt wodnych.

Od lat 70. w ZSRR prowadzono eksperymenty na układach zamkniętych. W 1972 r. Rozpoczęły się prace nad „BIOS-3” - system ten nadal obowiązuje. Kompleks wyposażony jest w komory do uprawy roślin w kontrolowanych, sztucznych warunkach – fitotronach. Uprawiali pszenicę, soję, sałatę chufu, marchew, rzodkiew, buraki, ziemniaki, ogórki, szczaw, kapustę, koper i cebulę. Naukowcom udało się osiągnąć prawie 100% zamknięty cykl w wodzie i powietrzu oraz do 50-80% w żywieniu. Głównymi celami Międzynarodowego Centrum Zamkniętych Systemów Ekologicznych są badanie zasad funkcjonowania takich systemów o różnym stopniu złożoności oraz opracowanie podstaw naukowych do ich tworzenia.

Jednym z głośnych eksperymentów symulujących lot na Marsa i powrót na Ziemię był. Przez 519 dni w zamkniętym kompleksie przebywało sześciu ochotników. Eksperyment zorganizowały Rocosmos i Rosyjska Akademia Nauk, a partnerem została Europejska Agencja Kosmiczna. „Na statku” znajdowały się dwie szklarnie – w jednej rosła sałata, w drugiej groszek. W tym przypadku celem nie była uprawa roślin w warunkach zbliżonych do kosmicznych, ale sprawdzenie, jak ważne są rośliny dla załogi. Dlatego drzwi szklarni zabezpieczono nieprzezroczystą folią i zainstalowano czujnik rejestrujący każde otwarcie. Na zdjęciu po lewej stronie załoga Marsa 500 Marina Tugusheva pracuje w szklarniach w ramach eksperymentu.

Kolejnym eksperymentem na pokładzie „Mars-500” jest GreenHouse. Na poniższym filmie członek ekspedycji Aleksiej Sitnev opowiada o eksperymencie i pokazuje szklarnię z różnymi roślinami.

Osoba będzie miała wiele szans. Istnieje ryzyko, że rozbije się podczas lądowania, zamarznie na powierzchni lub po prostu nie dotrze. I oczywiście umrzeć z głodu. Do powstania kolonii niezbędna jest uprawa roślin, a naukowcy i astronauci pracują w tym kierunku, pokazując udane przykłady uprawy niektórych gatunków nie tylko w warunkach mikrograwitacji, ale także w symulowanej glebie Marsa i Księżyca. Kosmiczni koloniści z pewnością będą mieli taką możliwość.

Zeskanowane i przetworzone przez Yuri Abolonko (Smoleńsk)

NOWOŚĆ W ŻYCIU, NAUCE, TECHNOLOGII

SUBSKRYBUJ SERIĘ POPULARNĄ NAUKOWĄ

KOSMONAUTYKA, ASTRONOMIA

7/1989

Ukazuje się co miesiąc od 1971 roku.

Yu I. Grishin
SZTUCZNE EKOSYSTEMY PRZESTRZENI

W załączniku tego zagadnienia:

TURYSTYKA KOSMICZNA
KRONIKA KOSMONAUTYKI
WIADOMOŚCI ASTRONOMII

Wydawnictwo „Wiedza” Moskwa 1989

BBK 39,67
G 82

Redaktor I. G. VIRKO

Wstęp	3
Człowiek w naturalnym ekosystemie	5
Statek kosmiczny z załogą to sztuczny ekosystem	11
Sztafeta substancji w cyklu biologicznym	21
Czy ekosystemy są wydajne?	26
Sztuczne i naturalne ekosystemy biosfery: podobieństwa i różnice	32
O biologicznych systemach podtrzymywania życia dla załóg kosmicznych	36
Rośliny zielone jako główne ogniwo biologicznych systemów podtrzymywania życia	39
Osiągnięcia i perspektywy	44
Wniosek	53
Literatura	54
APLIKACJA
Turystyka kosmiczna	55
Kronika astronautyki	57
Wiadomości astronomiczne	60

Grishin Yu.I.

G 82

Sztuczne ekosystemy kosmiczne. – M.: Wiedza, 1989. – 64 s. – (Nowości w życiu, nauce, technologii. Seria „Kosmonautyka, Astronomia”; nr 7).

ISBN 5-07-000519-7

Broszura poświęcona jest problematyce podtrzymywania życia załóg statków kosmicznych i przyszłych długoterminowych konstrukcji kosmicznych. Rozważane są różne modele sztucznych systemów ekologicznych, w tym ludzi i innych ogniw biologicznych. Broszura przeznaczona jest dla szerokiego grona czytelników.

3500000000BBK 39,67

ISBN 5-07-000519-7© Wydawnictwo „Wiedza”, 1989

WSTĘP

Początek XXI wieku może zapisać się w historii rozwoju cywilizacji ziemskiej jako jakościowo nowy etap eksploracji przestrzeni okołosłonecznej: bezpośrednie zasiedlanie naturalnych i sztucznie stworzonych obiektów kosmicznych z długim pobytem ludzi na tych obiektach.

Wydaje się, że niedawno wystrzelono na niską orbitę kosmiczną pierwszego sztucznego satelitę Ziemi (1957), wykonano pierwszy przelot w pobliżu i sfotografowano niewidoczną stronę Księżyca (1959), pierwszy człowiek znalazł się w kosmosie (Yu. A. Gagarin, 1961), w telewizji wyświetlono ekscytujący film z momentem spaceru człowieka w przestrzeni kosmicznej (A. A. Leonov, 1965) i pokazem pierwszych kroków astronautów na powierzchni Księżyca (N. Armstrong i E. Aldrin, 1969). Ale co roku te i wiele innych wybitnych wydarzeń ery kosmicznej odchodzą w przeszłość i stają się historią. Stanowią one bowiem dopiero początek ucieleśnienia idei sformułowanych przez wielkiego K. E. Ciołkowskiego, który uważał przestrzeń nie tylko za przestrzeń astronomiczną, ale także za środowisko zamieszkania i życia ludzi w przyszłości. Wierzył, że „gdyby życie nie było rozproszone po całym wszechświecie, gdyby ograniczało się do jednej planety, to życie to często byłoby niedoskonałe i groziło smutnym końcem” (1928).

Dziś przewiduje się już możliwe warianty biologicznej ewolucji człowieka w związku z osiedleniem się znacznej części populacji poza Ziemią, opracowywane są możliwe modele eksploracji kosmosu oraz transformacyjny wpływ programów kosmicznych na przyrodę, gospodarkę i środowisko. oceniane są relacje społeczne. Rozważane i rozwiązywane są także problemy częściowej lub całkowitej samowystarczalności osad w przestrzeni kosmicznej z wykorzystaniem zamkniętych biotechnicznych systemów podtrzymywania życia, kwestie tworzenia baz księżycowych i planetarnych, przemysłu i budownictwa kosmicznego oraz wykorzystania pozaziemskich źródeł energii i materiałów.

Zaczynają się spełniać słowa K. E. Ciołkowskiego, że „ludzkość nie pozostanie na Ziemi na zawsze, lecz w pogoni za światłem i przestrzenią najpierw nieśmiało przeniknie poza atmosferę, a następnie podbije całą przestrzeń okołosłoneczną” (1911).

Na ostatnich międzynarodowych spotkaniach i forach poświęconych współpracy kosmicznej w interesie dalszego poszerzania badań naukowych przestrzeni bliskiej Ziemi i przestrzeni okołosłonecznej, badań Marsa, Księżyca i innych planet Układu Słonecznego wyrażono nadzieję, że realizacja dużych programów kosmicznych, wymagających ogromnych zasobów materiałowych i technicznych oraz kosztów finansowych, będzie realizowany wspólnym wysiłkiem wielu krajów w ramach współpracy międzynarodowej. „Tylko zbiorowy umysł ludzkości jest w stanie wznieść się na wyżyny przestrzeni bliskiej Ziemi i dalej w przestrzeń bliską Słońca i gwiazd” – powiedział M. S. Gorbaczow w swoim przemówieniu do zagranicznych przedstawicieli ruchu komunistycznego – uczestników obchodów 70. rocznica Wielkiej Rewolucji Październikowej.

Jednym z najważniejszych warunków dalszej eksploracji przestrzeni kosmicznej przez człowieka jest zapewnienie życia i bezpiecznego działania ludziom podczas ich długotrwałego pobytu i pracy na stacjach kosmicznych, statkach kosmicznych, w oddalonych od Ziemi bazach planetarnych i księżycowych.

Najbardziej celowym sposobem rozwiązania tego najważniejszego problemu, jak uważa dziś wielu badaczy krajowych i zagranicznych, jest tworzenie zamkniętych biotechnicznych systemów podtrzymywania życia w długoterminowo zamieszkanych strukturach kosmicznych, tj. Sztucznych kosmicznych systemach ekologicznych, w których uczestniczy człowiek i inne ogniwa biologiczne .

W niniejszej broszurze postaramy się nakreślić podstawowe zasady konstruowania takich systemów, przekazać informacje o wynikach dużych eksperymentów naziemnych prowadzonych w ramach przygotowań do powstania kosmicznych biotechnicznych systemów podtrzymywania życia oraz wskazać problemy, które należy jeszcze rozwiązać rozwiązywane na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej w celu zapewnienia wymaganej niezawodności funkcjonowania tych systemów w warunkach kosmicznych.

CZŁOWIEK W NATURALNYM EKOSYSTEMIE

Zanim wyślemy człowieka w długą podróż kosmiczną, spróbujemy najpierw odpowiedzieć na pytania: czego potrzebuje, aby normalnie żyć i owocnie pracować na Ziemi oraz jak rozwiązuje się problem podtrzymywania życia człowieka na naszej planecie?

Odpowiedzi na te pytania są potrzebne, aby stworzyć systemy podtrzymywania życia dla załóg załogowych statków kosmicznych, stacji orbitalnych oraz struktur i baz obcych. Możemy słusznie uważać naszą Ziemię za ogromny statek kosmiczny naturalnego pochodzenia, który od 4,6 miliarda lat odbywa swój niekończący się orbitalny lot kosmiczny wokół Słońca. Załoga tego statku liczy dziś 5 miliardów ludzi. Szybko rosnąca populacja Ziemi, która na początku XX wieku. wynosiła 1,63 miliarda ludzi i znajdowała się na progu XXI wieku. powinno już osiągnąć 6 miliardów, co jest najlepszym dowodem na istnienie w miarę skutecznego i niezawodnego mechanizmu podtrzymywania życia ludzkiego na Ziemi.

Czego więc potrzebuje człowiek na Ziemi, aby zapewnić sobie normalne życie i aktywność? Trudno udzielić krótkiej, ale wyczerpującej odpowiedzi: wszystkie aspekty życia, działalności i zainteresowań człowieka są zbyt obszerne i wieloaspektowe. Przywróć szczegółowo przynajmniej jeden dzień swojego życia, a zobaczysz, że człowiek nie potrzebuje tak mało.

Zaspokojenie potrzeb człowieka w zakresie pożywienia, wody i powietrza, które są podstawowymi potrzebami fizjologicznymi, jest głównym warunkiem jego normalnego życia i aktywności. Jednak stan ten jest nierozerwalnie związany z innym: organizm ludzki, jak każdy inny żywy organizm, aktywnie istnieje dzięki metabolizmowi wewnątrz organizmu i ze środowiskiem zewnętrznym.

Pobierając ze środowiska tlen, wodę, składniki odżywcze, witaminy i sole mineralne, organizm ludzki wykorzystuje je do budowy i odnawiania narządów i tkanek, całą niezbędną do życia energię pozyskuje z białek, tłuszczów i węglowodanów znajdujących się w pożywieniu. Produkty przemiany materii są wydalane z organizmu do środowiska.

Jak wiadomo intensywność metabolizmu i energii w organizmie człowieka jest taka, że dorosły człowiek może przeżyć bez tlenu zaledwie kilka minut, bez wody około 10 dni, a bez jedzenia nawet 2 miesiące. Zewnętrzne wrażenie, że organizm ludzki nie ulega zmianom, jest zwodnicze i błędne. Zmiany w organizmie zachodzą w sposób ciągły. Według A.P. Myasnikova (1962) w ciągu dnia w ciele osoby dorosłej o masie 70 kg wymienia się i umiera 450 miliardów erytrocytów, od 22 do 30 miliardów leukocytów, od 270 do 430 miliardów płytek krwi, rozkłada się około 125 g białek dół, 70 g tłuszczu i 450 g węglowodanów z wydzieleniem ponad 3000 kcal ciepła, 50% komórek nabłonkowych przewodu pokarmowego, 1/75 komórek kostnych szkieletu i 1/20 wszystkich komórki skóry pokrywającej ciało regenerują się i obumierają (tj. co 20 dni człowiek całkowicie „zmienia swoją skórę”), na głowie wypada około 140 włosów i 1/150 wszystkich rzęs, które są zastępowane nowymi itp. Średnio wykonuje się 23 040 wdechów i wydechów, przez płuca przechodzi 11 520 litrów powietrza, wchłania się 460 litrów tlenu, 403 litry dwutlenku węgla i wydalane jest z organizmu 1,2–1,5 litra moczu zawierającego do 30 g gęstych substancji , 0,4 litra odparowuje przez płuca i tworzy się około 0,6 litra wody zawierającej 10 g gęstych substancji, 20 g sebum.

Oto intensywność metabolizmu danej osoby w ciągu zaledwie jednego dnia!

Zatem człowiek stale, przez całe życie, uwalnia produkty przemiany materii i energię cieplną powstającą w organizmie w wyniku rozkładu i utleniania żywności, uwolnienia i przemiany energii chemicznej zmagazynowanej w żywności. Uwolnione produkty przemiany materii i ciepło należy usuwać z organizmu w sposób ciągły lub okresowy, utrzymując ilościowy poziom przemiany materii w pełnej zgodności ze stopniem jego aktywności fizjologicznej, fizycznej i psychicznej oraz zapewniając równowagę w wymianie materii i energii pomiędzy organizmem i środowisko.

Każdy wie, jak te podstawowe potrzeby fizjologiczne człowieka są realizowane w codziennym życiu: pięciomiliardowa załoga statku kosmicznego „Planeta Ziemia” otrzymuje lub produkuje wszystko, co niezbędne do życia, w oparciu o rezerwy i produkty planety, która żywi się , podlewa je i ubiera, pomaga zwiększyć ich liczebność, chroni swoją atmosferą wszystkie żyjące istoty przed niekorzystnym działaniem promieni kosmicznych. Przedstawmy kilka liczb, które wyraźnie charakteryzują skalę głównej „wymiany dóbr” pomiędzy człowiekiem a przyrodą.

Pierwszą stałą potrzebą człowieka jest oddychanie powietrzem. „Nie można oddychać za dużo powietrzem” – mówi rosyjskie przysłowie. Jeśli każdy człowiek potrzebuje średnio 800 g tlenu dziennie, to cała populacja Ziemi powinna zużywać 1,5 miliarda ton tlenu rocznie. Atmosfera ziemska posiada ogromne odnawialne zasoby tlenu: przy całkowitej masie atmosfery ziemskiej wynoszącej około 5 ∙ 10 15 ton tlenu stanowi około 1/5, czyli prawie 700 tysięcy razy więcej niż roczne zużycie tlenu w całym populacja Ziemi. Oczywiście oprócz ludzi tlen atmosferyczny jest wykorzystywany przez świat zwierząt, a także wydawany na inne procesy oksydacyjne, których skala na planecie jest ogromna. Jednak procesy odwrotnej redukcji są nie mniej intensywne: dzięki fotosyntezie, pod wpływem promienistej energii Słońca, rośliny na lądzie, morzach i oceanach stale wiążą dwutlenek węgla uwalniany przez organizmy żywe w procesach oksydacyjnych w różnorodne związki organiczne za pomocą jednoczesne uwalnianie tlenu cząsteczkowego. Według geochemików wszystkie rośliny na Ziemi uwalniają rocznie 400 miliardów ton tlenu, wiążąc przy tym 150 miliardów ton węgla (z dwutlenku węgla) z 25 miliardami ton wodoru (z wody). Dziewięć dziesiątych tej produkcji wytwarzają rośliny wodne.

W związku z tym problem zaopatrzenia człowieka w tlen z powietrza na Ziemi jest z sukcesem rozwiązywany głównie poprzez procesy fotosyntezy zachodzące w roślinach.

Kolejną najważniejszą potrzebą człowieka jest woda.

W organizmie człowieka jest środowiskiem, w którym zachodzą liczne reakcje biochemiczne procesów metabolicznych. Woda, stanowiąca 2/3 masy ciała człowieka, odgrywa ogromną rolę w zapewnieniu jego funkcji życiowych. Woda wiąże się nie tylko z dostarczaniem do organizmu składników odżywczych, ich wchłanianiem, dystrybucją i przyswajaniem, ale także z uwalnianiem końcowych produktów przemiany materii.

Woda dostaje się do organizmu człowieka w postaci napoju i pożywienia. Ilość wody potrzebna organizmowi dorosłego człowieka waha się od 1,5 – 2 do 10 – 15 litrów dziennie i zależy od jego aktywności fizycznej oraz warunków środowiskowych. Odwodnienie organizmu lub nadmierne ograniczenie spożycia wody prowadzi do gwałtownego zakłócenia jego funkcji i zatrucia produktami przemiany materii, zwłaszcza azotem.

Dodatkowa ilość wody jest niezbędna człowiekowi do zaspokojenia potrzeb sanitarnych, domowych i domowych (mycie, pranie, produkcja, hodowla zwierząt itp.). Ilość ta znacznie przekracza normę fizjologiczną.

Ilość wody na powierzchni Ziemi jest ogromna, jej objętość wynosi ponad 13,7 ∙ 10 8 km 3 . Jednakże zasoby świeżej wody nadającej się do spożycia są w dalszym ciągu ograniczone. Ilość opadów (wody słodkiej) spadających średniorocznie na powierzchnię kontynentów w wyniku obiegu wody na Ziemi wynosi zaledwie około 100 tys. km 3 (1/5 całkowitej ilości opadów na Ziemi). I tylko niewielka część tej ilości jest efektywnie wykorzystywana przez człowieka.

Zatem na statku kosmicznym Ziemia zasoby wody można uznać za nieograniczone, ale zużycie czystej, słodkiej wody wymaga ekonomicznego podejścia.

Pożywienie służy organizmowi człowieka jako źródło energii i substancji biorących udział w syntezie składników tkanek, odnowie komórek i ich elementów strukturalnych. W organizmie w sposób ciągły zachodzą procesy biologicznego utleniania białek, tłuszczów i węglowodanów dostarczanych z pożywieniem. Pożywna dieta powinna zawierać odpowiednią ilość aminokwasów, witamin i minerałów. Substancje spożywcze, zwykle rozkładane przez enzymy w przewodzie pokarmowym na prostsze, niskocząsteczkowe związki (aminokwasy, monosacharydy, kwasy tłuszczowe i wiele innych), są wchłaniane i rozprowadzane przez krew po całym organizmie. Końcowymi produktami utleniania żywności są najczęściej dwutlenek węgla i woda, które są wydalane z organizmu w postaci produktów przemiany materii. Energia uwalniana podczas utleniania żywności jest częściowo magazynowana w organizmie w postaci związków wzbogaconych w energię, a częściowo przekształcana w ciepło i rozpraszana w środowisku.

Ilość pożywienia potrzebna organizmowi zależy przede wszystkim od intensywności jego aktywności fizycznej. Energia podstawowego metabolizmu, czyli takiego metabolizmu, gdy człowiek jest w całkowitym spoczynku, wynosi średnio 1700 kcal dziennie (dla mężczyzn do 30. roku życia o wadze do 70 kg). W tym przypadku wydawany jest wyłącznie na realizację procesów fizjologicznych (oddychanie, czynność serca, ruchliwość jelit itp.) i zapewnienie stałości normalnej temperatury ciała (36,6 ° C).

Aktywność fizyczna i umysłowa człowieka wymaga zwiększenia wydatku energetycznego organizmu i spożywania większej ilości pożywienia. Ustalono, że dzienne zużycie energii człowieka podczas umiarkowanej pracy umysłowej i fizycznej wynosi około 3000 kcal. Codzienna dieta człowieka powinna mieć tę samą zawartość kalorii. Zawartość kalorii w diecie oblicza się w przybliżeniu na podstawie znanych wartości ciepła uwalnianego podczas całkowitego utleniania każdego grama białek (4,1 kcal), tłuszczów (9,3 kcal) i węglowodanów (4,1 kcal). Odpowiedni stosunek białek, tłuszczów i węglowodanów w diecie ustalany jest przez medycynę zgodnie z potrzebami fizjologicznymi człowieka i obejmuje od 70 do 105 g białek, od 50 do 150 g tłuszczów i od 300 do 600 g węglowodanów w ramach jednej wartości kalorycznej diety. Różnice w składzie diety w białka, tłuszcze i węglowodany powstają najczęściej na skutek zmian w aktywności fizycznej organizmu, ale zależą także od nawyków człowieka, narodowych tradycji żywieniowych, dostępności danego produktu spożywczego oraz, w oczywiście określone możliwości społeczne w celu zaspokojenia potrzeb żywieniowych.

Każdy ze składników odżywczych pełni w organizmie określone funkcje. Dotyczy to zwłaszcza białek zawierających azot, który nie jest częścią innych składników odżywczych, ale jest niezbędny do odbudowy własnych białek w organizmie człowieka. Szacuje się, że w organizmie osoby dorosłej dziennie ulega zniszczeniu co najmniej 17 g własnych białek, które należy przywrócić poprzez żywność. Dlatego taka ilość białka stanowi minimum wymagane w diecie każdego człowieka.

