Характеристика биологических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Характеристика биологических систем как объектов исследования

Биологическая система - это биологические объекты различной сложности (клетки, ткани, организмы, биоценозы), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности, способности к саморегуляции, что и определяет их устойчивость, а также способность к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции. Любая биологическая система является динамической - в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологическая система - открытая система, условием существования которой служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы, так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биологической системы заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутреннего управления, которые позволяют избежать «термодинамической смерти» путем использования энергии, извлекаемой из внешней среды.

Устойчивость стационарных состояний биологической системы (сохранение постоянства внутренних характеристик на фоне нестабильной или изменяющейся внешней среды, а также способность к их переходу из одного состояния в другое, свойство неустойчивости стационарных состояний биологических систем) обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции. В основе саморегуляции биологических систем лежит принцип обратной связи, положительной или отрицательной. Так в цепи регулирования с отрицательной обратной связью, информация об отклонении регулируемой величины от заданного уровня включает в действие регулятор, который действует на регулируемый объект, таким образом, что регулируемая величина возвращается к исходному уровню (знак применения её обратен знаку первоначального отклонения). Этот механизм, а также более сложные комбинации нескольких механизмов могут функционировать на разных уровнях организации биологических систем (например, на молекулярном - ингибирование ключевого фермента при избытке конечного продукта или репрессия синтеза ферментов, на клеточном - гормональная саморегуляция и контрактное угнетение, обеспечивающее оптимальную плотность клеточной популяции, на уровне организмов - регуляция содержания глюкозы в крови, а в общих случаях гомеостаз, обеспечивающих стабильность внутренней среды организма). Специальные механизмы положительной обратной связи (воздействие на регулируемый объект вызывают изменения, совпадающие по знаку с первоначальным отклонением регулируемой величины, вследствие чего система выходит из данного стационарного состояния) лежат в основе перехода биологических систем из одного стационарного состояния в другое и основанных на этих переходах закономерных изменениях биологических систем, обеспечивающих их адаптацию к изменяющимся внешним условиям, перемещение, другие многообразные активные функции биологических систем, их эволюцию.

Сложное автономное (независимое от среды) движение биосистем возможно благодаря множественности стационарных состояний биосистем, между которыми могут совершаться переходы. В некоторых случаях новое состояние оказывается не стационарным, а автоколебательным, т.е. таким, в котором значения показателей колеблются во времени с постоянной амплитудой. Такие явления в основе периодических процессов в биологических системах временной организации биосистем, в основе функционирования биологических часов.

При анализе поведения и свойств биосистем широкое применение находят различные методы физического и математического моделирования, используются кибернетические и термодинамические подходы. Системный подход оказывается перспективным для решения многих практически важных проблем (таких, например, как создание замкнутых биосистем жизнеобеспечения, проблема заболеваний, связанных с нарушением гомеостаза и прочее). Примером биологической системы являются все живые организмы, населяющие нашу планету, в том числе и растения.

Планета Земля в космосе - пример частично закрытой, автономной биологической системы. Живые объекты на Земле обеспечены всеми необходимыми веществами для жизни и жизнедеятельности. Эта система довольно постоянна, получая из космоса главный фактор жизни - солнечный свет. Эта система - Земля, удерживает на своей поверхности и в ближайшем окружении не только тяжелые твердые предметы, но и воздух, воду, пары воды. Самую простейшую модель биологической системы придумали японцы. В Японии такие системы появились на прилавках в восьмидесятые годы двадцатого века. Они были предназначены для занятых или ленивых цветоводов, которые хотели иметь у себя дома отличные сорта цветов, но, в то же время, не ухаживать за ними. Достаточно было подойти к прилавку, купить такую систему, налить туда воды, герметически закрыть и готово - отличные растения у себя дома целый год.

2. Примеры биологических систем, их существование и значение. Подземные теплицы - прообраз биосистемы

В настоящее время расширение площадей защищенного грунта сдерживается из-за высокой стоимости строительства теплиц и их эксплуатации. Так, в степной зоне Украины строительство 1 м² теплиц в среднем обходилось в 60 рублей, а в Якутске, где овощи и фрукты в дефиците, 250 рублей. И, как это ни парадоксально, тепличное хозяйство более всего развито в центральных и южных районах Украины, а вовсе не там, где в свежих овощах испытывается недостаток. Проведенные за рубежом опыты показали, что овощи можно с успехом выращивать под землей, используя для этого подземные выработки старых шахт, оставшиеся после добычи полезных ископаемых.

