Человечество — самый влиятельный вид, проживающий на планете Земля. Он демонстрирует свое превосходство, бесцеремонно вмешиваясь в различные природные процессы и в жизнь своих менее развитых соседей. Однако, несмотря на стремительное развитие, есть вещи, на которые вряд ли когда-то мы сможем оказать существенное давление.

Изменение нашей биосферы, возможность существования в космическом пространстве или на другой планете – эти направления исследований станут определяющими для наших потомков. Одним из наиболее возможных решений поставленных задач считается создание замкнутой экологической системы. Разработчики многих государств трудятся над этой задачей, преодолевая большие трудности в реализации самодостаточного мира.

Люди давно начали создавать экологические системы. Засеянные поля, парки, искусственные водоемы – все это призвано для извлечения некой пользы. Мы воссоздаем условия, которые позволяют поддерживать жизнедеятельность отельных живых организмов и сред их обитания. Подконтрольно нашему влиянию они взаимодействуют друг с другом. Однако кроме нас на такие образования действует и экологическая система планеты Земля. Она находиться несоизмеримо выше на иерархической лестнице, глобально влияя на свои рукотворные копии.

Целью же научных экспериментов является изучить изменение самой экологической системы Земли или возможность создания подобного независимого природного комплекса. А это значит, что поставлена задача – построить замкнутый автономно функционирующий проект, со своим набором живых организмов и средой обитания. Работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно. Их масштабы и успешность разнообразны, но ученые не прекращают попытки почувствовать себя в роли Создателя.

Проект «Эдем»

Проект «Эдем» — это самая большая оранжерея на нашей планете. Задуманная сэром Тимом Смитом, она была открыта к посещениям в марте 2001 года. На ее строительство потратили 2.5 года и немало интеллектуальных ресурсов. Местом расположения было выбрано графство Корнуолл, Великобритания.

«Эдем» состоит из двух строений, образованных геодезическими куполами, которые представляют собой сферическое архитектурное сооружение. Купол состоит из набора шести- и пятиугольников, которые и образуют каркас громадной оранжереи. Основными материалами строителей были трубчатая сталь и специальный термопластик. Такое покрытие пропускает солнечный свет и аккумулирует тепло, а также является менее опасным, чем стеклянные витражи.

Внутри куполов разработчики воссоздали набор биомов – совокупности экологических систем, которые соответствуют определенным природно-климатическим зонам. В каждом таком объекте расположился уникальный набор живых организмов и растительности. Посетителям предложено путешествие по нескольким климатическим поясам в пределах одного строения. Объем познавательной и развивающей информации сложно переоценить. Всего в «Эдеме» представлено три биома, каждый из которых широко наполнен характерными представителями. Самая большая экосистема представляет экваториальные широты. Она занимает более 1.5 гектара и достигает высоты 55 метров. Внутри поддерживается соответствующий температурный режим и влажность. Скромнее представлены средиземноморские виды. Их биом занимает чуть более 0.6 гектара, однако кроме экологической системы он выделяется скульптурным оформлением. На открытом воздухе представлен биом, отвечающий за представителей умеренного климата.

Конечно, проект «Эдем» нельзя назвать полноценной независимой замкнутой экосистемой. Работа оранжереи постоянно корректируется специальным компьютерным софтом и научными сотрудниками. Кроме того материалы, из которых создана оболочка куполов, имеют достаточно приземленные сроки годности, что делает проект «Эдем» достаточно уязвимым.

Проект БИОС

Более обстоятельно к замкнутости и автономности искусственной экологической системы подошли ученые красноярского Института биофизики. Их серия исследовательских программ БИОС дала неплохие результаты. Стартовав в 1964 году, БИОС-1 и БИОС-2 использовали двух- и трехзвенные системы обеспечения человека. Изначально, основным компонентом работы комплекса должны были стать водоросли хлорелла. Они успешно перерабатывали углекислый газ в кислород, однако оказались непригодны в пищу. Красноярские ученые ввели третий элемент – высшие растения. В 1968 году такая трехсоставная система прошла тестирования, показав перспективные показатели. Экспериментальная среда смогла достичь 85% порога повторного использования водного ресурса.

Основываясь на предыдущих наработках, исследователи в 1972 году запустили проект БИОС-3. Базой исследований стало герметичное помещение, объем которого составил 315 квадратных метра. Оно было разделено на четыре отсека: два предназначались для выращивания растений в искусственных условиях, один занимали микроводорослевые культиваторы, а последний служил жилым помещением. Было проведено десять экспериментов-заселений, в каждом из которых участвовали три человека. Инженер Николай Бугреев находился в БИОСЕ-3 около 13 месяцев.

Эта научная компания добилась беспрецедентных результатов. Была достигнута полная автономность по водной составляющей и газообмену. Самостоятельное обеспечение пищей участников эксперимента достигло отметки 80%.

После распада Советского Союза работы над БИОС-3 были приостановлены. Только в 2005 году в Красноярске возобновилась деятельность по созданию замкнутых экосистем.

