Жизнь в биосфере возможна благодаря двум основным процессам: Благодаря каким двум основным процессам возможна жизнь в биосфере?
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Живое на земле — откуда мы? В версиях недостатка нет — от сугубо научных до самых фантастических. Человечество ищет ответ на этот вопрос уже тысячелетия. Ответить на него попытался известный российский биофизик Всеволод Твердислов в ходе лекции, состоявшейся в образовательном центре «Сириус». Он объяснил, почему на Земле существует лишь один живой организм, что общего между слизевиком и железными дорогами в Токио и как нужно искать инопланетян. «Лента.ру» приводит основные тезисы его выступления.
Три вопроса
В науке для просвещенного человечества существует всего три вопроса: как появилась Вселенная, как в ней зародилась жизнь и как живое научилось думать. Чтобы разобраться в столь глобальных темах, мыслить нужно масштабно, не в рамках какой-либо одной конкретной науки.
Очень многие процессы можно объяснить с помощью такого понятия, как «самоорганизация активных сред». Активная среда энергетически и информационно совмещает разнородные процессы в пространстве и времени.
Такие разные, казалось бы, явления, как распространение огня в степном пожаре, распространение слухов и инфекций, валют или языков объясняются одинаково, если рассматривать их с позиций биофизики.
Биофизика — раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех ее уровнях, от молекул и клеток до биосферы в целом, а также наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Иными словами, механизмы самоорганизации в физико-химических, биологических, экологических и социальных системах можно рассматривать с общих позиций. Имея представление о самоорганизации активных сред, можно создать модели, которые описывают такие несхожие на первый взгляд процессы, как работа лазера, свертывание крови, химические реакции, биение сердца или появление годовых колец у дерева.
Еще Аристотель утверждал: «Правильно в философии рассматривать сходство даже в вещах, далеко отстоящих друг от друга». Современная наука исходит из того, что это утверждение верно не только для философии.
Местные мы
Сколько на Земле организмов? Один: биосфера. Это единственный самодостаточный организм, под ногами у него таблица Менделеева, сверху аш ню падает, то есть кванты света. Ну и условия Земли, конечно, надо принимать во внимание.
Активная среда самоорганизуется по одинаковым принципам, независимо от ее размера. В качестве примера можно рассмотреть то, как по коре дуба расползается слизевик. Простейший организм, клетка размером в полмиллиметра, кусочек слизи, который может настолько разрастись, что покроет метры дерева.
Вид Токио из космоса
Фото: NASA
Ученые провели эксперимент, взяв за основу географическую карту Токио и окрестностей. Вокруг слизевика, который как бы находится на месте японской столицы, они разложили пищу в тех местах, где располагаются соседние с Токио города и поселки.
Слизевик начал движение в сторону пищи, прокладывая к ней каналы — «тропы». Когда исследователи сравнили схему движения подопытного организма и реальную карту японских транспортных артерий, они совпали. Все активные среды самоорганизуются, подчиняясь одним и тем же законам.
Самоорганизация — основа всего живого на земле. При этом важно учитывать, что определяется эта самоорганизация прежде всего физическими законами — даже в биологии, хотя люди привыкли трактовать биологию через химические соединения. Если речь идет о наследственности, то вспоминают ДНК. Если говорят о биологических рабочих инструментах, то подразумевают белки и ферменты. Если слышат об оболочке клетки, то на ум приходят липидные мембраны.
В результате даже астрономы, когда ищут жизнь во Вселенной, ориентируются на углеродные соединения, напоминающие аминокислоты. Если встречается что-то, напоминающее нуклеиновые кислоты, то делается предположение о существовании там форм жизни. Но ведь совершенно не очевидно, что вне Земли будут такие же ДНК, как здесь.
Как происходит естественный отбор на Земле? Природа предпочитает одни кислоты и отвергает другие не потому, что они ей нравятся или не нравятся. И даже не сами аминокислоты отбираются — природа выбирает среди разных физических форм принципы эффективности: самая эффективная побеждает. А значит, и внеземные цивилизации надо искать не через ДНК, из которых состоим мы, люди, а через физические формы потребления энергии.
На этом основана концепция сферы Дайсона, разработанная американским астрофизиком Фрименом Дайсоном. Идею он, кстати, позаимствовал из книги «Создатель звезд» фантаста Олафа Стэплдона. Как он предлагал искать инопланетный разум? Необходимо создать в космосе тонкую сферическую оболочку большого радиуса, сопоставимого с радиусом планетных орбит, со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация инопланетян может использовать сферу для полной утилизации энергии звезды или для решения проблемы жизненного пространства. По энергетическим колебаниям инопланетяне и будут обнаружены.
Пока вне Земли не найдено ни одного даже самого примитивного соединения, какое не могло бы быть синтезировано на нашей планете. Все, что обнаружено в космосе, производится самой Землей сейчас. Иными словами, нет никаких доказательств, что жизнь на Землю была привнесена извне. Это опровергает гипотезу панспермии, которая предполагает, что зародыш жизни (например, споры микроорганизмов) был занесен на нашу планету из космоса, скажем, метеоритом.
Если на метеорите прилетит пять аминокислот, ведь из них еще нужно сделать клетку. Представьте, что у вас есть скрипка, барабан и фагот, но один лишь факт наличия этих музыкальных инструментов еще не означает, что у вас есть оркестр. В этом и состоит главная тайна зарождения жизни. Этот оркестр нам на Землю никто не привозил. Все соединения, которые обнаружены в космосе, получаются и на Земле — с помощью молний и естественных природных катализаторов.
Сфера Дайсона
Изображение: sentientdevelopments.com
Избегайте равновесия
Часто можно услышать выражение «этот организм находится в равновесии с окружающей средой».
Физик данную фразу трактует однозначно: «этот организм мертв». Мы с вами принципиально неравновесные и удалены от термодинамического равновесия, и уж если говорить о наших отношениях с окружающей средой, то находимся мы в термодинамическом, энергетическом и материальном балансе. Это могут быть стационарные отношения или нестационарные, но никак не равновесные. Равновесие у нас может быть только на погосте.
Сама суть жизни — это взаимодействия разностей химических и электрических потенциалов, концентраций и так далее. Только в случае неравенства и неравновесия может идти химический процесс. С точки зрения биофизика, энергетическая жизнь — это парабола. В нижней точке жизнь замирает, в каком-то смысле ее там нет. Процессы самоорганизации активной среды начинаются тогда, когда заканчивается равновесие и система удаляется от него.
Если взять две системы с одинаковым электрическим потенциалом — неважно, сколь он велик, — то никакого движения зарядов быть не может. Нужна асимметрия.
Это — главное условие начала процессов. Химическими процессами движет физика. На этом строятся современные системные биология и биофизика. И сейчас одно из самых перспективных направлений — это наука, которая с одной стороны включает в себя биофизику, а с другой — синергетику.
Синергетика, или теория сложных систем — междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации. Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.
Знаменитый французский физик, лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри сказал, что природой движет нарушение симметрии, само движение по сути есть искажение симметрии, ведь симметрия — это статика.
Надо учитывать, что природа часто не подчиняется тому, что физики по традиции называют «законом». Например, закон Гука — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна приложенной к нему силе. Но этот закон неприменим к большим деформациям — невозможно растянуть пружинку, к примеру, на 10 километров. Значит, не каждый закон физики является законом природы. Надо разбираться в пропорциональных линейных зависимостях. Тут становится очевидным, что удаленные от равновесия системы могут проходить гладкие участки и попадать в так называемые точки бифуркации — то есть раздвоения.
