Що отримують екосистеми з космосу, звідки вони. Екосистема елементарна одиниця біосфери
1935 А. Тенслі ввів поняття «екосистема» 1940 В.М. Сукачов – «Біоценоз»
Екосистема змішаного лісу
1 – рослинність 2 – тварини 3 – ґрунтові жителі 4 – повітря 5 – сам ґрунт
Екосистема– історично сформована на тій чи іншій території чи акваторії, відкрита, але цілісна стійка система живих і неживих компонентів.
Класифікація екосистем за розмірамиУсі екосистеми поділяються на 4 категорії
Мікроекосистеми
Мезоекосистеми
Макроекосистеми (величезні однорідні простори, що простяглися на сотні км. (тропічні ліси, океан))
Глобальна екосистема (біосфера)
Класифікація за рівнем відкритостіПід відкритим мається на увазі здатність обмінюватися з довкіллям енергією та інформацією.
Ізольована
Закрита
Відкрита ∞
В основу класифікації покладено такий компонент, як рослинність. Вона характеризується статичністю та фізіологічністю.
Класифікації за життєвою формою
Дерев'яний = лісові
Трав'янисті = лучні та степові
Напівкущові = тундрові та пустельні
Класифікація з продуктивності екосистем
Пустельні лісові
Будова екосистеми
Типи зв'язків в екосистемі
Трофічні (харчові)
Тропічні (енергетичні)
Телеологічні (інформаційні)
Харчовий ланцюг- Це послідовність харчових ланок кожна з яких живий організм.
трава заєць вовк
Трофічний рівень - Група організмів, віднесена до будь-якого ступеня харчової піраміди.
лось яструб
трава заєць вовк
людина лисиця
здійснення трофічних зв'язків діють 3 функціональні групи організмів:
Автотрофи(Рослини організми, що синтезують органічні речовини з неорганічних)
Гетеротрофи(Організми, які не здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних шляхом фотосинтезу або хемосинтезу. Їдять готові речовини)
Редуценти(Деструктори) (організми (бактерії та гриби), що руйнують відмерлі залишки живих істот, перетворюючи їх на неорганічні та найпростіші органічні сполуки.)
Малий (біологічний) кругообіг речовин у природі
Енергетичні зв'язки (тропічні)
Підкоряються двом законам екології
Закон екологічної акумуляційної енергії Це властива багатьом екосистемам здатність концертувати одержувану організмом енергії у складних органічних речовинах і накопичувати енергія у величезних кількостях.
Закон біогенного потоку
ККД (людини) = 50% ККД (природи) = 10%
Інформаційні зв'язки
В екосистемах інформація може передаватися різними способами:
Поведінка
(у рослин досі невідомо)
Властивості екосистеми
Цілісність – властивість екосистеми функціонувати як єдиний організм
Стійкість – здатність екосистеми протистояти системі ззовні
Постійність складу – здатність екосистеми зберігати у відносно постійному стані склад видів.
Саморегуляція – здатність екосистеми через біологічні органи автоматично регулювати чисельність видів.
Біосфера. Будова та функції
Біосфера- 1875 р., австрійський біолог Зюсс.
Це нижня частина атмосфери, вся гідросфера – її верхня частина літосфери землі, населена живими організмами.
Теорія виникнення життя
Космологічна В основі цієї гіпотези лежить уявлення про те, що життя було принесене з космосу
Теологічна
Теорія А.І. Опаріна
Опарин для свого досвіду взяв склянку із розчином цукрів
Коацервати краплі вбирали цукор. Виникало подібність клітинної оболонки.
1924 р. Опарін видає монографію «Походження життя» У 1926 р. «Біосфера» В.І. Вернадський. У монографії Вернадського виділяється 2 постулати
Планетарна біохімічна роль природі належить живим організмам.
Біосфера має складну організацію.
Склад біосфери
До складу біосфери Вернадський виділяє 7 типів речовини:
Косне– речовина, яка існує у природі до появи перших живих організмів (вода, гірські породи, вулканічна лава)
Біокосне- Речовина органічного походження, що володіють властивостями неживого. Результат спільної діяльності живих організмів (вода, грунт, кора вивітрювання, осадові породи, глинисті матеріали) та відсталих (абіогенних) процесів.
Біогенне- Речовина органічного походження, виділяється в навколишнє середовище в процесі їх життєдіяльності. (Гази атмосфери, кам'яне вугілля, нафта, торф, вапняк, крейда, лісова підстилка, ґрунтовий гумус і т.д.)
Радіоактивне
Розсіяні атоми – 50 км.
Речовина космічного походження
Жива речовина- всі живі організми, що мешкають у природі
Властивості організмів
Всюди життя – здатність живих організмів жити повсюдно
Здійснення окисно-відновних реакцій
Здатність здійснювати міграцію хімічних елементів
Здатність здійснювати міграцію газів
Здатність здійснювати малий кругообіг речовин у природі
Здатність накопичувати у своїх тканинах та концертувати хімічні елементи
Людству знадобилися всі знання, зібрані вченими за сотні років, щоб розпочати космічні польоти. І тоді людина зіткнулася з новою проблемою – для колонізації інших планет та далеких перельотів потрібно розробити замкнуту екосистему, у тому числі – забезпечити космонавтів їжею, водою та киснем. Доставляти їжу на Марс, який знаходиться за 200 мільйонів кілометрів від Землі, дорого і складно, логічніше знайти такі способи виробництва продуктів, які легко реалізувати в польоті і на Червоній планеті.
Як на насіння впливає мікрогравітація? Які овочі будуть нешкідливими, якщо їх виростити в багатому на важкі метали грунті Марса? Як облаштувати плантацію на борту космічного корабля? Вчені та космонавти вже понад п'ятдесят років шукають відповіді на ці запитання.
На ілюстрації – російський космонавт Максим Сураєв обіймає рослини в установці «Лада» на борту Міжнародної космічної станції, 2014 рік.
Костянтин Ціолковський у «Цілях зореплавання» писав: «Уявимо собі довгу конічну поверхню чи лійку, основу чи широкий отвір якої прикрито прозорою кульовою поверхнею. Вона прямо звернена до Сонця, а лійка обертається навколо своєї довгої осі (висоти). На непрозорих внутрішніх стінках конуса - шар вологого ґрунту з насадженими в ньому рослинами». Так він пропонував штучно створювати гравітацію рослин. Рослини повинні бути підібрані плідні, дрібні, без товстих стовбурів і частин, що не працюють на сонці. Так колонізаторів можна частково забезпечити біологічно активними речовинами та мікроелементами та регенерувати кисень та воду.
У 1962 році головний конструктор ОКБ-1 Сергій Корольов ставив завдання: «Треба б почати розробку «Оранжереї (ОР) по Ціолковському», з ланками або блоками, що нарощуються поступово, і треба починати працювати над «космічними врожаями».
Рукопис К.Е. Ціолковського "Альбом космічних подорожей", 1933 рік.
СРСР вивів на орбіту перший штучний супутник Землі 4 жовтня 1957, через двадцять два роки після смерті Ціолковського. Вже в листопаді того ж року до космосу відправили двірняка Лайку, першого з собак, які мали відкрити шлях до космосу людям. Лайка загинула від перегріву лише за п'ять годин, хоча політ розрахували на тиждень – на цей час вистачило б кисню та їжі.
Вчені припустили, що проблема виникла через генетично закладену орієнтацію - проросток повинен тягтися до світла, а корінь - у протилежний бік. Вони вдосконалили «Оазис», і наступна експедиція взяла на орбіту нове насіння.
Цибуля виросла. Віталій Севастьянов повідомив на Землю, що стрілки сягнули десяти-п'ятнадцяти сантиметрів. «Які стрілки, якої цибулі? Розуміємо, це жарт, ми ж вам давали горох, а не цибулини», - говорили із Землі. Бортінженер відповів, що з дому космонавти прихопили дві цибулини, щоб посадити їх понад план, і заспокоїв вчених - горошини майже всі зійшли.
Але рослини відмовлялися цвісти. На цій стадії вони гинули. Така ж доля чекала на тюльпани, які в установці «Лютик» на Північному полюсі розпустилися, а в космосі - ні.
Натомість цибулю можна було їсти, що успішно робили 1978 року космонавти В. Коваленок та О. Іванченков: «Ось добре попрацювали. Можливо, тепер нам у нагороду та цибулину дозволять з'їсти».
Техніка – молоді, 1983-04, сторінка 6 . Горох в установці «Оазис»
Космонавти В. Рюмін та Л. Попов у квітні 1980 року отримали установку «Малахіт» з квітучими орхідеями. Орхідеї кріпляться в корі дерев і в дуплах, і вчені вважають, що вони можуть бути менш схильні до геотропізму - здатності органів рослин розташовуватися і рости в певному напрямку щодо центру земної кулі. Квітки через кілька днів опали, але при цьому у орхідей утворилося нове листя і повітряне коріння. Ще трохи згодом радянсько-в'єтнамський екіпаж із В. Горбатком та Фам Туай привезли з собою подращений арабідопсис.
Рослини не хотіли цвісти. Насіння сходило, але, наприклад, орхідея не зацвіла в космосі. Вченим потрібно було допомогти рослинам упоратися з невагомістю. Це робили зокрема з допомогою електростимуляції кореневої зони: вчені вважали, що електромагнітне полі Землі може проводити зростання. Ще один спосіб передбачав описаний Ціолковським план створення штучної гравітації - рослини вирощувалися в центрифузі. Центрифуга допомогла - паростки орієнтувалися вздовж вектора відцентрової сили. Нарешті космонавти досягли свого. У «Світлоблоці» зацвіла Арабідопсис.
Зліва на зображенні нижче – оранжерея «Фітон» на борту «Салют-7». Вперше в цій орбітальній оранжереї Резуховидка Таля (Арабідопсис) пройшла повний цикл розвитку та дала насіння. Посередині – «Світлоблок», у якій на борту «Салют-6» Арабідопсис вперше зацвів. Праворуч - бортова оранжерея "Оазис-1А" на станції "Салют-7": вона була оснащена системою дозованого напівавтоматичного поливу, аерації та електростимулювання коренів і могла переміщати вегетаційні судини з рослинами щодо джерела світла.
«Фітон», «Світлоблок» та «Оазис-1А»
Установка «Трапеція» для дослідження росту та розвитку рослин.
Набори з насінням
Бортовий журнал станції "Салют-7", замальовки Світлани Савицької
На станції «Мир» було встановлено першу у світі автоматичну оранжерею «Світло». Російські космонавти у 1990-2000-х роках провели у цій оранжереї шість експериментів. Вони вирощували салати, редис і пшеницю. У 1996-1997 роках Інститут медико-біологічних проблем РАН планував виростити насіння рослин, одержане в космосі - тобто попрацювати з двома поколіннями рослин. Для експерименту вибрали гібрид дикої капусти заввишки близько двадцяти сантиметрів. У рослини був один мінус – космонавтам треба було займатися запиленням.
Результат був цікавий - насіння другого покоління в космосі отримало, і воно навіть зійшло. Але рослини виросли до шести сантиметрів замість двадцяти п'яти. Маргарита Левінських, науковий співробітник Інституту медико-біологічних проблем РАН, розповідає, що ювелірну роботу з запилення рослин виконував американський астронавт Майкл Фоссум.
Відео Роскосмосу про вирощування рослин у космосі. На 4:38 – рослини на станції «Мир»
У квітні 2014 вантажний корабель Dragon SpaceX доставив на Міжнародну космічну станцію установку для вирощування зелені Veggie, а в березні астронавти почали тестувати орбітальну плантацію. Установка контролює світло та надходження поживних речовин. У серпні 2015 в меню астронавтів вирощену в умовах мікрогравітації.
Вирощений на Міжнародній космічній станції салат
Так, плантація на космічній станції може виглядати в майбутньому.
У російському сегменті Міжнародної космічної станції діє оранжерея "Лада" для експерименту "Рослини-2". Наприкінці 2016 або на початку 2017 року на борту з'явиться версія «Лада-2». Над цими проектами працює Інститут медико-біологічних проблем РАН.
Космічна рослинництво не обмежується експериментами у невагомості. Людині для колонізації інших планет доведеться розвивати сільське господарство на ґрунті, який відрізняється від земного, та в атмосфері, що має інший склад. У 2014 році біолог Майкл Маутнер спаржу з картоплею на метеоритному ґрунті. Щоб отримати придатний для вирощування грунт, метеорит був розмелений на порошок. Досвідченим шляхом він зумів довести, що на ґрунті позаземного походження можуть вирости бактерії, мікроскопічні гриби та рослини. Матеріал більшості астероїдів містить фосфати, нітрати та іноді воду.
Спаржа, що виросла на метеоритному ґрунті
У випадку з Марсом, де багато піску та пилу, подрібнення породи не знадобиться. Але виникне інша проблема – склад ґрунту. У ґрунті Марса є важкі метали, підвищена кількість яких у рослинах небезпечна для людини. Вчені з Голландії імітували марсіанський ґрунт і з 2013 року виростили на ньому десять урожаїв кількох видів рослин.
В результаті експерименту вчені з'ясували, що вміст важких металів у вирощених на імітованому марсіанському грунті гороху, редисі, житі та помідорах не є небезпечним для людини. Картоплю та інші культури вчені продовжують досліджувати.
Дослідник Вагер Вамелінк перевіряє рослини, що вирощуються на імітованому марсіанському грунті. Фото: Joep Frissel/AFP/Getty Images
Зміст металів у врожаї, зібраному на Землі та на симуляціях ґрунту Місяця та Марса
Одним із важливих завдань є створення замкнутого циклу життєзабезпечення. Рослини отримують вуглекислий газ та відходи життєдіяльності екіпажу, натомість віддають кисень і виробляють їжу. Вчені можуть використовувати в їжу одноклітинної водорості хлорели, що містить 45% білка і по 20% жирів і вуглеводів. Але ця теоретично поживна їжа не засвоюється людиною через щільну клітинну стінку. Існують способи вирішення цієї проблеми. Можна розщеплювати клітинні стінки технологічними методами, використовуючи термообробку, крейда помол або інші способи. Можна брати із собою розроблені спеціально для хлорели ферменти, які космонавти прийматимуть із їжею. Вчені можуть вивести ГМО-хлореллу, стінку якої людські ферменти зможуть розщепити. Хлорелла для харчування в космосі зараз не займаються, але використовують у замкнутих екосистемах для виробництва кисню.
Експеримент із хлорелою проводили на борту орбітальної станції «Салют-6». У 1970-ті роки ще вважали, що перебування в мікрогравітації не має негативного впливу на людський організм - надто мало інформації. Вивчити вплив на живі організми намагалися і за допомогою хлорели, життєвий цикл якої триває лише чотири години. Її зручно було порівнювати з хлорелою, вирощеною Землі.
Прилад ІФС-2 призначався для вирощування грибів, культур тканин та мікроорганізмів, водних тварин.
З 70-х років у СРСР проводили експерименти із замкнутих систем. У 1972 році почалася робота «БІОС-3» - ця система діє і зараз. Комплекс оснащений камерами для вирощування рослин у регульованих штучних умовах – фітотронами. У них вирощували пшеницю, сою, салат чуфу, моркву, редис, буряк, картопля, огірки, щавель, капусту, кріп та цибулю. Вчені змогли досягти майже на 100% замкненого циклу по воді та повітрі і до 50-80% - по харчуванню. Головні цілі Міжнародного центру замкнутих екологічних систем – вивчити принципи функціонування таких систем різного ступеня складності та розробити наукові засади їх створення.
Одним із гучних експериментів, що симулюють переліт до Марса і повернення на Землю, був . Протягом 519 днів шість добровольців перебували у замкнутому комплексі. Експеримент організували Рокосмос та Російська академія наук, а партнером стало Європейське космічне агентство. На борту корабля були дві оранжереї - в одній ріс салат, в іншій - горох. В даному випадку метою було не виростити рослини наближених до космічних умов, а з'ясувати, наскільки рослини важливі для екіпажу. Тому дверцята оранжереї заклеїли непрозорою плівкою і встановили датчик, що фіксує кожне відкривання. На фото зліва член екіпажу Марс-500 Марина Тугушева працює з оранжереями в рамках експерименту.
Ще один експеримент на борту Марс-500 - GreenHouse. У відео нижче член експедиції Олексій Сітнєв розповідає про експеримент та показує оранжерею з різними рослинами.
Людина матиме багато шансів . Він ризикує розбитися при посадці, замерзнути на поверхні або просто не долетіти. І, звісно, померти з голоду. Рослинництво необхідне освіти колонії, і вчені і космонавти працюють у цьому напрямі, показуючи вдалі приклади вирощування деяких видів у умовах мікрогравітації, а й у імітованому грунті Марса і Місяця. У космічних колоністів безперечно буде можливість.
Сканував та обробив Юрій Аболонко (Смоленськ)
НОВЕ У ЖИТТІ, НАУЦІ, ТЕХНІЦІ
ПІДПИСНА НАУКОВО-ПОПУЛЯРНА СЕРІЯ
КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМІЯ
7/1989
Видається щомісяця з 1971 р.
Ю. І. Гришин
ШТУЧНІ КОСМІЧНІ ЕКОСИСТЕМИ
У цьому додатку:
КОСМІЧНИЙ ТУРИЗМ
ХРОНІКА КОСМОНАВТИКИ
НОВИНИ АСТРОНОМІЇ
Видавництво «Знання» Москва 1989
ББК 39.67
Р 82
Редактор І. Г. ВІРКО
| Вступ | 3 |
| Людина в природній екосистемі | 5 |
| Космічний корабель з екіпажем – штучна екосистема | 11 |
| Естафета речовин у біологічному кругообігу | 21 |
| Чи є ККД у екосистем? | 26 |
| Штучні та природні біосферні екосистеми: подібність та відмінності | 32 |
| Про біологічні системи життєзабезпечення космічних екіпажів | 36 |
| Зелені рослини як основна ланка біологічних систем життєзабезпечення | 39 |
| Досягнення та перспективи | 44 |
| Висновок | 53 |
| Література | 54 |
ДОДАТОК | |
| Космічний туризм | 55 |
| Хроніка космонавтики | 57 |
| Новини астрономії | 60 |
Гришин Ю. І.
| Р 82 |
ISBN 5-07-000519-7
Брошура присвячена проблемам життєзабезпечення екіпажів космічних кораблів і майбутніх космічних споруд, що довго функціонують. Розглядаються різні моделі штучних екологічних систем, що включають людину та інші біологічні ланки. Брошура розрахована на широке коло читачів.
3500000000ББК 39.67
ISBN 5-07-000519-7© Видавництво «Знання», 1989
ВСТУП
Початок XXI століття може увійти в історію розвитку земної цивілізації як якісно новий ступінь освоєння навколосонячного космічного простору: безпосереднє заселення природних та штучно створених космічних об'єктів із тривалим перебуванням людей на цих об'єктах.
Здається, ще зовсім недавно було виведено на навколоземну космічну орбіту перший штучний супутник Землі (1957), здійснено перший обліт і фотографування зворотного боку Місяця (1959), побувала в космосі перша людина (Ю. А. Гагарін, 1961), показаний по телебаченню захоплюючий момент виходу людини у відкритий космос (А. А. Леонов, 1965) і продемонстровані перші кроки космонавтів поверхнею Місяця (Н. Армстронг та Еге. Олдрін, 1969). Але з кожним роком йдуть у минуле і стають надбанням історії ці та багато інших визначних подій космічної ери. Вони, по суті, лише початок втілення ідей, сформульованих великим К. Е. Ціолковським, який розглядав космос не лише як астрономічний простір, а й як місце існування та життя людини в майбутньому. Він вважав, що «якби життя не поширювалася по всьому Всесвіту, якби воно було прив'язане до планети, то це життя було б часто недосконалим і схильним до сумного кінця» (1928).