Биосфера-2

В начале 90-х годов в пустыне Аризона была предпринята самая масштабная попытка создания пригодной для жизни автономной среды. Проект Биосфера-2 представляет собой лабораторный герметичный комплекс, раскинувшийся на 1.5 гектара. В состав экспериментального сооружения входит 7 отсеков, несущие индивидуальные климатические условия. Здесь есть свой океан, пустыня, тропический лес. Все блоки населены соответствующими видами флоры и фауны. Оболочка Биосферы-2 пропускает до 50% солнечных лучей, а газообмен с внешней средой сведен к возможному минимуму.

Первоочередной задачей проекта Биосфера-2 была проверка возможности существования человека в созданных условиях. Результаты оказались не особо радужными. Ученые и участники эксперимента столкнулись с множеством проблем и недоработок. В среду огромной лаборатории были помещены восемь человек. Однако вскоре они столкнулись с кислородным голоданием. Насыщенность воздуха кислородом опустилась с отметки 21% до 15%. Одной из наиболее вероятных причин была названа деятельность почвенных организмов. Так или иначе, а драгоценный газ пришлось дополнительно подкачивать.

Позже выяснилось, что размеры экосистемы не в состоянии обеспечить жителей пищей в полном объеме. Было принято решение дополнительного засева территорий. Серьезнейшей проблемой стало массовое размножение насекомых-вредителей. Ученые также не учли влияние ветра на укрепление структуры растений. Без этого природного явления деревья стали хрупкими, не имея шансов на полноценный рост. Эксперимент по заселению человека в Биосферу-2 вызвал много вопросов и критики. Следующий исследовательский подход обошелся уже без присутствия людей внутри лаборатории. А в 2005 году проект был выставлен на продажу, так и не решив поставленных целей.

Здравствуй, Хабр!

Недавно наткнулся в интернете на интересную статью, с точки зрения садоводства, об англичанине, который 53 года назад посадил в банку традесканцию .Он закупорил бутылку и, после полива 40 лет назад, больше не открывал её. Идеи пришла ему из любопытства. И по сей день растение живет, растет и поглощает кислород. Традесканция образовала экосистему: при фотосинтезе образуется кислород, происходит увлажнение воздуха внутри сосуда и выпадает влага, опавшие листья перегнивают, выделяя CO 2 . Но для фотосинтеза нужен еще и свет, поэтому бутылку нужно постоянно пододвигать к окну и разворачивать, чтобы листья росли равномерно. Я добавил немного электроники для комнатного растения, и вот, что из этого получилось.

Этап Первый

Как уже говорилось, в процессе фотосинтеза самое важное это свет. Но не любой!

Для растений наиболее важным является сине-зеленый и желто-красный. Длины волн соответственно от 440 до 550 нм и от 600 до 650 нм. Я пошел в магазин и купил 4 красных, 2 синих и 2 зеленых светодиода (прочитав на «Радиокоте»). Далее, расположил их под крышкой банки, закрепив на картонке, и соединил параллельно (на 2 красных 1 синий и 1 зеленый).
Т. к. светодиоды разных цветов свечения имеют разное напряжение питания, поставил резисторы.
В крышке сделал отверстие для проводов и укрепил картонку со светодиодами под крышкой, предварительно просунув провода в дырку. Для большей изоляции от внешнего мира дырку можно заклеить.

Ревизия модуля освещения от 01.07.13.
Модуль специально был покрыт толстым слоем Цапонлака для предотвращения коррозии выводов элементов и меди на плате.

Этап Второй

Основное, т. е. подсветку, я уже сделал, поэтому перехожу к полезным дополнениям.
1. Чтобы свет горел только тогда, когда растение находится в тени, нужно добавить фотоэлемент.
Схема подключения:

Чтобы сделать горшок совсем умным, подключим к нему Arduino. Analog InPut на схеме - любой аналоговый вход у Arduino. На ШИМ (или PWM) выход повесим светодиоды, яркость свечения которых будет изменяться в зависимости от освещенности фоторезистора. Но для начала выясним, какие значения будет выдавать делитель напряжения.

Код

int sensor =0; // подключаем делитель к аналоговому входу Arduino A0 void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { Serial.println(analogRead(sensor)); delay(1000); // Отправляет значения с делителя раз в секунду }

В своей схеме я использовал фоторезистор из электронного конструктора ЗНАТОКа. У него теневое сопротивление 120 кОм. Расчет резистора R1 производится по формуле: R 1 =V in *R 2:V out -R 2 ; V in на схеме - +5V, V out - «к аналоговому входу Arduino» (Я надеюсь, все хорошо помнят порядок действий: сначала действия первой степени - умножение и деление, а потом второй - сложение и вычитание). Также, следует помнить, что сопротивление у фоторезистора может изменяться нелинейно .
Минимальное значение освещения с моего делителя - около 100 (назовём их условными единицами), максимальное - около 755 у.е.
Зная эти значения можно написать программу для Arduino - контроллера.