Tłuszcze i węglowodany można w dużej mierze zastępować sobą, ale do pewnych granic.

Regularne pożywienie człowieka całkowicie pokrywa zapotrzebowanie organizmu na białka, tłuszcze i węglowodany, a także dostarcza mu niezbędnych minerałów i witamin.

Jednakże w przeciwieństwie do nieograniczonych dostaw tlenu (powietrza) i wody pitnej, których na planecie jest jeszcze wystarczająco dużo, a których spożycie jest ściśle reglamentowane jedynie w niektórych, zwykle suchych regionach, ilość produktów spożywczych ograniczana jest przez niski poziom produktywność naturalnego cyklu troficznego (pokarmowego), składającego się z trzech głównych poziomów: rośliny – zwierzęta – człowiek. Rzeczywiście, rośliny wytwarzają biomasę, wykorzystując jedynie 0,2% energii słonecznej docierającej do Ziemi. Spożywając biomasę roślinną do celów spożywczych, zwierzęta wydają nie więcej niż 10–12% energii, którą przyswajają na własne potrzeby. Ostatecznie człowiek spożywając żywność pochodzenia zwierzęcego zaspokaja potrzeby energetyczne swojego organizmu przy bardzo niskim stopniu wykorzystania początkowej energii słonecznej.

Zaspokajanie potrzeb żywieniowych zawsze było najtrudniejszym zadaniem człowieka. Bierne wykorzystanie możliwości natury w tym kierunku jest ograniczone, ponieważ większość globu zajmują oceany i pustynie o niskiej produktywności biologicznej. Tylko niektóre regiony Ziemi, charakteryzujące się stabilnymi, korzystnymi warunkami klimatycznymi, zapewniają wysoką pierwotną produktywność substancji, które zresztą nie zawsze są akceptowalne z punktu widzenia potrzeb żywieniowych człowieka. Wzrost liczby ludności Ziemi, jej rozproszenie na wszystkich kontynentach i strefach geograficznych planety, w tym w strefach o niekorzystnych warunkach klimatycznych, a także stopniowe wyczerpywanie się naturalnych źródeł żywności doprowadziły do stanu, w którym zaspokojenie potrzeb żywnościowych Ziemi stało się uniwersalny problem człowieka. Dziś uważa się, że światowy deficyt samego białka w diecie wynosi 15 milionów ton rocznie. Oznacza to, że co najmniej 700 milionów ludzi na świecie jest systematycznie niedożywionych. I to pomimo faktu, że ludzkość pod koniec XX wieku. Ogólnie rzecz biorąc, wyróżnia się dość wysoką organizacją społeczną, dużymi osiągnięciami w rozwoju nauki, technologii, przemysłu i produkcji rolnej oraz głębokim zrozumieniem jedności składu, biosfery planety.

Pożywienie jest ważnym czynnikiem środowiskowym nie tylko dla ludzi, ale także dla wszystkich zwierząt. W zależności od dostępności żywności, jej różnorodności, jakości i ilości, cechy populacji organizmów żywych (płodność i śmiertelność, oczekiwana długość życia, tempo rozwoju itp.) mogą znacząco się zmienić. Połączenia pokarmowe (troficzne) między organizmami żywymi, jak zostanie pokazane poniżej, leżą u podstaw zarówno biologicznego cyklu substancji biosfery (lądowej), jak i sztucznych systemów ekologicznych, w których skład wchodzi człowiek.

Ziemia będzie w stanie przez długi czas zapewnić żyjącym na niej wszystko, czego potrzebują, jeśli ludzkość będzie bardziej racjonalnie i rozważnie korzystała z zasobów planety, rozwiąże problemy przekształcania przyrody w sposób przyjazny dla środowiska, wyeliminuje wyścig zbrojeń i postawi na koniec broni nuklearnej.

Naukowa podstawa rozwiązania problemu utrzymania życia ludzkości na Ziemi, sformułowana przez V.I. Wernadskiego, polega na przejściu biosfery Ziemi do noosfery, czyli do biosfery, która została zmieniona myślą naukową i przekształcona, aby spełnić wszystkie potrzeby liczebnie rosnącej ludzkości (sfera rozumu). V.I. Wernadski założył, że powstawszy na Ziemi, Noosfera, gdy człowiek eksploruje przestrzeń okołogwiazdową, powinna przekształcić się w specjalny element strukturalny przestrzeni.

STATEK KOSMICZNY Z ZAŁOGĄ – SZTUCZNY EKOSYSTEM

Jak rozwiązać problem zapewnienia załodze statku kosmicznego świeżej, urozmaiconej żywności, czystej wody i życiodajnego powietrza? Naturalnie najprostszą odpowiedzią jest zabranie ze sobą wszystkiego, czego potrzebujesz. Tak właśnie robią w przypadku krótkotrwałych lotów załogowych.

W miarę wydłużania się czasu lotu potrzebne są większe zapasy. Dlatego też konieczna jest regeneracja niektórych substancji eksploatacyjnych (np. wody), przetworzenie odpadów ludzkich i odpadów z procesów technologicznych niektórych systemów okrętowych (np. regenerowanych sorbentów dwutlenku węgla) w celu ponownego wykorzystania tych substancji i zmniejszenia zapasów początkowych.

Idealnym rozwiązaniem wydaje się realizacja pełnego (lub prawie całkowitego) obiegu substancji w ograniczonej objętości „domu” przestrzeni mieszkalnej. Jednak tak złożone rozwiązanie może być korzystne i praktycznie wykonalne tylko w przypadku dużych wypraw kosmicznych trwających dłużej niż 1,5 - 3 lata (A. M. Genin, D. Talbot, 1975). Decydującą rolę w tworzeniu obiegu substancji w takich wyprawach przypisuje się zwykle procesom biosyntezy. Funkcje zaopatrzenia załogi w żywność, wodę i tlen, usuwania i przetwarzania produktów przemiany materii oraz utrzymywania wymaganych parametrów siedliska załogi na statku, stacji itp. przypisane są tzw. systemom podtrzymywania życia (LSS). ). Schematyczne przedstawienie głównych typów systemów podtrzymywania życia dla załóg kosmicznych pokazano na ryc. 1.

Ryż. 1. Schematy głównych typów systemów podtrzymywania życia dla załóg kosmicznych: 1 – system w rezerwie (usunięto wszystkie odpady); 2 – system na zapasach z częściową regeneracją fizyczną i chemiczną substancji (PCR) (część odpadów jest usuwana, część zapasów może zostać odnowiona); 3 – instalacja z częściowym FCR i częściową odnową biologiczną substancji przez rośliny (BR) z instalacją rekultywacji odpadów (BC); 4 – układ z pełną, zamkniętą regeneracją substancji (rezerwy ograniczane są przez mikrododatki).
Oznaczenia: E - energia promienista lub cieplna, IE - źródło energii, O - odpad, BB - bioblok ze zwierzętami, linia przerywana - proces opcjonalny

Systemy podtrzymywania życia załóg kosmicznych to niezwykle złożone kompleksy. Trzy dekady ery kosmicznej potwierdziły wystarczającą wydajność i niezawodność stworzonych systemów podtrzymywania życia, które z powodzeniem działały na radzieckich statkach kosmicznych Wostok i Sojuz, amerykańskim Mercury, Gemini i Apollo, a także na orbicie Salut i Skylab stacje” Prace kompleksu badawczego Mir nad ulepszonym systemem podtrzymywania życia na pokładzie trwają. Wszystkie te systemy zapewniły loty ponad 200 kosmonautom z różnych krajów.

Zasady budowy i działania systemów podtrzymywania życia, które były i są obecnie stosowane w lotach kosmicznych, są powszechnie znane. Polegają one na wykorzystaniu procesów regeneracji fizycznej i chemicznej. Jednocześnie otwarty pozostaje problem wykorzystania procesów biosyntezy w kosmicznym LSS, a tym bardziej problem budowy zamkniętego biotechnicznego LSS do lotów kosmicznych.

Istnieją różne, czasem wręcz przeciwne, punkty widzenia na temat możliwości i wykonalności praktycznego wdrożenia takich systemów w ogóle, a w szczególności w statkach kosmicznych. Argumenty przeciw podaje się następująco: złożoność, brak wiedzy, energochłonność, zawodność, nieprzystosowalność itp. Jednak zdecydowana większość ekspertów uważa wszystkie te problemy za możliwe do rozwiązania, a wykorzystanie biotechnicznych systemów podtrzymywania życia w ramach przyszłe duże osady kosmiczne, bazy księżycowe, planetarne i międzyplanetarne oraz inne odległe struktury pozaziemskie - nieuniknione.

Włączenie do systemu podtrzymywania życia załogi wraz z licznymi urządzeniami technicznymi jednostek biologicznych, których funkcjonowanie odbywa się według skomplikowanych praw rozwoju materii żywej, wymaga jakościowo nowego, ekologicznego podejścia do kształtowania się organizmów biotechnicznych. systemy podtrzymywania życia, w których musi zostać osiągnięta stabilna równowaga dynamiczna i spójność przepływów materii i energii we wszystkich ogniwach. W tym sensie każdy nadający się do zamieszkania statek kosmiczny należy uważać za sztuczny system ekologiczny.

Zamieszkany statek kosmiczny zawiera co najmniej jedno aktywnie działające ogniwo biologiczne - osobę (załogę) ze swoją mikroflorą. Jednocześnie człowiek i mikroflora istnieją w interakcji ze sztucznie wytworzonym w statku kosmicznym środowiskiem, zapewniając stabilną równowagę dynamiczną układu biologicznego w zakresie przepływów materii i energii.

Tak więc, nawet przy pełnym zabezpieczeniu życia załogi statku kosmicznego ze względu na rezerwy substancji i przy braku innych powiązań biologicznych, statek kosmiczny nadający się do zamieszkania jest już sztucznym systemem ekologicznym w przestrzeni kosmicznej. Może być całkowicie lub częściowo odizolowany materią od środowiska zewnętrznego (przestrzeni kosmicznej), ale całkowicie wyklucza się jej energetyczną (termiczną) izolację od tego środowiska. Stała wymiana energii z otoczeniem, a przynajmniej ciągłe odprowadzanie ciepła, jest warunkiem koniecznym funkcjonowania każdego sztucznego ekosystemu kosmicznego.

XXI wiek stawia przed ludzkością nowe, jeszcze bardziej ambitne zadania w dalszej eksploracji kosmosu. (Najwyraźniej trafniejsze byłoby stwierdzenie, że ludzkość stawia te zadania na XXI wiek.) Specyficzny wygląd przyszłego ekosystemu kosmicznego można określić w zależności od przeznaczenia i orbity konstrukcji kosmicznej (międzyplanetarny załogowy statek kosmiczny, blisko- Stacja orbitalna Ziemi, baza księżycowa, baza marsjańska, platforma kosmiczna konstrukcyjna, kompleks budynków mieszkalnych na asteroidach itp.), wielkość załogi, czas działania, zasilanie i wyposażenie techniczne oraz oczywiście od stopnia gotowości niektórych technologii procesy, w tym procesy kontrolowanej biosyntezy oraz procesy kontrolowanej przemiany materii i energii w biologicznych ogniwach ekosystemów.

Dziś można powiedzieć, że zadania i programy zaawansowanych badań kosmicznych w ZSRR i USA zostały określone na szczeblu państwowym mniej więcej do roku 2000. O zadaniach kolejnego stulecia naukowcy wciąż mówią w formie prognoz. I tak wyniki badania opublikowanego w 1984 r. (a przeprowadzonego jeszcze w 1979 r. przez pracownika Rand Corporation w drodze ankiety wśród 15 czołowych specjalistów ze Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii) ukazały obraz przedstawiony w poniższej tabeli:

Lata	Zawartość sceny
2020 –2030	Kolonizacja Księżyca i przestrzeni kosmicznej przez duże kontyngenty ludzkie (ponad 1000 osób).
2020 – 2071	Rozwój sztucznej inteligencji człowieka.
2024 – 2037	Pierwszy załogowy lot na Jowisza.
2030 – 2050	Loty w obrębie Układu Słonecznego, wykorzystanie zasobów naturalnych Układu Słonecznego, w tym Księżyca.
2045 – 2060	Pierwszy lot bezzałogowej sondy poza Układ Słoneczny.
2045 – 2070	Pierwszy załogowy lot do granic Układu Słonecznego.
2050 – 2100	Nawiązanie kontaktów z inteligencją pozaziemską.

Słynny amerykański fizyk J. O'Neil zajmujący się problematyką przyszłego kosmicznego osadnictwa ludzkości już w 1974 roku opublikował swoją prognozę, która w 1988 roku zakładała, że w kosmosie będzie pracować 10 tysięcy ludzi. Prognoza ta się nie sprawdziła, ale dziś wielu ekspertów Uważa się, że do 1990 r. w kosmosie będzie stale pracować 50–100 osób.

Znany specjalista dr Puttkamer (Niemcy) uważa, że okres od 1990 do 2000 roku będzie charakteryzował się początkiem zasiedlania przestrzeni blisko Ziemi, a po 2000 roku należy zapewnić mieszkańcom przestrzeni autonomię i ekologicznie zamknięte siedlisko należy stworzyć system.

Obliczenia pokazują, że wraz ze wzrostem czasu pobytu człowieka w przestrzeni kosmicznej (do kilku lat), wzrostem liczebności załogi i wzrostem odległości statku kosmicznego od Ziemi pojawia się potrzeba przeprowadzenia badań biologicznych regeneracja substancji eksploatacyjnych, a przede wszystkim żywności, bezpośrednio na pokładzie statku kosmicznego. Jednocześnie na korzyść biologicznego podtrzymywania życia przemawiają nie tylko wskaźniki techniczne i ekonomiczne (masa i energia), ale także, nie mniej ważne, wskaźniki biologicznej niezawodności człowieka jako decydującego ogniwa w sztucznym ekosystemie kosmicznym. Wyjaśnijmy to drugie bardziej szczegółowo.

Istnieje szereg zbadanych (i dotychczas niezbadanych) powiązań pomiędzy ciałem człowieka a przyrodą żywą, bez których jego pomyślna, długoterminowa aktywność życiowa nie jest możliwa. Należą do nich np. jego naturalne powiązania troficzne, których nie da się całkowicie zastąpić pożywieniem z zapasów zgromadzonych na statku. Dlatego niektóre witaminy absolutnie niezbędne dla człowieka (karotenoidy spożywcze, kwas askorbinowy itp.) Są niestabilne podczas przechowywania: w warunkach lądowych okres przydatności do spożycia na przykład witamin C i P wynosi 5–6 miesięcy. Pod wpływem warunków kosmicznych z biegiem czasu następuje chemiczna restrukturyzacja witamin, w wyniku której tracą one swoją aktywność fizjologiczną. Z tego powodu muszą być albo stale rozmnażane biologicznie (w postaci świeżej żywności, np. warzyw), albo regularnie dostarczane z Ziemi, jak miało to miejsce podczas rekordowego corocznego lotu kosmicznego na stację Mir. Ponadto badania medyczne i biologiczne wykazały, że w warunkach lotu kosmicznego astronauci wymagają zwiększonego spożycia witamin. I tak podczas lotów w ramach programu Skylab spożycie przez astronautów witamin z grupy B i witaminy C (kwasu askorbinowego) wzrosło około 10-krotnie, witaminy A (akseroftol) - 2 razy, a witaminy D (kalcyferol) - nieco powyżej normy ziemskiej. Obecnie ustalono również, że witaminy pochodzenia biologicznego mają wyraźną przewagę nad oczyszczonymi preparatami tych samych witamin otrzymywanymi chemicznie. Dzieje się tak dlatego, że biomasa zawiera witaminy w połączeniu z szeregiem innych substancji, w tym stymulantami, a spożywane efektywniej wpływają na metabolizm żywego organizmu.

Wiadomo, że naturalne produkty roślinne zawierają wszystkie białka roślinne (aminokwasy), lipidy (niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe), cały kompleks witamin rozpuszczalnych w wodzie i częściowo rozpuszczalnych w tłuszczach, węglowodanów, substancji biologicznie czynnych i błonnika. Rola tych składników żywności w metabolizmie jest ogromna (V.I. Yazdovsky, 1988). Oczywiście istniejący proces przygotowywania racji kosmicznych, który wiąże się z surowymi reżimami przetwarzania (mechanicznego, termicznego, chemicznego), nie może nie zmniejszyć efektywności poszczególnych ważnych składników żywności w metabolizmie człowieka.

Najwyraźniej należy wziąć pod uwagę możliwy skumulowany wpływ kosmicznego promieniowania radioaktywnego na produkty spożywcze przechowywane przez długi czas na statku.

W związku z tym samo dotrzymanie kaloryczności żywności zgodnie z ustaloną normą nie wystarczy, konieczne jest, aby żywność astronauty była jak najbardziej różnorodna i świeża.

Odkrycie przez francuskich biologów zdolności czystej wody do „zapamiętywania” pewnych właściwości cząsteczek biologicznie aktywnych, a następnie przekazywania tej informacji żywym komórkom, wydaje się zaczyna wyjaśniać starożytną mądrość ludową wróżek dotyczącą „żywej” i „martwej” wody. Jeśli to odkrycie się potwierdzi, pojawi się zasadniczy problem regeneracji wody na długoterminowych statkach kosmicznych: czy woda oczyszczana lub uzyskiwana metodami fizyko-chemicznymi w wielu izolowanych cyklach jest w stanie zastąpić biologicznie aktywną „żywą” wodę?

Można również założyć, że długi pobyt w izolowanej objętości statku kosmicznego ze sztucznym siedliskiem gazowym uzyskanym środkami chemicznymi nie jest obojętny dla organizmu ludzkiego, którego wszystkie pokolenia żyły w atmosferze pochodzenia biogennego, której skład jest bardziej różnorodny. Nieprzypadkowo organizmy żywe posiadają zdolność rozróżniania izotopów określonych pierwiastków chemicznych (w tym stabilnych izotopów tlenu O 16, O 17, O 18), a także wykrywania niewielkich różnic w sile wiązań chemicznych izotopów w cząsteczkach H 2 O, CO 2 itp. Wiadomo, że masa atomowa tlenu zależy od źródła jego produkcji: tlen z powietrza jest nieco cięższy niż tlen z wody. Organizmy żywe „odczuwają” tę różnicę, choć ilościowo są w stanie ją określić jedynie specjalne spektrometry mas. Długotrwałe oddychanie chemicznie czystym tlenem w warunkach lotów kosmicznych może prowadzić do nasilenia procesów oksydacyjnych w organizmie człowieka i zmian patologicznych w tkance płuc.

Należy zaznaczyć, że powietrze pochodzenia biogennego, wzbogacone fitoncydami roślinnymi, pełni dla człowieka szczególną rolę. Fitoncydy to substancje biologicznie czynne stale wytwarzane przez rośliny, które zabijają lub tłumią bakterie, mikroskopijne grzyby i pierwotniaki. Obecność fitoncydów w otaczającym powietrzu z reguły jest korzystna dla organizmu człowieka i powoduje uczucie świeżości w powietrzu. Przykładowo dowódca trzeciej amerykańskiej załogi stacji Skylab podkreślał, że jego załoga z przyjemnością wdychała powietrze wzbogacone fitoncydami cytrynowymi.

W znanych przypadkach zakażenia człowieka bakteriami zasiedlającymi klimatyzatory („choroba legionistów”) fitoncydy byłyby silnym środkiem dezynfekującym, a w odniesieniu do systemów klimatyzacyjnych w zamkniętych ekosystemach mogłyby wyeliminować tę możliwość. Jak wykazały badania M. T. Dmitriewa, fitoncydy mogą działać nie tylko bezpośrednio, ale także pośrednio, zwiększając bakteriobójczy charakter powietrza i zwiększając zawartość lekkich jonów ujemnych, które korzystnie wpływają na organizm człowieka. Zmniejsza to liczbę niepożądanych, ciężkich jonów dodatnich w powietrzu. Fitoncydy, będące unikalnymi nośnikami funkcji ochronnej roślin przed mikroflorą środowiskową, nie tylko są uwalniane do powietrza otaczającego roślinę, ale są także zawarte w biomasie samych roślin. Najbogatsze w fitoncydy jest czosnek, cebula, gorczyca i wiele innych roślin. Spożywając je jako pożywienie, człowiek prowadzi niezauważalną, ale bardzo skuteczną walkę z zakaźną mikroflorą, która przedostaje się do organizmu.

Mówiąc o znaczeniu dla człowieka połączeń biologicznych w sztucznym ekosystemie kosmicznym, nie można nie zauważyć szczególnej pozytywnej roli roślin wyższych jako czynnika zmniejszającego stres emocjonalny astronautów i poprawiającego komfort psychiczny. Wszyscy astronauci, którzy musieli przeprowadzać eksperymenty z roślinami wyższymi na pokładach stacji kosmicznych, byli jednomyślni w swoich ocenach. Tak więc L. Popow i V. Ryumin na stacji orbitalnej Salyut-6 lubili opiekować się roślinami w szklarniach eksperymentalnych „Malachit” (szklarnia z witrażami wewnętrznymi z tropikalnymi orchideami) i „Oaza” (szklarnia eksperymentalna z uprawami warzyw i witamin rośliny). Prowadzili podlewanie, monitorowali wzrost i rozwój roślin, przeprowadzali kontrole zapobiegawcze i prace nad techniczną częścią szklarni, a w rzadkich chwilach odpoczynku po prostu podziwiali żywe wnętrze storczyków. „Badania biologiczne sprawiły nam wiele przyjemności. Mieliśmy na przykład instalację Malachit ze storczykami i kiedy wysłaliśmy ją na Ziemię, poczuliśmy jakąś stratę, stacja stała się mniej wygodna. Tak powiedział po wylądowaniu L. Popow. „Praca z Malachite na pokładzie kompleksu kosmicznego zawsze dawała nam szczególną satysfakcję” – dodał V. Ryumin do L. Popova.