Сьогодні вже прогнозуються можливі варіанти біологічної еволюції людини у зв'язку з розселенням значної частини популяції поза Землею, розробляються можливі моделі освоєння космосу, оцінюється перетворюючий вплив космічних програм на природу, економіку та суспільні відносини. Розглядаються та вирішуються також проблеми часткового чи повного самозабезпечення поселень у космосі за допомогою замкнутих біотехнічних систем життєзабезпечення, питання створення місячних та планетних баз, космічної індустрії та будівництва, використання позаземних джерел енергії та матеріалів.
Починають збуватися слова До. Еге. Ціолковського у тому, що «людство не залишиться вічно Землі, а гонитві за світлом і простором спочатку несміливо проникне межі атмосфери, та був завоює все околосолнечное простір» (1911).
На проведених останнім часом міжнародних зустрічах та форумах зі співробітництва в космосі в інтересах подальшого розширення наукових досліджень навколоземного та навколосонячного космічного простору, вивчення Марса, Місяця, інших планет Сонячної системи висловлювалися надії на те, що виконання великих космічних програм, що вимагають величезних матеріально-технічних та фінансових витрат, буде здійснено спільними зусиллями багатьох країн у рамках міжнародного співробітництва. «Лише колективному розуму людства під силу рух у висоти навколоземного простору і далі – у навколосонячний та зоряний космос», – сказав М. С. Горбачов у своєму зверненні до зарубіжних представників комуністичного руху – учасників святкування 70-річчя Великого Жовтня.
Одна з найважливіших умов подальшого освоєння людиною космічного простору – забезпечення життя та безпечної діяльності людей при тривалому їхньому перебування та роботі на віддалених від Землі космічних станціях, космічних кораблях, планетних та місячних базах.
Найбільш доцільний шлях вирішення цієї найважливішої проблеми, як вважають сьогодні багато вітчизняних і зарубіжних дослідників, - це створення в довгостроково функціонуючих космічних спорудах замкнутих біотехнічних систем життєзабезпечення, тобто штучних космічних екологічних систем, що включають людину та інші біологічні ланки.
У цій брошурі ми спробуємо викласти основні принципи побудови таких систем, наведемо відомості про результати великих наземних експериментів, виконаних у плані підготовки до створення космічних біотехнічних систем життєзабезпечення, вкажемо проблеми, які ще доведеться вирішити на Землі та в космосі, щоб забезпечити необхідну надійність систем у космічних умовах.
ЛЮДИНА В ПРИРОДНІЙ ЕКОСИСТЕМІ
Перш ніж відправляти людину в тривалу космічну подорож, спробуємо спочатку відповісти на запитання: що необхідно їй, щоб нормально жити та плідно працювати на Землі, і як вирішується проблема життєзабезпечення людини на нашій планеті?
Відповіді на ці питання потрібні для створення систем життєзабезпечення екіпажів на населених космічних кораблях, орбітальних станціях та інопланетних спорудах та базах. Нашу Землю ми з повним правом можемо розглядати як величезний космічний корабель природного походження, який протягом ось уже 4,6 млрд. років робить свій нескінченний орбітальний космічний політ навколо Сонця. Екіпаж цього корабля складається сьогодні із 5 млрд. осіб. Швидко зростаюча чисельність населення Землі, яка на початку XX ст. становила 1,63 млрд. осіб, а на порозі ХХІ ст. має досягти вже 6 млрд., найкраще свідчить про наявність досить ефективного та надійного механізму життєзабезпечення людини на Землі.
Отже, що потрібно людині Землі задля забезпечення її нормального життя та діяльності? Навряд чи можна дати коротку, але вичерпну відповідь: надто великі та багатогранні всі сторони життя, діяльності та інтересів людини. Відновіть докладно хоча б один свій прожитий день, і ви переконаєтеся, що потрібно людині не так уже й мало.
Задоволення потреб людини в їжі, воді та повітрі, що належать до основних фізіологічних потреб, є головною умовою її нормального життя та діяльності. Однак ця умова нерозривно пов'язана з іншою: організм людини, як і будь-який інший живий організм, активно існує завдяки обміну речовин усередині організму та із зовнішнім середовищем.
Споживаючи з навколишнього середовища кисень, воду, поживні речовини, вітаміни, мінеральні солі, людський організм використовує їх для побудови та оновлення своїх органів та тканин, отримуючи при цьому всю необхідну для життя енергію з білків, жирів та вуглеводів їжі. Продукти життєдіяльності виводяться з організму у довкілля.
Як відомо, інтенсивність обміну речовин та енергії в організмі людини така, що без кисню доросла людина може існувати лише кілька хвилин, без води – близько 10 діб, а без їжі – до 2 місяців. Зовнішнє враження про те, що організм людини не зазнає змін, оманливе та невірне. Зміни в організмі відбуваються безперервно. За даними А. П. Мяснікова (1962), протягом доби в організмі дорослої людини масою 70 кг замінюються і гинуть 450 млрд. еритроцитів, від 22 до 30 млрд. лейкоцитів, від 270 до 430 млрд. тромбоцитів, розщеплюється приблизно 1 , 70 г жирів і 450 г вуглеводів з виділенням понад 3000 ккал тепла, відновлюється і гине 50% епітеліальних клітин шлунково-кишкового тракту, 1/75 частина кісткових клітин скелета та 1/20 частина всіх покривних шкірних клітин тіла (т. е. через кожні 20 діб людина повністю «змінює шкіру»), випадає і замінюється новим приблизно близько 140 волосся на голові і 1/150 частина всіх вій і т. д. При цьому в середньому відбувається 23 040 вдихів і видихів, через легені проходить 11 520 л повітря, що поглинається 460 л кисню, виводиться з організму 403 л вуглекислоти та 1,2–1,5 л сечі, що містить до 30 г щільних речовин, випаровується через легені 0,4 л і виводиться з потом близько 0,6 л води, що містить 10 г щільних речовин, утворюється 20 г шкірного сала.
Така інтенсивність обміну речовин у людини всього за добу!
Таким чином, людина постійно протягом усього свого життя виділяє продукти обміну речовин і теплову енергію, що утворюються в організмі внаслідок розщеплення та окислення їжі, звільнення та трансформації хімічної енергії, запасеної в їжі. Продукти обміну речовин і тепло, що виділяються, повинні -постійно або періодично відводитися від організму, зберігаючи кількісний рівень обміну в повній відповідності зі ступенем його фізіологічної, фізичної та розумової активності та забезпечуючи баланс обміну організму з навколишнім середовищем по речовині та енергії.
Всім відомо, як реалізуються ці основні фізіологічні потреби людини у повсякденному реальному житті: п'ятимільярдний екіпаж космічного корабля «планета Земля» отримує або виробляє все необхідне для свого життя на основі запасів та продукції планети, яка годує, напує та одягає її, сприяє збільшенню її чисельності , захищає своєю атмосферою все живе від несприятливої дії космічних променів Наведемо кілька цифр, які наочно характеризують масштаби основного «товарообміну» людини з природою.
Найперша постійна потреба людини – дихати повітрям. «На запас повітрям не надихаєшся» – говорить російське прислів'я. Якщо кожній людині щодобово потрібно в середньому 800 г кисню, все населення Землі має споживати 1,5 млрд. т кисню на рік. Атмосфера Землі має у своєму розпорядженні величезні відновлювані запаси кисню: за загальної ваги земної атмосфери близько 5 ∙ 10 15 т кисень становить приблизно 1 / 5 , що майже 700 тис. разів більше річного споживання кисню всім населенням Землі. Звичайно, крім людей, кисень атмосфери використовується тваринним світом, а також витрачається на інші окисні процеси, масштаби яких на планеті величезні. Однак не менш інтенсивні та зворотні відновлювальні процеси: завдяки фотосинтезу за рахунок променистої енергії Сонця в рослинах суші, морів і океанів здійснюється постійне зв'язування вуглекислоти, що виділяється живими організмами в окислювальних процесах, різноманітні органічні сполуки з одночасним виділенням молекулярного кисню. За підрахунками геохіміків, всі рослини Землі виділяють щорічно 400 млрд. т кисню, пов'язуючи при цьому 150 млрд. т вуглецю (з вуглекислоти) з 25 млрд. т водню (з води). Дев'ять десятих цієї продукції виробляють водні рослини.
Отже, питання забезпечення людини киснем повітря успішно вирішується Землі переважно з допомогою процесів фотосинтезу у рослинах.
Наступна найважливіша потреба людини – вода.
В організмі людини вона є тим середовищем, в якому здійснюються численні біохімічні реакції обмінних процесів. Складаючи 2/3 маси тіла людини, вода грає величезну роль забезпеченні його життєдіяльності. З водою пов'язане як надходження поживних речовин у організм, їх всмоктування, розподіл і засвоєння, а й виділення кінцевих продуктів обміну речовин.
Вода надходить в організм людини у вигляді пиття та з харчовими продуктами. Кількість води, яка потрібна організму дорослої людини, коливається від 1,5 - 2 до 10 - 15 л на добу і залежить від його фізичної активності та умов навколишнього середовища. Зневоднення організму або надмірне обмеження в прийомі води веде до різкого розладу його функцій та отруєння продуктами обміну, зокрема азотистого.
Додаткова кількість води необхідна людині для забезпечення санітарно-побутових та господарських потреб (миття, прання, виробництво, тваринництво та ін.). Ця кількість суттєво перевищує фізіологічну норму.
Кількість води лежить на поверхні Землі величезна, воно становить обсягом понад 13,7 ∙ 10 8 км 3 . Однак запаси прісної води, придатної для питних цілей, все ж таки обмежені. Сума опадів (пресна вода), що випадають у середньому за рік на поверхню материків у результаті кругообігу води на Землі, становить лише близько 100 тис. км 3 (1/5 загальної суми опадів на Землі). І лише невелика частина цієї кількості ефективно використовується людиною.
Таким чином, на космічному кораблі «Земля» запаси води можна вважати необмеженими, проте витрати чистої прісної води потребують економного підходу.
Їжа служить людському організму джерелом енергії та речовин, що беруть участь у синтезі складових частин тканин, в оновленні клітин та їх структурних елементів. В організмі безперервно здійснюються процеси біологічного окислення білків, жирів та вуглеводів, що надходять із їжею. Повноцінна їжа повинна містити необхідні кількості амінокислот, вітамінів та мінеральних речовин. Речовини їжі, як правило, розщеплені за допомогою ферментів у травному тракті до більш простих, низькомолекулярних сполук (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти та багато інших), всмоктуються та розносяться кров'ю по всьому організму. Кінцевими продуктами окислення їжі найчастіше бувають вуглекислота та вода, які виводяться з організму як відходи життєдіяльності. Енергія, що виділяється при окисленні їжі, частково запасається в організмі у вигляді енергетично збагачених сполук, а частково перетворюється на тепло і розсіюється в навколишньому середовищі.
Кількість їжі, необхідне організму, залежить переважно від інтенсивності його фізичного навантаження. Енергія основного обміну, т. е. такого обміну речовин, коли людина перебуває у повному спокої, становить середньому 1700 ккал на добу (для чоловіків до 30 років масою до 70 кг). У цьому випадку вона витрачається лише на здійснення фізіологічних процесів (дихання, робота серця, перистальтика кишечника тощо) та забезпечення сталості нормальної температури тіла (36,6°С).
Фізична та розумова діяльність людини вимагає збільшення витрати енергії організмом та споживання більшої кількості їжі. Встановлено, що добова витрата енергії людиною за умов розумової та фізичної роботи середньої тяжкості становить близько 3000 ккал. Такої ж калорійності має бути і добовий раціон людини. Калорійність раціону орієнтовно розраховується виходячи з відомих значень теплоти, що виділяється при повному окисленні кожного грама білків (4,1 ккал), жирів (9,3 ккал) та вуглеводів (4,1 ккал). Доцільне співвідношення білків, жирів і вуглеводів у раціоні харчування встановлено медициною відповідно до фізіологічних потреб людини і включає від 70 до 105 г білків, від 50 до 150 г жирів і від 300 до 600 г вуглеводів в межах одного значення калорійності раціону. Варіації складу раціону за білками, жирами та вуглеводами виникають, як правило, внаслідок зміни фізичного навантаження організму, але залежать також від звичок людини, національних традицій у харчуванні, доступності того чи іншого продукту харчування та, звичайно, конкретних соціальних можливостей задоволення харчових потреб.
Кожна із харчових речовин виконує в організмі особливі функції. Особливо це стосується білків, які містять азот, що не входить до складу інших харчових речовин, але необхідний для відновлення в організмі людини власних білків. Підраховано, що в організмі дорослої людини руйнується за добу не менше 17 г власних білків, які мають бути відновлені за рахунок їжі. Отже, ця кількість білків є мінімально необхідною у харчовому раціоні кожної людини.
Жири та вуглеводи можуть значною мірою замінюватися один одним, але до певних меж.
Звичайна їжа людини повністю покриває потребу організму в білках, жирах та вуглеводах, а також доставляє йому необхідні мінеральні речовини та вітаміни.
Однак на відміну від необмежених запасів кисню (повітря) та питної води, якої на планеті поки достатньо і споживання якої жорстко нормовано лише в окремих, як правило, посушливих регіонах, кількість харчової продукції обмежена низькою продуктивністю природного трофічного (харчового) циклу, що складається з трьох Основні рівні: рослини – тварини – людина. Справді, рослини утворюють біомасу, використовуючи лише 0,2% енергії сонячного світла, що приходить на Землю. Споживаючи рослинну біомасу в їжу, тварини витрачають на власні потреби не більше 10-12% асимільованої ними енергії. Зрештою, людина, вживаючи їжу тваринного походження, забезпечує енергетичні потреби свого організму з дуже низьким коефіцієнтом використання початкової сонячної енергії.
Задоволення харчових потреб завжди було найскладнішим завданням людини. Пасивне використання можливостей природи у цьому напрямі обмежене, оскільки більшість земної кулі покрита океанами і пустельми з низькою біологічної продуктивністю. Лише окремі регіони Землі, що відрізняються стійкими сприятливими кліматичними умовами, забезпечують високу первинну продуктивність речовин, до речі, які завжди прийнятних з позицій харчових потреб людини. Зростання населення Землі, розосередження його за всіма континентами і географічними зонами планети, включаючи зони з несприятливими кліматичними умовами, і навіть поступове виснаження природних джерел їжі сприяли такому стану, коли задоволення харчових потреб Землі переросло на загальнолюдську проблему. Сьогодні вважається, що світовий дефіцит харчового білка становить 15 млн. т на рік. Це означає, що щонайменше 700 млн. у світі систематично недоїдають. І це незважаючи на те, що людство кінця XX ст. відрізняється загалом досить високою громадською організованістю, великими досягненнями у розвитку науки, техніки, промисловості та сільськогосподарського виробництва, глибоким розумінням своєї єдності у складі, біосфери планети.
Їжа – важливий екологічний чинник як людини, але й всіх тварин. Залежно від наявності їжі, її різноманітності, якості та кількості суттєво можуть змінюватися характеристики популяції живих організмів (плодючість та смертність, тривалість життя, швидкість розвитку та ін.). Харчові (трофічні) зв'язки між живими організмами, як буде показано нижче, лежать в основі біосферного (земного) біологічного круговороту речовин, так і штучних екологічних систем, що включають людину.
Земля ще тривалий час здатна забезпечити тих, хто живе на ній усім необхідним, якщо людство раціональніше і дбайливо витрачатиме ресурси планети, екологічно грамотно вирішуватиме питання перетворення природи, виключить гонку озброєнь і покінчить з ядерною зброєю.
Наукова основа вирішення проблеми життєзабезпечення людства на Землі, сформульована В. І. Вернадським, полягає в переході біосфери Землі в ноосферу, тобто в таку біосферу, яка змінена науковою думкою і перетворена для задоволення всіх потреб чисельно зростаючого людини. В. І. Вернадський припускав, що, зародившись Землі, ноосфера з освоєння людиною навколозоряного космічного простору має перетворитися на особливий структурний елемент космосу.
КОСМІЧНИЙ КОРАБЛЬ З ЕКІПАЖЕМ – ШТУЧНА ЕКОСИСТЕМА
Як же вирішити завдання забезпечення екіпажу космічного корабля свіжою різноманітною їжею, чистою водою та живлющим повітрям? Звичайно, найбільш проста відповідь - взяти все необхідне з собою. Так і чинять у випадках короткочасних пілотованих польотів.
У міру зростання тривалості польоту запасів потрібно дедалі більше. Тому доводиться здійснювати регенерацію деяких речовин (наприклад, води), переробку відходів життєдіяльності людини і відходів технологічних процесів деяких систем корабля (наприклад, регенерованих сорбентів вуглекислого газу) для повторного використання цих речовин і зменшення вихідних запасів.
Ідеальним рішенням є здійснення всередині обмеженого обсягу населеного космічного «будинку» повного (або майже повного) кругообігу речовин. Однак таке складне рішення може бути вигідне і практично здійсненне лише для великих космічних експедицій тривалістю понад 1,5 - 3 років (А. М. Генін, Д. Тальбот, 1975). Вирішальна роль створенні круговороту речовин у таких експедиціях відводиться, зазвичай, процесам біосинтезу. Функції постачання екіпажу їжею, водою та киснем, а також видалення та переробки продуктів обміну речовин та підтримки необхідних параметрів довкілля екіпажу на кораблі, станції тощо покладаються на так звані системи життєзабезпечення (СЖО). Схематичне зображення основних типів СЖО космічних екіпажів наведено на рис. 1.
 Мал. 1. Схеми основних типів систем життєзабезпечення космічних екіпажів: 1 – система запасах (всі відходи видаляються); 2 – система на запасах із частковою фізико-хімічною регенерацією речовин (ФХР) (частина відходів видаляється, частина запасів може відновлюватися); 3 – система з частковою ФХР та частковою біологічною регенерацією речовин рослинами (БР) з блоком корекції відходів (БК); 4 – система із повною замкнутою регенерацією речовин (запаси обмежені мікродобавками). Позначення: Е – промениста або теплова енергія, ІЕ – джерело енергії, О – відходи, ББ – біоблок з тваринами, пунктир – необов'язковість процесу |
СЖО космічних екіпажів є найскладнішими комплексами. Три десятиліття космічної ери підтвердили достатню ефективність та надійність створених СЖО, які успішно відпрацювали на радянських космічних кораблях «Схід» та «Союз», американських «Меркурій», «Джеміні» та «Аполлон», а також на орбітальних станціях «Салют» та «Скайлеб» ». Продовжується робота науково-дослідного комплексу «Мир» із удосконаленою системою життєзабезпечення на борту. Усі ці системи забезпечили польоти вже понад 200 космонавтів різних країн.
Принципи побудови та роботи СЖО, що використовуються і використовуються в даний час для здійснення космічних польотів, широко відомі. Вони ґрунтуються на застосуванні фізико-хімічних процесів регенерації. Водночас проблема застосування процесів біосинтезу у космічних СЖО, а тим більше проблема побудови замкнутих біотехнічних СЖО для космічних польотів поки що залишаються відкритими.
Існують різні, іноді прямо протилежні точки зору на можливість і доцільність практичної реалізації подібних систем загалом і в космічних апаратах зокрема. Як докази проти наводяться такі: складність, невивченість, енергоємність, ненадійність, непристосованість і т. д. Проте переважна більшість фахівців вважають усі ці питання вирішуваними, а застосування біотехнічних СЖО у складі майбутніх великих космічних поселень, місячних, планетних та міжпланетних баз та інших віддалених позаземних споруд – неминучим.
