Замкнутая экосистема - система, не связанная с окружающим миром и не нуждающаяся для своего выживания в любой подпитке извне в течение очень долгого времени. Создание экосистемы в бутылке - научный эксперимент, помогающий изучить всю деликатность природного баланса и понять, как та или иная экосистема выживает или рушится. Вы сможете изолировать маленький кусочек природы у себя на столе и наблюдать, что в нем происходит. Экосистемы в бутылке также называют террариумами, но из-за этого их легко спутать с террариумами декоративными. Проекты в бутылках выживают в течение многих лет. В них помещают растения, землю и влагу - базовые элементы для развития и выживания при замкнутом цикле.

Вам потребуются :
- 2-х литровая бутылка;
- ножницы;
- свежая земля для комнатных растений, универсальная;
- семена;
- любая липкая лента.

1. Возьмите крупную прозрачную бутылку из-под любой жидкости, кроме бытовых химикатов и проч. Полностью удалите любые наклейки с ее поверхности, самым тщательным образом вымойте бутылку изнутри и выполоскайте после водой без добавок. Срежьте с бутылки верхушку прямо перед кругом, где бутылка начинает сужаться по направлению к крышечке. Сохраните и верх бутылки, и саму завинчивающуюся крышку.

2. В бутылку на дно заложите 7,5-10 см почвы. Легонько похлопайте по поверхности бутылки, чтобы земля «уселась», но ни в коем случае не утрамбовывайте почву с силой сверху.

3. Посадите в землю семена: 4-6 семян бобов на глубину в 2,5 см и близко к бокам бутылки. Или выберите другой вид семян и сажайте их на глубину, указанную на коммерческой упаковке. Бобы - выносливые семена, которые легко прорастают, а также они довольно стойкие в вопросе выживания.

Поверх почвы более-менее равномерно посыпьте пару щепоток семян травы и буквально чуть-чуть прикройте их дополнительной землей.

4. Опрыскайте почву водой: последняя должна увлажнить всю землю полностью до самого дна бутылки, но не вымочить почву, тем более до состояния болота. Поэтому лейте по чуть-чуть равномерно по всей поверхности и ждите минут 5: если вода не дойдет до низа, только потом лейте еще.

5. Максимально плотно закрутите крышку на ранее срезанном горлышке бутылки. Аккуратнее - не сбейте резьбу. Переверните верхушку-конус вверх ногами и вложите так в бутылку сверху. Не проталкивайте вниз, а липкой лентой надежно и герметично запечатайте и скрепите края бутылки и конуса вровень друг с другом.

6. Поместите вашу экосистему в теплое, частично освещаемое солнцем место. Дополнительного полива ваша экосистема больше не потребует.

Дополнения и предупреждения:

Спустя пару месяцев поместите в свою вторую экосистему улитку или червяка, чтобы посмотреть, какой эффект они окажут на выживание растения;

Вместо пластиковой бутылки можно использовать и стеклянную банку с плотно завинчивающейся крышкой, только учтите, что стекло более хрупкое;

Начинать можно не с семян, а с саженцев;

Если вам действительно интересен процесс, стоит вести ежедневный журнал изменений в вашей замкнутой экосистеме.

Не знаете что почитать? Самые интересные научные новости России на сайте reactor.space . Узнай какое будущее ждет смартфоны и не только. Узнавай первым и поделись со своими друзьями.

Опыты по созданию замкнутых экологических систем с целью жизнеобеспечения человека (для работы в космосе или в экстремальных климатических условиях на Земле, или, скажем, спасения в случае резкого ухудшения условий жизни на планете) велись и ведутся в разных странах, в том числе и у нас. Самый, наверное, эффектный и наглядный из них проводился в 1991-94 годах в Аризоне и был первой масштабной попыткой моделирования процессов, происходящих в естественных экосистемах Земли. На площади в полтора гектара был построен герметичный комплекс из нескольких зданий и оранжерей, внутри которого, помимо жилых и технических помещений, были упрощенно смоделированы 5 биомов: тропический лес, океанский риф, пустыня, саванна и мангровый эстуарий, а также агроценоз для выращивания продуктов питания и скота. Всё это вместе должно было работать как полностью замкнутая экосистема (снаружи обеспечивался только приток энергии, но он и для земных экосистем идет извне - от Солнца), обеспечивающая автономное существование 8 человек на протяжении нескольких лет.