Na konferencji prasowej w dniu 14 października 1985 r., poświęconej wynikom pracy na orbicie kosmonautów W. Dżanibekowa i G. Greczki na pokładzie stacji orbitalnej Salut-7, inżynier pokładowy (G. Grechko) powiedział: „Do wszystkich żywe istoty, do każdego kiełka w kosmosie ma szczególne, opiekuńcze podejście: przypominają ci o Ziemi i podnoszą na duchu.”

Zatem rośliny wyższe są potrzebne astronautom nie tylko jako ogniwo w sztucznym systemie ekologicznym czy obiekt badań naukowych, ale także jako element estetyczny znanego im środowiska ziemskiego, żywy towarzysz astronauty w jego długich, trudnych i intensywnych misja. I czyż nie o tę estetyczną stronę i psychologiczną rolę szklarni na pokładzie statku kosmicznego miał na myśli S.P. Korolew, przygotowując się do nadchodzących lotów kosmicznych, formułując jako kolejne pytanie: „Co można mieć na pokładzie wsiąść na ciężki międzyplanetarny statek kosmiczny lub ciężki orbitalny statek kosmiczny?” (lub w szklarni) z roślin ozdobnych, które wymagają minimum kosztów i pielęgnacji? I już dziś otrzymano pierwszą odpowiedź na to pytanie: są to tropikalne storczyki, którym najwyraźniej spodobała się atmosfera stacji kosmicznej.

Omawiając problem zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa długotrwałych lotów kosmicznych, akademik O. G. Gazenko i współautorzy (1987) słusznie zwracają uwagę, że „czasami nieświadoma duchowa potrzeba kontaktu z żywą naturą staje się realną siłą, która jest wspierana przez ścisłe fakty naukowe wskazujące efektywność ekonomiczną i techniczną wykonalność zbliżenia sztucznych biosfer jak najbliżej środowiska naturalnego, w którym wykształciła się ludzkość. Z tego punktu widzenia strategiczny kierunek w kierunku stworzenia biologicznych systemów podtrzymywania życia wydaje się bardzo słuszny.” I dalej: „Próby izolowania człowieka od natury są skrajnie nieekonomiczne. Systemy biologiczne zapewnią obieg substancji w dużych osadach kosmicznych lepiej niż jakiekolwiek inne.”

Jedną z podstawowych zalet systemów biologicznych w porównaniu z systemami niebiologicznymi jest możliwość ich stabilnego funkcjonowania przy minimalnej liczbie funkcji kontrolnych i zarządczych (E. Ya. Shepelev, 1975). Zaleta ta wynika z naturalnej zdolności systemów żywych, znajdujących się w ciągłej interakcji ze środowiskiem, do korygowania procesów zapewniających przetrwanie na wszystkich poziomach biologicznych – od pojedynczej komórki jednego organizmu po populacje i biogeocenozy – niezależnie od stopnia zrozumienia te procesy w dowolnym momencie przez osobę oraz jej zdolność lub niemożność (a raczej jego gotowość) do dokonania niezbędnych dostosowań w procesie obiegu substancji w sztucznym ekosystemie.

Stopień złożoności sztucznych ekosystemów kosmicznych może być różny: od najprostszych systemów na rezerwatach, systemów z fizykochemiczną regeneracją substancji i wykorzystaniem poszczególnych powiązań biologicznych, po systemy z prawie zamkniętym cyklem biologicznym substancji. Liczba ogniw biologicznych i łańcuchów troficznych, a także liczba osobników w każdym ogniwie, jak już wspomniano, zależą od przeznaczenia i właściwości technicznych statku kosmicznego.

Efektywność i główne parametry sztucznego ekosystemu kosmicznego, w tym powiązania biologiczne, można z góry określić i obliczyć na podstawie analizy ilościowej procesów biologicznego obiegu substancji w przyrodzie oraz oceny efektywności energetycznej lokalnych ekosystemów naturalnych. Kolejny rozdział poświęcony jest temu zagadnieniu.

PRZEKAŹNIK SUBSTANCJI W CYKLU BIOLOGICZNYM

Zamknięty system ekologiczny powstały na bazie powiązań biologicznych należy uznać za idealny system podtrzymywania życia dla przyszłych osiedli wielkoprzestrzennych. Tworzenie takich systemów jest dziś jeszcze na etapie obliczeń, konstrukcji teoretycznych i badań naziemnych mających na celu połączenie poszczególnych ogniw biologicznych z załogą testową.

Głównym celem testowania eksperymentalnych biotechnicznych systemów podtrzymywania życia jest osiągnięcie stabilnego, prawie zamkniętego obiegu substancji w ekosystemie z załogą oraz w miarę niezależnego istnienia sztucznie utworzonej biocenozy w długotrwałym trybie równowagi dynamicznej opartej przede wszystkim na wewnętrznych mechanizmy kontrolne. Dlatego konieczne jest dokładne zbadanie procesów cyklu biologicznego substancji w biosferze Ziemi, aby zastosować najskuteczniejsze z nich w biotechnicznych systemach podtrzymywania życia.

Cykl biologiczny w przyrodzie to kołowa sztafeta (krążenie) substancji i pierwiastków chemicznych pomiędzy glebą, roślinami, zwierzętami i mikroorganizmami. Jego istota jest następująca. Rośliny (organizmy autotroficzne) pochłaniają ubogie w energię minerały nieożywione i atmosferyczny dwutlenek węgla. Substancje te wchodzą w skład biomasy organicznej organizmów roślinnych, która posiada duży zapas energii uzyskiwanej poprzez konwersję energii promienistej ze Słońca w procesie fotosyntezy. Biomasa roślinna ulega przemianie poprzez łańcuchy pokarmowe w organizmach zwierzęcych i ludzkich (organizmach heterotroficznych) wykorzystując część tych substancji i energię do własnego wzrostu, rozwoju i rozmnażania. Niszczące organizmy (rozkładniki lub rozkładacze), w tym bakterie, grzyby, pierwotniaki i organizmy żywiące się martwą materią organiczną, mineralizują odpady. Na koniec substancje i pierwiastki chemiczne wracają z powrotem do gleby, atmosfery lub środowiska wodnego. W rezultacie następuje wielocykliczna migracja substancji i pierwiastków chemicznych poprzez rozgałęziony łańcuch organizmów żywych. Ta migracja, stale wspomagana energią Słońca, stanowi cykl biologiczny.

Stopień reprodukcji poszczególnych cykli ogólnego cyklu biologicznego sięga 90–98%, dlatego o jego całkowitym zamknięciu możemy mówić tylko warunkowo. Głównymi cyklami biosfery są cykle węgla, azotu, tlenu, fosforu, siarki i innych składników odżywczych.

W naturalnym cyklu biologicznym uczestniczą zarówno substancje ożywione, jak i nieożywione.

Materia żywa jest biogenna, gdyż powstaje jedynie w wyniku rozmnażania organizmów żywych już istniejących na Ziemi. Materia nieożywiona występująca w biosferze może być pochodzenia biogennego (opadła kora i liście drzew, dojrzałe i oddzielone od rośliny owoce, chitynowe osłony stawonogów, rogi, zęby i sierść zwierząt, ptasie pióra, odchody zwierzęce itp.) .) i abiogenne (produkty emisji z aktywnych wulkanów, gazy uwalniane z wnętrzności ziemi).

Żywa materia planety pod względem masy stanowi niewielką część biosfery: cała biomasa Ziemi w suchej masie stanowi tylko sto tysięcznych procenta masy skorupy ziemskiej (2 ∙ 10 19 ton). Jednak to żywa materia odgrywa decydującą rolę w tworzeniu „kulturowej” warstwy skorupy ziemskiej, w realizacji wielkoskalowego sztafety substancji i pierwiastków chemicznych pomiędzy ogromną liczbą żywych organizmów. Wynika to z szeregu specyficznych cech żywej materii.

Metabolizm (metabolizm). Metabolizm w organizmie żywym to ogół wszelkich przemian materii i energii w procesie reakcji biochemicznych zachodzących w organizmie w sposób ciągły.

Najważniejszą cechą życia jest ciągła wymiana substancji pomiędzy żywym organizmem a jego środowiskiem.

Głównymi wskaźnikami metabolizmu organizmu ze środowiskiem zewnętrznym są ilość, skład i kaloryczność pożywienia, ilość wody i tlenu zużywanego przez organizm żywy, a także stopień wykorzystania przez organizm tych substancji oraz energia żywność. Metabolizm opiera się na procesach asymilacji (przemiana substancji wprowadzonych do organizmu z zewnątrz) i dysymilacji (rozkład substancji organicznych spowodowany koniecznością wyzwolenia energii do funkcjonowania organizmu).

Termodynamiczna stabilność nierównowagowa. Zgodnie z drugą zasadą (prawem) termodynamiki, aby wykonać pracę, nie wystarczy sama obecność energii, ale konieczna jest także obecność różnicy potencjałów, czyli poziomów energii. Entropia jest miarą „utraty” różnicy potencjałów przez dowolny system energetyczny i odpowiednio miarą utraty zdolności do wytwarzania pracy przez ten układ.

W procesach zachodzących w przyrodzie nieożywionej wykonanie pracy prowadzi do wzrostu entropii układu. Zatem w przypadku wymiany ciepła kierunek procesu jednoznacznie określa drugą zasadę termodynamiki: od ciała bardziej nagrzanego do ciała mniej nagrzanego. W układzie z zerową różnicą temperatur (przy tej samej temperaturze ciał) obserwuje się maksymalną entropię.

Materia żywa, organizmy żywe, w przeciwieństwie do przyrody nieożywionej, przeciwdziałają temu prawu. Nigdy nie będąc w równowadze, nieustannie działają przeciwko jej ustanowieniu, co, jak się wydaje, powinno zgodnie z prawem nastąpić jako zgodność z istniejącymi warunkami zewnętrznymi. Organizmy żywe stale zużywają energię, aby utrzymać określony stan układu żywego. Ta najważniejsza cecha znana jest w literaturze jako zasada Bauera, czyli zasada stabilnej nierównowagi układów żywych. Zasada ta pokazuje, że organizmy żywe są otwartymi układami nierównowagowymi, które różnią się od organizmów nieożywionych tym, że ewoluują w kierunku malejącej entropii.

Cecha ta jest charakterystyczna dla biosfery jako całości, która jest również nierównowagowym układem dynamicznym. Żywa materia układu jest nośnikiem ogromnej energii potencjalnej,

Zdolność do samorozrodu i duża intensywność akumulacji biomasy. Materia żywa charakteryzuje się ciągłą chęcią zwiększania liczby swoich osobników, rozmnażania się. Materia żywa, w tym człowiek, stara się wypełnić całą przestrzeń akceptowalną dla życia. Intensywność rozmnażania organizmów żywych, ich wzrostu i akumulacji biomasy jest dość wysoka. Tempo rozmnażania organizmów żywych jest z reguły odwrotnie proporcjonalne do ich wielkości. Różnorodność rozmiarów organizmów żywych to kolejna cecha żywej przyrody.

Wysokie tempo reakcji metabolicznych w organizmach żywych, o trzy do czterech rzędów wielkości wyższe niż tempo reakcji w przyrodzie nieożywionej, wynika z udziału biologicznych akceleratorów – enzymów – w procesach metabolicznych. Aby jednak zwiększyć każdą jednostkę biomasy lub zgromadzić jednostkę energii, organizm żywy musi przetworzyć masę początkową w ilościach o jeden lub dwa rzędy wielkości większych od masy zakumulowanej.

Zdolność do różnorodności, odnowy i ewolucji.Żywą materię biosfery charakteryzują różne, bardzo krótkie (w skali kosmicznej) cykle życiowe. Długość życia żywych stworzeń waha się od kilku godzin (a nawet minut) do setek lat. Organizmy w procesie swojej aktywności życiowej przepuszczają przez siebie atomy pierwiastków chemicznych litosfery, hydrosfery i atmosfery, sortując je i wiążąc pierwiastki chemiczne w postaci określonych substancji biomasy danego typu organizmu. Co więcej, nawet w ramach biochemicznej jednolitości i jedności świata organicznego (wszystkie współczesne organizmy żywe zbudowane są głównie z białek), przyroda żywa wyróżnia się ogromną różnorodnością morfologiczną i różnorodnością form materii. W sumie istnieje ponad 2 miliony związków organicznych tworzących materię żywą. Dla porównania zauważamy, że liczba naturalnych związków (minerałów) materii nieożywionej wynosi tylko około 2 tys. Różnorodność morfologiczna przyrody żywej jest również duża: królestwo roślin na Ziemi obejmuje prawie 500 tysięcy gatunków, a zwierzęta - 1 milion 500 tysiąc.

Uformowany organizm żywy w ciągu jednego cyklu życiowego ma ograniczone możliwości adaptacyjne do zmian warunków środowiskowych. Jednakże stosunkowo krótki cykl życia organizmów żywych przyczynia się do ich ciągłego odnawiania się z pokolenia na pokolenie poprzez przekazywanie informacji zgromadzonych przez każde pokolenie poprzez aparat genetyczny i dziedziczność i uwzględnianie tych informacji przez następne pokolenie. Z tego punktu widzenia krótki czas życia organizmów jednego pokolenia jest ceną, jaką płacą one za potrzebę przetrwania gatunku jako całości w stale zmieniającym się środowisku zewnętrznym.

Proces ewolucyjny jest charakterystyczny głównie dla organizmów wyższych.

Zbiorowość istnienia. Materia żywa faktycznie istnieje na Ziemi w postaci biocenoz, a nie pojedynczych izolowanych gatunków (populacji). Wzajemne połączenie populacji wynika z ich wzajemnej zależności troficznej (pokarmowej), bez której samo istnienie tych gatunków jest niemożliwe.

Są to główne cechy jakościowe materii żywej uczestniczącej w biologicznym cyklu substancji biosfery. W ujęciu ilościowym intensywność akumulacji biomasy w biosferze jest taka, że średnio co osiem lat odnawia się cała materia żywa w biosferze Ziemi. Organizmy po zakończeniu cyklu życiowego zwracają naturze wszystko, co zabrały z niej w ciągu swojego życia.

Główne funkcje żywej materii w biosferze, sformułowane przez krajowego geologa A.V. Lapo (1979), obejmują energię (biosynteza z akumulacją energii i transformacją energii w łańcuchach troficznych), koncentrację (selektywne gromadzenie materii), destrukcyjną (mineralizację i przygotowanie substancje do włączenia do obiegu), funkcje środowiskowe (zmiana parametrów fizykochemicznych środowiska) i transportowe (przenoszenie substancji).

CZY EKOSYSTEMY MAJĄ WYDAJNOŚĆ?

Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie: czy możliwa jest ocena efektywności cyklu biologicznego substancji z punktu widzenia zaspokojenia potrzeb żywieniowych człowieka jako szczytowego ogniwa tego cyklu?

Przybliżoną odpowiedź na postawione pytanie można uzyskać w oparciu o energetyczne podejście do analizy procesów cyklu biologicznego oraz badania transferu energii i produktywności ekosystemów naturalnych. Rzeczywiście, jeśli substancje cyklu podlegają ciągłym zmianom jakościowym, wówczas energia tych substancji nie znika, ale jest rozprowadzana w ukierunkowanych przepływach. Energia biochemiczna, przenoszona z jednego poziomu troficznego cyklu biologicznego na drugi, ulega stopniowej przemianie i rozpraszaniu. Przemiana energii materii na poziomach troficznych nie zachodzi arbitralnie, lecz według znanych schematów, dlatego też jest kontrolowana w ramach specyficznej biogeocenozy.

Pojęcie „biogeocenozy” jest podobne do pojęcia „ekosystemu”, jednak to pierwsze niesie ze sobą bardziej rygorystyczny ładunek semantyczny. Jeśli ekosystemem nazywamy prawie każdy autonomicznie istniejący naturalny lub sztuczny biokompleks (mrowisko, akwarium, bagno, martwy pień drzewa, las, jezioro, ocean, biosfera Ziemi, kabina statku kosmicznego itp.), to biogeocenoza, będąca jednym z jakościowych poziomów ekosystem, wyznaczają granice jego obowiązkowego zbiorowiska roślinnego (fitocenoza). Ekosystem, podobnie jak każdy stabilny zbiór organizmów żywych oddziałujących ze sobą, jest kategorią mającą zastosowanie do każdego układu biologicznego jedynie na poziomie ponadorganizmu, tj. pojedynczy organizm nie może być ekosystemem.

Cykl biologiczny substancji jest integralną częścią biogeocenozy Ziemi. W obrębie określonych lokalnych biogeocenoz biologiczny obieg substancji jest możliwy, ale nie konieczny.

Połączenia energetyczne zawsze towarzyszą powiązaniom troficznym w biogeocenozie. Razem stanowią podstawę każdej biogeocenozy. Ogólnie można wyróżnić pięć poziomów troficznych biogeocenozy (patrz tabela i ryc. 2), przez które wszystkie jej składniki są rozmieszczone sekwencyjnie wzdłuż łańcucha. Zazwyczaj w biogeocenozach powstaje kilka takich łańcuchów, które wielokrotnie rozgałęziając się i przecinając, tworzą złożone sieci pokarmowe (troficzne).

Poziomy troficzne i łańcuchy pokarmowe w biogeocenozie

Organizmy pierwszego poziomu troficznego - producenci pierwotni, zwani autotrofami (samożywnymi), do których zaliczają się mikroorganizmy i rośliny wyższe, realizują procesy syntezy substancji organicznych z nieorganicznych. Jako źródło energii dla tego procesu autotrofy wykorzystują albo lekką energię słoneczną (fototrofy), albo energię utleniania niektórych związków mineralnych (chemotrofy). Fototrofy pozyskują węgiel niezbędny do syntezy z dwutlenku węgla.

Tradycyjnie proces fotosyntezy u roślin zielonych (niższych i wyższych) można opisać w postaci następującej reakcji chemicznej:

Docelowo materia organiczna (głównie węglowodany) syntetyzowana jest z ubogich w energię substancji nieorganicznych (dwutlenek węgla, woda, sole mineralne, mikroelementy), które są nośnikiem energii zmagazynowanej w wiązaniach chemicznych powstałej substancji. W tej reakcji do wytworzenia jednego grama cząsteczki substancji (180 g glukozy) potrzeba 673 kcal energii słonecznej.

Skuteczność fotosyntezy zależy bezpośrednio od intensywności naświetlania roślin. Średnio ilość promieniującej energii słonecznej na powierzchni Ziemi wynosi około 130 W/m2. W tym przypadku tylko część promieniowania zawartego w zakresie długości fal od 0,38 do 0,71 mikrona jest aktywna fotosyntetycznie. Znaczna część promieniowania padającego na liść rośliny lub warstwę wody z mikroalgami ulega odbiciu lub przechodzi przez liść lub warstwę bezużytecznie, a pochłonięte promieniowanie jest w większości zużywane na odparowanie wody podczas transpiracji roślin.

W rezultacie średnia efektywność energetyczna procesu fotosyntezy całej pokrywy roślinnej globu wynosi około 0,3% energii światła słonecznego docierającego do Ziemi. W warunkach sprzyjających wzrostowi roślin zielonych i przy pomocy człowieka poszczególne plantacje potrafią wiązać energię świetlną z wydajnością 5–10%.

Organizmy kolejnych poziomów troficznych (konsumenci), składające się z organizmów heterotroficznych (zwierzęcych), ostatecznie zapewniają sobie byt kosztem biomasy roślinnej zgromadzonej na pierwszym poziomie troficznym. Energia chemiczna zmagazynowana w biomasie roślinnej może zostać uwolniona, zamieniona na ciepło i odprowadzona do środowiska w procesie odwrotnego łączenia węglowodanów z tlenem. Wykorzystując biomasę roślinną jako pożywienie, zwierzęta poddają ją utlenianiu podczas oddychania. W tym przypadku zachodzi odwrotny proces fotosyntezy, w którym uwalniana jest energia pokarmowa, która z pewną wydajnością jest wydawana na wzrost i aktywność życiową organizmu heterotroficznego.

Pod względem ilościowym w biogeocenozie biomasa roślinna powinna „wyprzedzić” biomasę zwierzęcą, zwykle o co najmniej dwa rzędy wielkości. Zatem całkowita biomasa zwierząt na lądzie nie przekracza 1–3% biomasy roślinnej.

Intensywność metabolizmu energetycznego organizmu heterotroficznego zależy od jego masy. Wraz ze wzrostem wielkości ciała tempo metabolizmu, liczone na jednostkę masy i wyrażone ilością tlenu pochłoniętego w jednostce czasu, zauważalnie maleje. Ponadto w stanie względnego spoczynku (standardowy metabolizm) zależność tempa metabolizmu zwierzęcia od jego masy ma postać funkcji y = topór k (X– waga zwierzęcia, A I k- współczynniki) okazuje się obowiązywać zarówno w przypadku organizmów tego samego gatunku, które zmieniają swoją wielkość w trakcie wzrostu, jak i zwierząt o różnej masie ciała, ale reprezentujących określoną grupę lub klasę.