Очень часто (особенно политики) говорят, что развитие должно идти по пути эволюции, а не революции. Но эволюция, в том числе биологическая, после гладкого развития идет как раз через бифуркацию, и предсказать, какой она будет, пройдя точку раздвоения, очень сложно. Степень точности прогноза — примерно как у синоптиков. Вероятность стопроцентного совпадения маловероятна, так как даже сама природа не знает, как себя поведет, пройдя точку бифуркации.
Предельно упрощая, можно сказать, что жизнь на Земле представляет собой систему, состоящую из двух сопряженных подсистем — биосферы и человеческой «экономики». Каждая из них является иерархически организованной активной средой, ни одна из них уже не может существовать сама по себе.
Именно в этом направлении сейчас развивается наука о живом — в поиске соотношения между потоками энергии вещества и информации и пространственно-временной самоорганизации. Например, почему рыбы часто плавают большими косяками? Таким образом они снижают сопротивление воды для каждой отдельной движущейся рыбы. Но вдруг появляется акула, и косяк распадается. Это функционально, но и это — изменение симметрии. А если посмотреть на произошедшее с точки зрения биофизика, это — бифуркация.
На пороге нового прорыва
К началу XX века практически все классические фундаментальные науки вроде бы были завершены. Географические открытия сделаны, астрономы все ближайшие созвездия и устройство Солнечной системы описали, геологи все разведали, физика и химия завершены, уравнения Максвелла написаны, электромагнетизм понят, теоретическая механика усвоена, таблица Менделеева есть, люди понимают, как устроены органические соединения.
Казалось, все известно — дальше двигаться некуда.
И вдруг прорыв: появляется квантовая механика, появляется теория относительности, квантовая механика приходит в химию и придает ей новый мощный импульс. Уже к середине XX века у классических наук образовалось огромное количество ответвлений: физика твердого тела, физика высокомолекулярных соединений, физика космоса и так далее. Науки рассыпались по огромному числу прикладных направлений. Владимир Иванович Вернадский, знаменитый русский и советский ученый-естествоиспытатель, писал: «Рост научного знания XX века быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам».
Большой адронный коллайдер
Фото: Globallookpress.com
Благодаря этому произошел сильнейший рывок цивилизации, мощный прорыв. Но человечество, обрадовавшись сильному старту, весьма бездарно провело вторую половину XX века и начало XXI. Прикладные направления наук не дали миру ничего по сути нового, они постоянно обновляют оболочку уже старых идей.
Например, атомные электростанции стали намного надежнее, но сам принцип их функционирования не изменился с 1950-х годов. Гаджеты становятся тоньше, мы говорим, что они более современные, но принципы их действия остаются прежними.
Для нового цивилизационного прорыва настало время сосредоточиться не на прикладных направлениях науки, а на фундаментальных, чтобы дать миру новый прорыв, который затем прикладные направления будут еще сто лет эксплуатировать.
Происходит новое соединение наук. Физика начала соединять два своих крайних крыла, совмещая представления о самом малом и самом большом, то есть элементарные частицы и Вселенную. Ученые плотно занимаются теорией Большого взрыва. Такие же процессы идут в биологии. Исследователи консолидируют свои знания о большом (биосфере) и малом (геноме).
Кстати, в неспособности научить видеть картину мира в целом заключается одно из слабых мест и современного образования: ученики и студенты получают много разрозненных сведений, существующих в сознании обособленно, не превращаясь в единое знание.
Часто употребляемое выражение «клиповое мышление» как нельзя лучше описывает эту ситуацию.
Что даст объединение наук? Скоро узнаем и, возможно, удивимся. Знаменитый английский писатель Артур Кларк, один из так называемой «большой тройки научных фантастов», чье влияние не ограничивалось рамками литературы, в своей книге «Черты будущего» (1962 год) сформулировал «законы Кларка», и первый из них гласит: «Если заслуженный, умудренный жизненным опытом ученый говорит, что нечто в науке возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определенно ошибается».
Развитие экосистемных представлений в экологии и продукционные аспекты исследования биосферы
STUDIES IN THE HISTORY OF BIOLOGY. 2021. Volume 13. No. 1 147
грызунов — переносчиков заболеваний, а также пушных зверей (Поярков, Симкин,
Поярков, 2013). В дальнейшем уже в 1960-е гг. Наумов, став одним из крупных по-
пуляционистов, разработал представления об иерархической структуре популяций.
С конца 1950-х гг. разворачиваются исследования популяций школы С.С. Шварца
(Новиков, 1980). Однако Шварц исходил не из утилитарных предпосылок, а, как
и Кашкаров, из эволюционных представлений. По Шварцу, вид осваивает среду
в форме вполне конкретных единиц — популяций, поэтому экология есть наука о
популяциях. Необходимость изучения адаптаций на популяционном уровне при-
вела Шварца к разработке в 1959 г. метода морфофизиологических индикаторов,
которые, по его мнению, позволяют оценивать отношение популяции к среде.
Впоследствии Шварц отказался от радикального сведения экологии к задачам из-
учения только популяций. Работы «позднего» Шварца были связаны с проблемами
исследования биосферного уровня организации жизни, на что обращал особое вни-
мание Э.И. Колчинский (2019).
В целом холистические традиции в экологии, особенно в наземной, в СССР в
1950–1960-е гг. были не очень сильны. В исследованиях был достаточно выражен-
ным популяционный крен.
И это происходило, несмотря на разработку в начале
1940-х гг. В.Н. Сукачёвым концепции биогеоценоза. Понятие «биогеоценоз» во
многом близко понятию «экосистема», хотя и предполагает более чёткие простран-
ственные границы совокупности (Рафес, 1970).
Определённую роль в развитии экологии в мире в целом сыграло и то, что при-
мерно с середины 1960-х гг. она приобретает всё большую популярность в глазах
широких кругов представителей разных специальностей (включая небиологиче-
ские), а также и населения в целом (Golley, 1993). Конкретно в СССР поводом для
этого послужило изменение политической обстановки в стране. Оттепель вызвала к
жизни всплеск природоохранного движения. По мнению Д. Вайнера (Weiner, 1999),
появление относительной политической свободы выразилось в противостоянии
интеллигенции и общественности различным индустриальным проектам преоб-
разования природы. Сопротивление покорению природы рассматривалось акти-
вистами как одновременно сопротивление давлению на человеческую личность.
Это не кажется удивительным, ибо, например, гидротехническое строительство и
лесозаготовки последние десятилетия проводились силами заключённых ГУЛАГа.
Учёные, как биологи, так и географы, физики, химики, а также журналисты, пи-
сатели, активно включились в пропаганду необходимости сохранения природы.
Яркий пример — полемика вокруг судьбы озера Байкал, с выступлений в защиту
которого собственно началось возрождение природоохранного движения в СССР.
Многие известные учёные старались объяснить правительственным кругам — по-
чему нельзя вмешиваться в природные процессы. Для этого они часто пользова-
лись относительно доступными аналогиями, заимствованными не из биологии, а,
например, из физики и химии. Так, физик академик П.Л. Капица говорил о нали-
чии в природе очень чётко установленных равновесий, нарушение которых может
повлечь за собой непредсказуемые последствия (Рижинашвили, Тихонова, 2017).
Но известно, что равновесия в сообществах и экосистемах намного сложнее и не
сводятся к формуле «тронь одно и всё развалится» (Гиляров, 2013).
Увлечение такими яркими аналогиями и внимание к экосистемам представи-
телей разных специальностей — один из факторов отхода от сугубо биологического
содержания экологии, её «дебиологизации». В очень заметной форме это вырази-
Россети Урал — ОАО «МРСК Урала»
Согласие на обработку персональных данных
В соответствии с требованиями Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных» принимаю решение о предоставлении моих персональных данных и даю согласие на их обработку свободно, своей волей и в своем интересе.
