Гуляя каждый день по нашему сосновому лесу и не переставая любоваться многообразию живописного мха под ногами, я всякий раз с грустью думала о том, как недолговечна его красота.

Еще каких-то пара месяцев, грянут первые заморозки, и скроется вся эта красота под снегом. Как жаль, что нельзя сохранить ее для постоянного наблюдения и получаемого от этого удовольствия!

И тут совершенно неожиданно мастер-класс от Катерины и как раз об этом! Вот это удача!

Сейчас быстренько вас с ним ознакомлю и бегом в лес запасать мох!

Пока все закатывают варенье , Катя закатывает мох:) Получается хоть и несъедобно, но довольно симпатично и занимательно.

Итак, первым делом выдвигаемся в ближайший лес или парк, прихватив с собой контейнер, пакетики и какой-нибудь инструмент, чтобы ковыряться в земле. Набираем низкорослых растений (я собирала преимущественно мох), камешков и всяких прочих сокровищ, типа шишек. Не забываем копнуть вместе с растениями немного земли и идем домой.

Дома ищем банку с герметично закрывающейся крышкой . Можно и просто «закатать» экосистему в банке, но возможность открыть банку может быть очень полезна для полива растений на первых порах, пока система не стабилизируется. Банку тщательно моем изнутри и вытираем насухо. У меня банка объемом 750 мл, можно использовать сосуды и побольше, и поменьше.

Также нам понадобиться дренаж . Я в качестве дренажа буду использовать уголь, также можно использовать керамзит или камешки .

Еще нам понадобится пульверизатор с водой для полива .

Если у вас небольшой сосуд с узким горлышком, пригодится пинцет.

Раскладываем свои богатства, растения чуть сбрызгиваем водой, чтобы не завяли.

Укладываем слой дренажа.

На дренаж — небольшой слой грунта. Не забудьте слегка сбрызнуть его водой.

Теперь прикидываем, что у нас отправляется жить в банку.

У меня баночка совсем небольшая, так что ни шишку, ни желудь я туда не пристроила. Не стоит наполнять банку до верха, оставьте не менее 1/3 свободного пространства.

Когда будете довольны результатом, побрызгайте растения водой из пульверизатора и закройте крышку (не забудьте подложить резиночку).

Лучше всего поставить баночку туда, где до нее не доберутся прямые солнечные лучи, и первое время проверять, не подсыхает ли мох, и опрыскивать его по необходимости. В идеале, экосистема в банке придет к равновесию — на стенках будет скапливаться конденсат, и полива больше не потребуется.

Если решитесь сделать себе «вечный террариум», или у вас уже есть такой — делитесь фотографиями в комментариях!

А я поделюсь несколькими фото из интернета для идей и вдохновения.

Совсем небольшие террариумы, которые, на мой взгляд, очень удачно будут смотреться на рабочем столе.

Вот еще один пример замкнутой экосистемы — очень популярный в сети вечный террариум в лампочке.

А вот замкнутая экосистема, которой уже больше 40 лет!

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.

C лайд 1.

Здравствуйте!

Я- Кашпура Алексей, ученик 3 «Г» класса представляю Вам проект «Искусственная экосистема в банке на окне».

Слайд 2.

Однажды в газете я увидел фотографию и заметку к ней, в которой говорилось о том, что Уникальную экосистему придумал британец Дэвид ЛАТИМЕР.

В 1963 году растениевод поместил в 10-литровую бутыль немного компоста и осторожно опустил туда побег традесканции. В 1972 году Дэвид Латимер в последний раз оросил водой листочки, после чего наглухо забил бутыль пробкой. Шли годы, но растение не погибло - продолжало зеленеть и выбрасывать новые побеги. Время от времени английский пенсионер поворачивал бутыль к свету, чтобы обеспечить доступ солнечных лучей ко всем частям буйной поросли.

Таким образом, традесканция, лишенная воды и кислорода, создала собственную экосистему: солнечный свет использовался ею для фотосинтеза, а опавшие листья, гниющие на дне бутыли, образовывали диоксид углерода, необходимый для роста. Это блестящий пример идеального жизненного цикла и отличный опыт для космонавтики и дальних космических полётов.

Мне захотелось проверить, хотя бы частично, возможно ли создать подобную экосистему самому.

Слайд 3.

Я поставил перед собой вопрос:

Есть ли необходимость в изучении такого рода экосистемы?

Предположил, что изучение разного вида экосистем – дорога в будущее развитие космоса.

Слайд 4.

Цели и задачи на слайде.

Слайд 5.

Разработал механизм реализации проекта (на слайде).

Слайды 6

Первым делом я узнал, что такое экосистема, так как в третьем классе мы это еще не проходим.

Ввёл понятие экосистемы английский учёный А. Тенсли. Позже известные всему миру ученые Юджин Одум, Владимир Сукачев и другие дадут подробную информацию об этом. Но если говорить простым языком, то экосистема – это определённая среда обитания, образованная живыми организмами. Это может быть почва, атмосфера, лужа и даже целый океан - естественные экосистемы. В рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие.