Jednocześnie wskaźniki poziomu metabolizmu różnych grup zwierząt już znacznie się od siebie różnią. Różnice te są szczególnie istotne w przypadku zwierząt o aktywnym metabolizmie, które charakteryzują się wydatkowaniem energii na pracę mięśni, w szczególności na funkcje motoryczne.

Bilans energetyczny organizmu zwierzęcego (konsumenta na dowolnym poziomie) w pewnym okresie czasu można ogólnie wyrazić następującą równością:

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

Gdzie mi– wartość energetyczna (kaloryczna) pożywienia (kcal na dzień), mi 1 – podstawowa energia metaboliczna, mi 2 – energochłonność organizmu, mi 3 – energia „czystej” produkcji organizmu, mi 4 – energia niewykorzystanych substancji spożywczych, mi 5 – energia odchodów i wydzielin ustrojowych.

Pożywienie jest jedynym źródłem normalnej energii docierającej do organizmu zwierzęcia i człowieka, co zapewnia jego funkcje życiowe. Pojęcie „żywność” ma różną treść jakościową dla różnych organizmów zwierzęcych i obejmuje jedynie te substancje, które są spożywane i wykorzystywane przez dany organizm żywy. są mu potrzebne.

Ogrom mi dla osoby wynosi średnio 2500 kcal dziennie. Podstawowa energia metaboliczna mi 1 oznacza energię metaboliczną w stanie całkowitego odpoczynku organizmu i przy braku procesów trawiennych. Jest ona wydatkowana na utrzymanie życia w organizmie, jest funkcją wielkości powierzchni ciała i zamienia się w ciepło oddawane przez organizm otoczeniu. Wskaźniki ilościowe mi 1 wyraża się zwykle w określonych jednostkach na 1 kg masy lub 1 m2 powierzchni ciała. Tak, dla osoby mi 1 to 32,1 kcal dziennie na 1 kg masy ciała. Na jednostkę powierzchni mi 1 różne organizmy (ssaki) są praktycznie takie same.

Część mi 2 obejmuje zużycie energii organizmu na termoregulację przy zmianie temperatury otoczenia, a także na różne rodzaje aktywności i pracę organizmu: żucie, trawienie i przyswajanie pokarmu, pracę mięśni podczas poruszania się itp. Według ilości mi 2 temperatura otoczenia ma znaczący wpływ. Kiedy temperatura wzrasta i spada od poziomu optymalnego dla organizmu, potrzebny jest dodatkowy wydatek energetyczny na jej regulację. Szczególnie rozwinięty jest proces regulowania stałej temperatury ciała u stałocieplnych zwierząt i ludzi.

Część mi 3 składa się z dwóch części: energii wzrostu własnej biomasy (lub populacji) organizmu oraz energii dodatkowej produkcji.

Przyrost własnej biomasy następuje z reguły zarówno u młodego, rosnącego organizmu, który stale przybiera na wadze, jak i u organizmu tworzącego rezerwowe składniki odżywcze. Ta część komponentu mi 3 może być równe zero, a także przyjmować wartości ujemne, gdy brakuje pożywienia (organizm traci na wadze).

Energia dodatkowej produkcji zawarta jest w substancjach wytwarzanych przez organizm w celu rozmnażania, ochrony przed wrogami itp.

Każdy człowiek ograniczony jest do minimalnej ilości produktów powstałych w procesie jego życia. Za stosunkowo wysoki wskaźnik tworzenia produktów wtórnych można uznać wskaźnik wynoszący 10–15% (spożytej paszy), charakterystyczny np. dla szarańczy. Ten sam wskaźnik dla ssaków, które na termoregulację wydają znaczną ilość energii, kształtuje się na poziomie 1 – 2%.

Część mi 4 to energia zawarta w substancjach spożywczych, które nie zostały wykorzystane przez organizm i z tego czy innego powodu nie dostały się do organizmu.

Energia mi 5, zawarty w wydzielinach organizmu na skutek niepełnego trawienia i przyswajania pokarmu, waha się od 30–60% spożywanego pokarmu (u dużych zwierząt kopytnych) do 1–20% (u gryzoni).

Efektywność przetwarzania energii przez organizm zwierzęcy określa się ilościowo poprzez stosunek produkcji netto (wtórnej) do całkowitej ilości spożytej żywności lub stosunek produkcji netto do ilości strawionej żywności. W łańcuchu pokarmowym wydajność (efektywność) każdego ogniwa troficznego (poziomu) wynosi średnio około 10%. Oznacza to, że na każdym kolejnym poziomie troficznym celu żywnościowego powstają produkty, które nie przekraczają kaloryczności (lub masy) 10% energii poprzedniego. Przy takich wskaźnikach ogólna efektywność wykorzystania pierwotnej energii słonecznej w łańcuchu pokarmowym czteropoziomowego ekosystemu będzie stanowić niewielki ułamek procenta: średnio tylko 0,001%.

Pomimo pozornie niskiej wartości ogólnej efektywności reprodukcji produkcyjnej, większość populacji Ziemi w pełni zapewnia sobie zbilansowaną dietę nie tylko od producentów pierwotnych, ale także od producentów wtórnych. Jeśli chodzi o pojedynczy organizm żywy, efektywność wykorzystania żywności (energii) w niektórych z nich jest dość wysoka i przekracza wskaźniki efektywności wielu środków technicznych. Na przykład świnia przetwarza 20% energii spożywanej w pożywieniu na wysokokaloryczne mięso.

Efektywność wykorzystania przez konsumentów energii dostarczanej przez żywność jest najczęściej oceniana w ekologii za pomocą ekologicznych piramid energetycznych. Istotą takich piramid jest wizualna reprezentacja ogniw łańcucha pokarmowego w postaci podporządkowanego układu prostokątów jeden na drugim, którego długość lub powierzchnia odpowiada ekwiwalentowi energetycznemu odpowiedniego poziomu troficznego na czas jednostkowy. Do scharakteryzowania łańcuchów pokarmowych wykorzystuje się także piramidy liczb (pola prostokątów odpowiadają liczbie osobników na każdym poziomie łańcucha pokarmowego) oraz piramidy biomasy (te same w odniesieniu do ilości całkowitej biomasy organizmów na każdym poziom).

Najpełniejszy obraz organizacji funkcjonalnej zbiorowisk biologicznych w ramach określonego łańcucha pokarmowego daje jednak piramida energetyczna, gdyż pozwala uwzględnić dynamikę przejścia biomasy spożywczej przez ten łańcuch.

SZTUCZNE I NATURALNE EKOSYSTEMY BIOSFERY: PODOBIEŃSTWA I RÓŻNICE

K. E. Ciołkowski jako pierwszy zaproponował utworzenie w rakiecie kosmicznej zamkniętego układu obiegu wszystkich substancji niezbędnych do życia załogi, czyli zamkniętego ekosystemu. Uważał, że w statku kosmicznym należy odtworzyć w miniaturze wszystkie podstawowe procesy przemian substancji zachodzące w biosferze Ziemi. Jednak przez prawie pół wieku propozycja ta istniała jako hipoteza science fiction.

Praktyczne prace nad tworzeniem sztucznych ekosystemów kosmicznych w oparciu o procesy biologicznego obiegu substancji, które szybko rozwinęły się w USA, ZSRR i niektórych innych krajach na przełomie lat 50. i 60. XX wieku. Nie ma wątpliwości, że ułatwiły to sukcesy astronautyki, która wraz z wystrzeleniem pierwszego sztucznego satelity Ziemi w 1957 roku otworzyła erę eksploracji kosmosu.

W kolejnych latach, w miarę poszerzania i pogłębiania tych prac, większość badaczy mogła być przekonana, że postawiony problem okazał się znacznie bardziej złożony, niż początkowo sądzono. Wymagało to prowadzenia badań nie tylko naziemnych, ale także kosmicznych, co z kolei wiązało się ze znacznymi kosztami materiałowymi i finansowymi, a utrudniał brak dużych statków kosmicznych lub stacji badawczych. Niemniej jednak w ZSRR w tym okresie utworzono oddzielne lądowe eksperymentalne próbki ekosystemów z włączeniem niektórych powiązań biologicznych i ludzi w bieżący cykl krążenia substancji tych systemów. Przeprowadzono także szereg badań naukowych mających na celu opracowanie technologii hodowli obiektów biologicznych w stanie nieważkości na pokładach satelitów kosmicznych, statków i stacji: „Kosmos-92”, „Kosmos-605”, „Kosmos-782”, „Kosmos-936”. ”, „Salut-6” i inne. Dzisiejsze wyniki badań pozwalają nam sformułować pewne przepisy, które stanowią podstawę do budowy przyszłych ekosystemów przestrzeni zamkniętej i systemów biologicznego podtrzymywania życia dla astronautów.

A więc to, co jest wspólne dla dużych sztucznych ekosystemów kosmicznych i naturalnej biosfery. ekosystemy? Przede wszystkim jest to ich względna izolacja, ich głównymi bohaterami są ludzie i inne żywe jednostki biologiczne, biologiczny cykl substancji i zapotrzebowanie na źródło energii.

Zamknięte systemy ekologiczne to systemy o zorganizowanym cyklu pierwiastków, w których substancje wykorzystane w określonym tempie do wymiany biologicznej przez niektóre jednostki, są regenerowane z tą samą średnią prędkością od końcowych produktów ich wymiany do stanu pierwotnego przez inne jednostki i ponownie wykorzystywane w tych samych cyklach wymiany biologicznej (Gitelzon i in., 1975).

Jednocześnie ekosystem może pozostać zamknięty, nie osiągając pełnego cyklu substancji, nieodwracalnie zużywając część substancji z wcześniej utworzonych rezerw.

Naturalny ekosystem lądowy jest praktycznie zamknięty w materii, gdyż w cyklach cyrkulacji uczestniczą wyłącznie ziemskie substancje i pierwiastki chemiczne (udział materii kosmicznej, która rocznie spada na Ziemię, nie przekracza 2 × 10–14% masy Ziemi). Stopień udziału substancji i pierwiastków ziemskich w wielokrotnie powtarzających się cyklach chemicznych cyklu ziemskiego jest dość wysoki i, jak już zauważono, zapewnia reprodukcję poszczególnych cykli o 90–98%.

W sztucznie zamkniętym ekosystemie nie da się odtworzyć całej różnorodności procesów zachodzących w biosferze Ziemi. Nie należy jednak do tego dążyć, ponieważ biosfera jako całość nie może służyć jako ideał sztucznego zamkniętego ekosystemu z człowiekiem, opartego na biologicznym cyklu substancji. Istnieje szereg zasadniczych różnic charakteryzujących cykl biologiczny substancji sztucznie wytwarzanych w ograniczonej zamkniętej przestrzeni w celu podtrzymywania życia człowieka.

Jakie są te główne różnice?

Skala sztucznego cyklu biologicznego substancji jako środka zapewnienia życia człowieka w ograniczonej zamkniętej przestrzeni nie jest porównywalna ze skalą cyklu biologicznego Ziemi, choć podstawowe wzorce determinujące przebieg i efektywność procesów w jej poszczególnych ogniwach biologicznych można zastosować do scharakteryzowania podobnych połączeń w sztucznym ekosystemie. W biosferze Ziemi aktorami jest prawie 500 tysięcy gatunków roślin i 1,5 miliona gatunków zwierząt, zdolnych do wzajemnego zastępowania się w określonych krytycznych okolicznościach (na przykład śmierć gatunku lub populacji), utrzymując stabilność biosfery. W sztucznym ekosystemie reprezentatywność gatunków i liczba osobników są bardzo ograniczone, co gwałtownie zwiększa „odpowiedzialność” każdego żywego organizmu wchodzącego w skład sztucznego ekosystemu i stawia zwiększone wymagania dotyczące jego stabilności biologicznej w ekstremalnych warunkach.

W biosferze Ziemi obieg substancji i pierwiastków chemicznych opiera się na ogromnej liczbie różnorodnych, niezależnych i przecinających się cykli, nieskoordynowanych w czasie i przestrzeni, z których każdy zachodzi z własną, charakterystyczną prędkością. W sztucznym ekosystemie liczba takich cykli jest ograniczona, rola każdego cyklu w cyklu substancji; wzrasta wielokrotnie, a uzgodnione tempo procesów w systemie musi być ściśle utrzymywane, co jest warunkiem koniecznym trwałego działania biologicznego systemu podtrzymywania życia.

Obecność ślepych procesów w biosferze nie wpływa znacząco na naturalny cykl substancji, ponieważ na Ziemi nadal istnieją znaczne ilości rezerw substancji biorących udział w tym cyklu po raz pierwszy. Ponadto masa substancji w ślepych procesach jest nieporównywalnie mniejsza niż możliwości buforowe Ziemi. W sztucznej przestrzeni LSS zawsze istniejące ogólne ograniczenia dotyczące masy, objętości i zużycia energii nakładają odpowiednie ograniczenia na masę substancji uczestniczących w cyklu biologicznego LSS. Obecność lub powstanie w tym przypadku jakiegokolwiek ślepego procesu znacznie zmniejsza wydajność systemu jako całości, zmniejsza wskaźnik jego zamknięcia, wymaga odpowiedniej kompensacji z zapasów substancji wyjściowych, a w konsekwencji zwiększenia tych rezerw w systemie.

Najważniejszą cechą cyklu biologicznego substancji w rozpatrywanych sztucznych ekosystemach jest determinująca rola człowieka w jakościowych i ilościowych cechach cyklu substancji. Obieg w tym przypadku realizowany jest ostatecznie w interesie zaspokojenia potrzeb osoby (załogi), która jest główną siłą napędową. Pozostałe obiekty biologiczne pełnią funkcje utrzymania środowiska człowieka. Na tej podstawie każdemu gatunkowi biologicznemu w sztucznym ekosystemie zapewnia się najbardziej optymalne warunki życia, aby osiągnąć maksymalną produktywność gatunku. W biosferze Ziemi o intensywności procesów biosyntezy decyduje przede wszystkim dopływ energii słonecznej do określonego obszaru. W większości przypadków możliwości te są ograniczone: natężenie promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi jest około 10 razy mniejsze niż poza atmosferą ziemską. Ponadto każdy żywy organizm, aby przetrwać i rozwijać się, musi stale przystosowywać się do warunków życia, dbać o znalezienie pożywienia, przeznaczając na to znaczną część swojej energii życiowej. Dlatego intensywności biosyntezy w biosferze Ziemi nie można uznać za optymalną z punktu widzenia głównej funkcji płynów biologicznych podtrzymujących życie – zaspokajania potrzeb żywieniowych człowieka.

W przeciwieństwie do biosfery ziemskiej, sztuczne ekosystemy wykluczają procesy abiotyczne na dużą skalę oraz czynniki, które odgrywają zauważalną, ale często ślepą rolę w tworzeniu biosfery i jej elementów (wpływy pogodowe i klimatyczne, zubożone gleby i nieodpowiednie terytoria, właściwości chemiczne wody, itp.).

Te i inne różnice przyczyniają się do osiągnięcia znacznie większej efektywności przemian materii w sztucznych ekosystemach, większej szybkości realizacji cykli cyrkulacyjnych oraz wyższych wartości sprawności systemu biologicznego podtrzymywania życia człowieka.

O SYSTEMACH BIOLOGICZNEGO PODTRZYMANIA ŻYCIA DLA ZAŁOG KOSMICZNYCH

Biologiczne podtrzymywanie życia to sztuczny zespół specjalnie dobranych, wzajemnie powiązanych i współzależnych obiektów biologicznych (mikroorganizmów, roślin wyższych, zwierząt), substancji konsumpcyjnych i środków technicznych, zapewniających w ograniczonej zamkniętej przestrzeni podstawowe potrzeby fizjologiczne człowieka w zakresie pożywienia, wody i tlenu , głównie w oparciu o zrównoważony biologiczny obieg substancji.

Niezbędne połączenie organizmów żywych (bioobiektów) i środków technicznych w biologicznych systemach podtrzymywania życia pozwala nazwać te systemy także biotechnicznymi. W tym przypadku przez środki techniczne rozumie się podsystemy, bloki i urządzenia zapewniające wymagane warunki normalnego życia obiektów biologicznych wchodzących w skład biokompleksu (skład, ciśnienie, temperatura i wilgotność środowiska gazowego, oświetlenie przestrzeni mieszkalnej, warunki sanitarne i higieniczne wskaźniki jakości wody, operacyjne pobieranie, przetwarzanie lub usuwanie odpadów itp.). Do głównych technicznych środków biologicznego podtrzymywania życia zaliczają się podsystemy zaopatrzenia w energię i jej przemiany w światło, regulacja i utrzymanie składu gazu w atmosferze w ograniczonej zamkniętej przestrzeni, kontrola temperatury, przestrzenne szklarnie, kuchnie oraz środki regeneracji fizycznej i chemicznej wody i powietrza, odpadów z urządzeń do przetwarzania, transportu i mineralizacji itp. Szereg procesów regeneracji substancji w systemie można skutecznie przeprowadzić również metodami fizykochemicznymi (patrz rysunek na stronie 52).

Obiekty biologiczne LSS wraz z człowiekiem tworzą biokompleks. Skład gatunkowy i liczebny organizmów żywych wchodzących w skład biokompleksu jest ustalany tak, aby zapewnić stabilny, zrównoważony i kontrolowany metabolizm pomiędzy załogą a organizmami żywymi biokompleksu przez cały określony okres. Wymiary (skala) biokompleksu i liczba gatunków organizmów żywych reprezentowanych w biokompleksie zależą od wymaganej produktywności, stopnia zamknięcia systemu podtrzymywania życia i są ustalane w powiązaniu ze specyficznymi możliwościami technicznymi i energetycznymi przestrzeni konstrukcji, czasu jego działania i liczby członków załogi. Zasady selekcji organizmów żywych do biokompleksu można zapożyczyć z ekologii naturalnych zbiorowisk lądowych i zarządzanych biogeocenoz, bazując na ustalonych powiązaniach troficznych obiektów biologicznych.

Wybór gatunków biologicznych do tworzenia cykli troficznych biologicznych płynów podtrzymujących życie jest zadaniem najtrudniejszym.

Każdy obiekt biologiczny uczestniczący w biologicznym systemie podtrzymywania życia wymaga do swojej działalności życiowej określonej przestrzeni życiowej (niszy ekologicznej), na którą składa się nie tylko przestrzeń czysto fizyczna, ale także zespół niezbędnych warunków życia dla danego gatunku biologicznego: zapewnienie mu drogi życia, sposobu żywienia i warunków środowiskowych. Dlatego, aby organizmy żywe mogły pomyślnie funkcjonować jako część biologicznego systemu podtrzymywania życia, objętość zajmowanej przez nie przestrzeni nie powinna być zbyt ograniczona. Inaczej mówiąc, muszą istnieć maksymalne minimalne wymiary załogowego statku kosmicznego, poniżej których wykluczona jest możliwość zastosowania w nim elementów biologicznego podtrzymywania życia.

W idealnym przypadku cała początkowo zmagazynowana masa substancji, przeznaczona do podtrzymania życia załogi i obejmująca wszystkich żyjących mieszkańców, powinna uczestniczyć w obiegu substancji wewnątrz tego obiektu kosmicznego, bez wprowadzania do niego dodatkowej masy. Jednocześnie taki zamknięty biologiczny system podtrzymywania życia z regeneracją wszystkich niezbędnych dla człowieka substancji i nieograniczonym czasem działania jest dziś bardziej teoretyczny niż system praktycznie realny, jeśli mamy na myśli rozważane jego warianty do wypraw kosmicznych w najbliższej przyszłości.

W sensie termodynamicznym (energetycznym) żaden ekosystem nie może zostać zamknięty, gdyż stała wymiana energii pomiędzy żywymi częściami ekosystemu a otaczającą przestrzenią jest warunkiem koniecznym jego istnienia. Słońce może służyć jako źródło darmowej energii dla biologicznych systemów podtrzymywania życia statków kosmicznych w przestrzeni okołosłonecznej, jednakże zapotrzebowanie na znaczną ilość energii do funkcjonowania wielkoskalowych biologicznych systemów podtrzymywania życia wymaga skutecznych rozwiązań technicznych problemu ciągłe gromadzenie, koncentracja i wprowadzanie energii słonecznej do statku kosmicznego, a także późniejsze uwalnianie energii o niskim potencjale do energii cieplnej w przestrzeni kosmicznej.

Szczególnym pytaniem, które pojawia się w związku z wykorzystaniem żywych organizmów w lotach kosmicznych, jest to, jak wpływa na nie długotrwała nieważkość? W przeciwieństwie do innych czynników lotów kosmicznych i przestrzeni kosmicznej, których wpływ na organizmy żywe można naśladować i badać na Ziemi, wpływ nieważkości można określić jedynie bezpośrednio podczas lotu kosmicznego.

ZIELONE ROŚLINY JAKO PODSTAWOWE Ogniwo systemów biologicznego podtrzymywania życia

Za główne i najbardziej prawdopodobne elementy biologicznego systemu podtrzymywania życia uważa się wyższe rośliny lądowe. Są w stanie nie tylko wyprodukować żywność kompletną według większości kryteriów dla człowieka, ale także zregenerować wodę i atmosferę. W przeciwieństwie do zwierząt rośliny potrafią syntetyzować witaminy z prostych związków. Prawie wszystkie witaminy powstają w liściach i innych zielonych częściach roślin.

