Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Января 2011 в 17:14, реферат
Замкнутой экосистемой называется система, которая не производит обмена веществом с внешним окружением. Хотя сама биосфера Земли соответствует этому определению, этот термин часто используется для описания более мелких искусственных экосистем. Такие системы представляют научный интерес, кроме того, их изучение потенциально полезно для будущих разработок жизнеобеспечения экипажей космических кораблей, станций либо других искусственных систем обитания.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное
агентство по образованию
Томский государственный университет
Биологический институт
Кафедра
физиологии человека и животных
ИСКУССТВЕННЫЕ ЗАМКНУТЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ
Реферат
Выполнил:
магистрант кафедры
физиологии животных БИ
Зеленская
А.Е.
Томск
2010
Замкнутой экосистемой называется система, которая не производит обмена веществом с внешним окружением. Хотя сама биосфера Земли соответствует этому определению, этот термин часто используется для описания более мелких искусственных экосистем. Такие системы представляют научный интерес, кроме того, их изучение потенциально полезно для будущих разработок жизнеобеспечения экипажей космических кораблей, станций либо других искусственных систем обитания.
Для
баланса искусственная
Отличия искусственно созданной замкнутой экосистемы от естественной:
- небольшое количество видов
- небольшое соотношение обьем воздуха: площадь поверхности
è необходимость тщательного подхода для создания экосистем для создания замкнутого круговорота биогенов.
Были проделаны эксперименты с искусственным синтезом экосистем из небольшого числа видов (в пределе - из двух), которые смогли бы в идеале стать метаболическими антиподами друг друга: "восстановитель-окислитель", "фототроф-гетеротроф" и т.д. Чем ниже уровень организации включаемых в систему видов организмов и примитивнее их требования к окружающей среде, тем больше шансов приблизиться к совмещению их массо- и энергообмена, близкой к полной замкнутости искусственной экосистемы. Имеющийся у исследователей опыт создания таких "микробиосфер" основывается на сочетании одноклеточных водорослей и бактерий . Показано, например, что из 90 вариантов таких систем, запаянных в пробирках, в шести после 10-18 месяцев содержания на свету круговорот веществ оказался полностью замкнутым или настолько близким к нему, что на протяжении последующих восьми лет не удалось обнаружить ни накопления какого-либо тупикового вещества, ни изменения численности популяций, составляющих биоценозы этих микроэкосистем. Экспериментаторы подчеркивают, что эти замкнутые микроэкосистемы могут служить удобным инструментом для исследования экологии микроорганизмов, оценки воздействия на экосистемы проникающих корпускулярных излучений и различных физических полей, изучения эволюции ценозов и самих микроэкосистем.
БИОС-3 — экспериментальный комплекс красноярского Института биофизики, моделирующий замкнутую экологическую систему жизнеобеспечения человека с автономным управлением.
Основой проекта стали работы Красноярских учёных И. Терскова и И. Гительзона по изучению закономерностей функционирования популяций клеток крови. Исследования показали возможность создания устойчивых биофизических систем непрерывного биосинтеза. Появилась возможность создать замкнутые системы жизнеобеспечения человека.
Цель экспериментов — изучение закономерностей функционирования биосферы.
В 1964 году в системе БИОС-1 была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек-хлорелла». Водоросли поглощали углекислый газ и вырабатывали кислород, однако использовать хлореллу в пищу не удалось. Для достижения баланса кислорода и углекислого газа на одного человека необходимо 8 квадратных метров хлореллы. От более сложных органических соединений воздух очищался путем нагревания до 600 ° C в присутствии катализатора. К 1968 году эффективность оборота воды достигла 85 процентов. Конденсат влаги, испаряемой растениями, был источником воды. Для питьевых целей конденсат доочищался ионообменными смолами, а для санитарных - лишь стерилизовался кипячением.
В 1968 году были проведены первые эксперименты в трехзвенной системе «человек — микроводоросли — высшие растения». На основе этих экспериментов был создан БИОС-3 — замкнутая экологическая система жизнеобеспечения человека с автономным управлением.