Наименование и адрес оператора, получающего согласие субъекта на обработку его персональных данных:
ОАО «МРСК Урала», 620026, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 140 Телефон: 8-800-2200-220.
Цель обработки персональных данных:
Обеспечение выполнения уставной деятельности «МРСК Урала».
Перечень персональных данных, на обработку которых дается согласие субъекта персональных данных:
- — фамилия, имя, отчество;
- — место работы и должность;
- — электронная почта;
- — адрес;
- — номер контактного телефона.
Перечень действий с персональными данными, на совершение которых дается согласие:
Любое действие (операция) или совокупность действий (операций) с персональными данными, включая сбор, запись, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передачу, обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение.
Персональные данные в ОАО «МРСК Урала» могут обрабатываться как на бумажных носителях, так и в электронном виде только в информационной системе персональных данных ОАО «МРСК Урала» согласно требованиям Положения о порядке обработки персональных данных контрагентов в ОАО «МРСК Урала», с которым я ознакомлен(а).
Согласие на обработку персональных данных вступает в силу со дня передачи мною в ОАО «МРСК Урала» моих персональных данных.
Согласие на обработку персональных данных может быть отозвано мной в письменной форме. В случае отзыва согласия на обработку персональных данных.
ОАО «МРСК Урала» вправе продолжить обработку персональных данных при наличии оснований, предусмотренных в п.
2-11 ч. 1 ст. 6 Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных».
Срок хранения моих персональных данных – 5 лет.
В случае отсутствия согласия субъекта персональных данных на обработку и хранение своих персональных данных ОАО «МРСК Урала» не имеет возможности принятия к рассмотрению заявлений (заявок).
«Биосфера-2»: уроки жизни на Земле и в космосе
«Биосфера-2», крупнейший из когда-либо созданных объектов закрытой экологической системы, предоставил жизненно важные уроки для жизни в нашей планетарной биосфере и для долгосрочного проживания в космосе. С точки зрения жизнеобеспечения в космосе, «Биосфера 2» отличалась от предыдущей работы BLSS тем, что включала районы, основанные на биомах дикой природы Земли, в дополнение к обеспечению жизнедеятельности человека и использовала интенсивную сельскохозяйственную систему на основе почвы, обеспечивающую полноценный рацион человека.Ни одна предыдущая система BLSS не включала домашних сельскохозяйственных животных.
Все отходы жизнедеятельности человека и домашних животных также были переработаны и возвращены в посевные почвы. Биосфера 2 была важна как первый шаг к изучению того, как миниатюризировать природные экосистемы и разрабатывать системы технологической поддержки, совместимые с жизнью. Наиболее успешная работа «Биосферы-2» в течение трех лет (1991-1994 гг.) изменила представления ученых по жизнеобеспечению космоса и широкой общественности о необходимости минибиосфер для долговременного проживания в космосе.Как лаборатория систем Земли, Биосфера 2 была одной из первых попыток сделать экологию экспериментальной наукой в масштабе, имеющем отношение к планетарным проблемам, таким как изменение климата, регенеративное сельское хозяйство, рециркуляция питательных веществ и воды, потеря биоразнообразия и понимание роли дикой природы. биомы играют в биосфере Земли. Биосфера 2 вызвала споры из-за узких определений и ожиданий того, как должна вестись наука. Сотрудничество между инженерами и экологами и требование разработать техносферу, которая поддерживала бы жизнь внутри, не нанося ей вреда, имеют огромное значение для того, что требуется в нашем глобальном доме.
Применение биорегенеративных систем жизнеобеспечения для краткосрочных космических приложений, таких как первые базы на Луне и/или Марсе, будет серьезно ограничено высокими затратами на транспортировку в космос, и поэтому будет зависеть от более легких гидропонных систем выращивания растений, которые будут сосредоточены в первую очередь. на регенерацию воды и воздуха и постепенно увеличивать производство пищи, необходимой космонавтам или жителям. Преобразование этих систем в более надежные и устойчивые системы потребует передовых технологий, например.g., для захвата солнечного света для роста растений или обработки пригодных для использования материалов из лунной или марсианской атмосферы и реголита, что приводит к большему использованию космических ресурсов на месте и меньшему количеству транспорта с Земли. Существует множество подходов к реализации космического жизнеобеспечения. Значительный прогресс был достигнут, особенно благодаря двум исследовательским проектам в Китае и проекту MELiSSA Европейского космического агентства.
Эти подходы используют кибернетический контроль и интеграцию интенсивных модулей для производства продуктов питания, обработки и переработки отходов, регенерации атмосферы и, в некоторых системах, производства с высоким содержанием белка из насекомых и личинок.Биосфера 2 использовала сочетание экологической самоорганизации и вмешательства человека для защиты биоразнообразия биомов дикой природы с более жестким управлением продовольственными культурами в своем сельском хозяйстве. Цели Биосферы 2 отличались от биорегенеративных систем жизнеобеспечения (BLSS), которые были сосредоточены исключительно на жизнеобеспечении человека. Намного больше нужно узнать как о небольших, эффективных наземных BLSS для ближайшего проживания, так и о минибиосферных системах для долгосрочного космического применения, чтобы преобразовать человечество и земную жизнь в действительно многопланетные виды.
1. Введение
Термин «биосфера» был впервые использован Эдуардом Зюссом в 1875 году, но наше современное понимание биосферы было сформулировано только в работах Владимира Ивановича Вернадского в 1920-х годах.
Он увидел, что биосфера, а не просто счастливый и пассивный пассажир, глубоко изменила поверхность Земли за свою 4-миллиардную историю. В книге Вернадского «. Биосфера » (1926 г.) описывается сила жизни, заключающаяся в включении все большего количества материи по мере ее распространения и эволюции.Он также понял, что люди стали «геологической силой» благодаря нашим обширным технологическим системам, и предвидел развитие сферы разума (ноосферы) для приведения биосферы и техносферы в большую гармонию [1, 2]. Совсем недавно термин «антропоцен» был выдвинут для нашей нынешней геологической эпохи, чтобы признать влияние человеческой популяции и их технологий [3, 4].
Современное понимание биосферы и острая необходимость учитывать влияние человека на ее функционирование возникают на фоне растущего отчуждения и отчуждения людей от экологических реалий их жизни (напр.г., «синдром дефицита природы»).
2. Исторический контекст проекта «Биосфера-2»
Проект «Биосфера-2» был начат в 1984 г.
, и после многолетних проектных, экологических и инженерных исследований в 1987 г. началось строительство объекта. В рамках проекта был создан Центр исследований и разработок «Биосфера», который включены карантинные и биоакцессионные теплицы: испытательный модуль «Биосфера 2», небольшая камера закрытой системы, культура тканей и аналитические лаборатории; и другие объекты.Было проведено два экспериментальных закрытия, первое с 1991 по 1993 год, а второе в 1994 году. Это были начальные эксперименты с запланированным столетним сроком службы объекта до того, как смена владельца / руководства привела к тому, что «Биосфера-2» перестала быть полностью замкнутая экологическая система, поддерживающая людей.
На момент реализации проекта россияне были лидерами в области жизнеобеспечения космического пространства и исследований замкнутых экологических систем, как в Красноярском институте биофизики (ИБФ) на установке «Биос-3», так и в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) ) в Москве.
Оба института активно сотрудничали, видя, что «Биосфера-2» может вывести поле на новый уровень, биосферный уровень Вернадского. Создание энергетически и информационно открытых, но практически материально закрытых систем позволит осуществлять точный мониторинг системы и возможность отслеживать тонкие и малые изменения во времени [5, 6].