Код

int sensor = 0; // Потенциометр к А0 int ledPin = 9; //Светодиоды к выходу 9 void setup () { analogReference(DEFAULT); pinMode(ledPin, OUTPUT); //Serial.begin(9600); Раскомментируйте эту строку для отображения текущей //освещенности в у.е. в Мониторе Порта. } void loop() { int val = analogRead(sensor); val = constrain(val, 130, 755); //Выставляем значения освещенности. //Если < 130, то превращаем в 130, если > 755, то выставляем в 755. int ledLevel = map(val, 130, 755, 0, 255); //Превращаем значения освещенности и у.е. //в 8-битные значения для ШИМ. analogWrite(ledPin, ledLevel); // Serial.println(analogRead(ledLevel)); Раскомментируйте эту строку для отображения текущей //освещенности в у.е. в Мониторе Порта. }

Также, обратите внимание на то, что максимальный ток через цифровые Входы/Выходы Ардуины не должен превышать 40мА .

2. Вместо цифрового метода определения уровня освещенности можно использовать аналоговый. Добавив к делителю стабилитрон и транзистор получим все тоже, что и с процессором, только в меньшем объеме. Схема:


Стабилитрон D1 - любой мощности на 3.6 В. Транзистор T1 - любой NPN.

P.S. Смотрелось бы намного лучше, если бы провода не торчали. Сама конструкция будет технологичнее, если на дно банки положить катушку и питать подсветку без проводов (по примеру беспроводной зарядки у телефонов).

На фото ниже представлена первая экспериментальная банка. Растение в нее было посажено 01.06.13.


Впоследствии, от этой банки решено было отказаться, т.к. растению в ней не хватало места для роста (также, стальная крышка, с большой долей вероятности, за 40 лет использования, заржавеет:)).


Взамен маленькой литровой банки, растения были посажены в большие - 3-ех литровые. Заменена была и крышка - на полиэтиленовую.
P.S.S. Дата посадки: 30.06.2013 (01.07.13 была открыта банка для замены модуля освещения).
Фото 1: 10.07.13

Фото 2: 17.07.13. На фото ниже видно как на стенках начала проявляться растительность. Это свидетельствует о том, что простейшие виды растений тоже чувствуют себя в системе хорошо.

Фото 3: 02.09.13

Также, для эксперимента, в банку с денежным деревом была посажена косточка мандарина (предварительно не выдерживавшаяся во влажной марле и т.п.). Как видно на фото выше, сейчас она проросла.
По мере накопления экспериментальный данных, информация будет выкладываться здесь.

Если кто-то хочет сделать для себя и детей яркое наглядное пособие о морской жизни и окружающей среде, придется заняться созданием самоподдерживающейся водной экосистемы. Функционировать она будет самостоятельно без какого-либо внешнего вмешательства. К тому же это потрясающий элемент декора, который станет украшением любой комнаты.

Креветки питаются водорослями, а те в свою очередь в качестве пищи используют продукты жизнедеятельности креветок. Воду для проекта лучше всего брать из пруда или реки, поскольку в ней содержится достаточно водорослей и других полезных микроорганизмов. Экосистема будет функционировать лучше с вентиляционным отверстием. Это обеспечит газообмен с внешней средой. С надлежащей вентиляцией экосистема может функционировать на протяжении десяти лет или даже дольше!

Шаг 1. Сбор необходимых материалов.

Стеклянная банка с антикоррозийной крышкой;
- галька или песок для аквариума;
- свежая вода из пруда;
- растения для размножения и укрытия креветок.
креветки и/или улитки, хорошим выбором станут такие виды как Ghost Shrimp, Cherry Shrimp и Japanese Algae-eater.
Совет. Если прудовой воды нет, то вместо нее можно использовать обычную водопроводную, но банку с водой нужно подготовить, по крайней мере, за день раньше, чтобы вода самоочистилась. Для питания креветкам нужны или водоросли из прудовой воды или специальная основа для водорослей, прежде чем растения выработают их самостоятельно.

Шаг 2. Сверление отверстия в крышке банки для лучшей вентиляции

Нужно быть осторожным, сверление стекла может быть очень опасным. Используйте специальное сверло для стекла и очки для защиты глаз.

Шаг 3. Мытье банки

Шаг 4. Дно банки

Насыпьте на дно банки 5 см гальки, песка или гравия. Толщина слоя грунта должна быть достаточной для того, чтобы посадить в нем растения.

Шаг 5. Наполнение банки водой

Наберите из пруда или реки свежую воду.

Шаг 6. Вода в банке

Наполните банку водой наполовину.
Совет. Если воды из пруда или реки нет, тогда используйте отфильтрованную воду или обычную воду из-под крана. Однако, в этом случае положите на дно банки 1 или 2 специальные «подушечки» основы для водорослей, которые можно приобрести в любом зоомагазине. Количество основ зависит от размеров банки. В течении 24 часов держите банку открытой, чтобы весь хлор испарился.

