Модель біосфери Землі

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Незвичайний експеримент американців - „Біосфера-2"

2. Нове життя „Біосфери-2"

3. "Вічні акваріуми"

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

З кожним роком дія цивілізації на довкілля стає все більшим і наслідки цього -- все менш прогнозовані. Ми все частіше відчуваємо це на собі, і не лише у вигляді забрудненого повітря, отруєних річок і грунтів, зараз вчені говорять про глобальні наслідки для всієї нашої Землі.

Все частіше ми чуємо про підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері Землі і пов'язаному з цим парниковому ефекті, який може викликати глобальне потепління і танення арктичних і антарктичних льодів, підвищення рівня води в океані і затоплення багатьох земель. Йдеться про те, як прогнозувати дію чинників, пов'язаних з діяльністю людини на нашу біосферу Землі.

Слід зазначити, що сам термін "біосфера" запропонував російський учений -- академік Володимир Вернадський. "Поверхня нашої планети, її біосфера відокремлює нашу Землю від її космічного оточення. Біосфера це єдине місце на Землі, де може бути знайдена життя" писав в 1926 великий учений, творець вчення про біосферу. Вернадський розглядав науку як засіб розвитку людства.

Тому дуже поважно, щоб наука не набувала форми абстрактною, такою, що має своє незалежне існування суті. Ми спостерігаємо, як наука все сильніше і глибше починає змінювати біосферу Землі, вона міняє умови життя, геологічні процеси, енергетику планети. Значить, і сама наукова думка є природним явищем. У момент створення нової геологічної сили, що переживається нами, науковій думці, різко зростає вплив живої речовини в еволюції біосфери.

Біосфера, переробляючись науковою думкою Homo Sapiens, переходить в свій новий стан - в ноосферу. Дуже складно прогнозувати "поведінку" нашої біосфери.

Адже на її стан впливають дуже багато чинників. Через це складно проводити теоретичні розрахунки і будувати математичні моделі поведінки біосфери Землі, а поставити експеримент на "натурній" моделі із зрозумілих причин неможливо. Адже неможливо ж експериментувати над цілою планетою. Це може привести до непередбачуваних наслідків, та і технічні можливості цивілізації нездібні діяти так глобально, в рамках цілої планети.

1. Незвичайний експеримент американців - "Біосфера-2"

На думку учених, дуже поважно було створити модель нашої біосфери: побудувати таку систему, яка була б абсолютно ізольована від решти світу, в якій була б своя атмосфера, свій грунт, був би свій океан, свої джунглі, свої тварини, свої рослини -- така своєрідна міні-модель Землі. Система, в яку поступає лише сонячна енергія, так само як це відбувається з нашою Планетою. Адже в нашу біосферу практично нічого не поступає ззовні, окрім сонячного світла і тепла. Побудувавши такий світ можна було б почати експерименти, наприклад, збільшивши вміст вуглекислого газу або іншої речовини, поглянути на наслідки.

Крім того, цікаво поглянути, як розвиватиметься ця інша біосфера в майбутньому, якщо її надати самій собі.

На початку дев'яностих років така біологічна система була створена. Цю унікальну систему побудували в американському штаті Арізона, поряд з містом Оракл і назвали її "Biosphere-2" -- Біосфера-2. Мається на увазі, що „Біосфера 1" -- це наша Земля. „Біосфера 2" -- це грандіозна і велична конструкція із скла і армованої сталі, займає площу 1.27 гектара, об'єм атмосфери, увязненій в ній 203 760 кубічних метра. „Біосфера-2" включає понад 3.000 різновидів рослин і тварин, сім біомов -- дощовий ліс, савану, пустелю, болото, навіть маленький океан з кораловим рифом, інтенсивне сільське господарство і апартаменти для людей. Біоми розділені між собою пластмасовими щитами. Гігантські "легені" регулюють внутрішній тиск так, щоб воно відповідало зовнішньому - це зводить до мінімуму витоки повітря. В результаті за рік відбувається заміна всього лише 10 відсотків атмосфери "Біосфери-2" і по цьому показнику вона не має собі рівних: її герметичність в 50 разів вища, ніж в комплексу "Спейс Шаттл" НАСА.