Wydajność biosyntezy roślin wyższych zależy przede wszystkim od reżimu świetlnego: wraz ze wzrostem mocy strumienia świetlnego intensywność fotosyntezy wzrasta do pewnego poziomu, po czym następuje nasycenie fotosyntezy światłem. Maksymalna (teoretyczna) wydajność fotosyntezy w świetle słonecznym wynosi 28%. W warunkach rzeczywistych, przy gęstych uprawach i dobrych warunkach uprawy, może osiągnąć: 15%.

Optymalne natężenie promieniowania fizjologicznego (aktywnego fotosyntetycznie) (PAR), które zapewniało maksymalną fotosyntezę w sztucznych warunkach, wynosiło 150–200 W/m2 (Nichiporovich, 1966). Produktywność roślin (pszenica jara, jęczmień) osiągała 50 g biomasy dziennie na 1 m2 (do 17 g ziarna na 1 m2 dziennie). W innych doświadczeniach przeprowadzonych nad doborem reżimów świetlnych do uprawy rzodkiewki w systemach zamkniętych, plon roślin okopowych kształtował się do 6 kg na 1 m 2 w ciągu 22–24 dni przy produktywności biologicznej do 30 g biomasy (w suchej masie). ) na 1 m 2 dziennie (Lisovsky, Shilenko, 1970). Dla porównania zauważamy, że w warunkach polowych średnia dzienna produktywność upraw wynosi 10 g na 1 m2.

Biocykl: „rośliny wyższe – człowiek” byłby idealny do podtrzymywania życia człowieka, gdyby podczas długiego lotu kosmicznego można było zadowolić się odżywianiem białkami i tłuszczami wyłącznie pochodzenia roślinnego oraz gdyby rośliny potrafiły skutecznie mineralizować i utylizować wszelkie odpady ludzkie.

Szklarnia kosmiczna nie będzie jednak w stanie rozwiązać całego zakresu problemów przypisanych biologicznemu systemowi podtrzymywania życia. Wiadomo np., że rośliny wyższe nie są w stanie zapewnić udziału w cyklu wielu substancji i pierwiastków. Zatem sód nie jest zużywany przez rośliny, pozostawiając otwarty problem cyklu NaCl (sól kuchenna). Wiązanie azotu cząsteczkowego przez rośliny jest niemożliwe bez pomocy bakterii glebowych brodawek korzeniowych. Wiadomo również, że zgodnie z fizjologicznymi normami żywienia człowieka zatwierdzonymi w ZSRR co najmniej połowę dziennej normy białek dietetycznych powinny stanowić białka pochodzenia zwierzęcego, a tłuszcze zwierzęce - do 75% całkowitej normy tłuszcze w diecie.

Jeżeli zawartość kalorii w roślinnej części diety zgodnie z wymienionymi normami wynosi 65% całkowitej zawartości kalorii w diecie (średnia wartość kaloryczna dziennej racji pokarmowej astronauty na stacji Salut-6 wyniosła 3150 kcal ), następnie w celu uzyskania wymaganej ilości biomasy roślinnej szklarnię o szacunkowej powierzchni dla jednej osoby co najmniej 15 – 20 m2. Biorąc pod uwagę odpady roślinne, które nie są wykorzystywane do celów spożywczych (około 50%), a także potrzebę posiadania przenośnika żywności do ciągłego, codziennego odtwarzania biomasy, rzeczywistą powierzchnię szklarni należy zwiększyć o co najmniej 2-3 czasy.

Efektywność szklarni można znacznie zwiększyć poprzez dodatkowe wykorzystanie niejadalnej części powstałej biomasy. Istnieją różne sposoby wykorzystania biomasy: pozyskiwanie składników odżywczych poprzez ekstrakcję lub hydrolizę, mineralizacja fizyko-chemiczna lub biologiczna, bezpośrednie wykorzystanie po odpowiednim ugotowaniu, wykorzystanie w postaci paszy dla zwierząt. Wdrożenie tych metod wymaga opracowania odpowiednich dodatkowych środków technicznych i kosztów energii, dlatego optymalne rozwiązanie można uzyskać jedynie biorąc pod uwagę całkowite wskaźniki techniczne i energetyczne ekosystemu jako całości.

Na początkowych etapach tworzenia i stosowania biologicznych płynów podtrzymujących życie pewne kwestie związane z pełnym cyklem substancji nie zostały jeszcze rozwiązane, część substancji eksploatacyjnych zostanie pobrana z rezerw znajdujących się na pokładzie statku kosmicznego. W takich przypadkach szklarni powierzono funkcję odtwarzania minimalnej wymaganej ilości świeżych ziół zawierających witaminy. Szklarnia o powierzchni sadzenia 3–4 m2 może w pełni zaspokoić potrzeby witaminowe jednej osoby. W takich ekosystemach, bazujących na częściowym wykorzystaniu biocyklu roślin wyższych – człowieka, główny ładunek regeneracji substancji i podtrzymywania życia załogi wykonują systemy wykorzystujące fizykochemiczne metody przetwarzania.

Założyciel kosmonautyki praktycznej, S.P. Korolew, marzył o locie kosmicznym nieobjętym żadnymi ograniczeniami. Według S.P. Korolewa tylko taki lot będzie oznaczał zwycięstwo nad żywiołami. W 1962 roku sformułował zestaw priorytetowych zadań biotechnologii kosmicznej w następujący sposób: „Musimy zacząć budować „szklarnię według Ciołkowskiego” ze stopniowo zwiększającą się liczbą ogniw lub bloków i zacząć pracować nad „kosmicznymi zbiorami”. Jaki jest skład tych upraw, jakie rośliny? Ich skuteczność, użyteczność? Odwracalność (powtarzalność) upraw z własnych nasion w oparciu o wieloletnią egzystencję szklarni? Jakie organizacje będą wykonywać tę pracę: w obszarze produkcji roślinnej (i zagadnień gleby, wilgoci itp.), W obszarze mechanizacji i technologii „lekko-ciepło-słonecznej” oraz jej systemów regulacji dla szklarni itp.?”

To sformułowanie odzwierciedla w rzeczywistości główne cele i zadania naukowe i praktyczne, których osiągnięcie i rozwiązanie należy zapewnić, zanim powstanie „szklarnia według Ciołkowskiego”, tj. Szklarnia, która zapewni człowiekowi niezbędną świeżą żywność podczas długiego lotu kosmicznego pożywienie pochodzenia roślinnego, a także oczyszczają wodę i powietrze. Kosmiczna szklarnia przyszłego międzyplanetarnego statku kosmicznego stanie się integralną częścią ich projektu. W takiej szklarni należy zapewnić optymalne warunki do siewu, wzrostu, rozwoju i zbioru roślin wyższych. Szklarnia musi być również wyposażona w urządzenia do dystrybucji światła i klimatyzacji, urządzenia do przygotowywania, dystrybucji i dostarczania pożywek, gromadzenia wilgoci transpiracyjnej itp. Radzieccy i zagraniczni naukowcy z powodzeniem pracują nad stworzeniem takich szklarni na dużą skalę dla statków kosmicznych w najbliższej przyszłości.

Uprawy roślin kosmicznych znajdują się dziś jeszcze w początkowej fazie swojego rozwoju i wymagają nowych, specjalistycznych badań, gdyż wiele kwestii związanych z reakcją roślin wyższych na ekstremalne warunki lotów kosmicznych, a przede wszystkim na warunki nieważkości, pozostaje nadal niejasnych. Stan nieważkości ma bardzo istotny wpływ na wiele zjawisk fizycznych, na aktywność życiową i zachowanie organizmów żywych, a nawet na pracę urządzeń pokładowych. Skuteczność oddziaływania dynamicznej nieważkości można zatem ocenić jedynie w tzw. pełnoskalowych eksperymentach przeprowadzonych bezpośrednio na orbitalnych stacjach kosmicznych.

Eksperymenty z roślinami w warunkach naturalnych przeprowadzono wcześniej na stacjach Salyut i satelitach serii Cosmos (Cosmos-92, 605, 782, 936, 1129 itd.). Szczególną uwagę poświęcono doświadczeniom z uprawą roślin wyższych. W tym celu używano różnych specjalnych urządzeń, z których każdemu nadano konkretną nazwę, na przykład „Vazon”, „Svetoblok”, „Fiton”, „Biogravistat” itp. Każde urządzenie z reguły miało na celu rozwiązać jeden problem. I tak mała wirówka „Biogravistat” posłużyła do oceny porównawczej procesów wzrostu sadzonek w warunkach nieważkości i w polu sił odśrodkowych. Urządzenie „Vazon” badało procesy uprawy cebuli jako witaminowego uzupełnienia diety astronautów. W urządzeniu „Svetoblok” po raz pierwszy zakwitła roślina Arabidopsis, zasadzona w izolowanej komorze na sztucznej pożywce, w warunkach zerowej grawitacji, a w urządzeniu „Fiton” uzyskano nasiona Arabidopsis. W instalacjach badawczych Oasis rozwiązano szerszy zakres problemów, składający się z agregatów uprawowych, oświetlenia, zaopatrzenia w wodę, wymuszonej wentylacji i telemetrycznego systemu kontroli temperatury. W instalacji „Oaza” przetestowano systemy uprawy ze stymulacją elektryczną na roślinach grochu i pszenicy jako sposób na ograniczenie wpływu niekorzystnych czynników związanych z brakiem grawitacji.

Szereg eksperymentów z roślinami wyższymi w warunkach lotów kosmicznych przeprowadzono w USA w Skylab, Spacelab i na pokładzie Columbia (Shuttle).

Liczne eksperymenty wykazały, że problem uprawy roślin na obiektach kosmicznych w warunkach znacznie różniących się od zwykłych ziemskich nie został jeszcze w pełni rozwiązany. Nierzadko zdarzają się także przypadki, gdy rośliny przestają rosnąć na generatywnym etapie rozwoju. Przed opracowaniem technologii uprawy roślin na wszystkich etapach ich wzrostu i rozwoju pozostaje jeszcze wiele badań naukowych. Konieczne będzie także opracowanie i przetestowanie konstrukcji kultywatorów roślin oraz indywidualnych środków technicznych, które pozwolą wyeliminować negatywny wpływ na rośliny różnych czynników lotów kosmicznych.

Oprócz wyższych roślin lądowych, rośliny niższe są również uważane za elementy autotroficznego połączenia ekosystemów zamkniętych. Należą do nich fototrofy wodne – glony jednokomórkowe: zielone, niebieskozielone, okrzemki itp. Są głównymi producentami pierwotnej materii organicznej w morzach i oceanach. Najbardziej znana jest słodkowodna, mikroskopijna alga Chlorella, którą wielu naukowców preferuje jako główny obiekt biologiczny ogniwa produkcyjnego ekosystemu zamkniętej przestrzeni kosmicznej.

Kultura chlorelli charakteryzuje się wieloma pozytywnymi cechami. Asymilując dwutlenek węgla, kultura uwalnia tlen. Przy intensywnej uprawie 30–40 litrów zawiesiny chlorelli może całkowicie zapewnić wymianę gazową jednej osobie. Powstaje w tym przypadku biomasa, która pod względem składu biochemicznego nadaje się do stosowania jako dodatek paszowy, a po odpowiednim przetworzeniu jako dodatek do diety człowieka. Stosunek białek, tłuszczów i węglowodanów w biomasie chlorelli może się różnić w zależności od warunków uprawy, co pozwala na kontrolowany proces biosyntezy. Wydajność intensywnych kultur chlorelli w uprawie laboratoryjnej waha się od 30 do 60 g suchej masy na 1 m2 na dobę. W doświadczeniach na specjalnych kultywatorach laboratoryjnych przy dużym świetle plon chlorelli osiąga 100 g suchej masy na 1 m2 dziennie. Na chlorellę najmniej wpływa stan nieważkości. Jego komórki mają trwałą otoczkę zawierającą celulozę i są najbardziej odporne na niekorzystne warunki życia.

Do wad chlorelli jako ogniwa w sztucznym ekosystemie można zaliczyć rozbieżność pomiędzy współczynnikiem asymilacji CO 2 a współczynnikiem oddychania człowieka, konieczność stosowania zwiększonych stężeń CO 2 w fazie gazowej dla efektywnego działania ogniwa odnowy biologicznej, pewna rozbieżność w zapotrzebowaniu glonów chlorelli na pierwiastki biogenne przy obecności tych pierwiastków w wydalinach ludzkich, konieczność specjalnego traktowania komórek chlorelli w celu uzyskania strawności biomasy. Ogólnie rzecz biorąc, algi jednokomórkowe (w szczególności Chlorella), w przeciwieństwie do roślin wyższych, nie mają urządzeń regulacyjnych i wymagają zautomatyzowanej kontroli procesu biosyntezy, aby zapewnić niezawodne i skuteczne funkcjonowanie w kulturze.

Maksymalne wartości wydajności w doświadczeniach dla wszystkich rodzajów glonów mieszczą się w przedziale od 11 do 16% (teoretyczna efektywność wykorzystania energii świetlnej przez mikroalgi wynosi 28%). Jednakże wysoka produktywność upraw i niskie zużycie energii są zwykle wymaganiami sprzecznymi, ponieważ maksymalne wartości wydajności osiąga się przy stosunkowo niskich gęstościach optycznych upraw.

Obecnie jednokomórkowa alga Chlorella, a także niektóre inne rodzaje mikroalg (Scenedesmus, Spirulina itp.) Są wykorzystywane jako modelowe obiekty biologiczne autotroficznego połączenia sztucznych ekosystemów.

OSIĄGNIĘCIA I PERSPEKTYWY

Wraz z gromadzeniem praktycznych doświadczeń w badaniu i rozwoju przestrzeni bliskiej Ziemi programy badań kosmicznych stają się coraz bardziej złożone. Już dziś konieczne jest rozwiązanie głównych problemów związanych z tworzeniem biologicznych systemów podtrzymywania życia dla przyszłych długoterminowych misji kosmicznych, ponieważ eksperymenty naukowe przeprowadzane z częściami biologicznych systemów podtrzymywania życia charakteryzują się długim czasem trwania od początku do końca uzyskano wynik. Wynika to w szczególności ze stosunkowo długich cykli rozwojowych, jakie obiektywnie występują u wielu organizmów żywych wybranych jako ogniwa w biologicznych systemach podtrzymywania życia, a także konieczności uzyskania wiarygodnych informacji na temat długoterminowych skutków powiązań troficznych i innych biolinki, które w przypadku organizmów żywych zwykle mogą pojawić się dopiero w kolejnych pokoleniach. Nie ma jeszcze metod przyspieszania takich eksperymentów biologicznych. Właśnie ta okoliczność wymaga rozpoczęcia ze znacznym wyprzedzeniem eksperymentów mających na celu zbadanie procesów przenoszenia energii i masy w biologicznych systemach podtrzymywania życia, w tym u człowieka.

Oczywiste jest, że główne kwestie związane z tworzeniem biologicznych systemów podtrzymywania życia dla załóg kosmicznych muszą najpierw zostać opracowane i rozwiązane w warunkach naziemnych. W tym celu stworzono i tworzą specjalne ośrodki techniczne i medyczno-biologiczne, w skład których wchodzą potężne bazy badawczo-testowe, wielkopojemne komory ciśnieniowe, stanowiska symulujące warunki lotów kosmicznych itp. W skomplikowanych eksperymentach naziemnych prowadzonych w ciśnieniowych komory z udziałem grup testerów, Określa się kompatybilność systemów i powiązań między sobą oraz z człowiekiem, wyjaśnia stabilność powiązań biologicznych w długo funkcjonującym sztucznym ekosystemie, ocenia skuteczność i wiarygodność podjętych decyzji, a wybór opcji biologicznego podtrzymywania życia dokonywany jest na potrzeby ostatecznego, dogłębnego badania w odniesieniu do konkretnego obiektu kosmicznego lub lotu.

W latach 60. i 70. w ZSRR przeprowadzono szereg unikalnych eksperymentów naukowych mających na celu stworzenie biologicznych systemów podtrzymywania życia dla załóg sztucznych ekosystemów kosmicznych. W listopadzie 1968 roku w ZSRR zakończono wieloletni (roczny) eksperyment z udziałem trzech testerów. Jego głównymi celami było przetestowanie i przetestowanie środków technicznych i technologii zintegrowanego systemu podtrzymywania życia opartego na fizykochemicznych metodach regeneracji substancji oraz biologicznej metodzie uzupełniania zapotrzebowania człowieka na witaminy i błonnik podczas uprawy roślin zielonych w szklarni. w tym eksperymencie zasiewana powierzchnia szklarni wynosiła tylko 7,5 m2, a wydajność biomasy na osobę wynosiła średnio 200 g dziennie. Zestaw upraw obejmował kapustę chińską, ogórecznik, rzeżuchę wodną i koper.

W trakcie doświadczenia ustalono możliwość normalnej uprawy roślin wyższych w zamkniętej objętości z obecnością człowieka i wielokrotnego wykorzystania wody transpiracyjnej bez jej regeneracji do nawadniania podłoża. W szklarni przeprowadzono częściową regenerację substancji, zapewniając minimalne ograniczenie pożywienia i tlenu – o 3 – 4%.

W 1970 roku na Wystawie Osiągnięć Gospodarczych ZSRR zademonstrowano eksperymentalny model systemu podtrzymywania życia, zaprezentowany przez Ogólnounijny Instytut Biotechniczny Badań Naukowych Glavmicrobioprom ZSRR i mający na celu określenie optymalnego składu kompleksu jednostek biotechnicznych i sposobu ich pracy. System podtrzymywania życia makiety został zaprojektowany tak, aby zaspokajać potrzeby trzech osób na wodę, tlen i świeże produkty roślinne przez czas nieokreślony. Głównymi blokami regeneracyjnymi w systemie był kultywator glonów o pojemności 50 l oraz szklarnia o powierzchni użytkowej około 20 m2 (ryc. 3). Reprodukcja produktów żywnościowych dla zwierząt została powierzona hodowcy kurczaków.

Ryż. 3. Zewnętrzna część szklarni

W Instytucie Fizyki Oddziału Syberyjskiego Akademii Nauk ZSRR przeprowadzono szereg badań eksperymentalnych ekosystemów, w tym człowieka. Doświadczenie z dwuogniwowym układem „człowiek – mikroalgi” (chlorella) trwające 45 dni umożliwiło zbadanie przepływu masy pomiędzy ogniwami układu a otoczeniem i osiągnięcie całkowitego zamknięcia obiegu substancji równego 38% (regeneracja atmosfery i wody).

Doświadczenie z układem trójogniwowym „człowiek – rośliny wyższe – mikroalgi” prowadzono przez 30 dni. Celem jest zbadanie zgodności człowieka z roślinami wyższymi w warunkach całkowicie zamkniętej wymiany gazowej i częściowo zamkniętej wymiany wody. Jednocześnie podjęto próbę zamknięcia łańcucha pokarmowego poprzez biomasę roślinną (roślinną). Wyniki eksperymentu wykazały brak wzajemnego hamującego wpływu połączeń układu poprzez atmosferę ogólną w trakcie eksperymentu. Minimalną powierzchnię sadzenia warzyw przy ciągłej uprawie ustalono tak, aby w pełni pokryć zapotrzebowanie jednej osoby na świeże warzywa w ramach wybranego reżimu uprawy (2,5 – 3 m2).

Wraz z wprowadzeniem do systemu czwartego ogniwa – kultywatora drobnoustrojów przeznaczonego do przetwarzania niespożywczych odpadów roślinnych i zawracania ich do systemu, rozpoczęto nowy eksperyment z osobą trwający 73 dni. W trakcie eksperymentu całkowicie zamknięto wymianę gazową jednostek, prawie całkowicie zamknięto wymianę wody (z wyłączeniem próbek do analiz chemicznych) i częściowo zamknięto wymianę pokarmu. W trakcie doświadczenia wykazano pogorszenie produktywności roślin wyższych (pszenicy), tłumaczone akumulacją metabolitów roślinnych lub towarzyszącej im mikroflory w pożywce. Stwierdzono, że niewłaściwe jest wprowadzanie do systemu ogniwa mineralizującego stałych wydalin ludzkich w oparciu o wskaźniki techniczne i ekonomiczne czteroogniwowego układu biologicznego.

W 1973 roku zakończono sześciomiesięczny eksperyment dotyczący podtrzymywania życia trzyosobowej załogi w zamkniętym ekosystemie o łącznej objętości około 300 m 3, który obejmował oprócz testerów ogniwa roślin wyższych i niższych. Eksperyment przeprowadzono w trzech etapach. W pierwszym etapie, który trwał dwa miesiące, całe zapotrzebowanie załogi na tlen i wodę pokrywały rośliny wyższe, do których zaliczały się pszenica, buraki, marchew, koper, rzepa, jarmuż, rzodkiewka, ogórki, cebula i szczaw. Do podłoża uprawowego pszenicy doprowadzono ścieki z części bytowej. Wydzieliny stałe i płynne załogi usuwano z objętości pod ciśnieniem na zewnątrz. Potrzeby żywieniowe załogi zaspokajane były częściowo przez rośliny wyższe, a częściowo przez suszoną żywność z rezerw. Codziennie z plantacji o powierzchni około 40 m2 syntetyzowano w roślinach wyższych 1953 g biomasy (w suchej masie), w tym 624 g jadalnej, co stanowiło 30% całkowitego zapotrzebowania załogi. Jednocześnie w pełni zaspokojono potrzeby tlenowe trzech osób (około 1500 litrów dziennie). Zamknięcie układu „człowiek – rośliny wyższe” na tym etapie wyniosło 82%.