Шаг 7. Погружение пакета с креветками и/или улитками в банку на 15-30 минут

Это позволит урегулировать температуру в пакете с температурой воды в банке, сводя к минимуму нагрузку на креветки, связанную с резким изменением температуры.

Шаг 8. Высаживание растений в грунт

Шаг 9. Помещение креветок в банку

С помощью сачка достаньте креветки из пакета и аккуратно поместите их в банку.

Шаг 10. Заполнение банки водой

Дополните банку водой из пруда, не доливая до верха примерно 2 см.

Не оставляйте слишком много воздушного пространства в банке, поскольку это приведёт к появлению белых отложений на внутренних стенках банки.

Шаг 11. Наслаждайтесь экосистемой!

Держите банку в доме при комнатной температуре и экосистема будет существовать несколько лет.
Совет. Избегайте попадания на банку прямого солнечного света, который может привести к чрезмерному размножению водорослей. Кормить креветки совсем не нужно, так как они питаются водорослями. Если не допускать попадание на банку прямых солнечных лучей, то доливать воду в нее не придется.
В случае чрезмерного размножения водорослей, добавьте в банку еще одну креветку или улиток. Со временем экосистема придет в сбалансированное состояние, в котором отходы одного организма будут использоваться в качестве пищи для другого. Это отличный способ продемонстрировать детям, как большая экосистема перерабатывает питательные вещества. Растения перерабатывают углекислый газ, который мы выдыхаем в кислород, а бактерии превращают отходы в питательную почву растений. Люди и животные, в свою очередь, вдыхают кислород и едят растения, а эти питательные вещества усваиваются в тканях.
Для тех же, кому объёма банки мало, предлагаем завести аквариум, и чем больше, тем лучше. Он позволит заняться потрясающим искусством от красоты которого просто перехватывает дыхание.

Иосиф Гительзон, Андрей Дегерменджи, Александр Тихомиров

«В Институте биофизики СО РАН создана уникальная биолого-техническая система жизнеобеспечения человека – БИОС-3. Проведенные на ней эксперименты показали: экипаж из 2–3 испытателей, находящийся в автономном режиме, за счет замкнутого цикла может в течение 4–6 месяцев на 100% обеспечивать свои потребности в воде и воздухе, более чем на 50% – в пище.

На системах такого же назначения, созданных в других странах мира, столь высокого результата пока не достигнуто. В настоящее время БИОС-3 реконструируется с учетом международных стандартов, в нем планируются длительные эксперименты по имитации круговоротных процессов для обеспечения автономного существования человека на лунных и марсианских космических станциях.

Что такое замкнутая экосистема?

В замкнутых экологических системах (ЗЭС) круговорот биогенных элементов организован так, что вещества, используемые с определенной скоростью одними звеньями этих систем, с такой же средней скоростью регенерируются из конечных продуктов их обмена до исходного состояния другими звеньями, а затем вновь используются в тех же биологических циклах.

Наиболее яркий представитель естественных ЗЭС – сама биосфера Земли: в ней за счет круговорота веществ поддерживается существование жизни, в том числе и человечества. В идеальном случае данные системы могут существовать бесконечно долго.

В искусственных ЗЭС конструкторы стремятся реализовать круговорот массообменных процессов с минимальным количеством отходов, т.е. веществ, накапливающихся в системе в виде неиспользуемого балласта. При этом необходимо обеспечить циркуляцию массообменных потоков как минимум между двумя типами звеньев – синтезаторами веществ и их деструкторами. Работа первых чаще всего основывается на фотосинтезе. Поэтому их называют фототрофными, и состоят они либо из низших растений (как правило, микроводорослей), либо из высших. Вторые (деструкторы) окисляют полученные в процессе фотосинтеза вещества и продукты их жизнедеятельности вплоть до компонентов (в идеальном случае до СО 2 , Н 2 О и минеральных соединений), вновь используемых фототрофами.

Важнейшее гетеротрофное звено рассматриваемых нами замкнутых экосистем – человек. Именно он формирует требования к работе всех других звеньев и по сути задает интенсивность круговорота, чтобы обеспечить свои потребности в кислороде, воде и пище. Для ЗЭС с участием людей это означает также включение в круговорот продуктов их жизнедеятельности, растительных отходов и ряда других веществ. Отметим, такая экосистема с фототрофным звеном, состоящим из высших растений, имеет большую замкнутость круговоротных процессов, нежели из водорослей, ибо последние практически несъедобны и их биомасса накапливается в виде отходов. И еще. ЗЭС с человеком могут существовать в автономном режиме достаточно долго. Данное их свойство востребовано в первую очередь для космических целей.

Внешний вид герметической кабины объёмом 12 куб.м с человеком в БИОС-1

Поэтому неудивительно, что резкий рост соответствующих научных исследований связан с «космическим бумом» 50-60 годов ХХ в., когда освоение Луны и Марса казалось делом ближайшего времени.