Как биосферная лаборатория, Биосфера 2 включала в себя ряд наземных и водных/морских территорий, основанных на основных биомах, а также ферму и среду обитания человека с кухней, помещениями для экипажа, местом для отдыха, лабораториями и мастерскими.Проект столкнулся с огромными инженерными и экологическими неизвестными. Можно ли было создать устойчивые синтетические экосистемы, включая пищевые сети, в «биомах», ограниченных площадью 0,2 га или меньше? Можно ли поддерживать надлежащие условия окружающей среды для таких разнообразных систем, как тропические леса, саванны, прибрежные/туманные пустыни, мангровые заросли/болота и океанические системы с коралловыми рифами, а также зоны выращивания продуктов питания (рис.
1)? Была использована стратегия «упаковки видов», т. е. включения гораздо большего количества видов, чем можно было ожидать, и включения многочисленных видов, которые могли заполнить каждую экологическую нишу, поскольку никто не мог предсказать количество видов, которые могли бы исчезнуть при адаптации к новым условиям. новые условия.Экипаж вмешался, чтобы «защитить» биоразнообразие, выступая в качестве суррогатных хищников, борясь с инвазивными растениями и срезая сезонно активные травы в саванне, учитывая отсутствие крупных травоядных. Система коралловых рифов выжила, несмотря на переход от тропиков к умеренному сезону и свету. Ограничение подкисления из-за повышенного содержания углекислого газа в атмосфере требовало обширной химической буферизации, и использовались методы удаления питательных веществ, а также физическое удаление водорослей. Океан Биосферы 2 с крупнейшим в мире коралловым рифом, созданным человеком, предоставил важные экспериментальные данные для прогнозирования воздействия глобального потепления и закисления океана [7, 8].
Туман / прибрежная пустыня самоорганизовались экологически, чтобы стать больше похожей на экологию чапараля, чем на первоначальное господство суккулентов и кактусов. Тот факт, что об основных экологических и биосферных процессах так много неизвестного, послужил главным мотивом для создания лаборатории «Биосфера-2» [9–11].
Биосфера 2 была описана как величайший эксперимент по экологической самоорганизации [12]. Это также иллюстрирует то, что Джон Аллен, изобретатель Биосферы-2, назвал «Экспериментом на людях» [12].Разработчиков проектов и биосферных бригад не удивило, что возникнет множество неожиданных проблем и возникающих явлений. Это включало широко известное и поначалу необъяснимое снижение содержания кислорода в атмосфере. Несмотря на размер и сложность «Биосферы-2», а также несмотря на критиков, утверждавших, что причинно-следственные механизмы невозможно доказать, загадка была решена благодаря творческому использованию отслеживания изотопов углерода и вдохновленному предложению проверить, поглощается ли CO 2 .
незапечатанный бетон внутри Биосферы 2 был первичным поглотителем кислорода [13].
Институт экотехники, крупный научный консультант проекта «Биосфера-2», помог организовать серию международных семинаров по замкнутым экологическим системам и исследованиям биосферы. Первый был проведен в Королевском обществе в Лондоне в 1987 г., второй — в ИМБП в Москве и ИБФ в Красноярске, Сибирь, в 1989 г., третий — в Биосфере-2 в 1992 г. и последний — в Линнеевском обществе в Лондоне в 1996 г. Лидеры В семинарах приняли участие представители многих космических агентств, включая НАСА, ЕКА, России и Японии.В Красноярске участники семинара дали название «биосферика» новому исследованию биосфер, больших и малых, естественных и искусственных [10].
Дополнительные публикации о Биосфере 2 см. в Marino and Odum (1999), которые редактировали сборник из почти двух десятков статей для журнала Ecological Engineering (позже опубликованного Elsevier), онлайн по адресу https://ecotechnics.edu/ публикациях и в ссылках Нельсона (2018 г.
), «Раздвигая наши границы: взгляды из Биосферы 2».
3.Препятствия на пути биосферных исследований и изменения взаимоотношений человека и биосферы
Среди препятствий на пути исследований, касающихся новой парадигмы взаимоотношений человека и биосферы, есть те, которые возникают из-за узких определений науки.
Некоторые из противоречий, которые разожгла «Биосфера 2», были вызваны восприятием основной творческой группы проекта как «аутсайдеров». Это произошло, несмотря на то, что многие ученые и учреждения высокого уровня внесли свой вклад в разработку и исследования Биосферы 2.
Биосфера 2 изначально задумывалась как тихий исследовательский центр, а мы узнали больше о том, как проектировать минибиосферы и управлять ими. Как предприятие, финансируемое из частных источников, намерение состояло в том, чтобы окупить капиталовложения за счет создания дополнительных биосфер для мировых городов, крупных университетов и тематических парков, поскольку их можно было бы использовать для развития науки о биосфере, а также в качестве общественных и образовательных ресурсов.
Предпосылка «Биосферы 2» была оптимистичной по своей сути: минибиосфера может быть спроектирована и эксплуатироваться, чтобы включать биомы дикой природы и удовлетворять потребности людей.Это плюс волнение науки в реальном времени, происходящее в «Биосфере 2», вызвало отклик у людей во всем мире. Архитекторы «Биосферы-2», полные решимости сделать первую в мире мини-биосферную лабораторию еще и красивым символом, использовали традиционные формы (ступенчатые пирамиды, вавилонские бочкообразные своды) наряду с современными формами, такими как пространственный каркас и геодезические купола, чтобы создать потрясающее сооружение (рис. 2). Внезапно ранее малоизвестное слово «биосфера» стало охватывать огромное количество людей по всей планете. Биосфера 2 была компактной лабораторией для изучения фундаментальных процессов и свойств нашей глобальной биосферы, и люди могли относиться к ней как к модели того, как работает наша биосфера, от тропического леса до океана, от фермы до людей [10].
Биосфера 2 вызвала споры.
Любой проект, который действительно является передовым и делает прыжок в будущее, обязательно будет таковым. Ребекка Рейдер в книге, которую она опубликовала по результатам своих гарвардских исследований истории науки о Биосфере 2, выявила четыре отличия Биосферы 2 от обычных ожиданий науки.
«Наукой» могли заниматься только официальные ученые, только правильные первосвященники могли толковать природу для всех остальных… «Наука» была отделена от искусства (и мыслящий разум был отделен от эмоционального сердца)… «Наука» требовалась четкая интеллектуальная граница между людьми и природой; это не обязательно предполагало, что люди учатся жить с окружающим миром.Наконец, «наука» должна следовать определенному методу: придумать гипотезу, проверить ее и получить цифры, подтверждающие вашу правоту» [14].
Узкие определения науки исключают новые и крупномасштабные подходы, жизненно важные для понимания нашей глобальной биосферы, того, как люди взаимодействуют с локальными и планетарными экосистемами, а также крайне необходимое переосмысление и перепроектирование многих текущих элементов нашей техносферы.
Настойчивость в конкретной науке, основанной на гипотезах, отражает нынешнее преобладание аналитической мелкомасштабной науки, а не науки системного уровня, необходимой для наших насущных планетарных экологических кризисов [15].Наука, исключающая сердце и искусство, ведет к еще большему «научному апартеиду», чем описывал Лавлок [16]. Это главная причина, по которой до сих пор не хватает даже междисциплинарных научных исследований. Большинству ученых хорошо известны страсти, которые мотивируют их работу. Эмоции являются важными инструментами, побуждающими нас заниматься наукой, которая может иметь отношение к нашим глобальным проблемам, а также помогает сделать нас полноценными людьми.