Включення до СЖО екіпажу поряд з численними технічними пристроями біологічних ланок, функціонування яких здійснюється за складними законами розвитку живої речовини, потребує якісно нового, екологічного підходу до формування біотехнічних СЖО, в яких мають бути досягнуті стійка динамічна рівновага та узгодженість потоків речовини та енергії у всіх ланках. системи. У цьому сенсі будь-який населений космічний апарат має розглядатися як штучна екологічна система.
Населений космічний корабель включає як мінімум одну активно функціонуючу біологічну ланку – людину (екіпаж) з її мікрофлорою. При цьому людина та мікрофлора існують у взаємодії зі штучно створеним у космічному кораблі навколишнім середовищем, забезпечуючи стійку динамічну рівновагу біологічної системи за потоками речовини та енергії.
Таким чином, навіть при повному забезпеченні життя екіпажу в космічному кораблі за рахунок запасів речовин і відсутність інших біологічних ланок населений космічний корабель вже є штучною космічною екологічною системою. Вона може бути повністю або частково ізольованою по речовині від зовнішнього середовища (космічного простору), однак виключається її енергетична (теплова) ізоляція від цього середовища. Постійний обмін енергією з навколишнім середовищем або принаймні постійне відведення тепла – необхідна умова функціонування будь-якої штучної космічної екосистеми.
XXI століття ставить перед людством нові, ще грандіозніші завдання у справі подальшого освоєння космічного простору. (Мабуть, більш точно буде сказати, що людство ставить ці завдання перед XXI ст.) Конкретний вигляд майбутньої космічної екосистеми може бути визначений залежно від призначення та орбіти космічної споруди (міжпланетний пілотований корабель, навколоземна орбітальна станція, місячна база, мар , будівельна космічна платформа, комплекс житлових споруд на астероїдах і т. д.), чисельності екіпажу, тривалості функціонування, енергоозброєності та технічної оснащеності і, звичайно, від ступеня готовності тих чи інших технологічних процесів, включаючи процеси керованого біосинтезу та процеси контрольованої трансформації енергії у біологічних ланках екосистем.
Сьогодні можна сказати, що завдання та програми перспективних космічних досліджень визначені в СРСР та США на державному рівні приблизно до 2000 р. Щодо завдань наступного сторіччя вчені висловлюються поки що у формі прогнозів. Так, результати дослідження, опублікованого в 1984 р. (і виконаного ще в 1979 р. співробітником фірми «Ренд корпорейшн» шляхом анкетного опитування 15 провідних фахівців США та Великобританії), виявили картину, яка відображена в наступній таблиці:
| Роки | Зміст етапу |
| 2020 –2030 | Колонізація Місяця та космічного простору великими контингентами людей (понад 1000 осіб). |
| 2020 – 2071 | Розробка штучного інтелекту людини. |
| 2024 – 2037 | Перший пілотований політ до Юпітера. |
| 2030 – 2050 | Польоти в межах Сонячної системи, використання природних ресурсів Сонячної системи, включаючи Місяць. |
| 2045 – 2060 | Перший політ безпілотного зонда межі Сонячної системи. |
| 2045 – 2070 | Перший пілотований політ до меж Сонячної системи. |
| 2050 – 2100 | Встановлення контактів із позаземним інтелектом. |
Відомий американський фізик Дж. О"Нейл, який займається проблемами майбутніх космічних поселень людства, ще в 1974 р. опублікував свій прогноз, в якому в 1988 р. передбачалася робота в космосі 10 тис. чоловік. Цей прогноз не здійснився, проте сьогодні вже багато фахівців вважають, що у 1990 р. у космосі безперервно працюватимуть 50 – 100 людина.
Відомий фахівець доктор Путткамер (ФРН) вважає, що період з 1990 до 2000 р. характеризуватиметься початком заселення навколоземного космосу, а після 2000 р. має бути забезпечена автономія космічних жителів та створена екологічно замкнута система проживання.
Розрахунки показують, що зі збільшенням тривалості перебування людини в космосі (до кількох років), зі зростанням чисельності екіпажу і зі зростаючою віддаленістю космічного корабля від Землі виникає необхідність у здійсненні біологічної регенерації речовин, що витрачаються, і насамперед їжі, безпосередньо на борту космічного корабля. При цьому на користь біологічної СЖО свідчать не тільки техніко-економічні (масово-енергетичні) показники, а й, що не менш важливо, показники біологічної надійності людини як визначальної ланки штучної космічної екосистеми. Останнє пояснимо докладніше.
Існує ряд вивчених (і поки що невивчених) зв'язків організму людини з живою природою, без яких неможлива його успішна тривала життєдіяльність. До них відносяться, наприклад, його природні трофічні зв'язки, які не можуть бути повністю замінені їжею із запасів, що зберігаються на кораблі. Так, деякі вітаміни, необхідні людині в обов'язковому порядку (каротиноїди їжі, аскорбінова кислота та ін.), нестійкі при зберіганні: у земних умовах термін зберігання, наприклад, вітамінів C та P становить 5 – 6 міс. Під впливом космічних умов з часом відбувається хімічна перебудова вітамінів, у результаті вони втрачають свою фізіологічну активність. Тому вони повинні або постійно відтворюватися біологічним шляхом (у вигляді свіжої їжі, наприклад овочів), або регулярно доставлятися з Землі, як це було в процесі здійснення рекордного за тривалістю річного космічного польоту на станції «Мир». До того ж, медико-біологічні дослідження показали, що в умовах космічного польоту потрібне підвищене споживання вітамінів космонавтами. Так, при виконанні польотів за програмою «Скайлеб» споживання астронавтами вітамінів групи B та вітаміну C (аскорбінова кислота) зросло приблизно в 10 разів, вітаміну A (аксерофтол) – у 2 рази, вітаміну D (кальциферол) – дещо вище за земну норму. В даний час також встановлено, що вітаміни біологічного походження мають явні переваги перед очищеними препаратами цих вітамінів, отриманих хімічним шляхом. Це з тим, що у складі біомаси вітаміни перебувають у поєднані із низкою інших речовин, включаючи стимулятори, а при вживанні в їжу вони надають ефективніший вплив на обмін речовин живого організму.
Відомо, що натуральні рослинні харчові продукти містять усі необхідні людині рослинні білки (амінокислоти), ліпіди (незамінні жирні кислоти), весь комплекс водорозчинних та частково жиророзчинних вітамінів, вуглеводи, біологічно активні речовини та клітковину. Роль цих харчових компонентів в обміні речовин величезна (В. І. Яздовський, 1988). Природно, що процес приготування космічних раціонів, що передбачає жорсткі режими обробки (механічної, термічної, хімічної), неспроможна не знизити ефективність окремих важливих компонентів їжі в обміні речовин людини.
Слід, мабуть, враховувати і можливу кумулятивну дію космічних радіоактивних випромінювань на харчові продукти, що довго зберігаються на кораблі.
Отже, однієї відповідності калорійності їжі встановленої норми недостатньо, необхідно, щоб їжа космонавта була максимально різноманітною та свіжою.
Відкриття французькими біологами здатності чистої води «запам'ятовувати» деякі властивості біологічно активних молекул і потім передавати цю інформацію живим клітинам, схоже, починає проясняти стародавню народну казкову мудрість про «живу» і «мертву» воду. Якщо це відкриття підтвердиться, виникає принципова проблема регенерації води на космічних кораблях тривалого функціонування: чи здатна вода, що очищається або одержується фізико-хімічними методами в багаторазових ізольованих циклах, замінити біологічно активну «живу» воду?
Можна припустити також, що тривале перебування в ізольованому обсязі космічного корабля зі штучним газовим довкіллям, отриманим хімічним шляхом, небайдуже для організму людини, всі покоління якого існували в атмосфері біогенного походження, склад якої більш різноманітний. Навряд чи випадковий той факт, що живі організми мають здатність розрізняти ізотопи деяких хімічних елементів (включаючи стійкі ізотопи кисню О 16 , О 17 , О 18), а також вловлювати невелику різницю в міцності хімічних зв'язків ізотопів в молекулах Н 2 Про, ін. Відомо, що атомна вага кисню залежить від джерела його отримання: кисень з повітря трохи важчий за кисень з води. Живі організми «відчують» цю різницю, хоча кількісно визначити її під силу лише спеціальним приладам мас-спектрометрам. Тривале дихання хімічно чистим киснем в умовах космічного польоту може призвести до інтенсифікації окислювальних процесів в організмі людини та до патологічних змін у легеневій тканині.
Слід зазначити особливу роль людини повітря, має біогенне походження і збагаченого фітонцидами рослин. Фітонциди - це біологічно активні речовини, що постійно утворюються рослинами, вбивають або пригнічують бактерії, мікроскопічні гриби, найпростіші. Наявність фітонцидів в навколишньому повітрі зазвичай сприятлива для людського організму і викликає відчуття свіжості повітря. Так, наприклад, командир третього американського екіпажу станції «Скайлеб» наголошував, що його екіпаж із задоволенням вдихав повітря, збагачене фітонцидами лимона.
У відомих випадках зараження людей бактеріями, що поселяються в повітряних кондиціонерах («хвороба легіонерів»), фітонциди з'явилися б сильним засобом, що дезінфікує, а стосовно систем кондиціонування повітря в замкнутих екосистемах могли б виключити таку ймовірність. Як показали дослідження М. Т. Дмитрієва, фітонциди можуть діяти не тільки безпосередньо, а й побічно, підвищуючи бактерицидність повітря та збільшуючи вміст легких негативних іонів, які сприятливо впливають на організм людини. Число небажаних важких позитивних іонів у повітрі при цьому знижується. Фітонциди, що є своєрідними носіями захисної функції рослин від мікрофлори навколишнього середовища, не тільки виділяються в навколишнє рослина повітря, а й містяться в біомасі самих рослин. Найбільш багаті фітонцидами часник, цибуля, гірчиця та багато інших рослин. Вживаючи їх у їжу, людина здійснює непомітну, але дуже ефективну боротьбу з інфекційною мікрофлорою, яка потрапляє всередину організму.
Говорячи про значення для людини біологічних ланок у штучній космічній екосистемі, не можна не відзначити особливої позитивної ролі вищих рослин як фактора зниження емоційної напруги космонавтів та покращення психологічного комфорту. Усі космонавти, яким доводилося виконувати експерименти з вищими рослинами на борту космічних станцій, були одностайні у оцінках. Так, Л. Попов та В. Рюмін на орбітальній станції «Салют-6» із задоволенням доглядали рослини в експериментальних оранжереях «Малахіт» (інтер'єрно-вітражна оранжерея з тропічними орхідеями) та «Оазис» (експериментальна оранжерея з овочевітамінними культурами). Вони виробляли полив, здійснювали контроль за зростанням та розвитком рослин, проводили профілактичні огляди та роботи з технічною частиною оранжерей та й просто милувалися живим інтер'єром з орхідей у рідкісні хвилини відпочинку. «Багато задоволення нам принесли біологічні дослідження. У нас була, наприклад, установка «Малахіт» з орхідеями, і коли ми її відправили на Землю, відчули якусь втрату, на станції стало менш затишно». Так заявив після приземлення Л. Попов. "Робота з "Малахітом" на борту космічного комплексу доставляла нам завжди особливе задоволення", - доповнив Л. Попова В. Рюмін.
На прес-конференції 14 жовтня 1985 р., присвяченій підсумкам роботи на орбіті космонавтів В. Джанібекова та Г. Гречка на борту орбітальної станції «Салют-7», бортінженер (Г. Гречка) сказав: «До всього живого, до будь-якого паростка в космосі ставлення особливе, дбайливе: вони нагадують Землю, піднімають настрій».
Отже, вищі рослини потрібні космонавтам як як ланка штучної екологічної системи чи об'єкт наукових досліджень, а й як естетичний елемент звичної земної обстановки, живий супутник космонавта у його тривалої складної і напруженої місії. І хіба не цю естетичну сторону і психологічну роль оранжереї на борту космічного апарату мав на увазі С. П. Корольов, коли в порядку підготовки до майбутніх космічних польотів сформулював наступне питання: «Що можна мати на борту важкого міжпланетного корабля або важкої орбітальної станції (або в оранжереї) з декоративних рослин, що вимагають мінімуму витрат та догляду? І перша відповідь на це питання сьогодні вже отримана: це тропічні орхідеї, яким, здається, до смаку припала атмосфера космічної станції.
Обговорюючи проблему забезпечення надійності та безпеки тривалих космічних польотів, академік О. Г. Газенко зі співавторами (1987) справедливо вказує, що «іноді неусвідомлена духовна потреба в контакті з живою природою стає реальною силою, яка підкріплюється суворими науковими фактами, що свідчать про економічну ефективність технічної доцільності максимального наближення штучних біосфер до природного середовища, яке виросло людство. З цього погляду дуже правильним видається стратегічний напрямок на створення біологічних СЖО». І далі: «Спроби ізолювати людину від природи украй неекономічні. Біологічні системи краще, ніж будь-які інші, забезпечать кругообіг речовин у великих космічних поселеннях».
Одна з важливих переваг біологічних систем у порівнянні з небіологічними - потенційна можливість їхнього стійкого функціонування при мінімальному обсязі функції контролю та управління (Е. Я. Шепелєв, 1975). Ця перевага обумовлена природною здатністю живих систем, що перебувають у постійній взаємодії з навколишнім середовищем, здійснювати корекцію процесів на виживання на всіх біологічних рівнях – від одиничної клітини одного організму до популяцій та біогеоценозів – незалежно від ступеня розуміння цих процесів у кожний момент людиною та її здібності або нездатності (вірніше, його готовності) вносити необхідні корективи у процес кругообігу речовин у штучній екосистемі.
Ступінь складності штучних космічних екосистем може бути різною: від найпростіших систем на запасах, систем з фізико-хімічною регенерацією речовин та використанням окремих біологічних ланок до систем із практично замкнутим біологічним кругообігом речовин. Число біологічних ланок і трофічних ланцюжків, а також кількість особин у кожній ланці, як уже було сказано, залежать від призначення та технічних характеристик космічного апарату.
Ефективність та основні параметри штучної космічної екосистеми, що включає біологічні ланки, можуть бути заздалегідь визначені та розраховані на основі кількісного аналізу процесів біологічного круговороту речовин у природі та оцінки енергетичної ефективності локальних природних екосистем. Цьому питанню присвячено наступний розділ.
ЕСТАФЕТА РЕЧОВИН У БІОЛОГІЧНОМУ КРУГОВОРОТІ
Замкнена екологічна система, сформована на основі біологічних ланок, повинна розглядатися як ідеальна СЖО майбутніх великих космічних поселень. Створення таких систем сьогодні знаходиться поки що на стадії розрахунків, теоретичних побудов та наземного відпрацювання щодо поєднання окремих біологічних ланок з екіпажем випробувачів.
Основна мета відпрацювання експериментальних біотехнічних СЖО полягає у досягненні стійкого практично замкнутого круговороту речовин в екосистемі з екіпажем та щодо самостійного існування штучно сформованого біоценозу в режимі тривалої динамічної рівноваги на основі переважно внутрішніх механізмів управління. Тому потрібно ретельне вивчення процесів біологічного круговороту речовин у біосфері Землі для використання найбільш ефективних з них у біотехнічних СЖО.
Біологічний кругообіг у природі – це кругова естафета (циркуляція) речовин та хімічних елементів між ґрунтом, рослинами, тваринами та мікроорганізмами. Суть її полягає у наступному. Рослини (автотрофні організми) поглинають енергетично бідні мінеральні речовини неживої природи та вуглекислий газ атмосфери. Ці речовини включаються до складу органічної біомаси рослинних організмів, що має великий запас енергії, отриманої за рахунок перетворення променистої енергії Сонця в процесі фотосинтезу. Рослинна біомаса трансформується через харчові ланцюги в організмах тварин і людини (гетеротрофні організми) з використанням частини цих речовин та енергії для власного зростання, розвитку та розмноження. Організми-руйнівники (деструктори, або редуценти), що включають бактерії, гриби, найпростіші та організми, що харчуються мертвою органічною речовиною, мінералізують відходи. Нарешті, речовини та хімічні елементи назад повертаються у ґрунт, атмосферу чи водне середовище. У результаті відбувається багатоциклова міграція речовин та хімічних елементів через розгалужену ланцюг живих організмів. Ця міграція, що постійно підтримується енергією Сонця, і становить біологічний кругообіг.
Ступінь відтворення окремих циклів загального біологічного круговороту досягає 90 - 98%, тому про повну його замкнутість можна говорити лише умовно. Основними циклами біосфери є кругообіги вуглецю, азоту, кисню, фосфору, сірки та інших біогенних елементів.
У природному біологічному кругообігу беруть участь як живі, і неживі речовини.
Жива речовина є біогенною, оскільки вона утворюється тільки шляхом розмноження вже існуючих на Землі живих організмів. Присутня в біосфері нежива речовина може бути як біогенного походження (опале кора і листя дерев, дозрілі і плоди, що відокремилися від рослини, хітинові покриви членистоногих, роги, зуби і волосся тварин, пір'я птахів, екскременти тварин тощо), так і абіогенним (продукти викидів з вулканів, що діють, що виділяються із земних надр гази).
Жива речовина планети за своєю масою становить незначну частину біосфери: вся біомаса Землі в сухій вазі становить лише одну стотисячну відсотка від маси земної кори (2 10 19 т). Однак саме живій речовині належить визначальна роль у формуванні «культурного» шару земної кори, у здійсненні масштабної естафети речовин та хімічних елементів між величезним числом живих організмів. Це зумовлено низкою специфічних особливостей живої речовини.
Обмін речовин (метаболізм).Обмін речовин у живому організмі – це сукупність всіх перетворень речовини та енергії в процесі біохімічних реакцій, що безперервно протікають в організмі.
Безперервний обмін речовин між живим організмом та навколишнім середовищем – найбільш істотна риса життя.
Основні показники обміну речовин організму із зовнішнім середовищем – це кількість, склад та калорійність жебрака, кількість води та кисню, спожите живим організмом, а також ступінь використання організмом цих речовин та енергії жебрака. Обмін речовин ґрунтується на процесах асиміляції (трансформація речовин, що надійшли в організм ззовні) та дисиміляції (розпад органічних речовин, викликаний необхідністю звільнення енергії для життєдіяльності організму).
Термодинамічна нерівноважна стійкість.Відповідно до другого закону (початком) термодинаміки для здійснення роботи недостатньо однієї наявності енергії, а необхідна також наявність різниці потенціалів, або енергетичних рівнів. Мірою «втрати» різниці потенціалів будь-якої енергетичної системою і мірою втрати здатності зробити роботу цією системою служить ентропія.
У процесах, які у неживої природі, здійснення роботи призводить до зростання ентропії системи. Так, передачі тепла спрямованість процесу однозначно визначає друге початок термодинаміки: від більш нагрітого тіла до менш нагрітому. У системі з нульовою різницею температур (при однаковій температурі тіл) спостерігається максимальна ентропія.
Жива речовина, живі організми на відміну неживої природи протидіють цьому закону. Ніколи не перебуваючи в рівновазі, вони постійно виконують роботу проти його встановлення, яке, начебто, законно має наступити як відповідність існуючим зовнішнім умовам. Живі організми постійно витрачають енергію підтримки специфічного стану живої системи. Ця найважливіша особливість відома у літературі як принцип Бауера, чи принцип стійкого нерівноваги живих систем. Цей принцип показує, що живі організми є відкриті нерівноважні системи, які від неживих тим, що еволюціонують у бік зниження ентропії.