2)

Фотографии со строительства "Биосферы-2" неиллюзорно напоминают кадры создания планеты из фильма "Автостопом по Галактике"

В общей сложности в гигантскую теплицу было заключено около 3000 видов животных и растений, видовой состав которых был подобран так, чтобы наилучшим образом имитировать биосферный круговорот веществ, включающий продуцирование и разложение органики, в том числе и естественное разложение отходов жизнедеятельности людей.

Для компенсации перепадов давления в комплексе при изменениях суточной температуры в отдельном куполе был установлен прибор, получивший прозвание "легких" - огромный поднимающийся и опускающийся алюминиевый диск, соединенный со стенами гибкой резиновой мембраной. Компенсатор не столько предотвращал разрушение конструкций при критической разницы в давлении, сколько минимизировал газообмен "Биосферы-2" с атмосферой Земли через микротрещины в конструкции - идеально герметизировать столь огромное помещение практически невозможно, и потери (или приток) возрастают при увеличении градиента давления между внешней и внутренней средой. Общий объём атмосферы комплекса составлял около 204 000 кубометров, обмен с земной атмосферой в единицу времени был – специально замеряли – в 30 раз меньше, чем утечка воздуха из "Спейс Шаттла", находящегося в космосе.

26 сентября 1991 года добровольцы-исследователи - четыре мужчины и четыре женщины - закрыли за собой герметические двери и эксперимент начался. Связь с внешним миром обеспечивалась только через интернет и по телефону, ну и взглядами через стеклянные стены.

16)

Последний кадр - современный, поэтому мониторы с ЭЛТ перемежаются жидкокристаллическими. Но сделан в том самом куполе, что виден на КДПВ.

Первые же недели эксперимента показали, что воссоздание природного равновесия - не такое уж простое дело. Уровень кислорода начал падать примерно на 0,5% каждый месяц. И дело оказалось не в том, что экспериментаторы неправильно рассчитали количество "колонистов", перенаселив станцию, а в непредвиденном размножении микроорганизмов - те буквально заполонили посевы, саванну и лес, истребляя всходы и меняя экосистему под себя, не считаясь с планами человека. Кстати, с проблемой микробов в космосе человечество столкнулось уже сейчас, например на МКС, где активно размножающиеся в труднодоступных закоулках маленькие поганцы вредят даже механизмам, повреждая полимеры и органику, способствуя коррозии металлов, формированию биопленок и "тромбов" в трубопроводах и системах регенерации воды.

Второй проблемой стали макроорганизмы. Из-за того, что пищевые цепи искусственных экосистем "Биосферы-2" оказались неполными, урезанными, насекомые и другие беспозвоночные тоже стали вести себя не как было запланировано, а как им вздумается. Почему-то начали вымирать опылители, а численность других созданий в отсутствие естественных врагов стала неконтролируемо расти, превращая их из помощников во вредителей. При этом обнаружились неожиданные побочные эффекты - тараканы, к примеру, взяли на себя роль опылителей, но делу это не сильно помогало: произведенный с их помощью урожай они же и старались пожрать, еще и потребляя в процессе драгоценный кислород.

Положение осложнялось тем, что в эксперименте нельзя было использовать пестициды - не по этическим соображениям, а потому что процессы самоочищения в таких небольших, да еще и замкнутых экосистемах проходят очень медленно, а это значит, что отравление химикатами всех обитателей, в том числе и людей, было бы неизбежным.

21)

Для очистки воды использовались в том числе водяные гиацинты (на переднем плане)

В результате "колонисты" (хотя через пару недель после начала эксперимента их стало уже 7 - одна из участниц покинула проект из-за травмы) столкнулись не только с нехваткой воздуха, но и пищи. Пришлось увеличить плотность засева зерновых, а в тропическом лесу дополнительно высадить манго и папайю. На страх вредителям из внешнего мира были доставлены 40 гекконов и 50 жаб.