«Пришло ли время экспериментов с крупномасштабными биосферами? Традиция использования мелкомасштабных микрокосмов и камер роста не отражает суть реакции всей системы, масштаб, который повлияет на человечество.Биосфера 2 будет продолжать стимулировать умы тех, у кого есть видение мыслить за завесой традиции.
Как и все остальное, эта технология или их конгломерат могут сыграть жизненно важную роль в появлении новых наук просто потому, что этот инструмент позволяет проводить экспериментальную работу в таком масштабе, который редко был возможен» [17].
3.1. Техносфера на службе жизни
Биосфера 2 так хорошо функционировала благодаря тесному сотрудничеству инженеров и экологов.Это необычно, поскольку экологам пришлось выучить достаточно инженерного языка, чтобы сообщить о своих потребностях. Инженерам пришлось перестроить свое привычное мышление, поскольку в этом объекте основная роль технологии заключалась в поддержании его жизни, что исключало любую технологию, процесс или материал, производящие побочные продукты, токсичные или вредные для разнообразия его организмов [9, 10].
Институт экотехники был частью истории большей части основной творческой группы Биосферы 2. Многие, включая меня, были соучредителями Института в 1973 году, поставив своей целью научную дисциплину, которая гармонизировала бы миры экологии и техника.
Мы начали и помогли управлять рядом инновационных демонстрационных проектов в сложных биомах по всему миру, в районах экологического и культурного кризиса, где традиционные подходы не работали [18]. Наша цель состояла в том, чтобы добиться максимального улучшения экологии (измеряемого увеличением биомассы и биоразнообразия) наряду с жизнеспособной экономикой (результат), чтобы проекты могли быть самоокупаемыми. Биосфера 2 была отличной исследовательской лабораторией экотехники, поскольку потребуются инновационные подходы для: обеспечения здоровья биомов, достижения регенерации воды и воздуха, предотвращения загрязнения, разработки продуктивного сельского хозяйства без использования токсичных химикатов и повторного использования питательных веществ и сточных вод.«Биосфера 2» добилась успехов в биофильтрации почвы, чтобы контролировать накопление газовых примесей, и использовала искусственные водно-болотные угодья в качестве метода возврата питательных веществ в почву фермы [19–21].
Реконструкция нашей планетарной техносферы в аналогичном направлении явно необходима, поскольку очевидно, что наша текущая техническая инфраструктура и способы ведения «обычного бизнеса» серьезно ухудшили качество воздуха, воды, почвы и здоровья как людей, так и самой биосферы.
3.2. Viscerally Connected: The Biospherian Experience
Мы не ожидали, что люди в закрытых экологических системах смогут так глубоко ощутить свою полную связь с живым миром.После инженерных испытаний эксперименты на людях были проведены в испытательном модуле «Биосфера 2», объекте 3 площадью 480 м с площадью основания 6,1 м × 6,1 м, растениями из различных биомов, включенных в «Биосферу 2», созданную водно-болотную угодье для обработки отходов жизнедеятельности человека. и посевная площадь [22]. Его первый испытуемый, Джон П. Аллен, отметил во время своего трехдневного эксперимента по закрытию в 1988 году:
«Между моим телом и растениями уже начало формироваться странное партнерство. Я нахожу, как мои пальцы поглаживают, чувствуя мягкую резиновую текстуру паутинного растения, зная, что оно улавливает выделяющие газы продукты… Обратите внимание, мое внимание все больше и больше переключается на состояние растений… У меня всегда было ощущение, что растения живые, реагирующие , даже живой символ.
Но теперь они нужны… и раз они нужны, то я их и присматриваю» [12].
Я провел 24 часа в тестовом модуле, и удивительный опыт вдохновил меня начать обучение в качестве кандидата в биосферный экипаж. Метаболическая связь между вами и остальными живыми организмами в таком маленьком сооружении безошибочна и ощущается почти сразу. Вы знаете, что его живые существа поддерживают вашу жизнь и здоровье, и что замечательно, так это то, что это знание ощущается внутренне, телесная осознанность вашей взаимозависимости.Какое радостное осознание! [10].
Подобные переживания испытали все восемь членов экипажа биосферы во время первого двухлетнего эксперимента по закрытию в Биосфере 2 с 1991 по 1993 год. напоминания о том, насколько тесно люди связаны с этим живым миром, восприятие, гораздо более телесное, чем просто интеллектуальное мышление и знание. Было несколько удивительно, что наши тела «получили это»; понимая, что наше здоровье и здоровье этого минимира одинаковы.Это приводит к повышенному осознанию всего, что вы делаете.
Нет анонимных или мелких действий — все имеет последствия, и время реакции намного быстрее, потому что вы живете в маленьком мире.
Одним из наиболее захватывающих элементов любой небольшой закрытой системы — от камер для выращивания растений по программе контролируемых систем жизнеобеспечения окружающей среды (CELSS) до более крупных камер, способных обеспечивать жизнеобеспечение человека, — является изменение концентрации жизни. Их гораздо меньшие буферные размеры (атмосфера, почвы или гидропонные среды, водоемы) приводят к ускорению, иногда колоссальному, циклов и резкому увеличению атмосферных колебаний.Атмосферный CO 2 мог варьироваться на 500–700 ppm в день в Биосфере 2, а время пребывания в атмосфере измерялось в часах, а не в годах, поскольку вся система находилась на солнечном свете в течение дня, а дыхание преобладало в темное время суток [23, 24] ( рис. 3 и 4). Круговорот воды также ускорился, в некоторых случаях, на порядки (табл. 1 и 2).
9003
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Наши стратегии включали обрезку растений, которые могли быстро отрасти, хранение (изоляцию) срезанной биомассы, отключение компоста и грядок с червями, а также посадку там, где это возможно, чтобы улавливать больше «солнечных осадков».«Солнечный свет был ограничивающим фактором, поскольку стеклянная пространственная рама и структурное затенение уменьшали попадание солнечного света более чем на 50%. Мы были благодарны и всегда осознавали, что наши «зеленые союзники» и бесчисленные почвенные и водные микробы помогают очищать воду, очищать наш воздух и производить свежую и здоровую пищу на нашей ферме [10].
Большая часть съемочной группы прославляла наш мини-мир стихами, картинами, музыкой, документальными фильмами и письменно. Мы даже организовали два «межбиосферных фестиваля искусств», чтобы поделиться ими с художниками и музыкантами извне.
5).
26].
скорость изменила многие взгляды (рис. 6) [5].Исследователи биорегенеративного жизнеобеспечения в космосе были в восторге от того, что Биосфера 2 дала такую большую видимость вопросам долгосрочного проживания в космосе, и как только они поняли, что мы прекрасно знали, что космические условия исключат создание структуры, подобной Биосфере 2 [28]. Мы пытались запустить не установку, а значимую идею о том, что создание биосферных систем необходимо для бессрочной экспансии человека в космос. Мне нравится выражаться лаконично: люди не могут существовать без биосферы — и это будет верно в космосе так же, как и на Земле.
Земля поддерживает биосферу; до сих пор мы не знаем других примеров. Чтобы исследовать и заселить внутреннюю Солнечную систему, мы должны разработать биосферы меньшего размера и научиться их строить и поддерживать… Строители Биосферы 2 преследуют несколько целей: значительно улучшить наше понимание биосферы Земли; разработать пилотные версии биосфер… и подготовиться к строительству биосфер в космосе и на поверхности планет, которые станут поселениями космического фронта [29].