Зазначена особливість характерна для біосфери в цілому, яка також є нерівноважною динамічною системою. Жива речовина системи є носієм величезної потенційної енергії,
Здатність до самовідтворення та висока інтенсивність накопичення біомаси.Для живої речовини характерне постійне прагнення збільшення числа своїх особин, до розмноження. Жива речовина, включаючи людину, прагне заповнити собою весь простір, прийнятний життю. Інтенсивність розмноження живих організмів, їх зростання та накопичення біомаси досить висока. Швидкість розмноження живих організмів, як правило, обернено пропорційна їх розмірам. Розмаїття розмірів живих організмів – ще одна особливість живої природи.
Високі швидкості обмінних реакцій у живих організмах, що на три-чотири порядку перевищують швидкості реакцій у неживій природі, обумовлені участю в обмінних процесах біологічних прискорювачів – ферментів. Однак для приросту кожної одиниці біомаси або накопичення одиниці енергії живому організму потрібно переробити вихідну масу в кількостях, на один-два порядки вище за накопичену.
Здатність до різноманіття, оновлення та еволюції.Жива речовина біосфери характеризується різними, за дуже короткими (в космічних масштабах) життєвими циклами. Тривалість життя живих істот коливається від кількох годин (і навіть хвилин) до сотень років. В процесі своєї життєдіяльності організми пропускають через себе атоми хімічних елементів літосфери, гідросфери та атмосфери, здійснюючи їх сортування та пов'язуючи хімічні елементи у вигляді конкретних речовин біомаси даного виду організму. При цьому навіть у рамках біохімічної однаковості та єдності органічного світу (всі сучасні живі організми побудовані в основному з білків) жива природа відрізняється величезною морфологічною різноманітністю та різноманіттям форм речовини. Загалом налічується понад 2 млн. органічних сполук, що входять до складу живої речовини. Для порівняння зауважимо, що кількість природних сполук (мінералів) неживої речовини становить лише близько 2 тис. Морфологічне розмаїття живої природи також велике: царство рослин Землі включає майже 500 тис. видів, а тварин – 1 млн. 500 тис.
Живий організм, що сформувався, в межах одного життєвого циклу має в своєму розпорядженні обмежені пристосувальні можливості до змін умов зовнішнього середовища. Однак порівняно короткий життєвий цикл живих організмів сприяє постійному їхньому оновленню з покоління в покоління шляхом передачі через генетичний спадковий апарат інформації, накопиченої кожним поколінням, та врахування цієї інформації наступним поколінням. З цієї точки зору коротка тривалість життя організмів одного покоління є та ціна, яку вони платять за необхідність виживання виду в цілому в умовах зовнішнього середовища, що постійно змінюється.
Еволюційний процес характерний головним чином вищих організмів.
Колективність існування.Жива речовина реально існує на Землі у формі біоценозів, а не окремих ізольованих видів (популяцій). Взаємозв'язок популяцій обумовлена їх трофічними (харчовими) залежностями один від одного, без яких неможливе саме існування цих видів.
Такими є основні якісні особливості живої речовини, що бере участь у біосферному біологічному кругообігу речовин. У кількісному відношенні інтенсивність накопичення біомаси в біосфері така, що в середньому кожні вісім років здійснюється оновлення всієї живої речовини біосфери Землі. Завершивши свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли від неї протягом свого життя.
Основні функції живої речовини біосфери, сформульовані вітчизняним геологом А. В. Лапо (1979), включають енергетичну (біосинтез з накопиченням енергії та трансформації енергії в трофічних ланцюгах), концентраційну (виборче накопичення речовини), деструктивну (мінералізація та підготовка речовин ), середотворчу (зміну фізико-хімічних параметрів середовища) та транспортну (перенесення речовини) функції.
ЧИ Є ККД У ЕКОСИСТЕМ?
Спробуємо відповісти на запитання: чи можна оцінити ефективність біологічного круговороту речовин з позицій задоволення харчових потреб людини як вершинної трофічної ланки цього круговороту?
Орієнтовна відповідь на поставлене питання може бути отримана на основі енергетичного підходу до аналізу процесів біологічного круговороту та вивчення перенесення енергії та продуктивності природних екосистем. Дійсно, якщо речовини круговороту схильні до безперервної якісної зміни, то енергія цих речовин не зникає, а розподіляється спрямованими потоками. Передаючись з одного трофічного рівня біологічного кругообігу на інший, біохімічна енергія поступово трансформується та розсіюється. Трансформація енергії речовини у трофічних рівнях відбувається не довільно, а відповідно до відомих закономірностей, і тому вона контролюється в межах конкретного біогеоценозу.
Поняття «біогеоценоз» подібне до поняття «екосистема», проте перше несе суворіше смислове навантаження. Якщо екосистемою називають практично будь-який автономно існуючий природний або штучний біокомплекс (мурашник, акваріум, болото, стовбур загиблого дерева, ліс, озеро, океан, біосфера Землі, кабіна космічного корабля тощо), то біогеоценоз є одним з якісних рівнів екосистеми , конкретизовано межами свого обов'язкового рослинного співтовариства (фітоценозу) Екосистема, як будь-яка стійка безліч взаємодіючих між собою живих організмів, є категорією, яка застосовується до будь-якої біологічної системи тільки надорганізмного рівня, тобто окремий організм екосистемою не може бути.
Біологічний кругообіг речовин - невід'ємна приналежність земного біогеоценозу. У складі конкретних локальних біогеоценозів біологічний кругообіг речовин можливий, але не обов'язковий.
Енергетичні зв'язки завжди супроводжують трофічні зв'язки в біогеоценозі. Разом взяті вони становлять основу будь-якого біогеоценозу. У випадку можна виділити п'ять трофічних рівнів біогеоценозу (див. таблицю і рис. 2), якими послідовно по ланцюгу здійснюється розподіл всіх його компонентів. Зазвичай у біогеоценозах формується кілька таких ланцюгів, які, багаторазово розгалужуючись і перехрещуючись, утворюють складні харчові (трофічні) мережі.
Трофічні рівні та ланцюги живлення у біогеоценозі
Організми першого трофічного рівня – первинні продуценти, які називаються автотрофами (самопитанні) і включають мікроорганізми та вищі рослини, здійснюють процеси синтезу органічних речовин з неорганічних. Як джерело енергії для цього процесу автотрофи використовують або світлову сонячну енергію (фототрофи), або енергію окислення певних мінеральних сполук (хемотрофы). Необхідний для синтезу вуглець фототрофи одержують із вуглекислого газу.
Умовно процес фотосинтезу в зелених рослинах (нижчих та вищих) може бути описаний у вигляді наступної хімічної реакції:
Зрештою, з енергетично бідних неорганічних речовин (вуглекислий газ, вода, мінеральні солі, мікроелементи) синтезується органічна речовина (переважно вуглеводи), яка є носієм енергії, запасеної в хімічних зв'язках утвореної речовини. У зазначеній реакції для утворення однієї грам-молекули речовини (180 г глюкози) необхідно 673 ккал сонячної енергії.
Ефективність фотосинтезу безпосередньо залежить від інтенсивності світлового опромінення рослин. У середньому величина променистої сонячної енергії лежить на поверхні Землі становить близько 130 Вт/м 2 . При цьому фотосинтетично активна лише частина радіації, що міститься в межах довжин хвиль від 0,38 до 0,71 мкм. Значна частина радіації, що потрапляє на лист рослини або шар води з мікроводорістю, відображається або проходить через лист або шар марно, а поглинена радіація переважно витрачається на випаровування води при транспірації рослин.
Через війну середній енергетичний ККД процесу фотосинтезу всього рослинного покриву земної кулі становить близько 0,3% енергії сонячного світла, що надходить Землю. У сприятливих зростання зелених рослин умовах і за сприяння людини окремі плантації рослин можуть пов'язувати енергію світла з ККД, рівним 5 – 10%.
Організми наступних трофічних рівнів (консументи), що складаються з гетеротрофних (тварини) організмів, забезпечують свою життєдіяльність зрештою за рахунок рослинної біомаси, накопиченої в першому трофічному рівні. Запасена в рослинній біомасі хімічна енергія може бути виділена, переведена в теплову та розсіяна в навколишнє середовище у процесі зворотного з'єднання вуглеводів із киснем. Використовуючи рослинну біомасу як їжу, тварини піддають її окисленню при диханні. У цьому відбувається зворотний фотосинтезу процес, у якому енергія їжі звільняється і з певним ККД витрачається зростання і життєву діяльність гетеротрофного організму.
У кількісному відношенні в біогеоценозі рослинна біомаса повинна «випереджати» біомасу тварин зазвичай не менш як на два порядки. Так, сумарна біомаса тварин земної суші вбирається у 1 – 3% її рослинної біомаси.
Інтенсивність енергетичного обміну гетеротрофного організму залежить з його маси. Зі збільшенням розмірів організму інтенсивність обміну, розрахована на одиницю ваги і виражена в кількості кисню, що поглинається в одиницю часу, помітно знижується. При цьому в стані відносного спокою (стандартний обмін) залежність інтенсивності обміну тварини від його маси, що має вигляд функції у = Ах k (х- Вага тварини, Аі k- Коефіцієнти), виявляється справедливою як для організмів одного виду, що змінюють свої розміри в процесі зростання, так і тварин різної ваги, але які представляють певну групу або клас.
Водночас показники рівня обміну різних труп тварин вже істотно різняться між собою. Особливо значними є ці відмінності для тварин з активним обміном, для яких характерні енергетичні витрати на м'язову роботу, зокрема на рухові функції.
Баланс енергії тваринного організму (консументу будь-якого рівня) за певний період часу в загальному випадку може бути виражений такою рівністю:
Е = Е 1 + Е 2 + Е 3 + Е 4 + Е 5 ,
де Е- Енергія (калорійність) їжі (ккал на добу), Е 1 - енергія основного обміну, Е 2 – енерговитрати організму, Е 3 – енергія «чистої» продукції організму, Е 4 - енергія невикористаних речовин їжі, Е 5 – енергія екскрементів та виділень організму.
Їжа є єдиним джерелом нормального надходження в організм тварини та людини енергії, яка забезпечує її життєдіяльність. Поняття «їжа» має різний якісний зміст для різних тварин організмів і включає тільки ті речовини, які споживаються та утилізуються даним живим організмом. є йому необхідними.
Величина Едля людини становить у середньому 2500 ккал на добу. Енергія основного обміну Е 1 являє собою енергію обміну речовин у стані повного спокою організму та за відсутності травних процесів. Витрачається на підтримку життя в організмі, є функцією величини поверхні тіла і трансформується в тепло, що віддається організмом в навколишнє середовище. Кількісні показники Е 1 прийнято виражати у питомих одиницях, віднесених до 1 кг маси чи 1 м 2 поверхні організму. Так, для людини Е 1 складає 32,1 ккал на добу на 1 кг маси тіла. У розрахунку одиницю поверхні величини Е 1 різних організмів (ссавців) практично однакові.
Складова Е 2 включає енерговитрати організму на теплорегуляцію при зміні температури навколишнього середовища, а також на різні види діяльності та роботу організму: пережовування, перетравлення та засвоєння їжі, м'язову роботу при пересуванні організму і т. д. На величину Е 2 істотно впливає температура навколишнього середовища. При підвищенні та зниженні температури від оптимального для організму рівня потрібні додаткові енерговитрати, необхідні її регулювання. Особливо розвинений процес регулювання постійної температури тіла у теплокровних тварин та людини.
Складова Е 3 включає дві частини: енергію приросту власної біомаси організму (або популяції) та енергію додаткової продукції.
Приріст власної біомаси має місце, як правило, у молодого організму, що росте, постійно додає у вазі, а також у організму, що утворює резервні поживні речовини. Ця частина складової Е 3 може дорівнювати нулю, а також приймати негативні значення при нестачі їжі (організм худне).
Енергія додаткової продукції укладена в речовинах, що виробляються організмом для розмноження, зашиті від ворогів і т.д.
Кожна особина обмежується мінімальною кількістю продукції, що створюється у процесі своєї життєдіяльності. Порівняно високим показником створення вторинної продукції можна вважати показник 10 – 15% (від спожитого корму), характерний, наприклад, для сарани. Цей показник для ссавців, які витрачають значну кількість енергії на терморегуляцію, становить 1 – 2%.
Складова Е 4 - це енергія, укладена в речовинах їжі, яка не використана організмом і не потрапила з тих чи інших причин всередину організму.
Енергія Е 5, укладена у виділеннях організму як наслідок неповної перетравлюваності та засвоєння пиши, становить від 30 – 60% спожитої їжі (у великих копитних тварин) до 1 – 20% (у гризунів).
Ефективність перетворення енергії тваринним організмом кількісно визначається ставленням чистої (вторинної) продукції до загальної кількості спожитої їжі чи ставленням чистої продукції до кількості засвоєної їжі. У харчовому ланцюгу ефективність (ККД) кожної трофічної ланки (рівня) становить у середньому близько 10%. Це означає, що на кожному наступному трофічному рівні харчової мети утворюється продукція, яка не перевищує калорійності (або в перерахунку по масі) 10% енергії попередньої. За таких показників загальний ККД використання первинної сонячної енергії у харчовому ланцюгу екосистеми з чотирьох рівнів становитиме малу частку відсотка: у середньому лише 0,001%.
Незважаючи на низьку величину загального ККД відтворення продукції, основна чисельність населення Землі повністю забезпечує себе збалансованим харчовим раціоном не тільки за рахунок первинних, а й вторинних продуцентів. Що ж до живого організму окремо, ефективність використання їжі (енергії) у деяких із них досить висока і перевищує показники ККД багатьох технічних засобів. Наприклад, свиня 20% спожитої енергії їжі перетворює на висококалорійне м'ясо.
Ефективність використання консументами енергії, що надходить з їжею, прийнято оцінювати в екології за допомогою екологічних пірамід енергій. Сутність таких пірамід полягає у наочному зображенні ланок харчового ланцюга у вигляді підпорядкованого розташування один на одному прямокутників, довжина або площа яких відповідає енергетичному еквіваленту відповідного трофічного рівня в одиницю часу. Для характеристики харчових ланцюгів застосовуються також піраміди чисел (площі прямокутників відповідають числу особин кожному рівні харчової ланцюга) і піраміди біомас (те саме щодо кількості сумарної біомаси організмів кожного рівня).
Однак піраміда енергій дає найбільш повне уявлення про функціональну організацію біологічних співтовариств у рамках конкретного харчового ланцюга, оскільки дозволяє враховувати динаміку проходження харчової біомаси по цьому ланцюгу.
ШТУЧНІ ТА ПРИРОДНІ БІОСФЕРНІ ЕКОСИСТЕМИ: подібність і відмінності
Ціолковський був першим, хто запропонував створити в космічній ракеті замкнуту систему кругообігу всіх необхідних для життя екіпажу речовин, тобто замкнуту екосистему. Він вважав, що у космічному кораблі в мініатюрі мають бути відтворені всі основні процеси перетворення речовин, що здійснюються у біосфері Землі. Проте майже півстоліття ця пропозиція існувала як науково-фантастична гіпотеза.
Практичні роботи зі створення штучних космічних екосистем на основі процесів біологічного круговороту речовин бурхливо розгорнулися в США, СРСР та деяких інших країнах наприкінці 50-х – на початку 60-х років. Безсумнівно, цьому сприяли успіхи космонавтики, що відкрила запуском першого штучного супутника Землі 1957 р. епоху освоєння космічного простору.
У наступні роки в міру розширення та поглиблення цих робіт більшість дослідників могли переконатися в тому, що поставлена проблема виявилася набагато складнішою, ніж передбачалося спочатку. Вона вимагала проведення як наземних, а й космічних досліджень, що, своєю чергою, викликало необхідність у значних матеріальних і фінансових витратах і стримувалося відсутністю великих космічних кораблів чи станцій дослідницького призначення. Проте в СРСР у цей період були створені окремі наземні експериментальні зразки екосистем із включенням у діючий цикл круговороту речовин цих систем деяких біологічних ланок та людини. Виконано також комплекс наукових досліджень з відпрацювання технологій культивування біооб'єктів у невагомості на борту космічних супутників, кораблів та станцій: "Космос-92", "Космос-605", "Космос-782", "Космос-936", "Салют-6". та ін. Результати досліджень дозволяють сьогодні сформулювати деякі положення, що приймаються за основу при побудові майбутніх замкнених космічних екосистем та біологічних систем життєзабезпечення космонавтів.
Отже, що є загальним для великих штучних космічних екосистем та природної біосферної. екосистеми? Насамперед це їхня відносна замкнутість, їх головні дійові особи – людина та інші живі біозвени, біологічний кругообіг речовин та потреба в джерелі енергії.
Замкнуті екологічні системи – це системи з організованим кругообігом елементів, в якому речовини, що використовуються з певною швидкістю для біологічного обміну одними ланками, з такою ж середньою швидкістю регенеруються з кінцевих продуктів їх обміну до вихідного стану іншими ланками і знову використовуються в тих же циклах біологічного обміну (Гітельзон та ін., 1975).
Разом з тим екосистема може залишатися замкненою і без досягнення повного кругообігу речовин, незворотно витрачаючи частину речовин із попередньо створених запасів.
Природна земна екосистема є практично замкненою по речовині, оскільки у циклах круговороту беруть участь лише земні речовини та хімічні елементи (частка космічної речовини, що щорічно потрапляє на Землю, вбирається у 2 ∙ 10 –14 відсотка маси Землі). Ступінь участі земних речовин та елементів у багаторазово повторюваних хімічних циклах земного круговороту досить великий і, як зазначалося, забезпечує відтворення окремих циклів на 90 – 98%.
У штучній замкнутій екосистемі неможливо повторити все різноманіття процесів земної біосфери. До цього, проте, і прагнути годі було, оскільки біосфера загалом може служити ідеалом штучної замкненої екосистеми з людиною, заснованої на біологічному кругообігу речовин. Існує ряд важливих відмінностей, якими характеризується біологічний кругообіг речовин, штучно створений в обмеженому замкнутому просторі з метою життєзабезпечення людини.
Які ці основні відмінності?
Масштаби штучного біологічного круговороту речовин як засобу забезпечення життєдіяльності людини в обмеженому замкнутому просторі не можуть бути порівнянними з масштабом земного біологічного круговороту, хоча основні закономірності, що визначають хід та ефективність процесів у його окремих біологічних ланках, можуть бути застосовні для характеристики подібних ланок у штучній еко. У біосфері Землі дійовими особами є майже 500 тис. видів рослин та 1,5 млн. видів тварин, здатних у певних критичних обставин (наприклад, загибель виду чи популяції) замінювати один одного, підтримуючи стійкість біосфери. У штучній екосистемі представництво видів і число особин дуже обмежені, що різко підвищує «відповідальність» кожного живого організму, включеного до складу штучної екосистеми, і висуває підвищені вимоги до його біологічної стійкості в екстремальних умовах.
У біосфері Землі кругообіг речовин і хімічних елементів заснований на величезній кількості різноманітних, не узгоджених у часі та просторі, самостійних та перехресних циклів, кожен з яких здійснюється з характерною для нього швидкістю. У штучній екосистемі кількість таких циклів обмежена, роль кожного циклу у кругообігу речовин; багаторазово підвищується, а узгоджені швидкості перебігу процесів у системі повинні бути суворо витримані як необхідна умова сталої роботи біологічної СЖО.
Наявність тупикових процесів у біосфері істотно не відбивається на природному кругообігу речовин, оскільки на Землі поки ще є у значних кількостях запаси речовин, що вперше залучаються до кругообігу. Крім того, маса речовин тупикових процесів незмірно менше буферних можливостей Землі. У штучних космічних СЖО завжди існуючі загальні обмеження за масою, обсягом та енергоспоживанням накладають відповідні обмеження і на масу речовин, що беруть участь у кругообігу біологічної СЖО. Наявність чи утворення у разі будь-якого тупикового процесу відчутно знижує ефективність роботи системи загалом, зменшує показник її замкнутості, вимагає відповідної компенсації із запасів вихідних речовин, отже, і збільшення цих запасів у системі.