Но не все шахтные выработки пригодны для создания подземных теплиц, т.к. большинство угольных шахт подтапливаются грунтовыми водами и в них наблюдаются выбросы метана и других горючих газов, что значительно удорожает эксплуатацию таких выработок (искусственная откачка грунтовых вод). Положительным моментом подземных выработок является постоянная положительная температура выше +11С. Электрические осветительные приборы и оборудование выделяют дополнительное тепло и ещё подогревают шахтные выработки и температура в них даже зимой при сильных морозах достаточна для выращивания большинства овощных растений. В более глубоких шахтах с глубиной температура повышается, но увеличиваются затраты на вертикальную транспортировку людей, оборудования и продукции, а также откачку грунтовых вод и вентиляцию.

Под землей растения можно выращивать круглый год. Традиционные культивационные сооружения (теплицы, парники, оранжереи) зимой приходится обогревать, а летом охлаждать, но следует еще и вентилировать их, на что тратится 20-30% всей потребляемой энергии. Наличие в Украине дешевой электрической энергии для освещения, постоянная температура окружающих пород на глубине и низкая стоимость подготовки отработанных шахт к производству сельскохозяйственной продукции могут дать большой эффект. Что необходимо для нормального роста растений в искусственных условиях? Прежде всего, освещение и среда обитания корней - субстрат.

Опыт эксплуатации подземных выработок в Криворожском железорудном бассейне показал: применяя искусственное освещение соответствующего спектрального состава, можно получать очень хороший урожай овощей. В качестве источников света здесь применяются облучатели тепличные ОТ-400, лампы РРЛ-700 и лампы накаливания мощностью 500 и 1000 Вт. Если позволят габариты помещения, можно использовать и другие системы искусственного освещения, установку ускоренного выращивания растений (УВР), установку системы освещения растительных теплиц СОРТ 1-5 и СОРТ 1-10, систему освещения вегетационных теплиц СОВК-1 и другие (такие установки использовались и на подводных лодках).

В шахтах наиболее традиционно применять гидропонный способ выращивания растений. Кроме того, субстраты (гравий, торф, шлак, песок), соответственно подобранные по физиологическим и химическим свойствам, могут «работать» в подземных условиях 10-15 лет и более, тогда как почву в теплицах необходимо менять каждые 3-4 года.

При выращивании овощей в подземных теплицах на гидропонике многие отрицательные свойства почвы (необходимость внесения большого количества удобрений, повышенная влажность, наличие вредителей и возбудителей болезней растений) полностью отсутствуют. Соотношение питательных веществ в растворах может быть изменено в зависимости от возраста растений и времени созревания плодов, что значительно повышает коэффициент полезного действия вносимых удобрений и урожай возделываемых культур. Созревание овощей при этих условиях происходит среднем на 2-3 недели раньше, чем в грунтовых теплицах.

При подземном выращивании овощей лотки для гидропоники могут быть изготовлены из различных материалов - дерева, обернутого пленкой, пластмассы или асбоцементных труб большого диаметра. Лотки должны укладываться с уклоном 0,3 для стока питательного раствора.

Гидропоника способствует лучшему обеспечению овощей водой с растворенными в ней питательными веществами, предохраняет зону расположения корней от колебания температуры и подсыхания, позволяет автоматизировать производственные процессы по уходу за растениями, а также значительно повысить урожайность продукции.

В настоящее время поступает все больше и больше сообщений об использовании шахтных выработок для выращивания овощей - в Казахстане, Норильске и в других городах мира взялись за это дело с интересом.

Актуальность же проблемы не вызывает сомнений - подземные теплицы должны стать составной частью агропромышленных комплексов, продовольственной программы Украины.

3. Первые шаги на пути к космическим теплицам

Сложнее по устройству, чем подземные теплицы, но более совершенные наземные тепличные комплексы приближаются по конструкции к закрытой биосистеме, получающей извне только солнечную энергию и информационные сигналы связи. В таких комплексах добровольцы в команде, имитирующей команду космического корабля, проживали и работали более чем по году, изучались вопросы круговорота веществ, в том числе и воды, тепловой баланс, вопросы питания группы людей, реутилизации отходов и другие наблюдения и исследования растений и людей в такой системе. Такие научные комплексы создавались в горах, т.к. условия освещенности (инсоляции) и суточного колебания температур ближе к условиям космического пространства, а на поверхности земли на небольших высотах над уровнем моря условия очень отличаются. На больших высотах, как и в космосе, значительно усилена ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации. Также на больших высотах значительно меньше атмосферное давление и наблюдаются резкие колебания температуры за счет сильно меняющегося в течение суток потока солнечной энергии.