Пионерские опыты

Первые в мире реально действующие замкнутые системы жизнеобеспечения были созданы в СССР в первой половине 1960-х годов. Основные изыскания развернулись тогда в Москве – в Институте авиационной и космической медицины Министерства обороны, а позднее в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР (ныне ИМБП РАН) и в Красноярске – вначале в отделе биофизики Института физики (ИФ) СО АН СССР, а затем в Институте биофизики (ИБФ) СО РАН. Исторически так сложилось, что в ИМБП поиск изначально был сосредоточен на системах жизнеобеспечения космических кораблей и орбитальных станций, где предпочтения отдавались использованию физико-химических процессов, а в ИБФ – на замкнутых экосистемах для долговременных планетных станций, где доминирующую роль в круговороте веществ должны играть биологические методы. Подчеркнем: с помощью первого подхода невозможно создать полный круговорот, поскольку неизвестны пути искусственного синтеза полноценных пищевых веществ, необходимых для питания человека. Второй же избавлен от этих недостатков. Базирующиеся на нем системы жизнеобеспечения автономны, а следовательно, более независимы от продолжительности миссий при освоении дальнего космоса.

Макет БИОС-3: 1 – жилая часть: три кабины для экипажа, санитарно-гигиенический модуль, кухня-столовая; 2 – фитотроны с высшими растениями: два с площадями посева 20 м2 в каждом; 3 – водорослевый культиватор: три фотобиореактора объемом 20 л каждый для выращивания Chlorella vulgaris .

Разумеется, биологические ЗЭС допускают использование в них элементов физикохимии, но только как дополняющих технологий, способствующих повышению скоростей и степени замкнутости массообменных потоков. Системы, где предполагается такая интеграция биологических и физико-химических методов, получили название биолого-технических ЗЭС. Именно их и создают в ИБФ.

Стартом к началу работ по строительству ЗЭС космического назначения в ИБФ (в те годы отдел биофизики ИФ СО АН СССР) стала встреча в начале 1960-х годов директора Института физики Леонида Киренского (академик с 1968 г.) и Генерального конструктора ракетных систем Сергея Королева (академик с 1958 г.). Предложение Леонида Васильевича создать в Красноярске замкнутую экосистему, способную автономно существовать длительное время за счет внутреннего круговорота вещества, очень заинтересовало Сергея Павловича. Состоялась серия совещаний, в которых приняли участие основатели этого нового направления биофизики Иван Терсков (академик с 1981 г.) и один из авторов данной статьи Иосиф Гительзон (академик с 1990 г.) – они дали подробное научное обоснование целесообразности и реальности выполнения таких работ. Королев поставил четкую задачу: в течение нескольких лет на базе отдела биофизики ИФ СО АН СССР создать экосистему с замкнутым круговоротом вещества, способную в автономном режиме обеспечить длительное пребывание человека в герметичном пространстве в условиях, приближающихся к земным. Тогда государство выделило достаточные средства для привлечения специалистов и приобретения необходимого оборудования.

Выполнение этой задачи можно условно разбить на три этапа. Вначале (1964-1966 гг.) была реализована биологическая система БИОС-1, включавшая два основных звена: герметичную кабину объемом 12 м с человеком и специальный культиватор объемом 20 л для выращивания микроводоросли хлореллы. По итогам семи экспериментов длительностью от 12 ч до 90 суток удалось достичь важного результата – полного замкнутого цикла по газу (выдыхаемый воздух очищался от углекислого газа, примесей, обогащался кислородом, вырабатываемым хлореллой) и воде (включая регенерацию питьевой, для приготовления пищи и гигиенических нужд).

Затем в 1966 г. БИОС-1 модернизировали в БИОС-2 путем подсоединения к ней камеры объемом 8,5 м с высшими растениями – здесь выращивали набор овощных культур. Они повысили замкнутость массообменных процессов в системе за счет частичного вовлечения в круговорот растительной пищи, включенной в рацион питания человека. Кроме того, высшие растения, как и хлорелла, участвовали в регенерации атмосферы для дыхания людей. Это позволило снизить биомассу хлореллы, необходимой для поддержания жизнедеятельности, и тем самым повысить степень замкнутости массообменных процессов. И поскольку за счет фотосинтеза высших растений продуцировался дополнительный объем кислорода, удалось провести эксперименты с экипажем из двух испытателей (наиболее продолжительные из них длились 30 и 73 суток). Работы в БИОС-2 продолжались до 1970 г. По их результатам впервые в мире была доказана возможность длительного функционирования искусственной экосистемы «человек-микроводоросли-высшие растения».

В начале 1972 г. в красноярском ИБФ создали БИОС-3 – принципиально новую искусственную экосистему. В отличие от предыдущих она обрела совершенно иные как конструктивные, так и функциональные характеристики. Установка общим объемом 300 м вместила в себя 4 отсека одинаковых размеров: жилой модуль с индивидуальными каютами для трех испытателей и три отсека с растениями для воспроизводства пищи и регенерации атмосферы и воды.