Найважливіша особливість біологічного круговороту речовин у штучних екосистемах, що розглядаються, – визначальна роль людини в якісних і кількісних характеристиках круговороту речовин. Кругообіг в даному випадку здійснюється в кінцевому рахунку в інтересах задоволення потреб людини (екіпажу), який є головною ланкою, що задає. Інші біологічні об'єкти – виконавці функцій підтримки довкілля людини. Виходячи з цього, кожному біологічному виду в штучній екосистемі створюються по можливості найоптимальніші умови існування для досягнення максимальної продуктивності виду. У біосфері Землі інтенсивність процесів біосинтезу визначається переважно надходженням енергії Сонця у той чи інший регіон. Найчастіше ці можливості обмежені: інтенсивність сонячного випромінювання лежить на поверхні Землі приблизно 10 разів нижче, ніж поза земної атмосфери. Крім того, кожному живому організму, щоб вижити та розвиватися, постійно потрібно пристосовуватися до умов життя, дбати про пошук їжі, витрачаючи на це значну частину життєвої енергії. Тому інтенсивність біосинтезу в біосфері Землі не може вважатися оптимальною з позицій основної функції біологічних СЖО – задоволення харчових потреб людини.
На відміну від біосфери Землі в штучних екосистемах виключені масштабні абіотичні процеси та фактори, що грають помітну, але найчастіше сліпу роль у формуванні біосфери та її елементів (погодні та кліматичні впливи, збіднені ґрунти та непридатні території, хімічні властивості води тощо).
Зазначені та інші відмінності сприяють досягненню суттєво більшої ефективності трансформації речовини у штучних екосистемах, вищій швидкості реалізації циклів круговороту, вищих значень ККД біологічної системи життєзабезпечення людини.
ПРО БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ ЖИТТЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОСМІЧНИХ ЕКІПАЖІВ
Біологічна СЖО – це штучна сукупність певним чином підібраних, взаємопов'язаних та взаємозалежних біологічних об'єктів (мікроорганізми, вищі рослини, тварини), речовин і технічних засобів, що витрачаються, що забезпечує в обмеженому замкнутому просторі основні фізіологічні потреби людини в їжі, воді та кисні переважно на основі стійкої. кругообіг речовин.
Необхідне поєднання в біологічних СЖО живих організмів (біооб'єктів) та технічних засобів дозволяє називати ці системи також біотехнічними. При цьому під технічними засобами розуміються підсистеми, блоки та пристрої, що забезпечують необхідні умови для нормальної життєдіяльності біологічних об'єктів, що входять до біокомплексу (склад, тиск, температура та вологість газового середовища, освітленість житлового простору, санітарно-гігієнічні показники якості води, оперативний збір, переробка або видалення відходів життєдіяльності тощо). До основних технічних засобів біологічної СЖО можна віднести підсистеми енергозабезпечення та перетворення енергії у світлову, регулювання та підтримання газового складу атмосфери в обмеженому замкнутому просторі, терморегулювання, блоки космічної оранжереї, кухні та засоби фізико-хімічної регенерації води та повітря. відходів до ін. Ряд процесів регенерації речовин у системі може ефективно здійснюватися також фізико-хімічними методами (див. рис. на стор. 52).
Біологічні об'єкти СЖО разом із людиною утворюють біокомплекс. Видовий та чисельний склад живих організмів, що включаються до біокомплексу, визначається так, щоб він зміг забезпечити протягом усього заданого періоду стійкий збалансований та контрольований обмін речовин між екіпажем та живими організмами біокомплексу. Розміри (масштаби) біокомплексу та кількість видів живих організмів, представлених у біокомплексі, залежать від необхідної продуктивності, ступеня замкнутості СЖО та встановлюються у зв'язку з конкретними технічними та енергетичними можливостями космічної споруди, тривалістю її функціонування, кількістю членів екіпажу. Принципи підбору живих організмів до складу біокомплексу можуть бути запозичені з екології природних земних угруповань і керованих біогеоценозів, виходячи з трофічних зв'язків біооб'єктів, що склалися.
Підбір біологічних видів на формування трофічних циклів біологічної СЖО є найскладнішим завданням.
Кожен біологічний об'єкт, що бере участь у біологічній СЖО, вимагає для своєї життєдіяльності певного життєвого простору (екологічної ніші), що включає не тільки суто фізичний простір, але також комплекс необхідних умов проживання даного біологічного виду: забезпечення способу його життя, способу харчування, умов довкілля. Тому для успішного функціонування живих організмів як ланка біологічної СЖО обсяг займаного ними простору не повинен бути занадто обмеженим. Іншими словами, повинні існувати граничні мінімальні величини габаритів космічного корабля, що живуть, нижче яких виключена можливість використання в ньому ланок біологічної СЖО.
В ідеальному випадку вся спочатку запасена маса речовин, призначена для життєзабезпечення екіпажу і включає всіх живих мешканців, повинна брати участь у кругообігу речовин усередині цього космічного об'єкта без введення додаткових мас. Разом з тим, така замкнута біологічна СЖО з регенерацією всіх необхідних людині речовин і необмеженим часом функціонування є сьогодні скоріше теоретичною, ніж практично реальною системою, якщо мати на увазі ті її варіанти, які розглядаються для космічних експедицій найближчого майбутнього.
У термодинамічному сенсі (за енергією) будь-яка екосистема замкненої бути не може, оскільки постійний енергообмін живих ланок екосистеми з навколишнім простором – необхідна умова її існування. Джерелом безкоштовної енергії для біологічних СЖО космічних кораблів в навколосонячному просторі може служити Сонце, Однак необхідність значної кількості енергії для функціонування великомасштабних біологічних СЖО вимагає ефективних технічних рішень проблеми безперервного збирання, концентрування і введення сонячної енергії в космічний апарат, а також подальшого зникнення теплової енергії.
Особливе питання, яке виникає у зв'язку з використанням живих організмів у космічних польотах, – як впливає на них тривала невагомість? На відміну від інших факторів космічного польоту та космічного простору, дія яких на живі організми може бути імітована та вивчена на Землі, вплив невагомості можна встановити лише безпосередньо в космічному польоті.
ЗЕЛЕНІ РОСЛИНИ ЯК ОСНОВНА ланка біологічних систем життєзабезпечення
Вищі наземні рослини вважаються основними та найімовірнішими елементами біологічної системи життєзабезпечення. Вони здатні не лише виробляти повноцінну за більшістю критеріїв їжу для людини, а й здійснювати при цьому регенерацію води та атмосфери. На відміну від тварин рослини здатні синтезувати вітаміни із простих сполук. У листі та інших зелених частинах рослин утворюються майже всі вітаміни.
Ефективність біосинтезу вищих рослин визначається насамперед світловим режимом: зі збільшенням потужності світлового потоку інтенсивність фотосинтезу зростає до певного рівня, після чого настає світлове насичення фотосинтезу. Максимальний (теоретичний) ККД фотосинтезу при сонячному світлі дорівнює 28%. У реальних умовах для щільних посівів з добрими умовами культивування може досягати: 15%.
Оптимальна інтенсивність фізіологічної (фотосинтетично активної) радіації (ФАР), що у штучних умовах забезпечувала максимальний фотосинтез, становила 150 – 200 Вт/м 2 (Ничипорович, 1966). Продуктивність рослин (яра пшениця, ячмінь) досягала при цьому 50 г біомаси на добу з 1 м2 (до 17 г зерна з 1 м2 на добу). В інших експериментах, виконаних з метою вибору світлових режимів культивування редис у замкнутих системах, урожай коренеплодів становив до 6 кг з 1м 2 за 22 - 24 діб при біологічній продуктивності до 30 г біомаси (в сухій вазі) з 1 м 2 на добу (Лисовський) , Шиленко, 1970). Для порівняння зазначимо, що у польових умовах середня добова продуктивність посівів становить 10 г з 1 м 2 .
Біоцикл: «вищі рослини – людина» був би ідеальним для життєзабезпечення людини, якби в тривалому: космічному польоті можна було задовольнитись у харчуванні білками та жирами тільки рослинного походження і якби рослини могли успішно мінералізувати та утилізувати усі відходи людини.
Космічна оранжерея, проте, зможе вирішити весь комплекс питань, покладених на біологічну СЖО. Відомо, наприклад, що вищі рослини не здатні забезпечити участь у кругообігу ряду речовин та елементів. Так, натрій не споживається рослинами, залишаючи відкритою проблему кругообігу NaCl (кухонної солі). Фіксація молекулярного азоту рослинами неможлива без допомоги бульбочкових ґрунтових бактерій. Відомо також, що відповідно до фізіологічних норм харчування людини, затверджених в СРСР, не менше половини добової норми білків харчового раціону повинні становити білки тваринного походження, а тваринні жири – до 75% загальної норми жирів у раціоні.
Якщо калорійність рослинної частини раціону відповідно до згаданих норм становитиме 65% від загальної калорійності раціону (середня величина калорійності добового харчового раціону космонавту на станції «Салют-6» становила 3150 ккал), то для отримання необхідної кількості рослинної біомаси одну особу не менше 15 - 20 м 2 . З урахуванням рослинних відходів, що не вживаються в їжу (близько 50%), а також необхідності харчового конвеєра для безперервного щодобового відтворення біомаси, дійсна площа оранжереї повинна бути збільшена не менше ніж у 2 – 3 рази.
Ефективність оранжереї може бути істотно збільшена при додатковому використанні неїстівної частини біомаси. Існують різні способи утилізації біомаси: отримання харчових речовин екстракцією або гідролізом, фізико-хімічна або біологічна мінералізація, пряме використання після відповідної кулінарної обробки, використання у вигляді корму для тварин. Реалізація цих способів вимагає розробки відповідних додаткових технічних засобів та витрат енергії, тому оптимальне рішення може бути отримане лише з урахуванням сумарних техніко-енергетичних показників екосистеми загалом.
На початкових етапах створення та використання біологічної СЖО поки що не вирішені окремі питання повного кругообігу речовин, частина речовин, що витрачаються, братиметься із запасів, передбачених на борту космічного корабля. На оранжерею у випадках покладається функція відтворення мінімально необхідної кількості свіжої зелені, що містить вітаміни. Оранжерея з площею посадок 3 – 4 м 2 може повністю забезпечити потреби однієї людини у вітамінах. У таких екосистемах, заснованих на частковому використанні біоциклу вищі рослини – людина, основне навантаження щодо регенерації речовин та життєзабезпечення екіпажу виконують системи із фізико-хімічними методами обробки.
Основоположник практичної космонавтики С. П. Корольов мріяв про космічний політ, не пов'язаний жодними обмеженнями. Тільки такий політ, як стверджує С. П. Корольова, означатиме перемогу над стихією. У 1962 р. він так сформулював комплекс першочергових завдань космічної біотехнології: «Треба б розпочати розробку «оранжереї по Ціолковському», з ланками або блоками, що нарощуються поступово, і треба починати працювати над «космічними врожаями». Який склад цих посівів, які культури? Їхня ефективність, корисність? Оборотність (повторюваність) посівів зі свого ж насіння, з розрахунку тривалого існування оранжереї? Які організації будуть вести ці роботи: по лінії рослинництва (і питань ґрунту, вологи тощо), по лінії механізації та «світло-тепло-сонячної» техніки та систем її регулювання для оранжерів тощо?»
У цьому формулюванні відображені, по суті, основні науково-практичні цілі та завдання, досягнення та вирішення яких необхідно забезпечити перш, ніж буде створена «оранжерея за Ціолковським», тобто така оранжерея, яка в тривалому космічному польоті постачатиме людину необхідною свіжою їжею рослинного походження, а також очищати воду та повітря. Космічна оранжерея майбутніх міжпланетних кораблів стане складовою їхньої конструкції. У такій оранжереї мають бути забезпечені оптимальні умови посіву, зростання, розвитку та збирання вищих рослин. Оранжерея повинна бути забезпечена також пристроями для розподілу світла і кондиціонування повітря, блоками приготування, розподілу та подачі поживних розчинів, збору транспіраційної вологи тощо.
Космічне рослинництво сьогодні перебуває поки що на початковому етапі свого розвитку і вимагає нових спеціальних досліджень, оскільки досі залишаються нез'ясованими багато питань, пов'язаних із реакцією вищих рослин на екстремальні умови космічного польоту, і насамперед на умови невагомості. Стан невагомості дуже істотно впливає на багато фізичних явищ, на життєдіяльність і поведінку живих організмів і навіть на роботу бортового обладнання. p align="justify"> Ефективність впливу динамічної невагомості може бути оцінена тому тільки в так званих натурних експериментах, здійснюваних безпосередньо на борту орбітальних космічних станцій.
Експерименти з рослинами в натурних умовах проводилися раніше на станціях «Салют» та супутниках серії «Космос» («Космос-92, 605, 782, 936, 1129» та ін.). Особлива увага приділялася експериментам із вирощування вищих рослин. З цією метою використовувалися різні спеціальні пристрої, кожному з яких надавалася певна назва, наприклад «Вазон», «Світлоблок», «Фітон», «Біогравістат» та ін. Кожен пристрій, як правило, призначався для вирішення одного завдання. Так, невелика центрифуга «Біогравістат» служила для порівняльної оцінки процесів вирощування проростків у невагомості та у полі дії відцентрових сил. У пристрої «Вазон» відпрацьовувалися процеси вирощування цибулі на перо як вітамінну добавку до раціону космонавтів. У приладі «Світлоблок» вперше в умовах невагомості зацвіла рослина арабідопсис, висаджена в ізольованій камері на штучному живильному середовищі, а в пристрої «Фітон» було отримане насіння арабідопсису. Більш широке коло завдань вирішувалося у дослідницьких установках «Оазис», які з блоків культивування, освітлення, водоподачі, примусової вентиляції та системи телеметричного контролю температури. В установці «Оазис» на рослинах гороху та пшениці відпрацьовувалися режими культивування з електростимулюванням як засобом зменшення дії несприятливих факторів, пов'язаних із відсутністю сили тяжіння.
Ряд експериментів із вищими рослинами за умов космічного польоту було виконано США на станції «Скайлеб», «Спейслеб» і борту «Колумбії» (Шаттл).
Численні експерименти показали, що завдання вирощування рослин на космічних об'єктах в умовах, що істотно відрізняються від звичайних земних, поки що не вирішено повною мірою. Ще нерідкі, наприклад, випадки, коли на генеративної стадії розвитку рослини припиняють своє зростання. Має бути ще виконати значний обсяг наукових експериментів з відпрацювання технології культивування рослин на всіх стадіях їх росту та розвитку. Потрібна також розробка та перевірка конструкцій культиваторів рослин та окремих технічних засобів, що сприяють усуненню негативного впливу різних факторів космічного польоту на рослини.
Крім вищих наземних рослин як елементи автотрофної ланки замкнутих екосистем розглядаються також нижчі рослини. До них відносяться водні фототрофи – одноклітинні водорості: зелені, синьо-зелені, діатомові та ін. Вони є головними продуцентами первинної органіки у морях та океанах. Найбільш широку популярність здобула прісноводна мікроскопічна водорість хлорела, якій багато вчених віддають перевагу як основний біооб'єкт продукуючої ланки замкнутої космічної екосистеми.
Культура хлорели характеризується цілою низкою позитивних особливостей. Засвоюючи вуглекислий газ, культура виділяє кисень. При інтенсивному культивуванні 30-40 л суспензії хлорели можуть повністю забезпечити газообмін однієї людини. При цьому утворюється біомаса, яка за біохімічним складом прийнятна для використання як кормова добавка, а при відповідній обробці - як добавка до харчового раціону людини. Співвідношення білків, жирів та вуглеводів у біомасі хлорели може змінюватись в залежності від умов культивування, що дозволяє вести керований процес біосинтезу. Продуктивність інтенсивних культур хлорели при лабораторному вирощуванні становить від 30 до 60 г сухої речовини з 1 м2 на добу. В експериментах на спеціальних лабораторних культиваторах при високій освітленості врожайність хлорели досягає 100 г сухої речовини з 1 м 2 на добу. Хлорелла найменше схильна до впливу невагомості. Клітини її мають міцну целюлозосодержащую оболонку і найбільш стійкі до несприятливих умов існування.
До недоліків хлорели як ланки штучної екосистеми можна віднести невідповідність коефіцієнта асиміляції СО 2 коефіцієнту дихання людини, необхідність підвищених концентрацій СО 2 в газовій фазі для ефективної роботи ланки біологічної регенерації, деяка розбіжність у потребах водоростей хлорели за біогенними елементами з наявністю цих необхідність спеціальної обробки клітин хлорели задля досягнення засвоюваності біомаси. Одноклітинні водорості взагалі (зокрема, хлорелла) на відміну вищих рослин позбавлені регулюючих пристосувань й у надійного ефективного функціонування культурі вимагають автоматизованого управління процесом біосинтезу.
Максимальні значення ККД у дослідах для всіх видів водоростей перебувають у інтервалі від 11 до 16% (теоретичний ККД утилізації світлової енергії мікроводорістю дорівнює 28%). Проте висока продуктивність культури та низькі енерговитрати є зазвичай суперечливими вимогами, оскільки максимальні значення ККД досягаються за порівняно невисоких оптичних густин культури.
В даний час одноклітинні водорості хлорела, а також деякі інші види мікроводоростей (сценедесмус, спіруліна та ін) використовуються як модельні біооб'єкти автотрофної ланки штучних екосистем.
ДОСЯГНЕННЯ ТА ПЕРСПЕКТИВИ
У міру накопичення практичного досвіду з вивчення та освоєння навколоземного космічного простору програми космічних досліджень дедалі більше ускладнюються. Вирішувати основні питання формування біологічних СЖО для майбутніх тривалих космічних експедицій необхідно вже сьогодні, оскільки наукові експерименти, що виконуються зі ланками біологічних СЖО, відрізняються великою тривалістю від початку до отримання кінцевого результату. Це зумовлено, зокрема, порівняно тривалими циклами розвитку, що об'єктивно існують у багатьох живих організмів, що обираються як ланок біологічних СЖО, а також необхідністю отримання достовірної інформації щодо віддалених наслідків трофічних та інших зв'язків біозвенів, які для живих організмів можуть проявитися зазвичай лише у наступних поколіннях. Методика прискореного проведення подібних біологічних експериментів поки що не існує. Саме ця обставина вимагає значно випереджає у часі закладення експериментів з вивчення енерго- та масообмінних процесів у біологічних СЖО, що включають людину.
Зрозуміло, що основні питання створення біологічних СЖО космічних екіпажів мають бути попередньо відпрацьовані та вирішені у наземних умовах. Для цих цілей створювалися і створюються спеціальні технічні та медико-біологічні центри, що включають потужні дослідні та випробувальні бази, гермобарокамери великого об'єму, стенди, що імітують умови космічного польоту, тощо. визначається сумісність систем і ланок один з одним і з людиною, з'ясовується стійкість біологічних ланок у довгостроково функціонуючої штучної екосистемі, оцінюється ефективність і надійність прийнятих рішень і робиться вибір варіанта біологічної СЖО для його остаточного поглибленого опрацювання стосовно конкретного космічного об'єкта або польоту.