Розробка конструкцій і систем зайняла близько 10 років, протягом цього часу спеціальні групи учених збирали по всій Землі види тварин і рослин для заселення „Біосфери-2", підбирали зразки грунту, ретельно стежачи за тим, щоб все там було біологічно збалансовано. „Біосфера-2" достатня велика, щоб підтримувати всю екосистему в рівновазі і в той же час достатня мала, щоб всі процеси, що відбуваються в ній було легко досліджувати.

А що найцікавіше, „Біосфера-2" була розроблена спеціально для того, щоб в ній могли жити люди, причому абсолютно ізольовано від решти світу: ні їжа, ні повітря, ні вода, ні яке-небудь інша речовина не проникає всередину і ніщо не вирушає назовні, окрім сонячного світла, електрики і інформації по дротах. Навіть "дно" ізольоване від землі на якій вона стоїть спеціальними герметично звареними залізними листами, а для підтримки постійного тиску, повітря усередині „Біосфери-2", коливання якого відбуваються із-за зміни температури (вдень і вночі) передбачені гігантські мембрани-легені. Витік повітря зі всієї конструкції складав не більше 10% за рік.

Складні технічні пристрої створюють: течії в "океані", тропічні дощі, морський прибій і емітують інші природні явища, а безліч спеціальних датчиків постійно визначає температуру, вміст тих або інших елементів в грунті, воді і повітрі усередині „Біосфери-2", записуючи ці параметри для подальших досліджень. На спеціальній ділянці інтенсивного сільського господарства за допомогою особливих методів оброблялися культури, які служили їжею для людей, -- адже іншої їди їм узяти було нізвідки.

Розкинувшись на площі в півтора гектари ця величезна виблискуюча конструкція на початку дев'яносто першого року була вперше заселена людьми - вісім чоловік (чотири жінки і четверо чоловіків) пробули в ній близько двох років, підтримуючи зв'язок із зовнішнім світом лише через комп'ютер. 26 вересня 1991 року добровольці увійшли до „Біосфери-2" з метою провести в ізоляції два роки. 26 вересня 1993 року науковий експеримент був успішно завершений. Лише одна з членів команди покидала комплекс на 5 годин -- для проведення операції на пораненій руці, після того, як вона пошкодила палець.

Спочатку все йшло добре - козине молоко, яйця, курятина, риба, креветки, козлятина, свинина, кури, а також сорок шість видів рослинної їжі дозволяли з оптимізмом дивитися в майбутнє.

Передбачалося, що комплекс зможе функціонувати автономно, оскільки в наявності всі умови нормального круговороту речовин. Сонячного світла, по розрахунках учених, повинно було вистачити для достатнього відтворення кисню рослинами в результаті фотосинтезу; черв'яки і мікроорганізми покликані забезпечити переробку відходів, комахи - запліднити рослини і так далі.

Важливе питання, яке вивчали біосферіане, -- це міжособові стосунки в замкнутому колективі, і що цікаво, вони відзначають, що це питання було вирішене набагато грамотнєє у російських космонавтів. Так, при польотах космонавтів за їх психічним станом, взаємодією між собою постійно стежить особливий фахівець і давав ділові поради. Ця людина має повноваження наполягати на зміні розпорядку дня роботи команди, якщо він вважає це необхідним. Тут були багато складнощів. Втім, все обійшлося, і після закінчення експерименту двоє його учасників зіграли весілля. „Біосфера-2" виявився перенаселеним.