Строительство началось в 1965 году и было завершено в 1972 году. БИОС-3 состоял из 315 кубических метров, пригодных для обитания трех человек. Он был разделен на 4 отсека, в одном из которых жили люди, еще в одном – фотосинтезирующие водоросли, в двух других – пищевые растения – пшеница и овощи. Уровень света, сопоставимый с солнечным, в каждом отсеке обеспечивался двадцатью 6 кВт ксеноновыми лампами, охлаждаемыми водой.
В оранжереях при искусственном освещении выращивалась пшеница, соя, салат, чуфа. Растения имели укороченные стебли, что позволяет снизить количество отходов. Чуфа (средне-азиатская трава) выращивалась для производства растительного масла. Продукты животного происхождения применялись в виде консервов.
Жизнь
в "БИОСе" в течение шести
месяцев не вызывала у человека отрицательных
изменений в состоянии
Bio Home – проект НАСА, который включал небольшую установку, способную поддерживать жизнедеятельность одного человека. В эксперименте было использовано несколько видов высших растений. Целью Biohome было изучение возможность использования непищевых водных и полуводных растений для очистки сточных вод и воздуха. В 1973 году ученые НАСА идентифицировали 107 летучих органических соединений в воздухе космической станции «Скайлэб». Было обнаружено, что эти летучие соединения выделяются пластиковыми компонентами станции. Формальдегид, бензол, трихлорэтилен – все они являются потенциальными канцерогенами. В отличие от Земли, на космической станции эти газы не утилизуются и не обезвреживаются. Кроме того, подобный эффект наблюдается, если при строительстве зданий на Земле используются полимерные материалы – так называемый Sick Building Sindrome – синдром больного здания, проявляющийся в резях в глазах и головной боли.
Установка BioHome состояла полностью из синтетических материалов, размеры ее составляли 13,5х5 метров.
В результате эксперимента было установлено, что корневая система таких растений, как камыш, тростник и водный ирис может осуществлять фильтрацию воды, причем не только от органических веществ, но и от патогенных бактерий и вирусов. Полная ликвидация микроорганизмов осуществлялась с помощью ультрафиолета. Также было установлено, что растения очищают воздух не только от углекислого газа, но и от формальдегида, бензола и толуола. Кроме того, в гидропонных отделах Biohome выращивались сьедобные растения – тыква, кукуруза, сорго, помидоры. По результатам эксперимента были опубликованы десятки научных работ и научно-популярная книга, посвященная описанию 50 растений, очищающих воздух.
Экосфера - товарный знак для закрытых миниатюрных аквариумов различного размера. В их разработке ведущую роль сыграли исследования НАСА. Они играют роль как научных моделей, так и декоративных предметов за счет визуальной привлекательности: красно-розовые креветки размером до 1 см, нитевидные зеленые водоросли, фрагменты кораллов, а также коричневые бактерии и мелкие водоросли, которыми питаются креветки.
Эти объекты представляют собой закрытую экосистему, самодостаточную в течение года, при комнатной температуре, нуждающуюся в притоке света. Изготовитель утверждает, что креветки в экосфере живут до 2-3 лет, при продолжительности жизни в природе до 10 лет.
Можно подумать, что никакого ухода за "Экосферой" не требуется, однако вся прелесть этого поучительного сувенира в том, что без внимания владельца он умрёт. Во всяком случае, первыми умрут креветки. Водоросли продержатся дольше.
Дело в том, что для сохранения баланса между биохимическими реакциями этой сфере требуется определённое количество света: 6-12 часов в день, причём ни в коем случае не прямого солнечного, а отражённого, рассеянного. Для подсветки можно использовать и флуоресцентные лампы.
Если света будет мало, водоросли начнут вымирать, уменьшая количество пищи для креветок. И креветки начнут гибнуть от голода. Если же с продолжительностью освещения переборщить, водоросли начнут размножаться сверх меры, вырастет pH-фактор воды, и креветки также умрут.