Подселение манго и жаб в принципе не противоречило условиям эксперимента - это была, так сказать, коррекция первоначальных расчетов. Но когда содержание кислорода снизилось с 21% до 15% - как на высоте в 4 км - организаторы эксперимента в тайне от общественности пошли на прямое "читерство": начали закачивать в комплекс кислород. Гекконы тоже не спасли положение: каждый день приходилось тратить массу времени на ручной сбор вредителей, но и он не помог справиться с продовольственным кризисом, и тогда к кислороду "с большой земли" добавились продукты (эти факты скрывались и были разоблачены впоследствии).

В ходе проведения эксперимента обнаружились и другие непредвиденные обстоятельства. Некоторые просто интересные: так, по утрам в оранжереях шел дождь: влага конденсировалась на стеклянной крыше и к утру падала вниз, в результате спустя некоторое время после начала эксперимента "пустыня" стала второй "саванной".

Из неожиданных проблем стоит отметить отсутствие ветра: оказывается, для нормального развития деревьям нужно регулярное раскачивание, без него механические ткани древесины оказываются недостаточно развитыми - деревьям тоже нужна тренировка! Без ветра же стволы и ветви деревьев "Биосферы-2" становились хрупкими и ломались под тяжестью собственного веса.

В отличие от ветра, фактор волн для полноценного функционирования "океана" и "эстуария" создатели предусмотрели - специальный механизм создавал движение воды. Кораллы за время эксперимента дали 85 дочерних колоний. Впрочем, многие другие обитатели "океана" и других биомов вымерли или уменьшились в числе.

Довольно быстро в полный рост встала проблема психологической совместимости. В итоге команда постоянно запертых в компании друг друга в закрытом помещении людей распалась на две противоборствующие группы. Подробности не разглашаются, но, пишут, бывшие участники эксперимента избегают встреч с членами "противоположного лагеря" и по сей день. Фактор известный, на нем построено множество реалити-шоу, но проведению эксперимента, посвященного совсем другой тематике, это сильно мешало. И это всё происходило в условиях постоянной связи с внешним миром, возможности помощи психолога и т.п. - а какие формы может принимать неожиданно возникающий антагонизм в небольшом коллективе в полностью автономной колонии, большинство из нас может только догадываться.

В итоге 26 сентября 1993 года эксперимент пришлось прервать. В 1994 году была предпринята вторая попытка, в результате которой спонсоры отказались от проекта, признавая, что эксперимент не принес ожидаемых результатов, и передали комплекс Колумбийскому университету. В 1996 году и там решили прекратить эксперимент и удалить из сооружения людей, поскольку так и не смогли решить проблему питания и сохранения неизменного состава воздуха. Исследования искусственной биосферы продолжались, но уже без подопытных людей и без строгого автономного режима. Некоторые биомы стали доступны для экскурсантов, и на фотографиях с таких экскурсий можно наблюдать сегодняшнее печальное положение искусственной биосферы:

В 2005 году "Биосфера-2" была выставлена на продажу, и насколько я понял, продается по сей день.

Эксперимент этот можно назвать провалившимся, но не безрезультатным. Безусловно, в ходе его проведения и при последующей работе было получено множество данных, которые пригодятся (и уже пригождаются) в дальнейших исследованиях такого рода. В целом же можно сказать, что путь до создания полностью автономных и успешно регулирующихся экосистем, способных обеспечить существование, скажем, колонистов на другой планете, предстоит еще неблизкий. Впрочем, черт с ними, с колонистами - "Биосфера-2" это один из ярких примеров, когда вложения в исследования космических технологий в конечном счете помогают улучшению жизни здесь, на Земле.

И второй, "обратный" вывод из этой увлекательной истории: мы не сможем покорить космос, пока не научимся сохранять, восстанавливать и регулировать среду обитания на Земле. Мы пока не можем основать долгосрочные автономные поселения на орбите и других планетах, и дело отнюдь не в финансировании и мощности двигателей: у нас пока нет необходимых знаний и опыта для создания среды жизнеобеспечения. А уж "спасение в космосе от экологической катастрофы" – вообще оксюморон, вроде круглого квадрата.