У 60 – 70-х роках у СРСР було виконано низку унікальних наукових експериментів, вкладених у створення біологічних СЖО для екіпажів штучних космічних екосистем. У листопаді 1968 р. в СРСР було завершено тривалий (річний) експеримент за участю трьох випробувачів. Основними його цілями були перевірка та відпрацювання технічних засобів і технологій комплексної СЖО, заснованої на фізико-хімічних методах регенерації речовин та біологічному способі заповнення потреб людини у вітамінах та клітковині при культивуванні в оранжереї зелених: культур, У цьому експерименті посівна площа оранжереї становила всього 7, 5 м 2 , продуктивність з біомаси на одну особу в середньому дорівнювала 200 г на добу. У набір культур входили хижинська капуста, огіркова трава, крес-салат і кріп.
В процесі експерименту була встановлена можливість нормального вирощування вищих рослин у замкнутому об'ємі при перебуванні в ньому людини та багаторазового використання транспіраційної води без її регенерації для зрошення субстрату. В оранжереї здійснювалася часткова регенерація речовин, забезпечуючи мінімальну замкнутість по їжі та кисню – на 3 – 4%.
У 1970 р. на ВДНГ СРСР демонструвався експериментальний макет системи життєзабезпечення, представлений Всесоюзним науково-дослідним біотехнічним інститутом Головмікробіопрому СРСР та призначений для визначення оптимального складу комплексу біотехнічних блоків та режиму їх роботи. Система життєзабезпечення макета була розрахована на задоволення потреб трьох осіб у воді, кисні та свіжих рослинних продуктах протягом необмежено тривалого періоду часу. Основні регенераційні блоки в системі були представлені водоростевим культиватором ємністю 50 л та оранжереєю з корисною площею близько 20 м 2 (рис. 3). Відтворення тварин харчових продуктів покладалося на культиватор курей.
 Мал. 3. Зовнішній вигляд оранжереї |
В Інституті фізики Сибірського відділення АН СРСР було виконано серію експериментальних досліджень екосистем, що включають людину. Експеримент із дволанковою системою «людина – мікроводорості» (хлорела) тривалістю 45 діб дозволив вивчити масообмін між ланками системи та навколишнім середовищем та досягти показника загальної замкнутості круговороту речовин, що дорівнює 38% (регенерація атмосфери та води).
Експеримент із триланковою системою «людина – вищі рослини – мікроводорості» виконувався протягом 30 діб. Мета – вивчення сумісності людини з вищими рослинами при повністю замкнутому газообміні та частково замкнутому водообміні. При цьому була спроба замкнути харчовий ланцюг по рослинній (овочевій) біомасі. Результати експерименту показали відсутність взаємного гнітючого впливу ланок системи через загальну атмосферу протягом експерименту. Була визначена мінімальна величина посадкової площі безперервної культури овочів для забезпечення потреби однієї людини у свіжих овочах при обраному режимі вирощування (2,5 – 3 м 2 ).
Введенням у систему четвертої ланки – мікробного культиватора, призначеного для переробки нехарчових рослинних відходів та повернення їх у систему, було розпочато новий експеримент із людиною тривалістю 73 діб. У процесі експерименту повністю замкнуто газообмін ланок, майже повністю – водообмін (виключаючи проби на хімічний аналіз) і частково – харчовий обмін. За час експерименту виявилося погіршення продуктивності вищих рослин (пшениці), пояснене накопиченням метаболітів рослин або супутньої мікрофлори у живильному середовищі. Було зроблено висновок про недоцільність введення в систему ланки мінералізації твердих виділень людини, виходячи з техніко-економічних показників чотириланкової біологічної системи.
У 1973 р. було завершено піврічний експеримент із життєзабезпечення екіпажу з трьох осіб у замкнутій екосистемі із загальним обсягом близько 300 м 3 , що включала, окрім випробувачів, ланки вищих та нижчих рослин. Експеримент виконувався у три етапи. На першому етапі, що тривав два місяці, всі потреби екіпажу в кисні та воді задовольнялися за рахунок вищих рослин, що включали пшеницю, буряк, моркву, кріп, ріпу, капусту листову, редис, огірки, цибулю та щавель. Стічні води з побутового відсіку подавалися в живильне середовище для пшениці. Тверді та рідкі виділення екіпажу виводилися з гермооб'єму назовні. Харчові потреби екіпажу задовольнялися частково вищими рослинами, а частково зневодненими продуктами із запасів. Щодобово у ланці вищих рослин з посадкової площі близько 40 м 2 синтезувалося 1953 біомаси (в сухій вазі), включаючи 624 г їстівної, що склало 30% від повної потреби екіпажу. При цьому повністю забезпечувалася потреба трьох осіб у кисні (близько 1500 л на добу). Замкнутість системи «людина – вищі рослини» цьому етапі становила 82%.
З другого краю етапі експерименту частина оранжереї замінили ланкою нижчих рослин – хлореллой. Потреби екіпажу у воді та кисні задовольнялися вищими (пшениця та овочеві культури) та нижчими рослинами, рідкі виділення екіпажу прямували у водоростевий реактор, тверді виділення висушувалися для повернення води у кругообіг. Харчування екіпажу здійснювалося аналогічно першому етапі. Виявилося погіршення зростання пшениці внаслідок збільшення кількості стічно-побутової води, що надходить з живильним середовищем на одиницю посадкової площі, що скоротилася вдвічі.
На третьому етапі у ланці вищих рослин залишили лише овочеві культури, і основне навантаження по регенерації атмосфери гермооб'єму виконував водоростевий реактор. Стічно-побутова вода поживний розчин для рослин не вносилася. Проте на цьому етапі експерименту було виявлено інтоксикацію рослин атмосферою гермооб'єму. Замкненість системи, що включає хлорелу, що утилізує рідкі виділення людини, зростала до 91%.
У ході експерименту особливу увагу приділяли питанню вирівнювання тимчасових коливань в обміні екзометаболітів екіпажу. З цією метою випробувачі жили за графіком, що забезпечив безперервність управління екосистемою та рівномірність рівня масообміну у процесі автономного існування екосистеми. За 6 міс експерименту в системі знаходилося 4 випробувачі, один з яких мешкав у ній безперервно, а троє – по 6 міс, замінюючись за графіком.
Основний результат експерименту – доказ можливості здійснення обмеженому замкнутому просторі біологічної системи життєзабезпечення, автономно керованої зсередини. Аналіз показників фізіологічних, біохімічних та технологічних функцій випробувачів не виявив спрямованих змін, спричинених їх перебуванням у штучній екосистемі.
У 1977 р. в Інституті фізики СО АН СРСР було проведено чотиримісячний експеримент із штучною замкнутою екосистемою «людина – вищі рослини». Основне завдання – знайти спосіб збереження продуктивності вищих рослин за умов замкнутої екосистеми. При цьому вивчалася можливість підвищення замкнутості системи шляхом збільшення відтворюваної в ній частки харчового раціону екіпажу. В експерименті брали участь два випробувачі (протягом перших 27 днів – три випробувачі). Посівна площа фітотрону становила близько 40 м2. Набір культур вищих рослин включав пшеницю, чуфу, буряк, моркву, редис, цибулю, кріп, капусту листову, огірки, картопля та щавель. В експерименті було організовано примусову циркуляцію внутрішньої атмосфери за контуром «житловий відсік – фітотрони (оранжерея) – житловий відсік». Експеримент став продовженням попереднього експерименту із замкнутою екосистемою «людина – вищі рослини – нижчі рослини».
У ході досвіду, перший етап якого відтворював умови попереднього, виявилося зниження фотосинтезу рослин, що почалося з 5-х діб і тривало до 24 діб. Далі було включено термокаталітичне очищення атмосфери (допалювання токсичних газоподібних домішок), внаслідок чого інгібуюча дія атмосфери на рослини була знята і фотосинтетична продуктивність фітотронів відновлена. За рахунок додаткової вуглекислоти, отриманої від спалювання соломи та целюлози, відтворювана частина раціону екіпажу була доведена до 60% за масою (до 52% за калорійністю).
Водообмін у системі був частково замкнутим: джерелом питної та частково санітарно-побутової води служив конденсат транспірацнонної вологи рослин, для поливу пшениці використовувалося живильне середовище з додаванням стічних господарських вод, а водний баланс підтримувався введенням дистильованої води в кількостях, що компенсують виведення з системи .
Після завершення експерименту був виявлено негативних реакцій організму випробувачів на комплексне вплив умов замкнутої системи. Рослини повністю забезпечили випробувачів киснем, водою та основною частиною рослинної їжі.
У тому ж 1977 р. завершився півторамісячний експеримент із двома випробувачами в Інституті медико-біологічних проблем МОЗ СРСР. Експеримент проводився з метою вивчення моделі замкнутої екосистеми, що включала оранжерею та встановлення з хлорелою.
Виконані експерименти показали, що при здійсненні біологічної регенерації атмосфери та води в штучній екосистемі за допомогою зелених рослин нижчі рослини (хлорела) мають більшу біологічну сумісність із людиною, ніж вищі. Це випливає з того факту, що атмосфера житлового відсіку та виділення людини несприятливо впливали на розвиток вищих рослин та була потрібна деяка додаткова фізико-хімічна обробка повітря, що надходить в оранжерею.
За кордоном роботи, створені задля створення перспективних СЖО, найбільш інтенсивно ведуться США. Дослідження проводяться у трьох напрямках: теоретичному (визначення структури, складу та розрахункових характеристик), експериментальному наземному (випробування окремих біологічних ланок) та експериментальному льотному (підготовка та проведення біологічних експериментів на пілотованих космічних кораблях). Займаються проблемою створення біологічних СЖО центри НАСА та фірми, які розробляють космічні кораблі та системи до них. У багатьох дослідженнях перспективного характеру беруть участь університети. У НАСА створено відділ біосистем, що координує роботи з програми створення керованої біотехнічної СЖО.
Великий інтерес фахівців-екологів викликав проект створення в США грандіозної штучної споруди, яку назвали «Біосферою-2». Ця споруда зі скла, сталі та бетону являє собою повністю герметичний об'єм, що дорівнює 150 000 м 3 і займає площу 10 000 м 2 . Весь обсяг розділений на великомасштабні відсіки, в яких формуються фізичні моделі різних кліматичних зон Землі, що включають тропічний ліс, тропічну савану, лагуну, мілководні та глибоководні зони океану, пустелю тощо. лабораторії, майстерні, сільськогосподарські оранжереї та ставки для розведення риби, системи переробки відходів та інші необхідні для життєдіяльності людей обслуговуючі системи та технічні засоби. Скляні стелі та стіни відсіків «Біосфери-2» повинні забезпечити надходження променистої сонячної енергії до її мешканців, серед яких протягом перших двох років перебуватиме вісім випробувачів-добровольців. Їм належить довести можливість активного життя та діяльності в ізольованих умовах на основі внутрішнього біосферного круговороту речовин.
Інститут екотехніки, який очолив у 1986 р. створення «Біосфери-2», планує завершити її будівництво вже цього року. До участі в реалізації проекту приєдналися багато авторитетних вчених та технічних фахівців.
Незважаючи на значну вартість робіт (не менше 30 млн. дол.), реалізація проекту дозволить провести унікальні наукові дослідження в галузі екології та біосфери Землі, визначити можливість застосування окремих елементів «Біосфери-2» у різних галузях господарства (біологічне очищення та регенерація води, повітря та їжі). "Подібні конструкції виявляться необхідними для створення поселень у космічному просторі, а може, і для збереження певних видів живих істот на Землі", - стверджує астронавт США Р. Швейкарт.
Практичне значення згаданих експериментів полягає у вирішенні окремих питань створення космічних замкнутих екосистем, які включають людини. Не менш важливими є результати цих експериментів для пізнання законів екології та медико-біологічних основ адаптації людини до екстремальних умов середовища, уточнення потенційних можливостей біологічних об'єктів в інтенсивних режимах культивування, розробки безвідходних та екологічно чистих технологій забезпечення потреб людини у якісній їжі, воді та повітрі у штучних. ізольованих заселених спорудах (підводні поселення, полярні станції, селища геологів на Крайній Півночі, оборонні споруди тощо).
У перспективі можна уявити цілі безвідходні та екологічно чисті міста. Наприклад, директор Міжнародного інституту системного аналізу Ч. Маркетті вважає: «Наша цивілізація зможе спокійно існувати, і до того ж в умовах кращих, ніж нинішні, замкнувшись у містах-острівах, що знаходяться на повному самозабезпеченні, не залежать від мінливості природи, не потребують ні природного. сировину, ні в природній енергії та гарантованих від забруднень». Додамо, що для цього потрібно виконання лише однієї умови: об'єднання зусиль всього людства у мирній творчій праці на Землі та в космосі.
ВИСНОВОК
Успішне вирішення проблеми створення великих штучних екосистем, що включають людину і засновані на повністю або частково замкнутому біологічному кругообігу речовин, має велике значення не тільки для подальшого прогресу космонавтики. В епоху, коли «з такою страшною ясністю ми побачили, що до фронту ядерно-космічної загрози наближається і встає в один ряд з ним другий фронт – екологічний» (з виступу міністра закордонних справ СРСР Е. А. Шеварднадзе на 43 сесії Генеральної Асамблеї ООН), одним з реальних шляхів виходу з екологічної кризи, що наближається, може бути шлях створення практично безвідходних і екологічно чистих інтенсивних агропромислових технологій, в основу яких повинен бути покладений біологічний кругообіг речовин і більш ефективне використання сонячної енергії.
Йдеться про принципово нову науково-технічну проблему, результати вирішення якої можуть мати величезне значення для захисту та охорони навколишнього середовища, розробки та широкого застосування нових інтенсивних та безвідходних біотехнологій, створення автономних автоматизованих та роботизованих комплексів з напрацювання харчової біомаси, вирішення продовольчої програми на високому. сучасному науково-технічному рівні. Космічне невідривно від земного, тому вже сьогодні результати космічних програм дають суттєвий економічний та соціальний ефект у різних галузях народного господарства.
Космос служить і має служити людям.
ЛІТЕРАТУРА
Блінкін С. А., Рудницька Т. В.Фітонциди довкола нас. - М.: Знання, 1981.
Газенко О. Г., Пєстов І. Д., Макаров В. І.Людство та космос. - М.: Наука, 1987.
Дадикін В. П. Космічне рослинництво. - М.: Знання, 1968.
Навіть Р. Основи екології. - М.: Прогрес, 1975.
Замкнута система: людина - вищі рослини (чотиримісячний експеримент) / За ред. Г. М. Лісовського. - Новосибірськ-Наука, 1979.
Космонавтика. Енциклопедія / За ред. В. П. Глушко - М.: Радянська енциклопедія, 1985.
Лапо А. В. Сліди колишніх біосфер. - М.: Знання, 1987.
Нічипорович А. А.ККД зелений лист. - М.: Знання 1964.
Основи космічної біології та медицини. / За ред. Про Г Газенка (СРСР) та М. Кальвіна (США). - Т. 3 - М.: Наука, 1975.
Плотніков В. В. На перехрестях екології. - М.: Думка, 1985
Ситник К. М., Брайон А. Ст, Гордецький А. Ст.Біосфера, екологія, охорона навколишнього середовища. - Київ: Наукова думка, 1987.
Експериментальні екологічні системи, що включають людину / За ред. В. М. Чернігівського. - М.: Наука, 1975
Яздовський В. І. Штучна біосфера. - М.: Наука, 1976
додаток
КОСМІЧНИЙ ТУРИЗМ
В. П. МИХАЙЛОВ
В умовах туристичного буму, що повсюдно розпочався у 60-ті роки, фахівці звернули увагу на можливість здійснення космічних подорожей з туристичними цілями.
Космічний туризм розвивається за двома напрямками. Один із них суто земний – без польотів у космос. Туристи відвідують земні об'єкти – космодроми, пункти управління польотами, «зіркові» містечка, підприємства з розробки та виготовлення елементів космічної техніки, присутні та спостерігають за запуском літальних космічних апаратів та ракет-носіїв.
Земний космічний туризм почав здійснюватися з липня 1966 р., коли було організовано перші автобусні екскурсії стартовими комплексами НАСА на мисі Кеннеді. На початку 70-х років туристи на автобусах відвідували майданчик комплексу № 39, з якого стартували астронавти при польоті на Місяць, будівля вертикального складання (ангар понад 100 м заввишки), де збиралася та випробовувалась ракета-носій «Сатурн-V» та стиковувався космічний. корабель «Аполлон», стоянку унікального гусеничного шасі, що доставляє ракету-носій на стартовий майданчик, та багато іншого. У спеціальному кінозалі вони дивилися кінохроніку космічних подій. На той час подібну екскурсію щодня здійснювало влітку до 6 – 7 тис. туристів, у мертвий сезон – близько 2 тис. Неорганізовані туристи збільшували потік відвідувачів ще приблизно на 20 – 25%.
Із самого початку подібні екскурсії здобули широку популярність. Вже 1971 р. було зафіксовано чотиримільйонний їх учасник. Під час деяких запусків (наприклад, на Місяць) кількість туристів складала сотні тисяч.
Інший напрямок – безпосередній космічний туризм. Хоча сьогодні він перебуває у зародковому стані, перспективи його широкі. Окрім суто туристичного аспекту, тут треба мати на увазі стратегічний та економічний аспекти.
Стратегічний аспект полягає у можливому частковому розселенні людства в межах Сонячної системи. Звісно, це справа віддаленого майбутнього. Розселення відбуватиметься протягом сотень років та тисячоліть. Людина має звикнути до проживання у космічному просторі, облаштуватись у ньому, накопичити певний досвід – якщо, звичайно, не відбудуться якісь земні чи космічні катаклізми, коли цей процес треба буде прискорити. І космічний туризм – відмінна модель для відпрацювання цього процесу. З іншого боку, досвід забезпечення людського життя в космосі, накопичений при туристичних подорожах, знайомство з обладнанням, приладами життєзабезпечення в космосі дозволять людині успішніше жити та працювати на Землі в умовах погіршення навколишнього середовища, користуватися космічними «оземленими» технічними засобами.
Економічний аспект космічного туризму також дуже важливий для космонавтики. Деякі експерти бачать у космічному туризмі, орієнтованому використання особистих коштів космічних туристів, істотне джерело фінансування космічних програм. На їхню думку, збільшення вантажопотоку в космос в результаті космічного туризму порівняно з існуючим у 100 разів (що реально) дозволить знизити, у свою чергу, питому вартість виведення одиниці корисного вантажу в 100 – 200 разів для всієї космонавтики в цілому без залучення додаткових. державних капіталовкладень.
Як вважають фахівці, щорічні витрати людства на туризм виражаються у сумі близько 200 млрд. ф. ст. У найближчі десятиліття космічний туризм може становити 5% цієї цифри, т. е. 10 млрд. ф. ст. Вважають, що якщо вартість космічного туру буде оптимально збалансована і при цьому буде забезпечена досить висока безпека польоту (порівняна з рівнем безпеки польоту на сучасному пасажирському реактивному лайнері), то близько 100 млн. людей виявили б бажання здійснити космічну подорож у найближчі десятиліття. За іншими оцінками, потік космічних туристів становитиме до 2025 р. щорічно 100 тис. осіб, а за наступні 50 років кількість тих, хто побував у космосі, досягне близько 120 млн. осіб.
Скільки ж може коштувати космічний тур у наші дні? Прикинемо верхню межу «турпутівки». У підготовка космонавта становить близько 1 млн. крб., серійна ракета-носій коштує 2 – 3 млн. крб., двомісний космічний корабель – 7 – 8 млн. крб. Отже, «політ двома» становитиме приблизно 11 – 13 млн. крб., крім так званого наземного обеспечения. Цю цифру можна було б значно зменшити, якщо космічний корабель виконувати в суто туристичному варіанті: не начиняти його складною науковою апаратурою, збільшивши за рахунок цього кількість пасажирів, готувати їх до польоту не за програмою космонавтів, а за простішим і т.д. б цікаво точніше визначити вартість турпольоту, проте це мають зробити. економісти у галузі ракетно-космічної техніки.