В БИОС-3 выполнены долговременные (несколько месяцев) опыты как по ранее уже опробованной схеме «человек-хлорелла-высшие растения», так и по совершенно новой – «человек-высшие растения». Впервые в мире удалось сформировать полную растительную диету для испытателей за счет набора растений, выращиваемых в самой системе, благодаря чему степень ее замкнутости по массообмену удалось поднять до 75%. А в итоге из всех искусственных биологических экосистем как в нашей стране, так и за рубежом только БИОС-3 позволила в автономном режиме обеспечивать жизнь экипажа из 2–3 человек в течение 4–6 месяцев за счет замкнутого цикла по воде и газу практически на 100%, по пище – более чем на 50%. Как уже говорилось, до настоящего времени этот результат остается непревзойденным. [Здесь, как и во многом другом, СССР опередил США, см. про их ЗЭС «Биосфера-2 «]

Важно и то, что путь от БИОС-1 до БИОС-3 был пройден за фантастически короткий промежуток времени – примерно за 7 (!) лет.

Рождение новых технологий

Создание БИОС-3 связано с целой плеядой выдающихся ученых. В первую очередь здесь следует еще раз упомянуть Леонида Киренского, заинтересовавшего Сергея Королева в проведении этих изысканий в Красноярске и организовавшего их выполнение. Исключительно важную роль в технической реализации системы сыграл наш сотрудник доктор биологических наук Борис Ковров. Он обладал способностью принимать быстрые и, что важнее, оптимальные конструкторские решения. Именно ему принадлежит идея передачи режимов обслуживания системы «внутрь», т.е. самим испытателям. В этом отношении БИОС-3 выгодно отличается от всех зарубежных искусственных ЗЭС. В ходе экспериментов на ней постоянно вели медицинские исследования состояния человека. Причем работы проходили при активном участии сотрудников ИМБП под руководством академика Олега Газенко, а непосредственный контроль осуществлял кандидат медицинских наук Юрий Окладников. Отметим, за весь период опытов БИОС-3 (длившихся в общей сложности около 11 месяцев) не было ни одного случая возникновения проблем с состоянием здоровья экипажа испытателей.

Важнейшей прорывной технологией явилось включение в круговорот высших растений, ставших основой обеспечения человека кислородом, пищей и водой. Ее автор доктор биологических наук Генрих Лисовский обосновал и практически реализовал идею подбора высших растений с последующей полной заменой ими несъедобной водоросли хлореллы. Специально для замкнутой экосистемы ученый вывел новый сорт короткостебельной пшеницы, у которой около 50% от общей биомассы приходилось на зерно.

Добавим также, что работы на БИОС-3 резко ускорили появление новых технологий. В частности, удалось научно обосновать выбор энергетических и спектральных характеристик видимого излучения для фототрофного звена систем жизнеобеспечения человека, определить место белого света при освещении растительных сообществ как в природе, так и в искусственных условиях и сформулировать концепцию светового управления продукционным процессом у растений с учетом различных уровней организации фотосинтетического аппарата.

В частности, были предложены режимы выращивания различных видов растений на лунной станции. Предполагалось, что если там будет действовать биорегенеративная система жизнеобеспечения, то для выращивания в ней растений (повторим, источника пищи и кислорода) необходимо «научить» их расти в условиях лунных суток, т.е. около 14 земных суток непрерывный свет и примерно столько же – ночь. Эту необычную задачу решили Лисовский с сотрудниками. Они нашли такие параметры внешней среды, при которых удавалось вырастить растения, приемлемые как по съедобной биомассе, так и по биохимическому составу. Это позволяет считать возможным использовать энергию Солнца для построения биорегенеративных систем жизнеобеспечения на Луне.

День сегодняшний

В настоящее время в нашем институте параллельно решают две ключевые задачи: техническую модернизацию системы БИОС-3 и разработку научных основ технологий для повышения степени замкнутости круговоротных процессов. Реализация их поддержана серией грантов СО РАН, рядом контрактов с Европейским космическим агентством. Используются и внутренние ресурсы ИБФ.

Исключительно важное значение мы придаем второму из указанных направлений. В числе уже достигнутых результатов – утилизация несъедобной растительной биомассы. Для вовлечения ее во внутрисистемный круговорот разрабатываем технологию биологического окисления с помощью почвоподобного субстрата. Он представляет собой продукт переработки соломы пшеницы червями и микрофлорой, одновременно являющийся корнеобитаемым слоем для растений. К тому же микрофлора субстрата угнетает патогенные микроорганизмы в корневой зоне растений, что способствует их защите от гнилей.

Еще один результат – экологически чистая технология вовлечения поваренной соли во внутрисистемный массообмен. Как известно, NaCl содержится, в частности, в жидких выделениях человека, но ее концентрация в них может оказаться летальной для растений. Поэтому включение этого соединения в биологический круговорот потребовало привлечения физико-химического метода минерализации жидких выделений. Идея такова: в переменное электрическое поле помещается водный раствор перекиси водорода, от молекул которой при этом отщепляется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем.