Через деякий час біосферіанам стало не вистачати їжі, і тут виявилось, що проблеми усередині „Біосфери-2" дуже нагадують земні. При створенні міні-світу багато хто думав, що він буде досконалий, ніж наш, звичайний, буде позбавлений від багатьох екологічних і соціальних проблем на багато десятиліть. Проте, навіть перед тим, як група зайшла туди на два роки, ставало усе більш зрозуміло, що в населення „Біосфери-2" буде багато загальних проблем, що і у жителів "Біосфери 1" -- Землі. Площа ділянки, де оброблялися культури була відносно невеликою, а погода в Арізоні протягом 2-х років експерименту була рекордна дощовою і похмурою, рослинам не вистачало сонячного світла і внаслідок цього, погані урожаї, брак їжи. У „Біосфері-2" не можна використовувати пестициди -- із-за замкнутості біологічних циклів усередині, можна отруїти все живе, тому шкідники відчували себе привільно, і з'їдали інколи значну частину урожаю. Люди для боротьби з ними розводили їх природних ворогів, наприклад комах, які харчуються личинками шкідників, але частенько просто збирали їх руками, зовсім як у нас збирають колорадських жуків. А для очищення води в „Біосфері-2" вирощували водні гіацинти. Ці квіти вбирають в себе забруднення з води.

Окрім землеробства, жителі „Біосфери-2" займалися скотарством. У них були кози, курки, і навіть поросята. Причому це були особливі тварини, пристосовані до суворих умов. Наприклад, курки були дикої породи з Індії -- вони були пристосовані до життя в тропіках (висока температура і вологість) і могли харчуватися відходами. Американські кури не підійшли б, оскільки вони не можуть харчуватися нічим, окрім комбікормов, адже їх годують ними вже протягом багатьох поколінь. З маслом для жаріння, відмітимо, були проблеми, шкода було переводити на нього боби, які можна було з'їсти, так що замість жаріння стали варити, пекти, або готувати на пару.

Брак калорійної їжі привів до спроб раціонування розподілу продуктів харчування, а питання про вирощування більшої кількості їди виходило на перший план. У „Біосфері-2" для вирощування продуктів була відведена особлива ділянка, а вся інша поверхня повинна була залишатися "дикою". Відразу виникла ідея вирубати частину дикої природи і використовувати, що звільнилося місце для вирощування додаткової їжі. Але інші вважали, що дика природа має власну цінність і весь видовий склад має бути залишений без змін.

Перед біосферіанамі встало питання про пошану до інших видів живих істот. Керівники, що контролювали експедицію, дали ясно зрозуміти її учасникам, що якщо вони дуже голодні, всі вони, або хтось з них можуть покинути „Біосферу-2" у будь-який час. Їм не доставлять їжу ззовні і заборонили знищувати ділянки дикої природи. Брак калорій приводив до того, що у учених не вистачало енергії для вирощування їжі, -- адже це важка фізична праця, значить, їди ставало все менше.

Виходив замкнутий круг. Кінчилося тим, що в джунглях висадили все ж трохи бананів і папайю. Ущільнили посадку зернових, засадивши кожен сантиметр ділянки, відведеної для агрокультур, а розподіл харчів продовжили. Питання перенаселеності, самоцінності дикої природи, необхідність підтримувати різноманітність видів -- все це передній край сучасних екологічних досліджень.

Явища в природі також були досить цікаві і непередбачені. Наприклад, над пустелею на скляному даху „Біосфери-2" вранці конденсувалася вода, і над пустелю випадав дощ. Його неможливо було ліквідувати, і тому пустеля стала не такою пустинною, як планувалося спочатку -- на ній стали виростати рослини.

Передбачивши течії в "океані", творці „Біосфери-2" не передбачили вітер, а він, як виявилось, дуже важливий для рослин, під його дією гойдаються дерева, що укріплює їх ствол. Без вітру ствол і гілки акацій, зростаючих в „Біосфері-2", стали крихкими і почали вкачуватися під власним тягарем. Чомусь розвелися багато мурашок -- хоча ніхто не планував спочатку привносити їх в систему.

Звичайно, не можна сказати, що обійшлося без проблем -- серед них проблема зменшення вмісту кисню в атмосфері: з початкового вмісту в 21%, його кількість за два роки зменшилася до 14%. Таке падіння вмісту кисню приводило до постійних головних болів, втрати працездатності у учасників експерименту.