W drugim etapie doświadczenia część szklarni zastąpiono ogniwem roślin niższych – chlorellą. Zapotrzebowanie załogi na wodę i tlen zaspokajały rośliny wyższe (pszenica i warzywa) i niższe, płynne wydzieliny załogi kierowano do reaktora algowego, a wydzieliny stałe suszono, aby zawrócić wodę do obiegu. Posiłki załogi odbywały się analogicznie jak w pierwszym etapie. Stwierdzono pogorszenie wzrostu pszenicy na skutek zwiększenia się ilości ścieków dostarczanych z pożywką na jednostkę powierzchni sadzenia, która została zmniejszona o połowę.

W trzecim etapie w części roślin wyższych pozostawiono jedynie uprawy warzyw, a główne obciążenie regeneracją atmosfery o objętości hermetycznej pełnił reaktor algowy. Do pożywki dla roślin nie dodano żadnych ścieków. Niemniej jednak na tym etapie doświadczenia stwierdzono zatrucie roślin atmosferą o objętości hermetycznej. Zamknięcie systemu, w tym chlorelli, która wykorzystuje płynne wydzieliny ludzkie, wzrosła do 91%.

Podczas eksperymentu szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu wyrównywania chwilowych wahań w wymianie egzometabolitów załogi. W tym celu testerzy żyli według harmonogramu, który zapewniał ciągłość zarządzania ekosystemem i jednolitość poziomu transferu masy podczas autonomicznego istnienia ekosystemu. W ciągu 6 miesięcy trwania eksperymentu w systemie znajdowało się 4 testerów, z czego jeden mieszkał w nim na stałe, a trzech – każdy przez 6 miesięcy, wymieniając się zgodnie z harmonogramem.

Głównym rezultatem eksperymentu jest dowód możliwości wdrożenia biologicznego systemu podtrzymywania życia, sterowanego autonomicznie od wewnątrz, w ograniczonej zamkniętej przestrzeni. Analiza funkcji fizjologicznych, biochemicznych i technologicznych badanych obiektów nie wykazała żadnych zmian kierunkowych spowodowanych ich pobytem w sztucznym ekosystemie.

W 1977 r. w Instytucie Fizyki Oddziału Syberyjskiego Akademii Nauk ZSRR przeprowadzono czteromiesięczny eksperyment ze sztucznym zamkniętym ekosystemem „człowiek – rośliny wyższe”. Głównym zadaniem jest znalezienie sposobu na zachowanie produktywności roślin wyższych w zamkniętym ekosystemie. Jednocześnie badano możliwość zwiększenia szczelności systemu poprzez zwiększenie proporcji racji żywnościowych załogi możliwych do odtworzenia w nim. W eksperymencie wzięło udział dwóch testerów (trzech testerów w ciągu pierwszych 27 dni). Zasiana powierzchnia fitotronu wynosiła około 40 m2. Do zbioru roślin wyższych zaliczały się pszenica, chufa, buraki, marchew, rzodkiewka, cebula, koper, jarmuż, ogórki, ziemniaki i szczaw. W eksperymencie zorganizowano wymuszony obieg atmosfery wewnętrznej wzdłuż konturu „przedział mieszkalny – fitotrony (szklarnia) – przedział mieszkalny”. Doświadczenie było kontynuacją poprzedniego eksperymentu z zamkniętym ekosystemem „człowiek – rośliny wyższe – rośliny niższe”.

W trakcie doświadczenia, którego pierwszy etap odtworzył warunki poprzedniego, wykazano spadek fotosyntezy roślin, który rozpoczął się 5 dnia i trwał do 24 dni. Następnie włączono termokatalityczne oczyszczanie atmosfery (dopalanie nagromadzonych toksycznych zanieczyszczeń gazowych), w wyniku czego usunięto hamujące działanie atmosfery na rośliny i przywrócono produktywność fotosyntetyczną fitotronów. Dzięki dodatkowemu dwutlenkowi węgla uzyskanemu ze spalania słomy i celulozy powtarzalna część diety załogi została zwiększona do 60% wagowo (do 52% kaloryczności).

Wymiana wody w systemie była częściowo zamknięta: źródłem wody pitnej, a częściowo sanitarnej był kondensat wilgoci transpiracyjnej roślin, do nawadniania pszenicy wykorzystywano pożywkę z dodatkiem ścieków bytowych, a bilans wodny utrzymywano poprzez wprowadzanie woda destylowana w ilościach kompensujących usunięcie płynnych wydalin ludzkich z układu.

Na koniec eksperymentu nie wykryto żadnych negatywnych reakcji organizmu testerów na złożone skutki warunków układu zamkniętego. Rośliny w pełni zapewniły testerom tlen, wodę i główną część pokarmu roślinnego.

Również w 1977 r. Zakończono półtoramiesięczny eksperyment z dwoma obiektami testowymi w Instytucie Problemów Medycznych i Biologicznych Ministerstwa Zdrowia ZSRR. Eksperyment przeprowadzono w celu zbadania modelu zamkniętego ekosystemu, który obejmował szklarnię i roślinę chlorellę.

Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że dokonując biologicznej regeneracji atmosfery i wody w sztucznym ekosystemie przy pomocy roślin zielonych, rośliny niższe (chlorella) wykazują większą zgodność biologiczną z człowiekiem niż rośliny wyższe. Wynika to z faktu, że atmosfera pomieszczenia mieszkalnego oraz emisje ludzkie niekorzystnie wpływały na rozwój roślin wyższych i wymagały dodatkowej obróbki fizyko-chemicznej powietrza wchodzącego do szklarni.

Za granicą prace mające na celu stworzenie obiecujących systemów podtrzymywania życia najintensywniej prowadzone są w Stanach Zjednoczonych. Badania prowadzone są w trzech kierunkach: teoretycznym (określenie struktury, składu i cech konstrukcyjnych), naziemnym doświadczalnym (badanie poszczególnych powiązań biologicznych) oraz lotem eksperymentalnym (przygotowanie i przeprowadzenie eksperymentów biologicznych na załogowym statku kosmicznym). Ośrodki NASA i firmy opracowujące statki kosmiczne i systemy dla nich pracują nad problemem stworzenia biologicznych systemów podtrzymywania życia. W wielu przyszłościowych badaniach biorą udział uniwersytety. NASA utworzyła dział biosystemów, który koordynuje prace nad programem stworzenia kontrolowanego biotechnicznego systemu podtrzymywania życia.

Projekt stworzenia w Stanach Zjednoczonych imponującej sztucznej konstrukcji o nazwie „Biosfera-2” wzbudził duże zainteresowanie wśród specjalistów ds. ochrony środowiska. Ta szklano-stalowo-betonowa konstrukcja stanowi całkowicie szczelną objętość równą 150 000 m 3 i zajmującą powierzchnię 10 000 m 2. Cała objętość podzielona jest na wielkoskalowe przedziały, w których powstają modele fizyczne różnych stref klimatycznych Ziemi, w tym lasu tropikalnego, tropikalnej sawanny, laguny, płytkich i głębokich stref oceanicznych, pustyni itp. W „Biosferze-2” mieszczą się także pomieszczenia mieszkalne dla testerów, laboratoria, warsztaty, szklarnie rolnicze i stawy rybne, systemy utylizacji odpadów i inne systemy obsługi oraz środki techniczne niezbędne do życia człowieka. Szklane sufity i ściany przedziałów Biosfery-2 powinny zapewnić dopływ promienistej energii słonecznej do mieszkańców, którymi przez pierwsze dwa lata będzie objętych ośmiu ochotników-testerów. Będą musieli wykazać możliwość aktywnego życia i aktywności w izolowanych warunkach w oparciu o wewnętrzny obieg substancji w biosferze.

Instytut Ekotechniki, który w 1986 roku stał na czele powstania Biosfery-2, planuje zakończyć jej budowę w tym roku. Do projektu dołączyło wielu cenionych naukowców i specjalistów technicznych.

Pomimo znacznych kosztów prac (co najmniej 30 mln dolarów) realizacja projektu umożliwi przeprowadzenie unikalnych badań naukowych z zakresu ekologii i biosfery Ziemi, w celu określenia możliwości wykorzystania poszczególnych elementów „Biosfery -2” w różnych sektorach gospodarki (oczyszczanie biologiczne i regeneracja wody, powietrze i żywność). „Takie konstrukcje będą niezbędne do tworzenia osad w przestrzeni kosmicznej i być może do zachowania niektórych typów istot żywych na Ziemi” – mówi amerykański astronauta R. Schweickart.

Praktyczne znaczenie wspomnianych eksperymentów polega nie tylko na rozwiązywaniu indywidualnych problemów tworzenia ekosystemów przestrzeni zamkniętej, w których uczestniczy człowiek. Wyniki tych eksperymentów są nie mniej ważne dla zrozumienia praw ekologii oraz medycznych i biologicznych podstaw adaptacji człowieka do ekstremalnych warunków środowiskowych, wyjaśnienia potencjalnych możliwości obiektów biologicznych w intensywnych trybach uprawy, opracowania bezodpadowych i przyjaznych dla środowiska technologii zaspokajają ludzkie potrzeby w zakresie wysokiej jakości żywności, wody i powietrza w sztucznie izolowanych zamieszkałych strukturach (podwodne osady, stacje polarne, wioski geologów na Dalekiej Północy, struktury obronne itp.).

W przyszłości możemy sobie wyobrazić całe, wolne od śmieci i przyjazne środowisku miasta. Na przykład dyrektor Międzynarodowego Instytutu Analiz Systemów C. Marchetti uważa: „Nasza cywilizacja będzie mogła istnieć pokojowo, a w dodatku w lepszych warunkach niż obecnie, zamknięta w wyspiarskich miastach, które są całkowicie samowystarczalne”. wystarczające, nie zależne od zmienności natury, nie potrzebujące żadnych zasobów naturalnych.” Surowce, ani w postaci naturalnej energii, ani niezabezpieczone przed zanieczyszczeniami. Dodajmy, że wymaga to spełnienia tylko jednego warunku: zjednoczenia wysiłków całej ludzkości w pokojowej pracy twórczej na Ziemi i w kosmosie.

WNIOSEK

Skuteczne rozwiązanie problemu tworzenia dużych sztucznych ekosystemów, w tym ludzkich, opartych na całkowicie lub częściowo zamkniętym cyklu biologicznym substancji, ma ogromne znaczenie nie tylko dla dalszego postępu astronautyki. W epoce, gdy „z tak przerażającą jasnością widzieliśmy, że drugi front, ekologiczny, zbliża się do frontu zagrożenia nuklearnego i przyłącza się do niego” (z przemówienia Ministra Spraw Zagranicznych ZSRR E. A. Szewardnadze na 43. sesji Rady Ministrów Zgromadzenie Ogólne ONZ), jednym z realnych sposobów wyjścia z nadchodzącego kryzysu ekologicznego może być stworzenie praktycznie bezodpadowych i przyjaznych dla środowiska intensywnych technologii rolno-przemysłowych, które powinny opierać się na biologicznym cyklu substancji i bardziej efektywnym wykorzystaniu energii słonecznej.

Mówimy o zasadniczo nowym problemie naukowo-technicznym, którego wyniki mogą mieć ogromne znaczenie dla ochrony i zachowania środowiska, rozwoju i powszechnego stosowania nowych, intensywnych i bezodpadowych biotechnologii, tworzenia autonomicznych, zautomatyzowanych i zrobotyzowane kompleksy do produkcji biomasy spożywczej, rozwiązanie programu żywnościowego na wysokim poziomie, nowoczesny poziom naukowo-techniczny. To, co kosmiczne, jest nierozerwalnie związane z tym, co ziemskie, dlatego już dziś wyniki programów kosmicznych mają znaczący skutek gospodarczy i społeczny w różnych obszarach gospodarki narodowej.

Przestrzeń służy i musi służyć ludziom.

LITERATURA

Blinkin S.A., Rudnitskaya T.V. Fitoncydy są wokół nas. – M.: Wiedza, 1981.

Gazenko O. G., Pestov I. D., Makarov V. I. Ludzkość i przestrzeń. – M.: Nauka, 1987.

Dadykin V.P. Space Uprawa roślin. – M.: Wiedza, 1968.

Dazho R. Podstawy ekologii. – M.: Postęp, 1975.

Układ zamknięty: człowiek – rośliny wyższe (eksperyment czteromiesięczny) / wyd. G. M. Lisowski. – Nowosybirsk-Nauka, 1979.

Kosmonautyka. Encyklopedia. / wyd. V. P. Głuszko - M .: Encyklopedia radziecka, 1985.

Lapo A.V. Ślady dawnych biosfer. – M.: Wiedza, 1987.

Nichiporovich A.A. Wydajność zielonych liści. – M.: Wiedza 1964.

Podstawy biologii i medycyny kosmicznej. / wyd. O.G. Gazenko (ZSRR) i M. Kalwin (USA). – T. 3 – M.: Nauka, 1975.

Plotnikov V.V. Na skrzyżowaniu ekologii. – M.: Myśli, 1985

Sytnik K. M., Brion A. V., Gordetsky A. V. Biosfera, ekologia, ochrona przyrody. – Kijów: Naukova Dumka, 1987.

Eksperymentalne systemy ekologiczne obejmujące człowieka / wyd. V. N. Czernigowski. – M.: Nauka, 1975

Yazdovsky V.I. Sztuczna biosfera. – M.: Nauka, 1976

Aplikacja

TURYSTYKA KOSMICZNA

Wiceprezes MICHAJŁOW

W kontekście boomu turystycznego, który rozpoczął się wszędzie w latach 60., eksperci zwrócili uwagę na możliwość podróży kosmicznych w celach turystycznych.

Turystyka kosmiczna rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden z nich jest czysto ziemski – bez lotów kosmicznych. Turyści odwiedzają obiekty ziemskie - kosmodromy, centra kontroli lotów, miasta „gwiazdowe”, przedsiębiorstwa zajmujące się rozwojem i produkcją elementów technologii kosmicznej, a także uczestniczą i obserwują starty latających statków kosmicznych i rakiet nośnych.

Ziemska turystyka kosmiczna rozpoczęła się w lipcu 1966 r., kiedy zorganizowano pierwsze wycieczki autobusowe po obiektach startowych NASA na Przylądku Kennedy'ego. Na początku lat 70. turyści autobusami odwiedzili teren kompleksu nr 39, z którego astronauci wystartowali w czasie lotu na Księżyc, budynek montażu pionowego (hangar o wysokości ponad 100 m), w którym montowano rakietę nośną Saturn-V i przetestowany, a statek kosmiczny został zadokowany do statku Apollo, na parkingu znajduje się unikalne podwozie gąsienicowe, które dostarcza pojazd startowy na platformę startową i wiele więcej. W specjalnej sali kinowej oglądali kroniki filmowe z wydarzeń kosmicznych. Latem na taką wycieczkę codziennie wybierało się wówczas do 6–7 tys. turystów, poza sezonem około 2 tys.. Turyści niezorganizowani zwiększali napływ turystów o kolejne 20–25%.

Od samego początku tego typu wycieczki cieszyły się dużą popularnością. Już w 1971 roku odnotowano ich czteromilionowego uczestnika. Podczas niektórych startów (na przykład na Księżyc) liczba turystów sięgała setek tysięcy.

Kolejnym kierunkiem jest bezpośrednia turystyka kosmiczna. Choć dziś jest w powijakach, jego perspektywy są szerokie. Oprócz aspektu czysto turystycznego należy wziąć pod uwagę aspekty strategiczne i ekonomiczne.

Aspekt strategiczny polega na możliwym częściowym osiedleniu się ludzkości w Układzie Słonecznym. Jest to oczywiście kwestia odległej przyszłości. Osadnictwo będzie następowało przez setki lat i tysiąclecia. Człowiek musi przyzwyczaić się do życia w przestrzeni kosmicznej, zadomowić się w niej, zgromadzić pewne doświadczenia - o ile oczywiście nie nastąpią jakieś ziemskie lub kosmiczne kataklizmy, kiedy proces ten wymaga przyspieszenia. A turystyka kosmiczna jest dobrym modelem wypracowania tego procesu. Z drugiej strony doświadczenia zapewnienia życia człowieka w kosmosie, zgromadzone podczas podróży turystycznych, znajomość sprzętu i urządzeń podtrzymujących życie w kosmosie, pozwolą człowiekowi lepiej żyć i pracować na Ziemi w warunkach degradacji środowiska oraz wykorzystywać przestrzeń kosmiczną. oparte na „uziemionych” środkach i systemach technicznych.

Ekonomiczny aspekt turystyki kosmicznej jest również bardzo ważny dla astronautyki. Część ekspertów postrzega turystykę kosmiczną, skupiającą się na wykorzystaniu osobistych środków turystów kosmicznych, jako istotne źródło finansowania programów kosmicznych. Ich zdaniem 100-krotne zwiększenie przepływu ładunków w przestrzeń kosmiczną w wyniku turystyki kosmicznej w porównaniu z obecnym (co jest realne) spowoduje z kolei zmniejszenie jednostkowego kosztu wystrzelenia jednostki ładunku 100 - 200-krotnie dla całej kosmonautyki jako całości, bez angażowania dodatkowych inwestycji rządowych.

Według ekspertów roczne wydatki ludzkości na turystykę wynoszą około 200 miliardów funtów. Sztuka. W nadchodzących dziesięcioleciach turystyka kosmiczna może stanowić 5% tej kwoty, czyli 10 miliardów funtów. Sztuka. Uważa się, że gdyby koszty podróży kosmicznej były optymalnie zbilansowane, a jednocześnie zapewnione byłoby wystarczająco wysokie bezpieczeństwo lotu (porównywalne co najmniej do poziomu bezpieczeństwa lotu współczesnego samolotu pasażerskiego), to około 100 milionów ludzi wyraziłoby chęć odbycia podróży kosmicznej w nadchodzących dziesięcioleciach. Według innych szacunków do 2025 roku napływ turystów kosmicznych wyniesie 100 tys. osób rocznie, a w ciągu najbliższych 50 lat liczba osób, które były w kosmosie, sięgnie około 120 mln osób.

Ile obecnie może kosztować wycieczka kosmiczna? Oszacujmy górną granicę „pakietu wycieczkowego”. W ZSRR szkolenie astronauty kosztuje około 1 miliona rubli, seryjny pojazd nośny kosztuje 2–3 miliony rubli, dwumiejscowy statek kosmiczny kosztuje 7–8 milionów rubli. Zatem „lot dla dwojga” wyniesie około 11–13 milionów rubli, nie licząc tzw. wsparcia naziemnego. Liczbę tę można by znacznie zmniejszyć, gdyby statek kosmiczny został zaprojektowany w wersji czysto turystycznej: nie zapełniając go skomplikowanym sprzętem naukowym, zwiększając w ten sposób liczbę pasażerów, przygotowując ich do lotu nie według programu astronautów, ale według prostszego itp. Ciekawie byłoby dokładniej określić koszt lotu turystycznego, ale trzeba to zrobić. ekonomiści zajmujący się technologią rakietową i kosmiczną.

Są inne sposoby na obniżenie kosztów turystycznego lotu w przestrzeń kosmiczną. Jednym z nich jest stworzenie specjalnego statku turystycznego wielokrotnego użytku. Optymiści uważają, że koszt lotu statkami do transportu kosmicznego drugiej i trzeciej generacji będzie porównywalny z kosztem lotu pasażerskim odrzutowcem, co z góry przesądzi o masowej turystyce kosmicznej. A jednak eksperci sugerują, że koszt wycieczki dla pierwszych turystów wyniesie około 1 miliona dolarów, a w kolejnych dziesięcioleciach szybko spadnie i osiągnie 100 tysięcy dolarów. W miarę osiągnięcia optymalnie nasyconej infrastruktury turystyki kosmicznej, w tym floty statków kosmicznych , hotele na orbitach Ziemi i na Księżycu, ciągła produkcja sprzętu turystycznego, szkolenia w zakresie środków bezpieczeństwa itp., w warunkach turystyki masowej koszt wycieczki spadnie do 2 tysięcy dolarów, co oznacza, że koszt wystrzelenia ładunku w przestrzeń kosmiczną nie powinien przekraczać 20 dolarów/kg. Obecnie liczba ta wynosi 7–8 tys.

Na ścieżce turystyki kosmicznej wciąż pozostaje wiele trudności i nierozwiązanych problemów. Jednak turystyka kosmiczna jest rzeczywistością i kamieniem milowym XXI wieku. W międzyczasie 260 osób z dziesięciu krajów przekazało już pieniądze jednej z amerykańskich organizacji, która rozpoczęła prace w tym kierunku na rzecz opracowania i wdrożenia kosmicznego lotu turystycznego. Niektóre amerykańskie biura podróży rozpoczęły sprzedaż biletów na pierwszy lot turystyczny z Ziemi na Księżyc. Termin wyjazdu jest otwarty. Uważa się, że zostanie on wybity na bilecie za 20–30 lat.

Jednak Amerykanie nie są tutaj pierwsi. W 1927 roku na ulicy Twerskiej w Moskwie odbyła się pierwsza na świecie międzynarodowa wystawa statków kosmicznych. Sporządziła listy osób pragnących polecieć na Księżyc lub Marsa. Chętnych było bardzo dużo. Być może część z nich nie straciła jeszcze nadziei na wyjazd w pierwszą turystyczną podróż w kosmos.

KRONIKA KOSMONAUTYKI*

* Ciąg dalszy (patrz nr 3, 1989). Na podstawie materiałów różnych agencji informacyjnych i czasopism podaje się dane dotyczące wystrzelenia niektórych sztucznych satelitów Ziemi (AES) począwszy od 15 listopada 1989 r. Wystrzelenia satelity Kosmos nie są rejestrowane. Regularnie relacjonuje je np. czasopismo Nature, a zainteresowanych czytelników odsyłamy. Osobny dodatek poświęcony jest załogowym lotom kosmicznym.