Внешний вид малой искусственной экосистемы: 1 – облучатель с высокоинтенсивным источником света; 2 – фототрофное звено (высшие растения) внутри герметичной камеры; 3 – манипуляторы для работы внутри камеры без нарушения ее герметичности; 4 – почвенный блок с почвоподобным субстратом; 5 – приборная стойка для контроля
и автоматического поддержания параметров среды внутри камеры; 6 – стенка герметичной камеры из нержавеющей стали.

В такой среде он доводит до минеральных компонентов растительные и животные отходы, после чего они используются растениями в качестве удобрений. Такой физико-химический метод экологически чист и относительно малоэнергоемок. Исходным продуктом для получения перекиси водорода служит вода – в биорегенеративных ЗЭС она не является дефицитом, т.е. фактически все исходные продукты, требуемые для обеспечения запуска технологического процесса, легко включаются в круговорот. Важно, что в отличие от традиционно используемых в системах жизнеобеспечения космических аппаратов физико-химических процессов, данный идет при температурах до 100 0 С и нормальном давлении.

Правда, полученный таким способом минерализованный раствор содержит неприемлемую для основных видов высших растений концентрацию NaCl. Поэтому первоначально его надо использовать для выращивания съедобного для человека солероса (Salicornia europaea ) – однолетнего растения семейства амарантовых, способного расти на средах с высоким содержанием поваренной соли и накапливать ее до 50% от своего сухого веса. Затем концентрация NaCl в питательном растворе падает до значений, приемлемых для его последующего использования в культивировании других видов растений.

Принципиальное решение проблемы вовлечения в круговорот жидких выделений человека открывает возможность полной ликвидации тупиковых, т.е. неприемлемых для дальнейшего использования веществ в ЗЭС, связанных с его экзометаболитами (выделяемыми во внешнюю среду продуктами метаболизма), включении их во внутрисистемный кругооборот. В связи с этим в ИБФ предложен комплекс соответствующих технологий. Дело в том, что вопрос с твердыми экзометаболитами человека решается намного проще: они не содержат NaCl и их вовлечение в массообмен после стерилизации не представляет особых трудностей.

Перспективы на завтра

Формирование замкнутых экосистем имеет две четко выраженные перспективы применения: космическую направленность и земные приложения. Первая связана с разработкой физических моделей устойчивых круговоротных процессов для стационарных лунных и марсианских баз. Состав систем, их конкретные функции и основные проектные характеристики определяются прежде всего типом той или иной планетной станции, ее задачами, длительностью существования, количеством членов экипажа, весовыми и энергетическими ограничениями, а также рядом других требований (медицинских, эксплуатационных и т.д.).

В литературе можно найти различные варианты систем жизнеобеспечения, основанных как на запасах и физико-химических методах регенерации атмосферы и воды, так и на введении в цепь соответствующих биологических звеньев (микроводорослей, высших растений, рыб и т.д.). Накопленный в ИБФ опыт позволяет акцентировать внимание на реализации интегрированной биолого-физико-химической системы жизнеобеспечения с доминирующей ролью первой составляющей. При развертывании планетной биорегенеративной ЗЭС (на примере гипотетической марсианской миссии) регенерация атмосферы станции, построенная только на высших растениях, будет страдать существенным недостатком – большой инерционностью, связанной с длительным циклом их развития. Стационарное функционирование такой системы возможно лишь спустя несколько месяцев после начала запуска: скажем, полное обеспечение экипажа водой и кислородом реально через 2 месяца, растительной частью диеты – через 3–4 месяца. И в течение этого времени обеспечивать экипаж водой и кислородом сможет только упомянутый водорослевый культиватор: при производительности 600 г/сут сухого вещества он полностью решит проблему нормализации воздушной среды для человека.

Конечно, параллельно с запуском последнего необходимо «включить» конвейер высших растений. По мере его формирования нагрузка на конвейер водорослей будет уменьшаться до такой степени, что последний можно остановить. Таким образом, в ходе развертывания биорегенеративной ЗЭС на планетной станции целесообразно перейти на схему функционирования, основанную только на высших растениях, обеспечивающих человека кислородом и растительной пищей.

Что касается земных приложений ЗЭС, то они возможны в самых различных отраслях. Так, специально разработанные для ЗЭС световые технологии могут стать основой создания энергосберегающих ламп с физиологически обоснованными спектральными и энергетическими характеристиками. Эти источники света применимы, в частности, для получения экологически чистой растительной продукции в регионах с неблагоприятными природными условиями. Дома, в которых будут использовать такие технологии замкнутых циклов, способны обеспечить людям автономное существование длительное время (например, в период сильных морозов и непогоды в северных регионах, в труднодоступных горных местностях) с частичным замыканием в воспроизводстве растительной пищи, обеззараживании и утилизации отходов, а также регенерации атмосферы. Расчеты показывают, что энергозатраты экологичного дома даже ниже, чем обычного.