Ещё нужно непременно следить за температурой шара. Она должна оставаться в пределах 15-25 градусов Цельсия и не должна резко колебаться.
В общем, американцы предлагают любому убедиться в том, насколько осторожно нужно относиться к природе. Ведь экосистема нашей планеты также замкнута.
Самый глобальный (впрочем, как и самый разрекламированный ) проект по созданию искусственной экосистемы был построен в начале 90-х годов в Аризоне. Площадь его составляет 13000 квадратных метров, обьем атмосферы – 204 тысячи кубометров. Самый крупный (но не единственный) эксперимент по выживанию людей в замкнутом пространстве проводился в течение двух лет – с 1991 по 1993 год. Все пространство было разделено на 7 биомов: тропический лес, пустыня, саванна, океан с небольшим коралловым рифом и мангровым эстуарием, агроценоз, в котором колонисты выращивали продукты питания (овощи, фрукты и скот), а также жилой блок. Около 3000 видов животных и растений были подобраны так, чтобы наилучшим образом имитировать биосферный круговорот веществ.
Биосфера 2 достаточно велика, чтобы поддерживать всю экосистему в равновесии и в то же время достаточна мала, чтобы все процессы, происходящие в ней было легко исследовать. А что самое интересное, Биосфера 2 была разработана специально для того, чтобы в ней могли жить люди, причем абсолютно изолированно от остального мира: ни пища, ни воздух, ни вода, ни какое-либо другое вещество не проникает внутрь и ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации по проводам. Даже "дно" изолировано от земли на которой она стоит специальными герметично сваренными железными листами, а для поддержания постоянного давления воздуха внутри Биосферы 2, колебания которого происходят из-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантские мембраны-легкие. Сложные технические устройства создают: течения в "океане", тропические дожди, морской прибой и имитируют другие природные явления, а множество специальных датчиков постоянно определяет температуру, содержание тех или иных элементов в почве, воде и воздухе внутри Биосферы 2, записывая эти параметры для дальнейших исследований.
Закончившийся в сентябре 1993 г. первый эксперимент с двухгодичным замыканием выявил существенные нарушения "биосферного" равновесия в комплексе: падение содержания кислорода в атмосфере с 21% до 15%, потребовавшее его восстановления за счет введения кислорода извне, недостаточную в сравнении с ожидаемой продуктивность сельскохозяйственных растений, гибель 10% - около 300 видов различных животных, большие потери в весе испытателей и т.д. Кроме того, исследователи не учли физические факторы: по утрам на стеклянной крыше Биосферы -2 конденсировалась вода и выпадал дождь, вследствие чего в пустыне обильно проросли растения. Предусмотрев течения в "океане", создатели Биосферы-2 не предусмотрели ветер, без воздействия которого стволы деревьев стали хрупкими, что привело к обламыванию крон многих деревьев под собственной тяжестью.
Все это дает определенный материал для анализа результатов эксперимента, но он вряд ли принесет богатый научный урожай из-за постоянно менявшейся энергетики системы (естественное освещение), переменного состава атмосферы и т.д., а главное, из-за необъятности причинно-следственных связей между компонентами столь сложной системы, определявших идущие в ней процессы.
Исходя из этих данных, впоследствии были сделаны поправки к плану эксперимента, но второго эксперимента не случилось. Биосферу – 2 планировали преобразовать в туристический комплекс или жилой поселок, но университет Аризоны договорился с владельцами о проведении опытов, целью которых является изучение экосистем Земли. Мало того что это герметично закрывающаяся оранжерея со множеством "климатических зон" и очень точно контролируемыми условиями. Масштаб "Биосферы 2" позволяет использовать зрелые деревья с хорошо развитой корневой системой, а не просто саженцы в горшках. В частности, биологи исследуют с помощью "Биосферы-2" воздействие тех или иных изменений в количестве и распределении различных видов растений на водный и углеродный циклы саванн и кустарниковых степей. Они занимают треть суши, так что опыт поможет лучше понять механизм земного климата и последствия глобального потепления.