Но создать искусственную экосистему труднее, нужно знать многие экологические закономерности.

Слайды 7, 8, 9, 10.

Я решил, если и не повторить опыт Латимера, то в течение года попробовать создать подобную искусственную экосистему в банке.

Начал работу в июне. Н ашел большую банку, насыпал туда компоста, посадил белоцветковую традесканцию.

Ежедневно наблюдал за ее ростом. Раз в неделю поливал.

С августа поливал раз в две недели.

С начала учебного года перевез банку с дачи домой, поставил в двух метрах от окна на северной стороне. Сократился доступ света. Но традесканция не погибла , а продолжала расти.

Слайд 11.

В конце октября я завязал горло банки двумя слоями пленки, сверху обмотал бумагой – пусть постепенно привыкает к ограниченному поступлению воздуха и перестал ее поливать. Латимер это сделал после 10 лет жизни растения, у меня опыт кратковременный, поэтому я решил начать подготовку к закупориванию банки через пять месяцев.

Слайд 12.

Интересно было наблюдать, как менялась жизнь растения после этого.

Для контраста в обыкновенной трехлитровой банке я тоже посадил растение, но не закрыл ее. Растение продолжало тянуться вверх, к свету.

Слайды 13-14.

А в закрытой банке рост вверх прекратился, появились воздушные корни, множество боковых побегов.

Слайд 15.

Если растение в открытой банке мы поливали, то в закрытой – нет. На листьях и стенках закрытой банки можно было видеть капли воды. Шло испарение.

Слайд 16.

Некоторые листья гнили, опадали на почву.

Слайд 17.

В феврале горлышко банки обмотали четырьмя слоями пленки, почти законсервировали. Забить деревянной пробкой я побоялся, так как растение живет всего 8 месяцев, а не 10 лет, как у Латимера!

Итак: растение не получает извне воду, кислород. И лишь неяркий свет попадает на растение.

Оно продолжает расти. Возможно, зацветет.

Слайд 18.

Вывод: Конечно, такую экосистему нельзя назвать замкнутой, так как стекло пропускает свет, а значит - энергию, к растению.

Но, в банке, я считаю, создалась собственная мини-экосистема. Растение получает немного света, благодаря чему возможен процесс фотосинтеза. Цикл фотосинтеза ( это образование органических веществ из углекислого газа и воды, на свету, с выделением кислорода) играет решающую роль в выживании традесканции, перерабатывающей питательные вещества, которые растение само же и создает. Старые листья растения падают на дно бутыли и перегнивают. Собственный перегной традесканция использует в качестве почвы. В процессе гниения выделяется кислород, который растение перерабатывает в углекислый газ. Вода постоянно высыхает и оседает на стенках бутыли, в результате чего растение не испытывает потребности во влаге. Изолированной экосистеме необходим солнечный свет. Это – единственное, чем она не может себя обеспечить.

Слайд 19.

Может ли использоваться на космическом корабле экосистема, созданная по этой модели?

Такой удивительный, практически идеальный цикл жизни уже давно заинтересовал НАСА (NASA), ведомство, принадлежащее федеральному правительству США, которое разрабатывает программу использования и адаптации растений в космосе. Некоторые виды растений работают как прекрасные скрубберы (очистители), способные забирать загрязняющие вещества из воздуха. Если научиться выращивать и транспортировать растения, снабжая их лишь светом, (а он на корабле есть) можно существенно сократить затраты на питание космонавтов. Кроме того, в космосе растения необходимы для переработки двуокиси углерода в кислород и очистки воздуха. Все это позволит космической станции фактически превратиться в самоподдерживающуюся систему.

Слайд 20.

Если кого то заинтересовала эта работа, то можете попробовать создать свою экосистему. Например: в аквариуме или можно посадить в банку денежное дерево и закрыть полиэтиленовой крышкой.

Запаянные аквариумы со своей экосистемой участвовали в экспериментах американского «Шаттла» и Российской космической станции «Мир».

Слайд 21.

Земля еще длительное время в состоянии обеспечить живущих на ней всем необходимым, если человечество более рационально и бережно будет расходовать ресурсы планеты, экологически грамотно решать вопросы преобразования природы, исключит гонку вооружений и покончит с ядерным оружием.

В то же время специалисты считают, что применение искусственных экосистем будут неизбежны в составе будущих крупных космических поселений, лунных, планетных и межпланетных баз и других удаленных внеземных сооружений.

Слайд 22

“Природа, милая тебе одной я внемлю, Ты подарила мне и небеса, и Землю. И их помощником я буду век за веком, Лишь оттого, что я родился человеком!”

Спасибо за внимание.

1 сентября 2013 в 20:19

Замкнутая экосистема по-русски

• DIY или Сделай сам

Здравствуй, Хабр!

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

Этап Первый

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

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

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

Этап Второй

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

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

Код

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

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

Код

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

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

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


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

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

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


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


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

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

Фото 3: 02.09.13

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

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.).