Растения также будут давать пищу, очищая воду и частично пополняя запасы кислорода. Предполагаемые суточные потребности для поддержания жизни одного человека в космосе включают 4577 граммов питьевой воды и воды для приготовления пищи; вода для стирки 18 000 г и вода в пище 128 г, в то время как кислород составляет всего 805 г, а пища 855 г сухого веса [30]. Вода очищается при эвапотранспирации. Контроль влажности по своей сути приводит к конденсации испаряемой воды, которая повторно использует наибольшее количество воды в системе.Непосредственное использование человеком для питья, мытья и туалета требует гораздо меньших количеств. По мере увеличения возможностей и использования ресурсов in situ посевные площади могут быть увеличены, а методы высокопродуктивного производства, такие как аквапоника, которая поддается рециркуляции с замкнутым контуром, необходимой для биорегенеративного жизнеобеспечения в космосе, могут производить рыбу, а также овощи, чтобы обеспечить больше рациона космических экипажей и обитателей базы [31].
Чем больше биомассы производится в результате фотосинтеза растений, тем больше кислорода будет поступать и тем больше будет очищаться воздух, хотя для безопасности и дублирования их следует дополнять физико-химическими подходами и хранением жизненно важных материалов.
Там очень большая разница давлений между пригодной для жизни внутренней атмосферой и очень низким давлением на поверхности Марса означает, что использование легких переменного объема было бы неуместным, и даже самые крошечные отверстия приводят к большим потерям жизненно важной атмосферы (таблица 3). Например, если марсианская база имеет объем воздуха 1000 м 3 , одно отверстие диаметром 1 мм потребовало бы пополнения всей атмосферы каждые 80 дней, что почти в пять раз больше всей атмосферы каждый год.Кроме того, обитатели и другие формы жизни должны быть защищены от опасного излучения, поскольку на Луне и Марсе отсутствует озоновый слой Земли, защищающий ее поверхность. Одним из решений является использование достаточного количества реголита для защиты внутренних помещений от радиационной опасности. Анкерные конструкции также являются серьезной проблемой на поверхности Марса и могут служить аргументом в пользу желательности подземных мест для базы [28].
16
Это, а также использование сельскохозяйственных культур и сортов культур, более подходящих для слабого освещения, возможно, помогло команде достичь 100% производства своего рациона по сравнению с 83% во время первого двухлетнего закрытия. [34]. Энергия, необходимая искусственному освещению для полного выращивания сельскохозяйственных культур или для дополнения солнечного света, может быть очень большой.Существует неотъемлемый компромисс между использованием высокоинтенсивного освещения для повышения урожайности и, таким образом, уменьшением необходимого размера сельского хозяйства по сравнению с затратами на электроэнергию для освещения. На рис. 7 показаны эти отношения с использованием экспериментальных данных для очень высокоурожайных сортов пшеницы [27].
на малых объемах атмосфер околоземных космических аппаратов и баз также варьируются в зависимости от стадии роста сельскохозяйственных культур от прорастания до старения и концентрации CO 2 .Сбалансированная диета из космических культур, несомненно, будет включать в себя различные культуры, включая корнеклубнеплоды, листовую зелень, овощи, бобовые и зерновые, поэтому баланс их потребностей в CO 2 и скорости фиксации, а также предотвращение чрезмерного производства кислорода будет иметь решающее значение для решать.
Изучение того, как обеспечить, чтобы системные потоки оставались в допустимых границах для здоровья, и чтобы питательные и другие циклы были завершены, жизненно важно для устойчивости биорегенеративных систем жизнеобеспечения для космического жилья [11].
Существует обширная литература о том, что может и часто происходит в исследовательских группах, на антарктических базах и даже в экспериментах по моделированию космоса. Некоторые из них пришлось отменить из-за распрей, сексуальной ревности и агрессии, а также подсознательного саботажа миссии и работы друг друга. Биосфера 2, безусловно, была ключевым примером с физическим разделением восьми человек на два года.Хотя существовала некоторая фракционность, усугубляемая борьбой за власть снаружи, команда была полна решимости продержаться до конца запланированного эксперимента по закрытию и провести как можно больше научных исследований. Важно иметь достаточно места для уединения, а также иметь природные элементы, такие как растения, для работы. Рассказы астронавтов и космонавтов космических станций подчеркивают психологические преимущества наличия на борту других форм жизни. Садоводство и время, проведенное на природе, даже стали признанными важными средствами для снятия стресса.
Все, что наносило ущерб живым или техническим системам «Биосферы-2», также могло угрожать здоровью экипажа, поэтому подсознательный саботаж был немыслим и никогда не происходил [10, 25]. Эти осознания будут еще более глубокими для человеческих исследовательских групп или жителей за пределами планеты, где нет шлюза, через который они могли бы безопасно покинуть.Жители космоса, несомненно, влюбятся в свой урожай и мир; думать и действовать, чтобы сохранить их здоровье, будет приоритетом, который преодолеет личные и групповые разногласия и сплотит их в команду.
Как в советской космической программе, так и в НАСА самые ранние системы использовали только резервуары с водорослями, которые регенерировали воздух и воду, но не удовлетворяли потребности в пище. Итак, были введены сельскохозяйственные культуры, и в исследованиях изучались способы максимизации урожайности с помощью селекции сельскохозяйственных культур, легкой гидропоники и высокого уровня света. Установка «Биос-3» в Сибири была самой передовой BLSS в 1970-х годах, производя большую часть рациона экипажа, перерабатывая жидкие отходы жизнедеятельности человека, регулируя уровни CO 2 и удаляя летучие органические соединения (ЛОС) путем нагревания несъедобных отходов растениеводства в термокаталитический нейтрализатор [37].
CEEF включает в себя закрытый экспериментальный комплекс для растений, закрытый экспериментальный комплекс для животных и людей и закрытый геогидросферный эксперимент для изучения водно-болотных угодий и наземных экосистем. Были проведены короткие недельные эксперименты с участием двух человек, домашних коз и пищевых культур [38].
Из-за этой цели эти системы BLSS направлены на совершенствование самых маленьких и простых систем жизнеобеспечения, выбирая процессы, которые минимизируют массу, объем, потребности в энергии и время экипажа при максимальной эффективности, надежности и степени закрытия при регенерации воздуха, воды и воды. производство продуктов питания. В отличие от этих других исследовательских усилий и объектов BLSS, CEEF включает наземные и морские экосистемы из-за их желания отслеживать радиоактивные элементы в окружающей среде и изучать вопросы, связанные с глобальным изменением климата.Все остальные объекты включают только то, что необходимо для поддержки людей. Дизайн MELiSSA был вдохновлен переработкой пресноводной наземной экосистемы, поэтому их подкомпоненты включают разложение отходов термофильными анаэробными бактериями, затем переработку фотогетеротрофными бактериями, нитрификацию с использованием нитрифицирующих бактерий, оживление воздуха (фотосинтез с микроводорослями), производство продуктов питания с использованием высших пищевых продуктов.
посевов и боевого отделения [39].
Они провели 30-дневный эксперимент с двумя людьми и 180-дневный эксперимент с четырьмя членами экипажа. В последнем 4 отсека выращивали урожай, 2 предназначались для жилья экипажа, а 2 — для жизнеобеспечения и ресурсной рубки. Их CELSS Integrating Experimental Facility (CIEF) использовал активированный уголь для очистки воздуха и систем выращивания растений, которые включали как гидропонику, так и твердую среду [43].Все эти объекты BLSS используют недавно разработанные светодиодные фонари для выращивания сельскохозяйственных культур в качестве более энергоэффективного подхода.