Еще одно земное приложение – модель круговорота в биосфере. В настоящее время в научном сообществе идут широкие дискуссии о возможных климатических изменениях на нашей планете. Однако до сих пор отсутствует достаточное понимание их причин и механизмов. Приблизит ответы на многие вопросы моделирование, заключающееся во внимании к самым основным, принципиальным для функционирования системы (в данном случае биосферы) параметрам. Такого рода подходы проверяемы не только на биосферном уровне, но и на так называемых «биосфероподобных» системах. На основе полученных результатов реально разработать имитационные модели с принципиально новым характером понимания глобальных биосферных процессов.

Правда, в связи с этим необходимо создать упрощенные биосфероподобные искусственные экосистемы с высокой степенью замкнутости круговорота веществ и относительно небольшой обменной массой, к тому же обладающих определенной репрезентативностью по отношению к природным биотам.

Их уже разрабатывают в ИБФ, они могут оказаться эффективным инструментом для моделирования биосферных процессов, включая исследования их устойчивости к антропогенным факторам воздействия. В такой системе при искусственном свете в условиях герметичности поддерживается круговоротный процесс между двумя основными звеньями: фотосинтезирующим (высшие растения) и гетеротрофным (почвоподобный субстрат). Газовый состав среды, температура и влажность воздуха поддерживаются автоматически. Создавая различные факторы воздействия на систему (изменение температуры, концентрации СО 2 и др.), можно оценить ее реакцию и проверить те или иные варианты сценариев изменения климата.

Примечания

См.: О. Газенко, А. Григорьев, А. Егоров. Космическая медицина: вчера, сегодня, завтра. – Наука в России, 2006, №3,4; А. Григорьев, Б. Моруков. Марс все ближе. – Наука в России, 2011, №1 (прим. ред.).

См.: Э. Галимов. Перспективы планетоведения. – Наука в России, 2004, №6; К. Труханов, Н. Кривова. Брать ли на Марс магнитное поле Земли? – Наука в России, 2010, №3 (прим. ред.).

Биосфероподобные системы – искусственные замкнутые экосистемы, в которых сформированы и функционируют вещественно-обменные циклы, имеющие высокую степень подобия глобальным вещественно-обменным циклам биосферы (прим. авт.).

Число растений, которые можно выращивать в закрытых террариумах, достаточно ограниченно. Нельзя высаживать быстро растущие растения и растения, запасающие в своих тканях воду.

Первый террариум был изобретен в 1842 году в Великобритании. Во времена королевы Виктории этот тренд быстро распространился. Террариум - это ёмкость, в которой созданы благоприятные условия для содержания животных и растений. Эти предметы изготавливается из стекла, имеют металлический, пластмассовый или древесный каркас. Террариумы могут быть открытые и закрытые. В закрытом террариуме создаётся уникальная среда для обитания некоторых растений и насекомых. Прозрачные стены способствуют проникновение внутрь тепла и света. В закрытом контейнере образуется благоприятный микроклимат. Водяные испарения циркулируют внутри террариума и создают идеальные условия для растений, предотвращая их высыхание.

Террариум может стать отличным дополнением к домашнему декору, а для некоторых людей служит своего рода хобби. Безусловно, оно напоминает увлечение комнатными растениями, однако это не совсем так. В первую очередь, террариум рассматривается как автономная экосистема, в которой все растения друг с другом взаимодействуют. Ее не надо поливать, удобрять или следить за уровнем влажности.

Обычно для закрытого террариума используют сорта растений, произрастающих в условиях тропиков. Внутрь него ставят маленькую ёмкость с водой, частично зарытую в грунт. Террариум раз в неделю открывают, чтобы выпустить лишнюю влагу из воздуха и его стенок. В закрытом террариуме находится специальная почва, необходимая для роста растений и сведения к минимуму потерь от разных микробов. Стеклянные закрытые террариумы могут иметь форму шара, колокола, куба, опрокинутой усеченной пирамиды или параллелепипеда. В таком террариуме нет сквозняков. Это позволяет выращивать самые нежные и капризные растения.

Число растений, которые можно выращивать в закрытых террариумах, достаточно ограниченно. Нельзя высаживать быстро растущие растения и растения, запасающие в своих тканях воду. Цветущие растения можно высаживать, но в будущем придется удалять увядшие цветки. Если их оставить, они начнут разлагаться и будут источником болезней, которыми страдают растения. Опытные ботаники рекомендуют садить в закрытые террариумы те растения, у которых корневая система мала или отсутствует. К ним относятся: аир злаковый, бегония королевская, хамедорея изящная, криптантус бромелиевидный, драцена Сандера, папоротники, плющ обыкновенный, селагинелла Крауза и т.д.

Открытые террариумы бывают так же различных форм, и в них высаживают любые растениями. Здесь приживутся и любители влаги, и любители жить в сухом климате. В открытый террариум подходят растения, которым необходим прямой солнечный свет.