Для нормального обеспечения людей, находящихся в таком комплексе, применялись специальные стекла в покрытиях тепличного комплекса. Такое стекло поглощает и ослабляет поток ультрафиолетовой радиации и частично снижает резкие колебания температуры внутри комплекса, т.к. препятствует прохождению не только ультрафиолетовых, но и инфракрасных (тепловых) лучей. Дней поступает меньше тепла, теплица не перегревается, а ночью меньше теряется тепла, теплица не переохлаждается. Для снижения колебания температур применяются также шторки-жалюзи, а также придумана оригинальная система суточных колебаний температуры - это тепловые аккумуляторы. Они используют высокие показатели теплоемкости воды. Черные трубы, наполненные водой, прокладываются на поверхности почвы или субстрата для растений. Днем, при избытке тепла, эти аккумуляторы поглощают тепло, препятствуя перегреву, а ночью отдают его, предохраняя систему от переохлаждения.

Группы людей прожили год и более в помещении теплицы, биологически абсолютно изолированном от атмосферы Земли. Воздух и вода очищались и восстанавливались растениями. Так были сделаны первые шаги человека к созданию надежной замкнутой биологической системы обеспечения человека с использованием высших растений. Эксперимент оказался удачным.

Главная задача при построении космических теплиц состоит в том, чтобы отобрать растения, которые обеспечили бы космонавтов наиболее полезным набором питательных веществ. Поэтому исследователи считают, что с большим успехом эту задачу удастся решить, если на космическом «огороде» посадить набор различных овощей. Только так можно обеспечить полноценную пищу. Естественно, что, подбирая овощи для космической теплицы, необходимо учитывать привычки и вкусы людей. К примеру, зарубежные ученые предлагают выращивать в космической оранжерее бобы, горох и масличное дерево - земляной орех, которые в сочетании с другими растениями удовлетворительно обеспечивают рацион космонавтов. Все это так, но земляной орех для нас непривычная еда. Поэтому рацион космонавтов целесообразно составлять из растений, которые возделываются на территории страны или введены в меню овощей и фруктов, ставших для нас уже привычными. Рацион космонавта не должен включать одни овощи, в нем обязательно должны быть животные белки и жиры. Для решения этого вопроса было рассмотрено большое количество самых различных видов организмов, в том числе беспозвоночных и рыб. Установлено, что современный аквариум - это тоже прообраз замкнутой биоэкологической системы, который можно использовать на корабле. Определено, что на борту космического корабля должны быть и травоядные животные. Более всего для обеспечения космонавтов мясом подходят куры. Они едят практически все и легко размножаются.

Константин Эдуардович Циолковский высказал идею, основанную на реальных данных биологии и смежных наук о создании на борту космического корабля искусственного микромира - космической оранжереи, в которой совершался круговорот веществ подобно тому, как это имеет место в естественных условиях на Земле: «Люди будут поедать плоды, а растения будут очищать воздух и производить плоды. Человек будет возвращать в полной мере то, что он «похитил» от растений: в виде удобрений для почвы и воздуха» - писал К.Э. Циолковский. Космический корабль должен быть кусочком - искусственной планетой, на которой все необходимое для жизни людей поставляют высшие растения.

Космическая биология - отрасль биологии, изучающая воздействие различных факторов космического пространства на живые организмы. В задачи космической биологии входит разработка методов биологических исследований и средств обеспечения жизнедеятельности земных организмов в условиях космического полета (экология искусственной биологической системы). Первые данные о влиянии условий космического полета на живые организмы прежде всего кратковременной (5-10 минут) невесомости, были получены в эксперимента, проведенных в СССР в конце 40-50-х годов прошлого века на ракетах, запушенных на высоту 110-450 км. Систематические исследования советских ученых в области космической биологии начались в 1957 году с полета собаки «Лайки» на втором искусственном спутнике Земли, а затем на кораблях-спутниках с возвращение животных на Землю. Эти эксперименты позволили оценить влияние условий космического полета на живые организмы, а также испытать и отработать системы жизнеобеспечения в кабине космического корабля, привели к выводу, что полет человека в космос возможен.