Таким образом, как и CEEF, необходимо было дополнить производство продуктов питания/переработку отходов/среду обитания людей областями, аналогичными основным биомам Земли. Это потребовало включения тропических лесов, саванн, пустынь, мангровых болот и коралловых рифов в океанических районах, поскольку биомы являются строительными блоками биосферы [44, 45].
грядок для выращивания растений.
. Это было несколько неожиданно, поскольку первым двухлетним экспериментом по закрытию была миссия по «вымогательству». Поучительным для будущих биосферных объектов было изучение того, насколько важно начинать с почв, достаточно зрелых, чтобы иметь лучший баланс C : N, чтобы дыхание почвы не превышало фотосинтез на раннем этапе его работы.Это стало основной причиной снижения содержания кислорода в атмосфере. Более поздние исследования показали, что почвы фермы «Биосфера-2» стабилизировались менее чем через пять лет после первоначального двухлетнего эксперимента [46].
Хотя это больше не закрытая экологическая система, это по-прежнему объект, где экологические системы, аналогичные земным биомам, экспериментально манипулируют и исследуют.Он продолжает свою жизнь как важная научная лаборатория, а также используется для обучения и вдохновения студентов и общественности.
Биосфера 2 также стала переломным проектом, который значительно расширил наши представления о том, что повлечет за собой жизнь за пределами планеты. В обоих случаях ключом к успеху будет научиться быть ответственными биосферистами, помогая управлять нашей планетарной и внепланетной биосферами.
Они должны были обеспечить правильную температуру и количество осадков в каждом биоме, опреснять воду, собирать и циркулировать воду, очищать сточные воды, очищать воздух от следовых газов и даже создавать легкие бризы.
Как и у астронавтов, у нас было много дел, чтобы заполнить наши дни. Сельское хозяйство занимало 25 процентов нашего времени бодрствования, исследования и техническое обслуживание — 20 процентов, написание отчетов — 19 процентов, приготовление пищи — 12 процентов, управление биомами — 11 процентов, животноводство — 9 процентов.Остальное время мы проводили, давая интервью СМИ и решая разные вопросы. Мы построили выходные для отдыха и наблюдения за изменениями в нашей растущей биосфере.
Мы назвали двух свиней Зазу и Куинси. Одной из наших дурацких цыпочек была миссис Фруткейк.
Мы никогда не замечали никаких изменений, но со временем посторонние стали встревожены нашим новым цветом лица.
Их общая биомасса — вес всех растений — увеличилась более чем вдвое. Каждая экозона была «набита видами». В то время как некоторые растения и деревья погибли, команда контролировала инвазивные виды, а биомы быстро росли и сохраняли удивительное разнообразие, несмотря на свои небольшие площади. Пустыня, например, превратилась из области, где преобладают кактусы, в территорию, населенную кустарниками и деревьями. Мы позволяем этому процессу разворачиваться. В этом биоме биосфера научила нас тому, как она хочет развиваться.
Борьба за власть над направлением проекта усугубила ситуацию. Одна сторона хотела нового руководства и перенастройки приоритетов нашей миссии, уменьшив акцент на закрытии и уделяя больше времени науке. Другая сторона хотела сохранить лидерство проекта и наши цели.«Это было действительно ужасно», — вспоминал позже один из членов экипажа. «Я мог быть таким холодным с людьми из другой группы, проходя мимо них и даже не глядя на них». Хотя драки не было, одна из членов экипажа спустя годы пожаловалась, что в нее плюнули. Дважды.
Мы не говорили о сексе со СМИ. Когда нас спросили, наш стандартный ответ был: «Люди есть люди. Все, что вы могли ожидать от людей, произошло здесь». При этом среди нас было две пары мужчина-женщина, а остальные были одиноки.Я провел два года счастливым эко-монахом.
Все в Биосфере 2 имело смысл. Это был невероятно чувствительный мир. Все, что мы делали, имело последствия и значительно увеличивало нашу внимательность.
Мы доказали, что закрытая экосистема может работать годами, и на этом уроке могут основываться планировщики марсианской колонии. Мы извлекли уроки, чтобы помочь сохранить жизнь рифам, подвергшимся стрессу, и как защитить тропические леса.Мы работали с нашими зелеными союзниками, чтобы не допустить слишком высокого уровня CO2. Наша ферма показала, что высокая производительность и полная переработка питательных веществ могут быть достигнуты без токсичных химикатов.
Мы поняли это в «Биосфере 2», и я вижу растущее понимание во всем мире того, что мы находимся в общей спасательной шлюпке, независимо от нашего происхождения и обстоятельств. Мы сталкиваемся с тестом IQ вида, который определит, смогут ли люди продемонстрировать интеллект, стойкость и приспособляемость, чтобы стать совместной, творческой частью нашей планетарной биосферы, или же мы движемся к эволюционному тупику.
Это Земля. Вас не должно удивлять, что попытки людей создать герметичные системы, как правило, не увенчались успехом. Международная космическая станция, несмотря на попытки переработать все, что возможно (включая преобразование мочи в питьевую воду — вы все еще хотите быть астронавтом?) для снижения затрат, не могла поддерживать жизнь в течение длительного времени без стабильных поставок провизии из и вывоз мусора обратно на Землю. Вы знаете, что они очень стараются, потому что, если все пойдет по плану, доставка фунта полезной нагрузки (припасов) на околоземную орбиту будет стоить около 10 000 долларов.Проект «Биосфера-2» в Южной Аризоне был интересным и дорогостоящим мероприятием, но первоначальные исследования не были очень научными, и оказалось довольно сложно поддерживать жизнь лишь горстки людей в течение относительно короткого периода времени. Вы можете купить крошечные герметичные морские экосистемы, заключенные в стекло. Это красивые диковинки, но тот, который я купил для жены, продержался меньше года, прежде чем сломался.
Среди самых безумных оправданий освоения космоса то, что когда (обратите внимание на предположение о неизбежности) мы разрушим Землю, нам понадобятся новые места для жизни (и, предположительно, руины).До тех пор, пока мы не сможем добиться большего успеха в создании автономных экосистем, было бы гораздо лучше использовать человеческие усилия, чтобы сосредоточиться на сохранении единственной, которая у нас есть. Мало того, если мы сделаем Землю непригодной для жизни, я не уверен, что мы заслуживаем жить где-то еще. Но сам по себе вызов интересен, и научные вопросы, которые вы можете задать в процессе понимания, создания и поддержки такой системы, имеют смысл. Мы попробуем. Удачи! За это Нобелевская премия.
Если у вас слишком много растений и мало животных, которые их едят, растения могут перенасытиться и погибнуть.Растения поглощают углекислый газ (CO 2 ) из воздуха и в процессе, называемом фотосинтезом, используют энергию солнечного света, чтобы брать эти углероды и связывать их вместе для производства сахаров (пища для растений), высвобождая кислород (O 2 ) как отходы. Животные используют кислород как часть процесса обмена веществ (высвобождая энергию из пищи). Следовательно, растения и животные мутуалистичны; при правильном балансе они помогают друг другу выжить, потому что каждый из них производит то, что нужно другому, и каждый из них расходует то, в чем другой не нуждается.(На самом деле все немного сложнее, потому что растения производят кислород только при свете, а потребляют кислород в темноте.) Растения также поглощают химические питательные вещества, такие как азот (белки в основном состоят из азота и углерода, поэтому мертвые животные обогащают кислород).
почва для растений), фосфор и калий из почвы через их корни. Животные потребляют растения (или других животных) и производят отходы, которые бактерии расщепляют на питательные вещества, которые растения могут повторно использовать. Вода потребляется как растениями, так и животными, но также выделяется, очищается и используется повторно.Когда растения и животные умирают, они расщепляются организмами-редуцентами, такими как бактерии и грибы, а химические вещества, которые были частью их тел, перерабатываются обратно в новые живые существа. Единственными входами извне являются тепло и свет, и вся система должна иметь возможность перерабатывать все остальное и быть самоподдерживающейся на протяжении многих поколений. Земля — это самоподдерживающаяся экосистема, существующая миллиарды лет.