Зрозуміло, перший досвід -- він закінчився 26 вересня 1993 року -- де в чому був недосконалим. Але, не дивлячись на всі ці труднощі і нелади, перший експеримент на „Біосфері-2" завершився успішно: вся команда учених і переважна більшість рослин і тварин з успіхом пережило два роки в ізоляції. Цей експеримент ще раз показав, що існує небезпека зіткнутися в майбутньому і в цілому на Землі з такими проблемами як перенаселеність, брак їжі, зменшення вмісту кисню в атмосфері і так далі.

Але як, ні дивно, життя в ізоляції від решти світу пішло людям на користь: адже вони два роки їли екологічно чисту їжу, не труїлися отрутохімікатами, не їли багато жирів. Після виходу з „Біосфери-2" виявилося, що рівень холестерину в крові помітно знизився, а самі біосферіанє не могли звикнути до звичайної їжі -- вона їм здавалася якоюсь штучною, позбавленою смаку.

"Знаходячись в „Біосфері-2", особливо ясно відчуваєш, що залежиш від навколишньої природи, адже ти особливо чітко розумієш, що дихаєш киснем, який виробляють рослини, що якщо вода забрудниться, тобі нічого буде пити", -- говорить одна з учасниць експерименту.

2. Нове життя "Біосфери-2"

Сьогодні „Біосфера-2" є підрозділом Колумбійського університету. Там зараз немає постійних жителів, але наукові дослідження продовжуються.

Два роки усередині "Біосфери-2" знаходилися люди. Три роки пішли на відновлення величезного комплексу.

Нова команда вважає, що головна перевага проекту - можливість простежити за міграцією елементів і іншими процесами в умовах автономності. Перш за все їх цікавить вплив зміни вмісту СО2 в атмосфері на життєдіяльність рослин.

Оскільки наявність СО2 є основною умовою для процесу фотосинтезу, учених давно займає питання, чи не приведе підвищення вмісту СО2 в земній атмосфері в результаті парникового ефекту до посиленого зростання і розвитку рослин. Деякі навіть пропонують штучно підвищувати відсоток СО2, щоб збільшити врожайність основних культур.

В середині 1996 року учені почали новий експеримент, вже строго науковий і "безлюдний". Вони повинні були з'ясувати: чи дійсно із збільшенням процентного вмісту СО2 врожайність підвищується і до яких пір; і що відбувається з надлишками СО2, де вони накопичуються і чи можливий при неконтрольованому зростанні вмісту двоокису вуглецю в атмосфері якийсь зворотний катастрофічний процес.

Спочатку нові розпорядники проекту узяли в оренду на найближчій вугільній шахті декілька потужних вентиляторів і вперше за декілька років почали інтенсивну заміну повітря усередині споруди. Як наслідок, вміст СО2 різко знизився, що спричинило уповільнення зростання багатьох рослин, а це, у свою чергу, викликало зменшення виробництва двоокису вуглецю грунтовими мікроорганізмами. Висновок: посадки дерев - неоднозначне вирішення проблеми парникового ефекту, оскільки мікроорганізми при цьому, можливо, вироблятимуть більшу кількість двоокису вуглецю.

При відповіді на перший з вищеназваних питань діректори проекту керуються вже проведеними дослідженнями. Так, Брюс Кімболл з Фіникса (штат Арізона) спостерігав за дією атмосфери, штучно збагаченою СО2 до приблизного рівня 21-го століття, на посіви пшениці і бавовника.

З бавовником все йшло просто - рослини сприйняли підвищення вмісту СО2, як і передбачали фахівці, і в кінці сезону принесли додаткові 40% бавовни в порівнянні з контрольними рослинами. Пшениця поводилася складніше. В середині вегетаційного періоду дослідні рослини отримували на 20% більше СО2, чим контрольні, і зростали швидше. Але дозрівання також прискорилося, що зменшило тривалість вегетаційного періоду, і отриманий урожай лише на 10% перевершував величину контрольного урожаю.