В одним из своих дневников я упоминал закрытую экосистему. Некий микромир. Который существует самостоятельно.

Итак, закрытая экосистема - это система, которая не предполагает обмен веществами с внешним миром.
Это что-то наподобие Земли. Только в уменьшенном виде.
На фото - открытая система. Она берет все необходимое для своего существования из окружающей среды.
Закрытая же экосистема полностью отрезана от внешнего мира. Более того, такая система не требует никакого ухода.

Дэвид Латимер посадил в бутылку традесканцию и на протяжении 40 лет не открывал ее. За это время растение не только не погибло, а образовало собственную экосистему. Питание традесканции производилось за счет собственного перегноя. А рост растения - из-за производимого ею кислорода. Полив отсутствовал. Так как увлажнение производилось конденсатом.

Я решил сделать несколько закрытых экосистем. Именно сделать! А не купить. Ах да, такие экосистемы также можно купить.
В интернете достаточно информации о том, как можно сделать такое "чудо" природы. Расскажу как делал я.

Во-первых, для посадки требуется закрывающаяся ёмкость.
Конечно же СТЕКЛЯННАЯ. Я брал обычную банку. Либо в магазинах можно купить крутые стеклянные ёмкости округлой формы.

Во-вторых - земля. Я брал обычную землю. Без всяких там заморочек. Для дренажа у меня обычный песок с камнями.

В-третьих - растения. Самые обычные! По опыту скажу, что для закрытых систем лучше всего брать влаголюбивые. В моем случае - мох. Можно брать любые растения. Главный критерий - совместимость растений. Это может быть папоротник, хлорофитум и т.д.

В-четвертых - декор. Сами понимаете, что он не обязателен и делается по желанию. На просторах интернета пишут, что главное в выборе декора то, чтобы он не гнил. Я считаю, что будет круто, если он будет все-таки гнить. Это подчеркивает естественность такой системы.

В банку насыпаем дренаж, землю. Формируем рельеф. Дальше высаживаем растения. Для декора я взял фигурку ангела (планируется, что споры мха начнут расти на ней) и камень. Укладываем все как вам нравится, поливаем и закупориваем.

Важно, изначально не закупоривать сильно ёмкость. Так как воды в растениях может быть чрезвычайно много и они просто начнут гнить. В первый день рекомендуется не закупоривать ёмкость. Чтобы лишняя влага испарилась. В моем случае я просто закупорил все как есть.

В первую неделю в банке наблюдалось большое количество конденсата. И я был вынужден открыть ёмкость, чтобы вода немного испарилась. Растения прижились. Мох немного подрос.
В конце второй недели в банке была замечена "внеземная" жизнь - появилось два больших комара. Которые через три дня благополучно скончались.
Сегодня на фигурке ангела наблюдается кое-где рост мха. Фото, увы, не могу сделать - на стенках банки днем большой конденсат.

Вторая моя система может быть как открытой, так и закрытой.

комнатные растения, которые радуют глаз, служат украшениями для интерьера и снабжают вас кислородом. Существует невероятно большое количество видов подобных растений и также немало способов их выращивания и содержания.

Сегодня мы сконструируем самодостаточную экосистему, которая не требует ухода за собой и будет хорошим украшением для вашего интерьера или оригинальным подарком.

Флорариум , растительный террариум - специальная закрытая ёмкость, изготовленная из стекла или других прозрачных материалов и предназначенная для содержания и разведения растений. Внутри создаются определённая влажность воздуха и температура, что способствует созданию среды для нормального развития и существования растений. Флорариумы появились в середине XIX века. Первыми растениями, которые стали использоваться во флорариумах, были различные виды папоротников.

Как следует из описания, нам понадобится закрытая стеклянная ёмкость. Можно использовать стеклянные банки, медицинские колбы, бутылки, в общем, любой сосуд, который без проблем герметично закрывается. Вбив поисковый запрос «закрытая экосистема», я нашёл интересный вариант, в котором используется обычная лампочка накаливания, и кучу материала как, не повредив стекло, разобрать её и посадить туда растения. Этот вариант мне показался довольно интересным и простым в сборке, его я и решил испробовать.