15 LISTOPADA 1988 roku w Związku Radzieckim odbył się pierwszy próbny start uniwersalnej rakiety i systemu transportu kosmicznego „Energia” ze statkiem kosmicznym wielokrotnego użytku „Buran”. Po wykonaniu bezzałogowego lotu na dwóch orbitach pojazd orbitalny Buran pomyślnie wylądował w trybie automatycznym na pasie startowym kosmodromu Bajkonur. Statek Buran zbudowany jest według projektu bezogonowego samolotu ze skrzydłem delta o zmiennym skoku. Zdolny do kontrolowanego opadania w atmosferze z manewrem bocznym na odległość do 2000 km. Długość statku wynosi 36,4 m, rozpiętość skrzydeł około 24 m, wysokość statku stojącego na podwoziu ponad 16 m. Masa startowa to ponad 100 ton, z czego 14 ton to paliwo. Jego przedział ładunkowy może pomieścić ładunek o masie do 30 t. W przedziale dziobowym zabudowana jest ciśnieniowa kabina dla załogi i sprzętu o pojemności ponad 70 m 3 . Główny układ napędowy znajduje się w tylnej części statku, dwie grupy silników manewrowych znajdują się na końcu części ogonowej oraz w przedniej części kadłuba. Powłoka termoizolacyjna, składająca się z prawie 40 tysięcy indywidualnie profilowanych płytek, wykonana jest ze specjalnych materiałów - wysokotemperaturowych włókien kwarcowych i organicznych, a także materiału na bazie węgla. Pierwszy lot statku kosmicznego Buran wielokrotnego użytku otwiera jakościowo nowy etap w sowieckim programie badań kosmicznych.

10 GRUDNIA 1988 roku rakieta nośna Proton wyniosła na orbitę kolejnego (19.) radzieckiego satelitę telewizji Ekran. Wystrzelony na orbitę geostacjonarną na 99°E. (międzynarodowy indeks rejestracyjny „Stacjonarny T”) satelity te służą do transmisji programów telewizyjnych w zakresie długości fal decymetrowych do regionów Uralu i Syberii do abonenckich urządzeń odbiorczych do zbiorowego użytku.

11 GRUDNIA 1988 roku z portu kosmicznego Kourou w Gujanie Francuskiej za pomocą zachodnioeuropejskiej rakiety nośnej Ariane-4 wystrzelono na orbitę geostacjonarną dwa satelity komunikacyjne - angielski Sky-net-4B i Astra-1 należące do luksemburskie konsorcjum SES. Satelita Astra-1 przeznaczony jest do retransmisji programów telewizyjnych do lokalnych centrów dystrybucyjnych w krajach Europy Zachodniej. Satelita posiada 16 przemienników średniej mocy, z których większość jest dzierżawiona przez brytyjską organizację British Telecom. Szacunkowa pozycja satelity „Astra-1” wynosi 19,2° W. d. Początkowo angielski satelita miał zostać wystrzelony za pomocą amerykańskiego promu kosmicznego. Jednak wypadek Challengera w styczniu 1986 roku pokrzyżował te plany i zdecydowano się wykorzystać do startu rakietę nośną Ariane. Wystrzelenie dwóch satelitów przeprowadziła rakieta nośna Ariane-4, wyposażona w dwa dopalacze na paliwo stałe i dwa na paliwo płynne. Konsorcjum Arianespace poinformowało potencjalnych konsumentów, że ten model rakiety jest w stanie dostarczyć ładunek o masie 3,7 tony na orbitę transferową o wysokości apogeum 36 tys. km. W tej wersji Ariane-4 jest używana po raz drugi. Pierwsze uruchomienie rakiety nośnej w tej konfiguracji było uruchomieniem testowym. Następnie w 1988 roku za jego pomocą wystrzelono na orbitę trzy satelity: zachodnioeuropejski meteorologiczny Meteosat-3 i amatorskie radio Amsat-3, a także amerykański satelita komunikacyjny Panamsat-1.

22 GRUDNIA 1988 roku w ZSRR satelita Molniya LV wystrzelił na wysoce eliptyczną orbitę o wysokości apogeum 39 042 km na półkuli północnej kolejnego (32.) satelitę Molniya-3 w celu zapewnienia działania satelity długodystansowego system radiokomunikacji telefonicznej i telegraficznej oraz transmisja programów telewizyjnych w systemie Orbit.

23 GRUDNIA 1988 roku za pomocą rakiety nośnej Long March-3 wystrzelono z kosmodromu Xichang 24. satelitę Chińskiej Republiki Ludowej. To czwarty chiński satelita komunikacyjny wystrzelony na orbitę geostacjonarną. Uruchomienie satelity zakończy przejście wszystkich krajowych programów telewizyjnych na reemisję w systemie satelitarnym. Premier Rady Państwa Chińskiej Republiki Ludowej Li Peng był obecny podczas wystrzelenia satelity.

25 GRUDNIA 1988 roku w ZSRR rakieta nośna Sojuz wystrzeliła na orbitę automatyczny statek kosmiczny Progress-39, przeznaczony do zasilania radzieckiej stacji orbitalnej Mir. Statek zacumował do stacji 27 grudnia, oddokował ją 7 lutego 1989 roku i tego samego dnia wszedł w atmosferę i przestał istnieć.

28 GRUDNIA 1988 roku w ZSRR Molniya LV została wystrzelona na wysoce eliptyczną orbitę z apogeum na wysokości 38 870 km na półkuli północnej przez kolejnego (75.) satelitę komunikacyjnego Moliya-1. Satelita ten jest częścią systemu satelitarnego wykorzystywanego w Związku Radzieckim do radiokomunikacji telefonicznej i telegraficznej oraz transmisji programów telewizyjnych za pośrednictwem systemu Orbit.

26 stycznia 1989 roku Proton LV wystrzelił w ZSRR kolejnego (17.) satelitę komunikacyjnego Horizon. Umieszczony na orbicie geostacjonarnej na 53°E. itp., otrzymał międzynarodowy indeks rejestracyjny „Stationar-5”. Satelita Horizon służy do transmisji programów telewizyjnych do sieci stacji naziemnych „Orbita”, „Moskwa” i „Intersputnik”, a także do komunikacji ze statkami i samolotami za pomocą dodatkowych wzmacniaczy.

27 stycznia 1989 Rakieta nośna Ariane-2 wyniosła satelitę Intelsat-5A (model F-15) na orbitę transferową w celu wykorzystania w globalnym komercyjnym systemie komunikacji satelitarnej międzynarodowego konsorcjum ITSO. Przeniesiony do stacjonarnego punktu na orbicie geostacjonarnej 60° E. d., satelita zastąpi znajdującego się tam satelitę Intelsat-5A (model F-12), wystrzelonego we wrześniu 1985 roku.

10 lutego 1989 roku w ZSRR rakieta nośna Sojuz wystrzeliła automatyczny statek kosmiczny Progress-40, który miał zaopatrywać radziecką stację orbitalną Mir. Statek zacumował do stacji 12 lutego i oddokował 3 marca. Po oddokowaniu przeprowadzono eksperyment polegający na rozmieszczeniu w warunkach otwartej przestrzeni dwóch dużych konstrukcji wielowahaczowych, które zostały złożone na zewnętrznej powierzchni statku kosmicznego Progress-40. Na polecenie automatyki pokładowej konstrukcje te były otwierane jedna po drugiej. Ich rozmieszczenie przeprowadzono poprzez zastosowanie elementów wykonanych z materiału posiadającego efekt pamięci kształtu. 5 marca włączono układ napędowy statku. W wyniku hamowania statek wszedł w atmosferę i przestał istnieć.

15 lutego 1989 roku kolejny (76.) satelita komunikacyjny Molniya-1 wystrzelił ZSRR Molniya LV na wysoce eliptyczną orbitę o wysokości apogeum 38 937 km na półkuli północnej. Satelita ten wchodzi w skład systemu satelitarnego stosowanego w Związku Radzieckim do radiokomunikacji telefonicznej i telegraficznej oraz transmisji programów telewizyjnych za pośrednictwem systemu Orbita.

16 marca w ZSRR rakieta nośna Sojuz wystrzeliła automatyczny statek kosmiczny Progress-41, który miał zaopatrywać radziecką stację orbitalną Mir. Statek dopłynął do stacji 18 marca.

Kronika lotów załogowych 1

1 Ciąg dalszy (patrz nr 3, 1989).

2 W nawiasie podano liczbę lotów kosmicznych, łącznie z ostatnim.

3 Wyprawa do stacji Mir.

W załodze stacji Mir pozostało 4 kosmonautów A. Wołkowa i S. Krikalewa. 21 grudnia 1988 wraz z J.-L. Chretien wrócił na ziemię ze stacji Mir, W. Titow i M. Manarow, którzy odbyli najdłuższy lot w historii astronautyki, trwający 1 rok.

WIADOMOŚCI ASTRONOMII

WĄtek W KRAINIE CZARÓW

Wspominaliśmy już w naszych krótkich notatkach o jednej z kosmologicznych konsekwencji niektórych modeli Wielkiego Zjednoczenia - przewidywaniu istnienia wątków kosmologicznych. Są to jednowymiarowe rozciągnięte struktury o dużej liniowej gęstości masy (~Ф 0 2, gdzie Ф 0 jest niezerową średnią próżni) i grubości ~1/Ф 0.

Spośród wielu realistycznych modeli Wielkiego Zjednoczenia (ponieważ są też nierealistyczne) najbardziej udane są te, które zawierają cząstki lustrzane, ściśle symetryczne w swoich właściwościach w stosunku do odpowiednich cząstek zwykłych. Nie tylko cząstki materii (elektrony, kwarki), ale także cząstki przenoszące oddziaływania (fotony, W-bozony, gluony itp.). W schematach tego rodzaju naruszenie całkowitej symetrii prowadzi do przejścia od cząstek zwykłych do cząstek lustrzanych. Wątki pojawiające się w tych modelach nazywane są wątkami Alice. Od „zwykłych” nici kosmologicznych odróżnia je dodatkowa cecha: chodzenie wokół nici zmienia lustrzaność obiektu.

Z tej właściwości „lustrzanej” wynika, że sama definicja specularity staje się względna: jeśli obiekt makroskopowy uznamy za zwyczajny, gdy obejdziemy nić po lewej stronie, to okazuje się, że jest odzwierciedlony, jeśli nić okrąży nić po lewej stronie. prawo (lub: odwrotnie). Ponadto promieniowanie elektromagnetyczne, które postrzegamy jako normalne po lewej stronie nici Alicji, zostanie odzwierciedlone po prawej stronie. Nasze zwykłe odbiorniki elektromagnetyczne nie będą w stanie tego zarejestrować.

Ale to wszystko w teorii. Czy są jakieś możliwe obserwacyjne przejawy wątków Alicji? Wszystkie właściwości, jakie mają zwykłe nici kosmologiczne, znajdują się również w niciach Alicji. Ale w przeciwieństwie do pierwszego, nici Alicji muszą zmieniać względne odbicia cząstek i promieni świetlnych podczas ich ewolucji. Istnienie cząstek lustrzanych prowadzi do tego, że gwiazdy i prawdopodobnie gromady kuliste powinny mieć jedno odblaski, podczas gdy galaktyki i większe niejednorodności (gromady, supergromady) składają się z równej liczby cząstek lustrzanych i zwykłych. Co więcej, ich średnie charakterystyki (widmo, jasność, rozkład mas i prędkości itp.) są takie same. Dlatego też, jeśli nie potrafimy „rozdzielić” galaktyki na pojedyncze gwiazdy, to nie możemy nawet zauważyć przejścia włókna Alicji między nimi a galaktyką, ponieważ zarówno jasność zwierciadlana, jak i zwykła oraz widma galaktyki są całkowicie symetryczne.

Można spróbować wykryć manifestację nici Alicji (w rzeczywistości nici kosmologicznej jakiejkolwiek natury) na podstawie efektu jarzenia gazowego, jaki powoduje ona w fali uderzeniowej. Ten ostatni powstaje, gdy materia zostaje zakłócona przez stożkowe pole grawitacyjne nici. To prawda, że jasność gazu w fali uderzeniowej za żarnikiem jest trudna do oddzielenia od tła ogólnej jasności takiego gazu. To samo dotyczy zaburzenia temperatury kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w kierunku żarnika. Dlatego najbardziej obiecujące, zdaniem teoretyków, jest poszukiwanie efektu soczewki grawitacyjnej wywołanej przez nić Alicji.

CZY JEST STAŁE?

Mówimy o stałej grawitacji Newtona G. Istnieje wiele teorii, które przewidują potrzebę jego zmiany. Jednak nie tylko ona, ale także inne stałe fundamentalne - w niektórych modelach teorii superstrun np. stałe te powinny zmieniać się wraz z wiekiem Wszechświata (wraz z ekspansją Wszechświata G powinien się zmniejszyć).

Żadne z dotychczas przeprowadzonych eksperymentów nie dostarczyło dowodów na niestałość G. Ustalono jedynie górne granice tej zmiany – około 10–11 części rocznie. Niedawno amerykańscy naukowcy potwierdzili tę ocenę, obserwując podwójny pulsar radiowy.

Odkryty w 1974 roku pulsar podwójny PSR 1913+16 składa się z gwiazdy neutronowej krążącej wokół innego zwartego obiektu. Tak się złożyło, że tempo zmian jego okresu orbitalnego jest znane z zadziwiająco dużą dokładnością.

Ogólna teoria względności przewiduje, że taki układ podwójny będzie emitował fale grawitacyjne. W tym przypadku zmienia się okres orbitalny podwójnego pulsara. Tempo jego zmian przewidywane przy założeniu stałości G, doskonale pokrywa się z obserwowanym.

Obserwacje amerykańskich naukowców pozwalają oszacować granicę zmienności G przez niewielką różnicę między obserwacjami i przewidywaniami ogólnej teorii względności. Szacunek ten, jak już wspomniano, daje wartość rzędu 10–11 części rocznie. Więc najprawdopodobniej G nigdy się nie zmienia.

„ŚWIETLNE ECHO” SUPERNOWEJ-87

Australijscy i amerykańscy astronomowie wykryli dość silny wzrost promieniowania podczerwonego z Supernowej LMC. Sam fakt takiego promieniowania nie jest niczym szczególnym. Jego wybuch jest niezrozumiały i nieoczekiwany.

Zaproponowano kilka hipotez. Według jednego z nich pulsar „siedzi” w gazie wyrzuconym przez eksplodującą gwiazdę (choć promieniowanie pulsara powinno mieć krótszą długość fali). Według drugiej hipotezy gazy powstałe w wyniku wybuchu kondensują się w stałe cząstki makropyłu, które po podgrzaniu emitują promieniowanie podczerwone.

Trzecia hipoteza to także „kurz”. Tysiące lat przed eksplozją pierwotna gwiazda traciła gaz, który zebrał się wokół niej. Powłoka pyłowa rozciągała się wokół Supernowej przez prawie rok świetlny – tyle czasu potrzebowało światło eksplodującej gwiazdy, aby dotrzeć do obłoku pyłu. Ogrzany pył ponownie promieniuje w podczerwieni, a promieniowanie dociera do obserwatorów na Ziemi dopiero po roku. To wyjaśnia czas, jaki upłynął od zarejestrowania eksplozji supernowej do wykrycia błysku promieniowania podczerwonego.

BRAK MASY

Jeśli współczesna teoria ewolucji gwiazd jest słuszna (a wydaje się, że nie ma co w to wątpić), to gwiazdy o małej masie (o masie mniejszej niż masa Słońca) nie „mają temperamentu”, aby zakończyć swoje życie w postaci mgławicy planetarnej - jasnej chmury gazu, w środku której pozostałość po pierwotnej gwieździe.

Jednak przez dość długi czas zakaz ten był w tajemniczy sposób łamany - w wielu przypadkach masa mgławicy planetarnej okazywała się mniejsza niż masa Słońca. Angielscy i holenderscy astronomowie zbadali trzy jasne mgławice planetarne (a raczej ich słabo świecące powłoki). Na podstawie uzyskanych widm obliczono masę zarówno powłoki, jak i samej mgławicy. Problem niedoboru masy stał się wyraźniejszy – w powłoce jest znacznie więcej materii niż w samej mgławicy. Początkowo gwiazdy - „organizatory” mgławic planetarnych - powinny być cięższe. Brakująca masa znajduje się w powłoce.

Ale potem pojawiła się nowa tajemnica. Temperatury gazu obliczone dla mgławicy i otoczki różnią się - otoczka okazała się 2 razy gorętsza od mgławicy. Wydawałoby się, że powinno być odwrotnie, ponieważ gwiazda centralna ma obowiązek ogrzać gaz osłonowy. Jedno z założeń wyjaśniających ten paradoks: energię do nagrzania powłoki dostarcza szybki „wiatr” wiejący z gwiazdy centralnej.

OSTRZEŻENIE - BŁYSKA

Amerykański satelita SMM, przeznaczony do badania Słońca, przewidział jego przedwczesną „śmierć” – opuszczenie orbity. Dane uzyskane z tego satelity sugerują, że zdaniem ekspertów z Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej najbliższe cztery lata spędzimy w środowisku o wzmożonej aktywności Słońca. Ze wszystkimi konsekwencjami - burzami magnetycznymi, utrudniającymi komunikację radiową i nawigację, zakłócającymi pracę radarów, stwarzającymi określone zagrożenie dla załóg statków kosmicznych, uszkadzającymi delikatne części elektroniczne satelitów itp.

Rozbłyski słoneczne emitują twarde promieniowanie ultrafioletowe, które podgrzewa górne warstwy atmosfery. W rezultacie zwiększa się wysokość jego górnej (warunkowej) granicy. Krótko mówiąc, atmosfera zostaje „zaburzona”, co wpływa przede wszystkim na satelity na niskich orbitach. Ich żywotność ulega skróceniu. Pewnego razu stało się tak z amerykańską stacją Skylab, która opuściła orbitę przed terminem. Ten sam los, jak już wspomniano, czeka satelitę SMM.

Cykle aktywności Słońca są znane od dawna, jednak natura procesów powodujących te zjawiska pozostaje nie do końca poznana.

NOWY TELESKOP

Góra Mauna Kea (4170 m, Hawaje, USA) wkrótce stanie się astronomiczną Mekką. Oprócz teleskopów już istniejących w obserwatorium znajdującym się na tej górze, projektowane są (i już są w budowie) nowe, mocniejsze teleskopy optyczne.

Uniwersytet Kalifornijski buduje 10-metrowy teleskop, który ma zostać ukończony i zainstalowany w 1992 r. Będzie się składał z 36 sześciokątnych zwierciadeł sprzężonych ułożonych w trzy koncentryczne pierścienie. Elektroniczne czujniki zainstalowane na wszystkich końcach lusterek segmentowych będą przesyłać dane o ich aktualnym położeniu i orientacji względem siebie do komputera, który będzie wydawał polecenia aktywnym napędom lusterek. Dzięki temu zapewniona jest ciągłość powierzchni kompozytu i jej kształt pod wpływem ruchów mechanicznych i obciążenia wiatrem.

Na tej samej Mauna Kea w 1995 r. Planowane jest zainstalowanie 7,5-metrowego teleskopu opracowanego przez japońskich naukowców. Będzie on zlokalizowany ponad sto metrów od amerykańskiego. Te „szparagi” będą najpotężniejszym systemem optyczno-interferometrycznym, który umożliwi patrzenie na ogromne odległości, badanie kwazarów i odkrywanie nowych gwiazd i galaktyk.

Cztery osobne teleskopy (każdy o średnicy 8 m), połączone światłowodami w jedną płaszczyznę ogniskową, proponują do budowy w Obserwatorium Południowym (Chile) 8 krajów Europy Zachodniej – współwłaścicieli tego obserwatorium. Budowa pierwszego zwierciadła (tj. pierwszego teleskopu) ma zostać ukończona do 1994 r., a pozostałych trzech do 2000 r.

CO POCHODZI SKĄD

Jak wiadomo, marsjańska atmosfera ma dość wysokie stężenie dwutlenku węgla. Gaz ten ucieka w przestrzeń kosmiczną, więc jego stałe stężenie musi być utrzymywane przez jakieś źródło.

Eksperci uważają, że takim źródłem jest rzadki na Ziemi minerał skapolit (na naszej planecie jest to kamień półszlachetny zawierający oprócz węgla, krzemu, tlenu także sód, wapń, chlor, siarkę, wodór), który może magazynują duże ilości dwutlenku węgla w ramach swojej struktury krystalicznej (węglan). Na Marsie jest dużo skapolitu.

Zatem w ekosystemie widzimy interakcję zbiorowości życiowej składającej się z wielu organizmów z charakterystycznymi czynnikami środowiskowymi działającymi na tę zbiorowość. Ekosystemy są zwykle klasyfikowane według najważniejszych czynników środowiskowych. Mówią więc o ekosystemach morskich, lądowych lub lądowych, przybrzeżnych lub przybrzeżnych, jeziornych lub limnicznych i tak dalej. Jak zbudowany jest ekosystem?

Zwykle składa się z czterech głównych elementów:

1. Środowisko nieożywione (abiotyczne). Są to woda, minerały, gazy, a także nieożywiona materia organiczna i próchnica.