В космическом полете на организм действуют различные неблагоприятные факторы, они могут быть связаны с физическим состоянием космического пространства (высокая разреженность среды и ионизирующая радиация, препятствующие пребыванию в открытом космосе без защитного костюма и др.), с особенностями летательного аппарата (шум, вибрация, ускорение, невесомость) и с условиями жизни в кабине искусственного корабля (искусственная атмосфера, ограничение движения, эмоциональное напряжение и т.д.). Поэтому, важнейшее направление в космической биологии - исследование воздействий этих факторов на живые организмы, как в отдельности, так и в их совокупности. Эти исследования проводят на Земле путем моделирования различных факторов и условий, а также в реальных условиях космического полета.

Особое место в разработке межпланетных полетов занимает жизнеобеспечение экспедиций. Сейчас космонавты все, что им нужно берут с Земли (лишь частично регенерируется атмосфера, в некоторых полетах проводили экспериментальную регенерацию воды). Но на три года запасов с собой не возьмешь. На межпланетном корабле предстоит создать замкнутую биоэкологическую систему наподобие земной (растения, животные, человек), но в миниатюре, которая будет снабжать экипаж корабля всем необходимым и утилизировать отходы жизнедеятельности. По существу речь идет о конкуренции с природой: то, что природа создавала многие миллионы лет на всей планете, люди пытаются воспроизвести в лаборатории на моделях, чтобы потом перенести в космический корабль.

Нужны ли такие планетарные и межпланетные станции? Сколько это будет стоить? По силам ли это отдельной стране? Работники космоса утверждают, что полеты, скажем к Марсу или Венере, исследование этих планет, очень затруднены для отдельной страны, ведь это очень дорого стоит. Наверняка экспедиции состоятся, но международные экспедиции: и техника, и люди будут представлять все континенты Земли. Хочется видеть этот процесс четко продуманным, спланированным, тогда будет очень мало тех неожиданностей, которые часто встречались в прошлом при освоении новых земель. Вероятно люди сумеют спрогнозировать обстановку и весь вероятный процесс разведки неизведанного с очень большой степенью точности.

Человечество стремится освоить космос, в конечном итоге, для улучшения жизни людей на Земле, а, может быть, и для ухода части человечества на другие планеты (Марс, Венеру), межпланетные станции. Однако и на Земле еще есть очень много неосвоенных пространств, которые при значительно меньших затратах труда и средств могут дать человечеству и необходимое питание, и нужные ископаемые, и источники энергии… На нашей планете громадные площади заняты пустынями, скалистыми высокогорьями, морскими мелководьями - вот места дальнейшего развития плантаций в закрытом грунте. Уже проведены опыты по выращиванию грибов и овощей в пустых выработках старых шахт.

В 1966-1979 гг. были проведены комплексные эксперименты продолжительностью от 18 до 22 суток на биоспутнике «Космос» с 37 биологическими объектами (главным образом, белыми крысами). Изучили влияние так называемой «чистой невесомости» (главным образом, структурные изменения в мышечной, кровеносной, пищеварительной и других системах организма, функционирование которых связано с воздействием земной силы тяжести), а также комбинированное влияние невесомости и радиации. Было показано развитие неблагоприятных изменений, возникающих в организме под влияние невесомости. Изучены также отдаленные последствия действия факторов космического полета (например продолжительность жизни животных, побывавших в космосе оказалась не меньше, чем контрольных). Полученные результаты пополнили знания о механизмах адаптации живых организмов к невесомости, о роли гравитации в существовании фундаментальных биологических процессов - клеточного деления, передачи наследственной информации, роста и развития организмов. Был осуществлен также полный цикл развития растений в условиях невесомости. Эти данные позволили обосновать рекомендации по медико-биологическому обеспечению длительности пилотируемых космических полетов и прогнозировать дальнейшее увеличение их продолжительности.

4. Микробиосистемы в квартире

Сад в бутылке

На дно бутылки насыпают надежный (около 5 см) слой камней или керамзита, а затем слой древесного угля. Делают это аккуратно через листок бумаги, свернутый кульком. Следом засыпают толстый слой почвенной смеси с высоким содержанием песка и приминают её ватным тампоном, намотанным на длинную палочку.