И так, что нам понадобится для создания нашей миниатюрной экосистемы:

1) Мелкие камни для дренажа и камни для композиции
2) Песок
3) Плодородная почва
4) Различные виды мха
5) Кора, мелкие ветки для композиции
6) Камень или коряга для платформы
7) Лампочка накаливания
8) Двухкомпонентный клей или термоклей
9) Плоскогубцы
10) Плоская отвёртка
11) Пинцет
12) Шприц
13) Вода
14) Бумага

После небольшой прогулки по лесу и окрестностям города, я без проблем нашёл весь необходимый мне материал.

Приступаем к сборке. Первое что нужно сделать, это подготовить нашу лампочку. С помощью плоскогубцев и некоторого усилия аккуратно разламываем чёрную керамическую изоляцию, стараясь при этом не погнуть основание лампочки и не разбить стекло.

У вас должно получиться отверстие как на фотографии ниже.

Далее, с помощью плоской отвёртки вам нужно разбить и выдавить стеклянный стержень, на котором крепиться нить накаливания и извлечь его из лампочки. Старайтесь сделать максимально большое отверстие, это облегчит вам будущий процесс посадки растений. После того, как все лишнее извлечено, рекомендую промыть лампочку водой, дабы избежать контакта с мелкими частицами стекла.

Затем нам нужно придать нашей лампочке устойчивость. Можно приклеить к ней ножки из чего-либо, можно приклеить саму лампочку к красивой коряге или, как в моём случае, камню. Чтобы надёжно приклеить стекло к камню, можно использовать двухкомпонентный клей или термоклей. Я использовал двухкомпонентный клей Poxipol.

Теперь нам нужно сделать дренажную систему. Дренаж — это система выведения воды через корни и почву, которая позволяет корням растений дышать при содержании большого количества влаги в земле.

Делается дренаж очень просто. В нашем случае, мы помещаем на дно небольшое количество мелких камней. Для удобства я сделал из бумаги трубку, которая также облегчит процесс наполнения лампочки песком и грунтом, а также избавит стенки от загрязнения.

Затем наполняем нашу лампочку плодородным слоем земли. Не бойтесь, если в грунт попадут корни других растений или перегной — это только сыграет вам на руку, так как обеспечит вашу систему полезными органическими веществами.

Следующий этап творческий. Здесь нужно максимально проявить все ваши художественные способности и красиво разместить собранные в лесу компоненты. Чтобы облегчить задачу посадки растений в лампочку, я использовал пинцет и стержень от шариковой ручки. В итоге у меня получилась вот такая композиция.

Завершающим этапом создания экосистемы будет добавление нескольких капель воды. Для этого можно использовать медицинский шприц. Обильно поливать растения не стоит, избыточная влага приведёт к их гибели. После того, как мы произвели полив, необходимо герметично закупорить лампочку. Тут каких-то особых правил нет, можно использовать что угодно: жёлудь, пробку от виной бутылки, пластиковую крышку, деревянную палочку и т. д., главное, чтобы в конструкцию не попадал воздух. Я использовал обычные пуговицы чёрного цвета, предварительно заклеив им отверстия для крепления на материал.

Через некоторое время на стенках лампочки начнёт образовываться конденсат из капель воды, пугаться этому не стоит, значит процесс зарождения жизни идёт как нужно. Эти капли будут периодически появляться, а затем оседать в почве, имитируя дождь.

Излишек воды будет уходить в дренаж на дно лампочки, при условии, что вы его правильно организовали. Если вы вдруг поняли, что налили слишком много воды в ваш флорариум, просто вскройте отверстие и оставьте его открытым на несколько часов, чтобы лишняя влага испарилась, затем снова герметично закупорите лампочку.

Через день после постройки своего флорариума я решил, что композицию нужно дополнить и прикрепил к моему камню-платформе ещё одну лампочку, но уже побольше. Вот так теперь стал выглядеть окончательный вариант моей экосистемы.

По такому же принципу англичанин Дэвид Латимер выращивает в бутылке традесканцию (род многолетних вечнозелёных травянистых растений семейства Коммелиновые), которое находится в закрытом пространстве уже более 40 лет и ни разу не поливалось.

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.).