Існують інші шляхи зниження вартості туристичного польоту в космос. Один із них – створення спеціального туристичного корабля багаторазового використання. Оптимісти вважають, що вартість польоту на космічних транспортних кораблях другого та третього покоління буде порівнянна з вартістю польоту на пасажирському реактивному літаку, що й визначить масовий космічний туризм. І все ж експерти припускають, що вартість туру для перших туристів складе близько 1 млн. дол. У наступні десятиліття вона швидко зменшуватиметься і сягне 100 тис. дол. готелі на орбітах Землі та на Місяці, потокове виготовлення туристичного екіпірування, навчання заходам безпеки тощо, в умовах масового туризму вартість туру знизиться до 2 тис. дол. Це означає, що вартість виведення в космічний простір корисного вантажу повинна становити не більше 20 дол/кг. Нині ця цифра дорівнює 7 – 8 тис.
На шляху космічного туризму ще багато труднощів та невирішених проблем. Однак космічний туризм – реальність ХХІ віха. А поки що 260 осіб із десяти країн світу вже внесли до однієї з американських організацій, яка почала працювати в цьому напрямку, гроші на розробку та здійснення космічного туристичного польоту. Деякі американські бюро подорожей почали продавати квитки перший туристичний рейс Земля–Луна. Дата відльоту відкрита. Вона буде проставлена у квитку, як вважають, через 20 – 30 років.
І все ж таки американці тут не перші. У 1927 р. у Москві на Тверській вулиці відбулася перша у світі міжнародна виставка космічних апаратів. На ній складалися списки бажаючих летіти на Місяць чи Марс. Охочих виявилося багато. Може, хтось із них не втратив ще надії вирушити в першу туристичну подорож до космосу.
ХРОНІКА КОСМОНАВТИКИ*
* Продовження (див. № 3 за 1989 р.). За матеріалами різних інформаційних агентств та періодичного друку наводяться дані про запуск деяких штучних супутників Землі (ІСЗ), починаючи з 15 листопада 1989 р. Запуски ШСЗ «Космос» не реєструються. Про них регулярно повідомляє, наприклад, журнал «Природа», худа і відсилаємо читачів, що цікавляться. Пілотованим космічним польотам присвячується окрема програма.
15 ЛИСТОПАДА 1988 р. у Радянському Союзі вперше здійснено випробувальний пуск універсальної ракетно-космічної транспортної системи «Енергія» з кораблем багаторазового використання «Буран». Виконавши двовитковий безпілотний політ, орбітальний корабель «Буран» успішно приземлився в автоматичному режимі на смугу для посадки космодрому Байконур. Корабель "Буран" побудований за схемою літака типу "безхвостка" з трикутним крилом змінної стріловидності. Здатний здійснювати керований спуск в атмосфері з бічним маневром до 2000 км. Довжина корабля 36,4 м, розмах крила близько 24 м, висота корабля, що стоїть на шасі, понад 16 м. Стартова маса понад 100 т, з яких 14 т посідає паливо. У його вантажному відсіку може бути корисний вантаж масою до 30 т. У носовий відсік вбудована герметична кабіна для екіпажу та апаратури об'ємом понад 70 м 3 . У хвостовій частині корабля розташована основна рухова установка, дві групи двигунів для маневрування розміщені в кінці хвостового відсіку та передній частині корпусу. Теплозахисне покриття, що складається майже із 40 тис. плиток індивідуального профілю, виконане зі спеціальних матеріалів – високотемпературних кварцових та органічних волокон, а також матеріалу на основі вуглецю. Перший політ багаторазового корабля "Буран" відкриває якісно новий етап у радянській програмі космічних досліджень.
10 ГРУДНЯ 1988 р. ракета-носій «Протон» вивела на орбіту черговий (19-й) радянський ШСЗ телевізійного мовлення «Екран». Виводяться на геостаціонарну орбіту в точку стояння 99 в. д. (міжнародний реєстраційний індекс "Стаціонар Т"), ці ШСЗ використовуються для передачі в дециметровому діапазоні довжин хвиль телевізійних програм в райони Приуралля та Сибіру на абонентські приймальні пристрої колективного користування.
11 ГРУДНЯ 1988 р. з космодрому Куру у Французькій Гвіані за допомогою західноєвропейської РН «Аріан-4» запущено на геостаціонарну орбіту два ШСЗ зв'язку – англійський «Скай-нет-4В» і люксембурзькому консорціуму1 SES, що належить. ШСЗ «Астра-1» призначений для ретрансляції телевізійних програм до місцевих розподільчих центрів західноєвропейських країн. Супутник має 16 ретрансляторів середньої потужності, більшу частину яких орендує англійська організація «Брітіш Телеком». Розрахункова точка стояння ШСЗ «Астра-1» 19,2 ° з. д. Спочатку англійський супутник передбачалося вивести за допомогою американського МТКК "Спейс Шаттл". Проте аварія «Челленджера» у січні 1986 р. порушила ці плани, і для запуску вирішили використати РН «Аріан». Запуск двох супутників було здійснено РН «Аріан-4», оснащеною двома твердопаливними та двома рідинними прискорювачами. Консорціум «Аріанспейс» оголосив потенційним споживачам, що ця модель ракети здатна доставити на перехідну орбіту з висотою апогею 36 тис. км. корисний вантаж масою 3,7 т. У цьому варіанті «Аріан-4» використовується вдруге. Перший запуск РН у такій комплектації був випробувальним. Тоді в 1988 р. з її допомогою на орбіту було виведено три супутники: західноєвропейські метеорологічний «Метеосат-3» та радіоаматорський «Амсат-3», а також американський зв'язковий «Панамсат-1».
22 ГРУДНЯ 1988 р. в СРСР РН «Блискавка» на високоеліптичну орбіту з висотою апогею 39 042 км у Північній півкулі виведено черговий (32-й) ШСЗ «Блискавка-3» з метою забезпечення експлуатації системи дальньої телефонно-телеграфної радіозв'язку за системою "Орбіта".
23 ГРУДНЯ 1988 р. у КНР із космодрому Січан за допомогою РН «Великий похід-3» запущено 24-й ШСЗ КНР. Це четвертий китайський зв'язковий супутник, виведений на геостаціонарну орбіту. Введенням супутника в експлуатацію завершиться переведення всіх програм національного телебачення на ретрансляцію через супутникову систему. Під час запуску ШСЗ був присутній прем'єр Держради КНР Лі Пен.
25 ГРУДНЯ 1988 р. в СРСР РН «Союз» виведено на орбіту автоматичний вантажний космічний корабель «Прогрес-39», призначений для постачання радянської орбітальної станції «Мир». Корабель стикувався зі станцією 27 грудня, відстикувався від неї 7 лютого 1989 р. і того ж дня увійшов в атмосферу і припинив існування.
28 ГРУДНЯ 1988 р. в СРСР РН «Блискавка» виведено на високоеліптичну орбіту з висотою апогею 38 870 км у Північній півкулі чергової (75-ї) ШСЗ зв'язку «Молія-1». Цей ШСЗ експлуатується у складі супутникової системи, що у Радянському Союзі для телефонної і телеграфної радіозв'язку, і навіть передачі телевізійних програм у системі «Орбіта».
26 СІЧНЯ 1989 р. в СРСР РН «Протон» запущено черговий (17-й) ШСЗ зв'язку «Обрій». Виведений на геостаціонарну орбіту в точку стояння 53 в. д., він отримав міжнародний реєстраційний індекс "Стаціонар-5". ШСЗ "Обрій" використовується для передачі телевізійних програм на мережу наземних станцій "Орбіта", "Москва" та "Інтерсупутник", а також для зв'язку з суднами та літаками за допомогою додаткових ретрансляторів.
27 СІЧНЯ 1989 р. РН «Аріан-2» на перехідну орбіту виведено ШСЗ «Інтелсат-5А» (зразок Ф-15) для використання у глобальній комерційній супутниковій системі зв'язку міжнародного консорціуму ІТСО. Переведений на точку стояння на геостаціонарній орбіті 60° ст. д., супутник замінить ІСЗ, що знаходиться там, «Інтелсат-5А» (зразок Ф-12), запущений у вересні 1985 р.
10 ЛЮТОГО 1989 р. в СРСР РН «Союз» здійснено запуск автоматичного вантажного космічного корабля «Прогрес-40», призначеного для постачання радянської орбітальної станції «Мир». Корабель стикувався зі станцією 12 лютого, а відстикувався від неї 3 березня. Після розстикування був виконаний експеримент з розгортання в умовах відкритого космосу двох багатогабаритних багатоланкових конструкцій, що знаходилися в складеному стані на зовнішній поверхні корабля «Прогрес-40». За командою бортової автоматики ці конструкції були почергово розкриті. Їх розгортання проводилося за рахунок використання елементів з матеріалу, що має ефект пам'яті форми. 5 березня на кораблі було включено рухову установку. Внаслідок гальмування корабель увійшов в атмосферу та припинив існування.
15 ЛЮТОГО 1989 р. СРСР РН «Блискавка» виведено на високоеліптичну, орбіту з висотою апогею 38 937 км у Північній півкулі черговий (76-й) ШСЗ зв'язку «Блискавка-1». Цей ШСЗ включений до супутникової системи, що використовується в Радянському Союзі для телефонного та телеграфного радіозв'язку, а також передачі телевізійних програм за системою «Орбіта».
16 БЕРЕЗНЯ в СРСР РН «Союз» здійснено запуск автоматичного вантажного космічного корабля «Прогрес-41», призначеного для постачання радянської орбітальної станції «Мир». Корабель стикувався зі станцією 18 березня.
Хроніка пілотованих польотів 1
1 Продовження (див. № 3 за 1989 р.).
2 У дужках вказано кількість польотів у космос, включаючи останній.
3 Експедиція на станцію «Мир».
4 Космонавти О. Волков та С. Крикальов залишилися в екіпажі станції «Мир». 21 грудня 1988 р. разом із Ж.-Л. Кретьєном зі станції «Мир» на землю повернулися У. Титов і М. Манаров, які здійснили найтриваліший історія космонавтики політ тривалістю 1 рік.
НОВИНИ АСТРОНОМІЇ
НИТИ В КРАЇНІ ЧУДЕС
Ми вже згадували в наших невеликих нотатках про один із космологічних наслідків деяких моделей Великого об'єднання – передбачення існування космологічних ниток. Це одновимірні протяжні структури з високою лінійною щільністю маси (~Ф 0 2 де Ф 0 - ненульове вакуумне середнє) і товщиною ~1/Ф 0 .
Серед багатьох реалістичних моделей Великого об'єднання (оскільки є й нереалістичні) найбільш вдалі ті схеми, які включають дзеркальні частинки, суворо симетричні за своїми властивостями відповідним звичайним частинкам. Дзеркальними двійниками обзаводяться не тільки частинки матерії (електрони, кварки), а й частинки-переносники взаємодій (фотони, W-бозони, глюони і т. д.). У схемах такого роду порушення повної симетрії призводить до переходу від звичайних частинок до дзеркальних. Нитки, що з'являються у цих моделях, називають нитками Аліси. Від «звичайних» космологічних ниток їх відрізняє таке додаткове властивість: обхід навколо нитки змінює дзеркальність об'єкта.
З цієї «задзеркальної» властивості випливає, що саме собою визначення дзеркальності стає відносним: якщо макроскопічний об'єкт вважається нами звичайним при обході нитки зліва, він виявляється дзеркальним, якщо нитка обходиться праворуч (чи: навпаки). Крім того, електромагнітне випромінювання, яке ми сприймаємо як звичайне зліва від нитки Аліси, праворуч від неї буде дзеркальним. Наші звичайні електромагнітні приймачі зареєструвати його не зможуть.
Але це все теоретично. Чи існують якісь можливі спостережні прояви алісиних ниток? Всі властивості, які є у звичайних космологічних ниток, є й у ниток Аліси. Але на відміну від перших ниток Аліси в ході своєї еволюції повинні змінювати відносну дзеркальність частинок та променів світла. Існування дзеркальних частинок призводить до того, що зірки і, ймовірно, кульові скупчення повинні мати одну дзеркальність, а галактики і більші неоднорідності (скупчення, надскоплення) складаються з рівної кількості дзеркальних і звичайних частинок. При цьому середні характеристики (спектр, світність, розподіл за масами і швидкостям тощо. буд.) однакові. Тому якщо ми не можемо «дозволити» галактику на окремі зірки, то не можемо і помітити проходження нитки Аліси між ними та галактикою, адже як дзеркальна, так і звичайна світність та спектри галактики повністю симетричні.
Можна спробувати виявити прояв нитки Аліси (як, втім, і космологічної нитки будь-якої природи) за ефектом свічення газу в ударній хвилі, що викликається нею. Остання формується при збуренні речовини конічним гравітаційним полем нитки. Щоправда, світність газу в ударній хвилі за ниткою важко відокремити від тла загальної світності такого газу. Це саме стосується і обурення температури реліктового випромінювання в напрямку на нитку. Тому найбільш перспективним, як вважають теоретики, є пошук ефекту гравітаційної лінзи, обумовленого ниткою Аліси.
ЧИ ПОСТІЙНА ПОСТОЯНА?
Йдеться про ньютонівську гравітаційну постійну G. Існує маса теорій, що передбачають необхідність її зміни. Втім, не тільки її, а й інших фундаментальних констант – у деяких моделях теорії суперструн, наприклад, ці константи повинні змінюватись разом із віком Всесвіту (при розширенні Всесвіту) G, наприклад, має зменшуватися).
Жоден з експериментів, проведених на цей час, не дав жодних свідчень на користь непостійності G. Встановлено лише верхні межі такої зміни – близько 10 –11 частин на рік. Нещодавно американські вчені підтвердили цю оцінку, спостерігаючи за подвійним радіопульсаром.
Відкритий 1974 р. подвійний пульсар PSR 1913 + 16 складається з нейтронної зірки, яка обертається навколо іншого компактного об'єкта. Так успішно склалося, що швидкість зміни його орбітального періоду відома з напрочуд високою точністю.
Загальна теорія відносності передбачає, що така подвійна система випромінює гравітаційні хвилі. У цьому орбітальний період подвійного пульсара змінюється. Швидкість його зміни, передбачувана у припущенні сталості G, чудово збігається з спостерігається.
Спостереження американських учених дозволяють оцінити межу змінності Gза невеликою різницею між спостереженнями та прогнозами загальної теорії відносності. Ця оцінка, як сказано, дає величину близько 10 –11 елементів на рік. Так що швидше за все Gніколи не змінюється.
«СВІТЛОВЕ ВІДЛУННЯ» СВЕРХНОВИЙ-87
Австралійські та американські астрономи виявили досить сильне збільшення інфрачервоного випромінювання від Наднової з БМО. Сам собою факт такого випромінювання нічого особливого не представляє. Незрозумілий і несподіваний його спалах.
Запропоновано декілька гіпотез. По одній з них «світить» пульсар, що «засів» у газі, викинутому зіркою, що вибухнула (щоправда, випромінювання пульсара має бути більш короткохвильовим). Згідно з другою гіпотезою, гази від вибуху конденсуються в тверді макропилки, які, будучи нагрітими, випускають інфрачервоне випромінювання.
Третя гіпотеза теж «пилова». За тисячі та тисячі років до вибуху початкова зірка втрачала газ, який збирався довкола неї. Пилова оболонка розтяглася навколо Наднової майже на світловий рік – стільки часу знадобилося світлу від зірки, що вибухнула, щоб досягти пилової хмари. Нагрітий пил перевипромінює в інфрачервоному діапазоні, і випромінювання потрібно ще рік, щоб дістатися земних спостерігачів. Цим пояснюється час, що минув від реєстрації вибуху Наднової до виявлення спалаху інфрачервоного випромінювання.
НЕМАЄ МАСА
Якщо сучасна теорія еволюції зірок вірна (а в цьому, схоже, немає жодних підстав сумніватися), то маломасивні зірки (з масою, меншої маси Сонця) не «мають характеру» закінчувати своє життя у вигляді планетарної туманності – хмари газу, що світиться, в центрі якої залишок первісної зірки.
Однак досить тривалий час ця заборона загадково порушувалася – у багатьох випадках маса планетарної туманності виявлялася меншою за масу Сонця. Англійська і голландська астрономи досліджували три яскраві планетарні туманності (вірніше, їх слабкі оболонки). З допомогою отриманих ними спектрів було обчислено маса як оболонки, і самої туманності. Проблема дефіциту маси прояснилася - в оболонці знаходиться значно більше речовини, ніж у туманності. Спочатку зірки – «організатори» планетарних туманностей – мають бути важчими. Маса, що бракує, знаходиться в оболонці.
Але відразу виникла нова загадка. Температури газу, розраховані для туманності та оболонки, різняться – оболонка виявилася вдвічі гарячою за туманність. Здавалося б, має бути навпаки, адже центральна зірка має нагрівати газ оболонки. Одне з припущень, що пояснюють цей парадокс: енергію для нагрівання оболонки постачає швидкий вітер, що дме від центральної зірки.
УВАГА – Спалах
Американський супутник SMM, призначений для дослідження Сонця, передбачив свою передчасну «кончину» – сходження з орбіти. Дані, отримані за допомогою цього супутника, свідчать, що, як вважають фахівці Національного управління з дослідження океанів та атмосфери, найближчі чотири роки ми проведемо в обстановці підвищеної сонячної активності. З усіма наслідками, що звідси випливають - магнітними бурями, що утрудняють радіозв'язок і навігацію, що заважають роботі радіолокаторів, що становлять цілком певну небезпеку для: екіпажів космічних кораблів, що ушкоджують тонкі електронні деталі супутників і т.д.
Сонячні спалахи викидають тверде ультрафіолетове: випромінювання, що нагріває верхні шари атмосфери. В результаті збільшується висота її верхньої (умовної) межі. Коротше кажучи, атмосфера «обурюється», що в першу чергу відбивається на супутниках, що знаходяться на низьких орбітах. Час їхнього життя скорочується. Свого часу це сталося з американською станцією "Скайлеб", що зійшла з орбіти раніше терміну. Ця ж доля, як уже було сказано, чекає і на супутник SMM.
Цикли сонячної активності відомі вже давно, але природа процесів, що викликають ці явища, залишається не до кінця вивченою.
НОВІ ТЕЛЕСКОПИ
Гора Мауна-Кеа (4170 м, Гавайські острови, США) незабаром стане астрономічною Меккою. На додаток до телескопів, які вже існують на обсерваторії, розміщеній на цій горі, проектуються (і вже будуються) нові, потужніші оптичні телескопи.
Каліфорнійський університет будує 10-метровий телескоп, який має бути закінчений і встановлений у 1992 р. Він складатиметься з 36 шестикутних сполучених дзеркал, розташованих у вигляді трьох концентричних кілець. Електронні датчики, встановлені на всіх торцях сегментних дзеркал, будуть передавати дані про поточне їхнє положення та орієнтацію один щодо одного в ЕОМ, яка видасть команди на активні приводи дзеркал. В результаті забезпечується суцільність складової поверхні та її форми при впливі механічних переміщень та вітрових навантажень.
На тій же Мауна-Кеа 1995 р. передбачається встановити 7,5 метровий телескоп, розроблений японськими вченими. Він буде розташований за 100 метрів від американського. Ця «спаржа» буде найпотужнішою оптико-інтерферометричною системою, яка дозволить зазирнути на величезні відстані, вивчити квазари, відкрити нові зірки та галактики.