Кімболл вважає, що в цьому, мабуть, винна зміна температури і рівня грунтових вод. Як підвищення СО2, так і пониження дзеркала грунтових вод сприяє закриттю устьіц на поверхні листя. Вода, яку п'ють рослини, випаровується через ці пори, охолоджуючи листя. Але при частково закритих порах відбувається перегрів листя. Кімболл передбачає, що тепло прискорює всі фізіологічні процеси усередині рослин, приводячи до їх раннього визрівання. Якщо це так, то глобальне потепління, у поєднанні із збільшенням процентного вмісту СО2, викличе ще більше скорочення вегетаційного періоду рослин.

Що стосується другого питання, то так до кінця і не зрозуміло, що ж відбувається - підвищення процентного вмісту СО2 в атмосфері відстає від сумарних загальносвітових викидів більш ніж на мільярд тонн вуглецю; учені вважають, що акумулювати СО2 можуть дерева, коріння рослин, грунт...

Загалом, "Біосфері-2" належить вирішити немало завдань. Зараз йде реконструкція комплексу з розділенням його на дрібні ділянки, яким належить стати ареною серйозних експериментів, і перш за все - по зміні процентного вмісту СО2, з ретельним дослідженням доріг міграції елементів. Можливо, для обивателя проект втратив значну долю минулої привабливості, але в наукових - а може, і в ділових - кругах позиції "Біосфери-2" зміцнилися. В кінці 1999 року ученими комплекс "Біосфера-2" був знову узятий в оренду ще на 10 років Колумбійським університетом.

3. "Вічні акваріуми"

Наука пішла, розвиватися далі -- зараз знадобилося сконструювати мініатюрні замкнуті системи, щоб їх можна було використовувати в космічних апаратах, адже об'єм космічного корабля порівняно малий, а вільний простору ще менше. І тут на допомогу прийшов досвід роботи в "Біосфері-2".

На основі унікальних результатів, отриманих в ході експериментів в замкнутій системі, учені, що були у складі першої експедиції, вже давно розробили мініатюрні біологічні аквасистеми, розміром від 10 до 30 см в діаметрі, в яких абсолютно без жодного відходу можуть жити всілякі морські і прісноводі тварини і рослини -- креветки, равлики. Їх назвали Biosphere і Beach World.

Тепер такі замкнуті "вічні" акваріуми не рідкість в американських будинках, в офісах корпорацій і банків, на столах керівників. Адже це дуже незвично -- це далеко не у всіх і не всі собі можуть це дозволити; і зручно: не потрібно міняти воду, чистити стекла, годувати, як це доводилося б робити із звичайним акваріумом.

Зараз існує два основні види "біосфери" -- Biosphere і Веаch World -- пляжний або прибережний світ.

У Biosphere відтворений тваринний і рослинний світ озер Флоріди, там зростає велика красива рослина Hornwort, а по ньому з вітки на вітку, як мавпи в лісі "стрибають" маленькі рачки "гаммаруси". Крім того, там ще живуть равлики трьох видів, дафнії, циклопи, остракоди. Принцип роботи Biosphere такий же, як і в біосфери Землі: ззовні поступає лише світло, сонячна енергія, яка і дає життя всім живим істотам.

У Biosphere все збалансовано, рослини виробляють на світу в процесі фотосинтезу кисень, яким дихають тварини. Тварини, у свою чергу, видихають вуглекислий газ, який потрібний рослинам. Так замикається цикл кисню. Окрім цього, в Biosphere дотримані всі останні природні цикли азоту, вуглецю, води. Тварини в Biosphere розмножуються і живуть, змінявшись поколіннями. Це -- "вічна" біосистема, як і наша Земля.

Зрозуміло, що Biosphere для процвітання необхідно досить світла, причому бажано природного або найбільш близького до природного, і кімнатна температура. А на той випадок, якщо в приміщенні недостатньо ясно, рекомендується використовувати спеціальні світильники з відповідними лампами. До речі, при такому освітленні Biosphere виглядають найефектніше.