Затем высаживают растения, а почву вокруг них слегка утрамбовывают тампоном. Когда все растения будут высажены, бутылочный сад следует полить. Делают это с помощью лейки с длинным носиком; воду вливают тонкой струйкой по стенкам сосуда. Если на стекле остались следы пыли, то такой полив смоет её. Последнее, что нужно сделать - это плотно закупорить бутылку пробкой. В том случае, если на стенках появились капли конденсата, пробку вынимают и вставляют обратно после испарения лишней влаги.

Удобством такого сада является не только создание оптимальных условий для выращивания капризных и нежных растений. Помимо этого данный декоративный элемент комнаты не требует никакого ухода. Его не нужно поливать, т.к. внутри бутылки происходит естественный круговорот воды, растения в нем не запыляются и получают все необходимое для жизни.

Сад в аквариуме.

В отличие от бутылочного создать аквариумный сад гораздо легче. Для его изготовления прежде всего необходимо обзавестись аквариумом или емкостью с дверкой (террариум).

Приступая к оформлению садика следует помнить, что кактусы и другие суккуленты следи лиственных растений потеряются и лишь испортят общее впечатление. Вместо этого можно создать аквариумный сад, состоящий из суккулентных растений. К составлению композиций следует подойти со всей серьезность.

Аквариумный сад не требует особого ухода, растения в нем могут развиваться не один год. Поэтому при подборе культур нужно учесть будущий вид подросших растений. Нет никакой необходимости высаживать в аквариум те цветы, которые и в комнатных условиях растут нормально. Предпочтение лучше всего отдать нежным, требовательным растениям, таким как адиантум, кала-диум, рео, пефролепис и т.д.

Разбавить зеленую массу декоративно-лиственных растений можно с помощью небольших красивых цветков цимбидиума, катарантуса, клематиса или иксоры. Следует помнить о том, что многие культуры сильно разрастаются, поэтому высаживать их необходимо с учетом будущего размера.

5. Биологическая система с кактусами - модель космической станции

биологический теплица космический кактус

Как долго могут просуществовать различные растения в бутылке, колбе, закрытом прозрачном ящике с почвой? Вначале естественно, что сильно и быстро растущие растения быстро займут весь объем такой модели, израсходуют доступные питательные вещества из почвы и их рост быстро остановится. В противоположность таким растениям, медленно растущие смогут существовать внутри такой модели значительно дольше. Выбор останавливается на группе растений-суккулентов, обладающих медленным обменом веществ, медленным ростом, малым расходом воды, высокой стойкостью к перегреву.

Как показал опыт создания первой такой биосистемы модель «Марс-1» одиннадцать лет просуществовала на кафедре ботаники и физиологии растений Крымского СХИ (КГАТУ) - выбор кактусов (из группы растений-суккулентов) оказался правильным.

Я по этому примеру сделал тоже такую модель биологической системы «Марс-2». Растения в эту систему я выбрал из группы суккулентов, и считаю, что этот выбор оказался правильным. Простейшая модель биологической системы - межпланетной или планетарной станции - это замкнутое, герметически закрытое пространство с прозрачной оболочкой, например бутылка с почвой и растениями в ней.

Растения в изолированном пространстве (где есть все необходимые факторы для жизни), живут как в обычной среде так же, как на нашей планете, ведь наша планета - это маленькая биологическая система, находящаяся в космосе. Наша планета не получает из космоса почти ничего для поддержания жизни, кроме солнечного света, метеоритов, различных излучений, радиации и т.д. Как и в изолированной системе, в нее проникает только солнечный свет. А поддерживается жизнь на Земле только за счет её ресурсов. Так и в изолированном пространстве растения живут только за счет их внутренних ресурсов. В местах своего обитания растения регулируют круговорот веществ (например, удерживают воду в почве, испаряя избыток в атмосферу; регулируют процентное содержание CO2 в атмосфере - его концентрация в лесу не превышает 0,033% и т.д.). Круговорот веществ в биосистеме, необходимый для поддержания жизни, осуществляется примерно как на нашей планете.

Модели биологических систем бывают разные - от бутылок с почвой и растениями до космических станций.

Космические станции очень важны для всего человечества, так как космические станции с биологическими системами помогут намного быстрее достичь Марса, Венеры и других планет, обеспечивая членам экипажа кислород и продукты питания.

Также модели биологических систем разрешать проблему голода на Земле тем, что займут пустыни, высокогорья, выработки старых шахт очень полезными теплицами.

Размещено на Allbest.ru