Единственными допустимыми входами в систему являются тепло и свет. Для начала читайте дальше…
Сначала установите его пустым, чтобы убедиться, что все плотно прилегает друг к другу.Используйте несколько небольших кусочков ленты, чтобы временно скрепить их. Обратитесь к примечаниям на ресурсных сайтах. У них есть много полезных советов по удалению этикеток, безопасному разрезанию бутылок, соединению их друг с другом и т. д. Например, подумайте, будете ли вы резать выше изгиба, по изгибу или ниже изгиба верхней и нижней части бутылки. Если одна секция искривляется, к ней легче подогнать другую секцию. Чтобы вставить крышку бутылки в середину бутылки, слегка наклоните ее, когда вы вдавливаете ее, чтобы прервать всасывание/давление.Я сделал свои первые надрезы канцелярским ножом, а затем обрезал края ножницами, чтобы сделать их более гладкими. Хорошо загерметизировать как можно больше стыков между секциями силиконом и дать им высохнуть и выйти из газов, прежде чем загружать в систему какие-либо живые существа.
Обратите внимание, что между всеми секциями должно быть отверстие, чтобы воздух и влага могли перемещаться по всему комплексу бутылок.Тем не менее, временно удерживая крышку над водной секцией, пока вы загружаете почву, наземные растения, дождевых червей и т. д., вы не прольете что-либо в нижнюю секцию. Просто не забудьте снять крышку над водной частью, когда закончите с наземной средой обитания. Шаг H — завершенная двухкамерная биосфера.
Не селите в свою биосферу рыб, лягушек, рептилий и т.п.; они не выживут долго, потому что он слишком мал и не может их поддерживать.Немного прудового ила будет содержать несколько хороших микроскопических беспозвоночных. Попробуйте несколько маленьких улиток, может быть, несколько маленьких дождевых червей, немного дафнии или других пресноводных беспозвоночных, выловленных из пруда или ручья сачком. Сделайте его больше похожим на террариум. Попробуйте некоторые выносливые растения; желательно более одного вида. Оставьте компоненты открытыми на воздухе на неделю или две, пока вы регулируете уровень влажности и все устанавливается. 
Я добавил немного песка и крупного аквариумного гравия для дренажа на дно своих наземных участков и очень постепенно добавлял воду, следя за уровнем воды снаружи.Оставьте его открытым на неделю или две, прежде чем закрывать, чтобы лишняя вода испарилась. Вы хотите, чтобы почва была влажной, но не мокрой. Я также добавил в почву 2 маленьких дождевых червей, которых я собрал после ливня. Надеюсь, успеют!
Даже если что-то начинает рушиться, продолжайте наблюдать. Плесень тоже живое существо. Подумайте о циклах, которые происходят внутри бутылки, когда она нагревается и охлаждается в течение дня и ночи, световых и темных циклов, а также когда вода, кислород и углекислый газ, углерод, азот и другие питательные вещества циркулируют в системе.Прочтите обо всем следующем, потому что они помогут вам понять, что происходит внутри вашей «закрытой системы».
Используйте параметр «оптимизировать для электронной почты», если он доступен.
Р.
и Карпентер С.Р. Стабильность и разнообразие экосистем. Наука 317 , 58–62 (2007).
Наука 287 , 1770–1774 (2000).
рис. 21.3). Увеличение количества CO 2 , вероятно, повлияет на глобальную температуру, которая повлияет на биомы и кинетику в отдельных экосистемах. Экологическая структура, такая как ассоциации деревьев, навесы и лесные подстилки, а также структуры водно-болотных угодий, могут измениться, так что условия могут стать хуже с сопутствующим увеличением анаэробного микробного разложения, что означает более высокие выбросы CH 4 , что будет означать повышение глобальной температуры при неизменности всех остальных факторов.Однако, если увеличение СО 2 вызывает повышение биологической активности и усиление фотосинтеза, а глубина водно-болотных угодий уменьшается, глобальные концентрации СН 4 упадут, что приведет к меньшему глобальному повышению температуры. И наоборот, если эта повышенная биологическая активность и фотосинтез приводят к уменьшению массы детрита лесной подстилки, то меньшая анаэробная активность может привести к более низким выбросам CH 4 .
На самом деле, в различных масштабах будут происходить увеличения и уменьшения, поэтому чистое воздействие на сложную планетарную систему весьма неопределенно.
Эти соединения могут резко снизить рН дождя. Однако увеличение содержания CO 2 означает, что pH осадков, который изначально не является нейтральным, может еще более неблагоприятно воздействовать на рыбу и диких животных в поверхностных водах и вокруг них в результате добавления кислотных соединений на основе C к концентрации соединений серы и азота.
Увеличение парциального давления газа в атмосфере непосредственно над водоемом заставляет газ диффундировать в эту воду до тех пор, пока парциальные давления на границе раздела воздух-вода не уравновесятся. Эффекты сложные, т.е. Увеличение CO 2 также изменяет климат, что, в свою очередь, может изменить циркуляцию океана, что меняет скорость поглощения CO 2 океаном. Изменения морской экосистемы также влияют на поглощение. 3 
Зеленые растения улучшают эффект этого тепло-светового обмена.
Входящему излучению препятствуют водяной пар, кислород и озон, как обсуждалось в предыдущем разделе. Большая часть световой энергии проходит беспрепятственно.
Газы, наиболее важные для нагнетания, перечислены в таблице 21.2.
около 1,6 частей на миллион в год. Возможно, самая серьезная проблема с CO 2 заключается в том, что влияние его парникового эффекта на глобальную температуру происходит с задержкой. CO 2 , который уже находится в тропосфере, будет, даже если источники горения перестанут выбрасывать в атмосферу какой-либо новый CO 2 , увеличит концентрацию CO 2 с нынешних 370 частей на миллион до, возможно, более 600 частей на миллион.То есть, если каждый источник горения немедленно прекратит выброс CO 2 сегодня, мы уже загрязним глобальную атмосферу до такой степени, что удвоим концентрацию CO 2 . Эффект от этого обсуждается ниже.
Концентрация CH 4 в атмосфере была стабильной на уровне около 0,75 млн в течение более тысячи лет, а затем увеличилась до 0,85 млн в 1900 году. С тех пор всего за сто лет она резко возросла до 1,7 млн. . Метан удаляется из атмосферы в результате реакции с гидроксильным радикалом (ОН) в виде
Самая большая проблема с закисью азота заключается в том, что для этого газа, по-видимому, не существует естественных процессов удаления, и поэтому время его пребывания в стратосфере довольно велико. Это еще один пример взаимосвязи и взаимозависимости между циклами C и N.
Например, эффективность и успех борьбы с загрязнением часто основывались на производительности CO 2 , т.е.е. чем больше CO 2 покидает дымовую трубу, тем лучше работает оборудование для контроля загрязнения воздуха. Это связано с тем, что полное сгорание приводит к образованию CO 2 и H 2 O. Точно так же образование CH 4 свидетельствует о полном анаэробном сбраживании органических соединений. Оба этих показателя успеха борьбы с загрязнением — парниковые газы.
Выпуск CO 2 в этом случае действительно является показателем успеха.
Национальная инженерная академия определила наиболее важные вызовы для будущего инженерии. И азотный, и углеродный биогеохимические циклы явно определены среди наиболее насущных инженерных потребностей.