2. Producenci (producenci). Należą do nich istoty żywe zdolne do budowania substancji organicznych z materiałów nieorganicznych znajdujących się w środowisku. Pracę tę wykonują głównie rośliny zielone, które wykorzystując energię słoneczną wytwarzają związki organiczne z dwutlenku węgla, wody i minerałów. Proces ten nazywa się fotosyntezą. Uwalnia tlen (O2). Substancje organiczne wytwarzane przez rośliny służą jako pokarm dla zwierząt i ludzi, a tlen służy do oddychania.

3. Konsumenci (konsumenci). Używają produktów roślinnych. Organizmy żywiące się wyłącznie roślinami nazywane są konsumentami pierwszego rzędu. Zwierzęta jedzące tylko (lub głównie) mięso nazywane są konsumentami drugiego rzędu.

4. Reduktory (destruktory, dekompozytory). Ta grupa organizmów rozkłada szczątki martwych stworzeń, takie jak szczątki roślin czy zwłoki zwierząt, zamieniając je z powrotem w surowce - wodę, minerały, CO 2, co jest odpowiednie dla producentów, którzy ponownie przekształcają je w komponenty w substancje organiczne.

Do czynników rozkładających zalicza się wiele robaków, larw owadów i innych małych organizmów glebowych. Bakterie, grzyby i inne mikroorganizmy przekształcające materię żywą w minerały nazywane są mineralizatorami.

Ekosystem może być również sztuczny. Przykładem sztucznego ekosystemu, skrajnie uproszczonego i niekompletnego w porównaniu z naturalnym, jest statek kosmiczny. Jego pilot musi długo żyć w ograniczonej przestrzeni statku, radząc sobie z ograniczonymi zapasami żywności, tlenu i energii. W takim przypadku pożądane jest, jeśli to możliwe, odzyskiwanie i ponowne wykorzystanie zużytych zapasów substancji i odpadów. W tym celu na statku kosmicznym przewidziano specjalne instalacje regeneracyjne, a ostatnio przeprowadzono eksperymenty z żywymi organizmami (roślinami i zwierzętami), które powinny uczestniczyć w przetwarzaniu odpadów astronautów wykorzystując energię światła słonecznego.

Porównajmy sztuczny ekosystem statku kosmicznego z jakimś naturalnym, na przykład ekosystemem stawu. Obserwacje pokazują, że liczba organizmów w tym biotopie pozostaje – z pewnymi wahaniami sezonowymi – zasadniczo stała. Taki ekosystem nazywa się stabilnym. Równowaga utrzymuje się do czasu zmiany czynników zewnętrznych. Najważniejsze z nich to dopływ i odpływ wody, dostarczanie różnych składników odżywczych oraz promieniowanie słoneczne.

W ekosystemie stawu żyją różne organizmy. Tak więc po utworzeniu sztucznego zbiornika stopniowo zasiedlają go bakterie, plankton, następnie ryby i rośliny wyższe. Kiedy rozwój osiągnął pewien szczyt, a wpływy zewnętrzne przez długi czas pozostają niezmienione (z jednej strony napływ wody, substancji, promieniowania, a z drugiej odpływ lub parowanie, usuwanie substancji i odpływ energii) ), ekosystem stawu stabilizuje się. Pomiędzy żywymi istotami zostaje ustanowiona równowaga.

Podobnie jak uproszczony sztuczny ekosystem statku kosmicznego, ekosystem stawu jest zdolny do samowystarczalności. Nieograniczony wzrost utrudniają interakcje między roślinami producenckimi z jednej strony a konsumentami zwierząt i roślin oraz podmiotami rozkładającymi z drugiej.

Konsumenci mogą się rozmnażać tylko pod warunkiem, że nie nadużywają zasobów dostępnych składników odżywczych. Jeśli się nadmiernie rozmnożą, ich liczebność sama przestanie rosnąć, bo nie będą miały wystarczającej ilości pożywienia. Producenci z kolei wymagają stałego zaopatrzenia w minerały. Reduktory, czyli destruktory, rozkładają materię organiczną i w ten sposób zwiększają podaż minerałów. Ponownie wprowadzili do obrotu odpady. I cykl zaczyna się od nowa: rośliny (producenci) absorbują te minerały i przy pomocy energii słonecznej ponownie wytwarzają z nich bogate w energię składniki odżywcze.

Natura działa niezwykle oszczędnie. Wytworzona przez organizmy biomasa (substancja ich ciał) oraz zawarta w niej energia przekazywane są pozostałym członkom ekosystemu: zwierzęta jedzą rośliny, inne zwierzęta jedzą te pierwsze, ludzie jedzą zarówno rośliny, jak i zwierzęta. Proces ten nazywany jest łańcuchem pokarmowym. Przykłady łańcuchów pokarmowych: rośliny - roślinożercy - drapieżniki; zboże - mysz polna - lis; rośliny spożywcze - krowa - człowiek. Z reguły każdy gatunek żeruje na więcej niż jednym gatunku. Dlatego łańcuchy pokarmowe przeplatają się, tworząc sieć pokarmową. Im ściślej organizmy są połączone sieciami pokarmowymi i innymi interakcjami, tym bardziej odporna jest społeczność na możliwe zakłócenia. Naturalne, niezakłócone ekosystemy dążą do równowagi. Stan równowagi opiera się na oddziaływaniu biotycznych i abiotycznych czynników środowiska.

Utrzymanie zamkniętych obiegów w naturalnych ekosystemach jest możliwe dzięki dwóm czynnikom: obecności rozkładników (reduktorów) zużywających wszelkie odpady i pozostałości oraz stałemu dopływowi energii słonecznej. W ekosystemach miejskich i sztucznych rozkładających się jest niewiele lub nie ma ich wcale, a odpady – płynne, stałe i gazowe – gromadzą się, zanieczyszczając środowisko. Można promować szybki rozkład i recykling takich odpadów poprzez zachęcanie do rozwoju urządzeń rozkładających, na przykład poprzez kompostowanie. W ten sposób człowiek uczy się od natury.

Pod względem nakładu energii ekosystemy naturalne i antropogeniczne (stworzone przez człowieka) są podobne. Zarówno naturalne, jak i sztuczne ekosystemy – domy, miasta, systemy transportowe – wymagają zewnętrznego zaopatrzenia w energię. Ale naturalne ekosystemy otrzymują energię z niemal wiecznego źródła - Słońca, które zresztą „produkując” energię nie zanieczyszcza środowiska. Człowiek natomiast napędza procesy produkcji i konsumpcji głównie dzięki końcowym źródłom energii – węglem i ropą naftową, które wraz z energią wytwarzają pyły, gazy, odpady termiczne i inne, szkodliwe dla środowiska i nie dające się przetwarzane w samym sztucznym ekosystemie. Nie zapominajmy, że nawet przy zużyciu tak „czystej” energii, jaką jest energia elektryczna (jeśli jest ona produkowana w elektrociepłowni), dochodzi do zanieczyszczenia powietrza i termicznego skażenia środowiska.

Temat:„Człowiek i jego miejsce w przyrodzie”.

Cele.

Edukacyjny:

kontynuować systematyczną pracę nad kształtowaniem elementarnego holistycznego obrazu świata wśród młodszych uczniów;
wprowadzać sztuczne ekosystemy miast i wsi jako miejsc życia człowieka (siedliska);
uczyć dostrzegać różnicę w gospodarce ludzi starożytnych i współczesnych, rozumieć specyfikę sztucznych ekosystemów;
uczyć uczniów odnajdywania sprzeczności pomiędzy gospodarką człowieka a przyrodą i proponować sposoby ich eliminacji;
stworzyć koncepcję ekologicznego typu gospodarki, harmonijnie połączonej z naturą.

Edukacyjny:

rozwijać umiejętność poznawania i rozumienia otaczającego nas świata, sensownego zastosowania zdobytej wiedzy do rozwiązywania problemów edukacyjnych, poznawczych i życiowych;
rozwijać mowę i logiczne myślenie;

Wychowawcy:

kultywowanie troskliwego stosunku do otaczającej nas przyrody, oszczędnego korzystania z zasobów naturalnych i troskliwego stosunku do świata.

Typ lekcji: lekcja uczenia się nowego materiału.

Rodzaj treningu: problematyczny.

Główne etapy lekcji:

Wprowadzenie nowej wiedzy opartej na wcześniejszych doświadczeniach.
Powielanie nowej wiedzy.

Sprzęt:

nagrania wideo prezentujące ekosystem miasta i wsi;
strona pracy;
diagramy referencyjne;
ilustracje rozsądnego połączenia cywilizacji i natury.

PODCZAS ZAJĘĆ

I. Aktywizacja wiedzy i sformułowanie problemu.

1. Kochani, dziś mamy pierwszą lekcję ostatniej części naszego podręcznika i całego kursu „Świat i człowiek”. Tytuł tej sekcji jest moim zdaniem nieco nietypowy. Co czyni to tak niezwykłym?

Na tablicy znajduje się notatka: „Jak mamy żyć?”

Okazuje się, że to pytanie niepokoi wielu ludzi na naszej planecie, niezależnie od tego, w jakim kraju żyją i w jakim języku się ze sobą komunikują. Ale najważniejsze, że tym ludziom nie jest obojętny los naszej planety, naszego wspólnego domu.

Jestem przekonana, że ani Ty, ani ja nie powinniśmy stać z boku i szukać odpowiedzi na to pytanie.

Czy wiesz co to jest konferencja? I czy można nazwać naszą lekcję „ lekcja-konferencja”?

Słownik: “Konferencja- spotkanie, spotkanie różnych organizacji, w tym edukacyjnych, w celu omówienia pewnych szczególnych kwestii.

(Dzieci czytają na stronie pracy interpretację słowa „konferencja” i omawiają postawione pytanie).

A teraz proponuję, zastanawiając się nad naszym szczególnym pytaniem „Jak to zrobić na żywo?" I " Człowiek i jego miejsce w przyrodzie”, pamiętajcie, co wiemy i czego się uczyliśmy.

2. Blitz – quiz „Sprawdź swoją wiedzę”:

Góry Ural oddzielają Europę i Azję;
Amerykę odkrył Krzysztof Kolumb;
Wołga, Ob, Jenisej, Lena, Amur to rzeki naszego kraju;
Na południe od Antarktydy znajdują się inne kontynenty;
Jeśli ostrożnie korzystasz z wody, światła, tj. oszczędzaj energię, wtedy przyroda zostanie zachowana, a ludzie będą żyć łatwiej;
Sahara znajduje się w Ameryce Południowej;
Podróżnicy odwiedzali się pieszo z wyspy na wyspę;
Zbieranie roślin jadalnych i polowanie na dzikie zwierzęta to najstarsza działalność człowieka;
Ekosystem to wspólnota przyrody żywej i nieożywionej na Ziemi, w której każdy czuje się jak w domu.
System ekologiczny to komórka żywej skorupy Ziemi.

(Dzieci słuchają tych stwierdzeń i umieszczają „+” w tabelce na stronie pracy, jeśli zgadzają się z danym stwierdzeniem, oraz „-”, jeśli się z nim nie zgadzają. Po wykonaniu zadania nauczyciel wiesza na tablicy listę kontrolną, a uczniowie dokonują samokontroli i samokontroli wykonanego zadania.).

3. Rozwiązywanie krzyżówki w parach.

Naukowiec zajmujący się badaniem ekosystemów.
Organizmy żywe żywiące się innymi organizmami.
Najmniejsi „padliniarze”.
Organizmy, którymi żywią się „zjadacze”.

4. Dialog problemowy.

Tak, to nasi przyjaciele Lena i Misza. Posłuchajmy ich...

Lena: Człowiek rozwijając naukę i technologię narusza naturalne ekosystemy. Więc może bez nich żyć?

Misza: Nie, Leno, mylisz się. Człowiek, jak każdy inny organizm, potrzebuje innych członków swojego ekosystemu, ponieważ musi oddychać, jeść i uczestniczyć w cyklu substancji.

I znowu, po raz trzeci, słyszymy to samo słowo. Ilu z Was zwróciło na niego uwagę? Rzeczywiście, to jest to słowo „Ekosystem”. (Wysłane na tablicę).

Co to jest ekosystem?

(Dzieci zaglądają do słownika na stronie pracy i podają różne definicje.)

Jakie rodzaje ekosystemów istnieją?

– Naturalne– naturalny;
- sztuczny to ekosystemy stworzone ręką człowieka.

Podaj przykład naturalnych ekosystemów; sztuczne ekosystemy.

5. Opis problemu.

Dzieci, jak myślicie, w którym z wymienionych przez Was ekosystemów jest miejsce dla człowieka, dla Was i dla mnie?

II. Wspólne odkrywanie wiedzy.

1. Rozważmy na naszej konferencji kwestie, które musimy przestudiować i omówić:

gospodarstwa domowe dwuosobowe;
gdzie dana osoba mieszka;
jak osiągnięcia nauki i techniki wpływają na życie ludzi, jak są przydatne, dlaczego są szkodliwe i jakie niebezpieczeństwa czyhają w ich użytkowaniu.

2. Samodzielna znajomość dwóch typów gospodarki człowieka z kart podręcznika.

3. Wspólna praca z klasą poprzez rozwiązywanie problemów poprzez rozmowę w celu usystematyzowania zdobytej wiedzy:

Co robili starożytni ludzie?
Czy różniły się od dzikich zwierząt sposobem zdobywania pożywienia?
Gdyby przywłaszczyli sobie gotowe zasoby naturalne, jak można by nazwać ich gospodarstwo? Od czasownika „przywłaszczać” utwórz słowo odpowiadające na pytanie: jakie gospodarstwo rolne? (Przywłaszczenie).
Dlaczego ludzie później nauczyli się hodować zwierzęta domowe i rośliny uprawne?
Gdzie ludzie zaczęli żyć?
Co stało się ich głównym zajęciem?
Jeśli ludzie zaczęli produkować żywność i inne produkty niezbędne do życia, to jak można nazwać ich gospodarkę? Od czasownika „produkować” utwórz słowo odpowiadające na pytanie: jaki typ gospodarstwa? (Produkcja)

4. Demonstracja dwóch piramid ekologicznych:

Który z nich symbolizuje gospodarkę zawłaszczającą, a która produkującą?
Które z nich można powiązać z ekosystemem naturalnym, a które ze sztucznym?
Jak nazwałbyś ten ekosystem?

(Ekosystem pola, ogrodu, podwórza, kurnika, fermy hodowlanej – ekosystem rolniczy)

To pierwszy sztuczny ekosystem stworzony przez ludzi. Mieszkają tu chłopi trudniący się pracą rolniczą.

Drugim sztucznym ekosystemem stworzonym przez ludzi dla własnego życia jest ekosystem miejski.

Jeśli pola, ogrody, podwórza przypominają naturalne ekosystemy, to miasto uderza swoją niezgodnością ze środowiskiem naturalnym. Zamiast szelestu liści i śpiewu ptaków, w mieście słyszymy szum silników, skrzypienie hamulców, stukanie kół tramwaju o szyny. Na równinie z wielopiętrowych budynków wznoszą się kamienne góry. Niestety w mieście jest niewiele roślin zielonych. To właśnie z powodu braku lub braku zieleni ludzie - mieszkańcy miast na weekendy starają się wyjechać z miasta na wieś, do lasu, aby odetchnąć świeżym powietrzem, odpocząć od miejskiego zgiełku. Czasami ludzie wierzą, że współczesny człowiek jest prawie niezależny od natury. Jest to bardzo niebezpieczne błędne przekonanie.

Pamiętać! Człowiek w przeszłości, teraźniejszości i przyszłości jest połączony z naturą wieloma niewidzialnymi nićmi. Zaopiekuj się nią!

Ale mimo wszystko miasto jest ekosystemem, który ludzie stworzyli, aby w nim żyć.

5. Wykonaj zadanie 2 na stronie 59.

Jakie możliwości zyskał człowiek tworząc sztuczne ekosystemy?
Jaki jest związek między ekosystemami naturalnymi i sztucznymi? Dlaczego?
Jaka jest siła człowieka?
Czy zawsze było to korzystne dla ludzi i środowiska?
Czy cykl w przyrodzie jest zamknięty czy nie?
Co dzieje się pod wpływem ludzkiego zarządzania? (Zanieczyszczenie środowiska, wymieranie roślin i zwierząt, zmniejszenie żyzności gleby, brak paliwa itp.)

6. Wykonaj zadanie 3 na stronie 59.

Jakie są konsekwencje wykorzystania przez człowieka posiadanej mocy?
Do czego to prowadzi?
Co należy naprawić?
Jeśli cykl się zamknie, to ten typ gospodarki można nazwać... (ekologiczną).
Co robić? Czy możemy pomóc?

Wróćmy do koncepcji „ekosystem”.

(Definicja jest wywieszona na tablicy)

Ekosystem- to takie połączenie (wspólnota) przyrody żywej i nieożywionej, w którym wszyscy jej mieszkańcy czują się jak w domu.

7. Pracuj nad słowami kluczowymi:

Wspólnota
Żywa natura
Natura nieożywiona
Wszystko? Kim są wszyscy?
Jak się masz w domu?

III. Warsztaty samodzielnego stosowania i wykorzystania zdobytej wiedzy.

Odpowiedzi na pytania na stronie 59.
Wykonaj 2–3 opcjonalne zadania (1, 4, 5, 7, 8).
Wypełnij tabelę na stronie pracy. Przelicz swoje punkty, a dowiesz się, jak dobrze dbasz o przyrodę w ekosystemie miasta.

		1
		1
		1
		1
Karmiłem ptaki przez całą zimę.		2
Nie niepokoję ptaków w gnieździe.		1
Zrobiłem mieszkalny domek lęgowy dla ptaków.		3
		1
Posadziłem drzewo.		5

13–16 punktów - jesteś świetnym facetem, działaczem na rzecz ochrony przyrody. Każdy może pójść za Twoim przykładem.

9–12 punktów – wiesz, jak zaprzyjaźnić się z naturą.

Mniej niż 9 punktów - masz nad czym myśleć. Staraj się bardziej uważać na otaczającą Cię przyrodę.

IV. Podsumowanie lekcji – konferencja.

Wymiana opinii na temat realizacji zadań;
Czego nowego nauczyłeś się na lekcji?
Dlaczego ludzka siła jest dużym zagrożeniem dla całego otaczającego nas świata?

Człowiek ma dwie ścieżki. Po pierwsze, wszyscy ludzie powinni razem polecieć w kosmos i osiedlić się na innych planetach. Ale jeśli stanie się to możliwe, nie stanie się to szybko, może za setki lat.

Drugi sposób polega na dostosowaniu się do natury, nauczeniu się jej nie niszczyć, nie zakłócaniu ustalonej gospodarki i próbie rozpoczęcia przywracania tego, co zostało zniszczone i uszkodzone. I ostrożnie traktuj obecną przyrodę, chroniąc to, co pozostało. Być może ta droga jest jedyną możliwą.

V. Praca domowa.

Lekcja nr 12, zadanie 6.

ANEKS 1

STRONA PRACY

Uczeń(-cy)______________________________

TEMAT: „Jak żyć?
Człowiek i jego miejsce w przyrodzie.”

Plan.

Gospodarstwa dwóch mężczyzn.
Gdzie mieszka dana osoba?
Jak powinniśmy żyć?

Ćwiczenie 1. Blitz – quiz.

Zadanie 2. Krzyżówka.

Naukowiec zajmujący się badaniem ekosystemów.
Organizmy żywe, które jedzą inne organizmy (rośliny i zwierzęta).
Gaz niezbędny do oddychania wszystkim organizmom żywym.
Co ekosystem otrzymuje z kosmosu?
Najmniejsi „padliniarze”.
Organizmy przetwarzające odpady i pozostałości organizmów żywych.
Organ rośliny, w którym następuje przemiana substancji nieożywionych w materię organiczną wszystkich organizmów.
Nawożenie w celu zwiększenia plonu roślin.
Organizmy, którymi żywią się zjadacze.
Górna żyzna warstwa gleby, z której roślina pobiera wodę i składniki odżywcze.

Zadanie 3. Odkrycie nowych koncepcji.

1.____________________

2.____________________

3.____________________

4.____________________

5.____________________

6.____________________

7.____________________

8.____________?_______

Zadanie 4. Tabela - test.

Przydatne rzeczy	Znak ukończenia	Zwrotnica
Gaszę światło, kiedy wychodzę z pokoju.		1
Zakręcam kran, kiedy wychodzę z łazienki.		1
Staram się nie zrywać kwiatów w lesie i parku.		1
Nie łamię drzew na opał, lecz biorę martwe drewno.		1
Karmiłem ptaki przez całą zimę.		2
Nie niepokoję ptaków w gnieździe.		1
Zrobiłem domek lęgowy dla ptaków.		3
Zajmuję się roślinami i zwierzętami domowymi.		1
Posadziłem drzewo.		5

ZAŁĄCZNIK 2

SŁOWNIK.

KONFERENCJA - spotkanie różnych organizacji, w tym edukacyjnych, w celu omówienia określonych zagadnień.

EKOSYSTEM– organizmy żywe żyjące razem i ten kawałek ziemi, na którym czują się jak w domu.

EKOSYSTEM- niewielka część biosfery. W tym systemie można znaleźć wiele elementów biosfery: powietrze, glebę, wodę, skały.

EKOSYSTEM– jedność przyrody żywej i nieożywionej, w której organizmy żywe różnych zawodów są w stanie wspólnie utrzymać obieg substancji.

EKOSYSTEM – jest to wspólnota organizmów żywych w jedności z miejscem, w którym żyją.

EKOSYSTEM – To taka relacja natury żywej i nieożywionej, w której wszyscy mieszkańcy czują się jak w domu.