Чотири роздільні телескопи (діаметром 8 м кожен), зведені волоконною оптикою в єдину фокальну площину, припускають побудувати в Південній обсерваторії (Чилі) 8 західноєвропейських країн – співвласників цієї обсерваторії. Будівництво першого дзеркала (тобто першого телескопа) намічено завершити до 1994 р., інші три – до 2000 р.
ЩО ЗВІДКИ БЕРЕТЬСЯ
Як відомо, марсіанська атмосфера має досить високу концентрацію двоокису вуглецю. Цей газ випаровується в космос, тому постійна його концентрація повинна підтримуватися за рахунок якогось джерела.
Фахівці вважають, що таким джерелом є рідкісний на Землі мінерал скаполіт (на нашій планеті – це напівдорогоцінний камінь, що містить, крім вуглецю, кремнію, кисню, ще й натрій, кальцій, хлор, сірку, водень), який може зберігати велику кількість двоокису вуглецю у складі своєї кристалічної структури (карбонату). На Марсі багато скаполіта.
Отже, в екосистемі ми бачимо взаємодію життєвої спільноти, що складається з багатьох організмів, з характерними факторами середовища, що діють на це співтовариство. Екосистеми класифікують зазвичай за найважливішими чинниками середовища. Так, говорять про морські, наземні або сухопутні, берегові або літоральні, озерні або лімницькі екосистеми і так далі. Як побудовано екосистему?
Зазвичай вона складається з чотирьох основних елементів:
1. Неживе (абіотичне) середовище. Це вода, мінеральні речовини, гази, а також неживі органічні речовини та гумус.
2. Продуценти (виробники). До них відносяться живі істоти, здатні з неорганічних матеріалів середовища будувати органічні речовини. Таку роботу виконують переважно зелені рослини, що виробляють за допомогою сонячної енергії з двоокису вуглецю, води та мінеральних речовин органічні сполуки. Цей процес називають фотосинтезом. При ньому вивільняється кисень (Про 2). Органічні речовини, що виробляються рослинами, йдуть у їжу тваринам та людині, кисень використовується для дихання.
3. Консументи (споживачі). Вони використовують рослинну продукцію. Організми, які харчуються лише рослинами, називають консументами першого порядку. Тварини, які харчуються лише (або переважно) м'ясом, називаються консументами другого порядку.
4. Редуценти (деструктори, розкладачі). Ця група організмів розкладає залишки відмерлих істот, наприклад рослинні залишки або трупи тварин, перетворюючи їх знову на вихідну сировину - воду, мінеральні речовини, СО 2 , яке придатне для продуцентів, що перетворюють це на складові знову на органічні речовини.
Редуценти - це багато хробаків, личинки комах та інші дрібні ґрунтові організми. Бактерії, гриби та інші мікроорганізми, що перетворюють живу речовину на мінеральну, називаються мінералізаторами.
Екосистема може бути штучною. Приклад штучної екосистеми, вкрай спрощеної та неповної порівняно з природними, – космічний корабель. Його пілоту доводиться жити довгий час у замкнутому просторі корабля, обходячи обмеженими запасами їжі, кисню та енергії. При цьому бажано по можливості відновлювати та вдруге використати витрачені запаси речовини та відходи. Для цього в космічному кораблі передбачені спеціальні установки регенерації, а останнім часом ведуться досліди і з живими організмами (рослинами та тваринами), які мають брати участь у переробці відходів життєдіяльності космонавта, використовуючи енергію сонячного світла.
Порівняємо штучну екосистему космічного корабля з якоюсь природною, наприклад екосистемою ставка. Спостереження показують, що кількість організмів про цей біотоп залишається - з деякими сезонними коливаннями - в основному постійним. Таку екосистему називають стабільною. Рівновага зберігається, доки не зміняться зовнішні фактори. Основні з них – приплив та відтік води, надходження різних поживних речовин, сонячне випромінювання.
В екосистемі ставка живуть різні організми. Так, після створення штучного водоймища воно поступово заселяється бактеріями, планктоном, потім рибами, вищими рослинами. Коли розвиток досяг певної вершини і зовнішні впливи залишаються довгий час незмінними (приплив води, речовин, випромінювання, з одного боку, і відтік чи випаровування, винесення речовин і відтік енергії - з іншого), екосистема ставка стабілізується. Між живими істотами встановлюється рівновага.
Як і спрощена штучна екосистема космічного корабля, екосистема ставка здатна до самопідтримання. Необмеженому зростанню перешкоджають взаємодії між рослинами-продуцентами, з одного боку, і тваринами та рослинами консументами та редуцентами – з іншого.
Консументи можуть розмножуватися лише до того часу, доки перевитратюють запас наявних поживних речовин. Якщо вони розмножаться надмірно, збільшення їх чисельності припиниться саме собою, оскільки їм не вистачить їжі. Продуцентам у свою чергу потрібно постійне надходження мінеральних речовин. Редуценти або деструктори розкладають органічні речовини і цим збільшують запас мінеральних речовин. Вони ж знову пускають в обіг відходи життєдіяльності. І кругообіг починається знову: рослини (продуценти) поглинають ці мінеральні речовини і за допомогою сонячної енергії знову виробляють з них багаті на енергію поживні речовини.
Природа діє дуже економно. Створена організмами біомаса (речовина їх тіл) і енергія, що міститься в ній, передаються решті членів екосистеми: тварини поїдають рослини, інші тварини поїдають перших, людина поїдає і рослини і тварин. Цей процес називають харчовим ланцюгом. Приклади харчових ланцюгів: рослини - рослиноїдна тварина - хижак; злак - польова миша - лисиця; кормові рослини – корова – людина. Як правило, кожен вид харчується не одним видом. Тому харчові ланцюги переплітаються, утворюючи харчову мережу. Чим сильніші організми пов'язані між собою харчовими мережами та іншими взаємодіями, тим стійкіша спільнота проти можливих порушень. Природні, непорушені екосистеми прагнуть рівноваги. Стан рівноваги заснований на взаємодії біотичних та абіотичних факторів середовища.
Підтримка замкнутих кругообігів у природних екосистемах можлива завдяки двом факторам: наявності розкладачів (редуцентів), які використовують усі відходи та залишки, та постійному надходженню сонячної енергії. У міських та штучних екосистемах мало чи зовсім немає редуцентів, і відходи – рідкі, тверді та газоподібні – накопичуються, забруднюючи довкілля. Сприяти найшвидшому розкладанню та вторинному використанню таких відходів можна, заохочуючи розвиток редуцентів, наприклад, шляхом компостування. Так людина навчається у природи.
Щодо надходження енергії природні та антропогенні (створені людиною) екосистеми подібні. І природним, і штучним екосистемам – будинкам, містам, системам транспорту – потрібне підведення енергії ззовні. Але природні екосистеми одержують енергію від практично вічного джерела - Сонця, яке до того ж, «виробляючи» енергію, не забруднює довкілля. Людина, навпаки, живить процеси виробництва та споживання в основному за рахунок кінцевих джерел енергії - вугілля та нафти, які поряд з енергією дають пил, гази, теплові та інші відходи, що шкодять навколишньому середовищу і не піддаються переробці всередині самої штучної екосистеми. Не забудемо, що при споживанні такої «чистої» енергії, як електроенергія (якщо вона вироблена на тепловій електростанції), відбувається забруднення повітря і теплове забруднення середовища.
Тема:“Людина та її місце у природі”.
Цілі.
Навчальні:
- продовжити системну роботу з формування елементарної цілісної картини світу молодших школярів;
- познайомити зі штучними екосистемами міста та села як місцем життя (проживання) людини;
- навчити бачити різницю у господарствах давніх людей та сучасної людини, розуміти специфіку штучних екосистем;
- вчити учнів знаходити протиріччя між господарством людини та природою та пропонувати способи їх усунення;
- сформувати поняття про екологічний тип господарства, що гармонійно поєднується з природою.
Розвиваючі:
- розвивати вміння пізнавати та розуміти навколишній світ, осмислено застосовувати отримані знання для вирішення навчально-пізнавальних та життєвих завдань;
- розвивати мову, логічне мислення;
Виховують:
- виховувати дбайливе ставлення до навколишньої природи, економне витрачання природних ресурсів, дбайливе ставлення до світу.
Тип уроку:урок вивчення нового матеріалу
Тип навчання:проблемне.
Основні етапи уроку:
- Введення нових знань із опорою на попередній досвід.
- Відтворення нових знань.
Обладнання:
- відеозаписи для демонстрації екосистеми міста та села;
- робоча сторінка;
- опорні схеми;
- ілюстрації розумного поєднання цивілізації та природи.
ХІД УРОКУ
I. Активізація знань та постановка проблеми.
1. Хлопці, сьогодні у нас перший урок останнього розділу нашого підручника та всього нашого курсу “Світ та людина”. Назва цього розділу, як на мене, трохи незвичайна. А в чому його незвичайність?
На дошці запис: Як нам жити?
Виявляється, це питання хвилює багатьох людей нашої планети, незалежно від того, в якій країні вони живуть і якою мовою спілкуються між собою. Але головне, що ці люди небайдужі до долі нашої планети, нашого спільного дому.
Я переконана, що і ми з вами не повинні залишатись осторонь і спробувати пошукати відповідь на це запитання.
А чи знаєте ви, що таке конференція? І чи можна наш урок назвати “ урок-конференція”?
Словник: “Конференція– збори, нарада різних, зокрема і навчальних організацій, обговорення якихось особливих питань”.
(Діти читають на робочій сторінці тлумачення слова “конференція” та обговорюють поставлене питання).
А тепер я пропоную, розмірковуючи над нашим особливим питанням “Як нам жити?”та “ Людина та її місце в природі”, згадати те, що ми знаємо, вивчили.
2. Бліц - вікторина "Перевір свої знання":
- Уральські гори поділяють Європу та Азію;
- Америку відкрив Христофор Колумб;
- Волга, Об, Єнісей, Олена, Амур – річки нашої країни;
- На південь від Антарктиди є інші материки;
- Якщо дбайливо ставитися до використання води, світла, тобто. економити електроенергію, то природа збережеться і людям житиме легше;
- Пустеля Сахара розташована у Південній Америці;
- Мандрівники ходили один до одного в гості з острова на острів пішки;
- Збирання їстівних рослин та полювання на диких тварин – найдавніше заняття людини;
- Екосистема – це така співдружність живої та неживої природи на землі, в якій усі почуваються як удома.
- Екологічна система – це осередок живої оболонки Землі.
(Діти прослуховують дані висловлювання й у таблицю робочій сторінці виставляють “+”, якщо вони з висловлюванням згодні, і “-”, якщо з висловлюванням не згодні. Після виконання завдання вчитель вивішує на дошку контрольний лист, і учні проводять самоконтроль та самоперевірку виконаного завдання).
3. Рішення кросворду в парі.
- Вчений, що вивчає екосистеми.
- Живі організми, які поїдають інші організми.
- Найдрібніші "сміттярі".
- Організми, якими харчуються "їдці".
4. Проблемний діалог.
Та це ж наші знайомі Олена та Мишко. Послухаємо їх…
Олена:Людина, розвиваючи науку та техніку, порушує природні екосистеми. Виходить, він може жити без них?
Мишко:Ні, Олено, ти не маєш рації. Людина, як і будь-який інший організм, потребує інших членів своєї екосистеми, адже вона повинна дихати, харчуватися, брати участь у кругообігу речовин.
І знову ось уже втретє ми чуємо одне й те саме слово. Хто з вас звернув на нього увагу? Справді, це слово "Екосистема". (Вивішується на дошку).
А що таке екосистема?
(Діти справляються у словничку на робочій сторінці і дають різні визначення.)
Які бувають екосистеми?
– Природні– природні;
- Штучні- Це екосистеми, створені руками людини.
Наведіть приклад природних екосистем; штучних екосистем.
5. Постановка проблеми.
Діти, на вашу думку, в якій з перерахованих вами екосистем є місце для людини, для нас з вами?
ІІ. Спільне відкриття знань.
1. Розглянемо на нашій конференції питання, які нам належить вивчити та обговорити:
- два господарства людини;
- де мешкає людина;
- як позначаються життя людей досягнення науки і техніки, що вони корисні, чим шкідливі і які небезпеки таяться у тому використанні.
2. Самостійне знайомство з двома видами господарства людини на сторінках підручника.
3. Колективна робота з класом через проблемну бесіду з метою систематизації отриманих знань:
- Чим займалися давні люди?
- Чи відрізнялися вони диких тварин за способом добування їжі?
- Якщо вони надавали готові природні багатства, то, як могло називатися їхнє господарство? Утворіть слово від дієслова "привласнювати", що відповідає питанням яке господарство? (Привласнює).
- Чому пізніше люди навчилися розводити свійських тварин та культурні рослини?
- Де люди почали жити?
- Що стало їхнім основним заняттям?
- Якщо люди стали виробляти продукти харчування та інші продукти, необхідні для життя, то як можна назвати їхнє господарство? Утворіть слово від дієслова “виробляти”, що відповідає питанням яке господарство? (Виробляє)
4. Демонстрація двох екологічних пірамід:
- Яка їх символізує присвоююче господарство, а яка виробляє господарство?
- Яку їх можна співвіднести з природною екосистемою, а яку зі штучної екосистемою?
- Як би ви назвали цю екосистему?
(Екосистема поля, саду, скотарні, пташника, тваринницької ферми – сільськогосподарська екосистема)
Це перша штучна екосистема, яку створили люди. Тут живуть селяни, які займаються сільськогосподарською працею.
Друга штучна екосистема, створена людьми для свого життя – екосистема міста.
Якщо поля, сади, скотарні нагадують природні екосистеми, то місто вражає своєю невідповідністю з природним оточенням. Замість шереху листя та співу птахів, ми чуємо в місті шум моторів, скрип гальм, стукіт трамвайних коліс об рейки. На рівнині злітають кам'яні гори з багатоповерхових будівель. У місті, на жаль, мало зелених рослин. Саме через нестачу чи відсутність зелені люди – городяни у вихідні дні намагаються виїхати з міста на дачу, у ліс, щоб подихати свіжим повітрям, відпочити від міських шумів. Іноді люди вважають, що сучасна людина майже незалежна від природи. Це дуже небезпечна помилка.
Пам'ятай! Людина в минулому, теперішньому та майбутньому безліччю незримих ниток пов'язана з природою. Бережи її!
Але незважаючи ні на що, місто – це екосистема, яку люди створили для життя в ній.
5. Виконання завдання 2 на сторінці 59.
- Які можливості отримала людина, створивши штучні екосистеми?
- У якому співвідношенні стали знаходитися природні та штучні екосистеми? Чому?
- У чому полягає сила людини?
- Чи завжди це йшло на користь людині та навколишній природі?
- Кругообіг у природі замкнутий чи ні?
- Що відбувається під впливом господарювання? (Забруднення навколишнього середовища, зникнення рослин і тварин, скорочення родючості землі, нестача палива тощо)
6. Виконання завдання 3 на сторінці 59.
- Які виникли наслідки від застосування людиною сили, якою вона має?
- До чого це призводить?
- Що потрібно виправити?
- Якщо кругообіг стане замкнутим, то такий тип господарства можна назвати… (екологічним).
- Що треба робити? Чи можемо ми допомогти?
Повернемося до поняття "Екосистема".
(На дошку вивішується визначення)
Екосистема- Це такий взаємозв'язок (співдружність) живої і неживої природи, при якій всі її мешканці почуваються як вдома.
7. Робота над ключовими словами:
- Співдружність
- Жива природа
- Нежива природа
- Всі? Хто все?
- А як удома?
ІІІ. Практикум з самостійного застосування та використання отриманих знань.
- Відповіді питання на стор.59.
- Виконує 2–3 завдання на вибір (1, 4, 5, 7, 8).
- Заповни таблицю на робочій сторінці. Підрахуй суму балів, і ти дізнаєшся, чи добре ти дбаєш про природу в екосистемі міста.
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| Я всю зиму годував птахів. | 2 | |
| Я не турбую птахів біля гнізда. | 1 | |
| Я зробив житловий будиночок для гніздування птахів. | 3 | |
| 1 | ||
| Я посадив дерево. | 5 |
13–16 балів – ти великий молодець, захисник природи. Усі можуть брати з тебе приклад.
9–12 балів – ти вмієш дружити із природою.
Менше 9 балів – тобі є про що задуматись. Постарайся дбайливіше ставитися до навколишньої природи.
IV. Підбиття підсумків уроку – конференції.
- Обмін думками щодо виконання завдань;
- Що нового дізналися на уроці?
- Чому могутність людини – велика загроза всьому навколишньому світу?
Людина має два шляхи. Перший – усім людям разом відлетіти в космос та розселитися на інших планетах. Але якщо це і стане можливим, то ще дуже не скоро, може, через сотні і сотні років.
Другий шлях – пристосовуватися до природи, вчитися не руйнувати її, не порушувати налагодженого господарства, спробувати розпочати відновлювати занапащене, зіпсоване. А до нинішньої природи ставитись дбайливо, охороняючи те, що залишилося. Мабуть, цей шлях – єдиний можливий.
V. Домашнє завдання.
Урок №12, завдання 6.
ДОДАТОК 1
РОБОЧА СТОРІНКА
Учня (ци)____________________________
ТЕМА: Як нам жити?Людина та її місце у природі”.
План.
- Два господарства людини.
- Де мешкає людина.
- Як нам жити?
Завдання 1. Бліц – вікторина.
Завдання 2. Кросворд.
- Вчений, що вивчає екосистеми.
- Живі організми, що поїдають інші організми (рослини та тварин).
- Газ, необхідний дихання всім живим організмам.
- Що отримує екосистема із космосу?
- Найдрібніші "сміттярі".
- Організми, що переробляють відходи та залишки живих організмів.
- Орган рослини, у якому відбувається перетворення речовин неживої природи на органічний матеріал всім організмів.
- Підживлення для підвищення врожаю рослин.
- Організми, якими харчуються їдці.
- Верхній родючий шар землі, з якого рослина отримує воду та поживні речовини.
Завдання 3. Відкриття нових понять.
1.____________________
2.____________________
3.____________________
4.____________________
5.____________________
6.____________________
7.____________________
8.____________?_______
Завдання 4. Таблиця – тест.
| Корисна справа | Знак виконання | Бали |
| Я вимикаю світло, коли виходжу з кімнати. | 1 | |
| Я вимикаю кран, коли виходжу із ванної. | 1 | |
| Я намагаюся не рвати квіти у лісі та парку. | 1 | |
| Я не ламаю дерева для багаття, а беру хмиз. | 1 | |
| Я всю зиму годував птахів. | 2 | |
| Я не турбую птахів біля гнізда. | 1 | |
| Я зробив будиночок для гніздування птахів. | 3 | |
| Я доглядаю домашніх рослин і тварин. | 1 | |
| Я посадив дерево. | 5 |
ДОДАТОК 2
СЛОВНИК.
КОНФЕРЕНЦІЯ – збори, нарада різних, зокрема й навчальних організацій, обговорення якихось особливих питань.
ЕКОСИСТЕМА- Спільно мешкають живі організми і та ділянка землі, на якій вони почуваються як вдома.
ЕКОСИСТЕМА- Невелика частина біосфери. У цій системі можна знайти багато елементів біосфери: повітря, грунт, вода, гірські породи.
ЕКОСИСТЕМА– єдність живої та неживої природи, в якій живі організми різних професій здатні спільними зусиллями підтримувати кругообіг речовин.
ЕКОСИСТЕМА –це співтовариство живих організмів у єдності з місцем, де вони мешкають.
ЕКОСИСТЕМА –це такий взаємозв'язок живої і неживої природи, коли всі мешканці почуваються як удома.