Ще один винахід -- це Beach world. На відміну від Biosphere, з її мешканцями Флоріди, в них живуть червоні морські креветки, "уроженці" Гавайських островів. Розмір креветок 1-2 см. Вони ходять по білому піску, ракушкам і різноколірним камінчикам, не ховаються в грунті і тому дуже помітні. Забавно спостерігати, як креветки "пасуться", "пощипують" один одного і навіть носять маленькі піщинки! Якщо їх поторбувати, вони втрачають на якийсь час свій яскраво-червоний колір і стають непомітними. Як тільки вони заспокояться, їх покриви знов стають червоними. Вони їдять мікроводорості і дихають киснем, який виробляють рослини. Креветки "підстригають" рослини, підтримуючи їх здоровими. Креветка їсть не самі рослини, вона швидше пощипує їх, поїдаючи мікроводорості і бактерії, які зростають на них. Вони буквально є садівниками тих місць, де живуть.

Прибережні тварини, що знаходяться в небезпеці. Ці креветки -- зникаючий вид, в природі вони живуть лише на окремих островах Тихого океану. Причина вимирання креветок в тому, що акваріуми випускали акваріумних рибок. Рибки поїдають креветок, руйнуючи всю екосистему Гавайських озер, і, в результаті, озера вимирають. Розведення креветок для використання їх в Beach World -- один з небагатьох способів збереження їх як виду. Beach World випускаються у вигляді 4 і 5 дюймових куль і у вигляді піраміди заввишки 7 дюймів.

атмосфера вуглекислий парниковий біосфера

Висновок

На початку 90-х років минулого століття "Біосфера-2" мелькала на перших сторінках газет як експеримент, який дозволить зрозуміти роботу "Біосфери-1", - тобто нашої планети, відкриє дорогу до створення замкнутих екосистем, необхідних для польотів в космос, і допоможе вирішити ряд інших серйозних екологічних проблем.

Проте, слід зазначити, що першими побудували замкнуті комплекси, в яких впродовж різного часу успішно жили б люди, були все ж вчені СРСР. Найкрупнішим нашим фахівцем в області космічної медицини і біології, можна назвати Євгенія Яковича Шепельова, професора, співробітника інституту медико-біологічних проблем. Саме він був першою людиною на Землі, хто провів місяць в камері об'ємом п'ять кубічних метрів без зв'язку із зовнішнім світом, використовуючи спеціальний біологічний реактор, побудований на основі культивування одноклітинних водоростей.

В кінці п'ятдесятих років, коли стало ясно, що політ в космос людини не за горами, виникло питання - як улаштувати його життя в середовищі, абсолютно непристосованому для цього. Вже тоді було ясно, що потрібно обзаводитися системами життєзабезпечення, здатними самовідтворюватися. Тоді і виникла думка повторити те, що робиться в природі Землі. Отже, зайшла мова про біологічні регенеративні системи. Виникла ідея використовувати водорості під назвою хлорела як біологічний реактор, який забезпечував би герметичне приміщення достатньою кількістю кисню в результаті фотосинтезу і поглинання СО2. По розпорядженню Сергія Павловича Корольова була створена герметична п'яти кубометровая камера для того, щоб імітувати обстановку в "Сході". „Засадили туди мене. Ілюмінатор, звичайно, був, телефонний зв'язок. До результату першої доби стало ясно, що людина, споживає значно більше кисню, чим можуть виробляти водорості. Вуглекислота зростала, а кисень падав". Після цього експерименту удосконалили технологію і спокійно тримали в цій камері людину впродовж місяця. Після цього експерименту, були проведені і інші випробування системи життєзабезпечення людини.

На сьогодні, ніде в світі не існує надійно працюючих замкнутих систем, в яких чоловік би повністю забезпечувався киснем, водою і частково їжею. Проте, можливість побудови такої системи доведена.

Тому, американське космічне агентство NASA виявило велику цікавість до цих досліджень, проведених в "Біосфері-2" і до аквасистем. Наукові дослідження зв'язані, перш за все, з визначенням реакції довкілля на ті або інші зміни у складі атмосфери, вивчаються дороги перетворення тих або інших хімічних елементів усередині „Біосфери-2". Адже в ній як і раніше підтримується замкнутість і, наприклад, атом вуглецю разів попавши в неї, в ній і залишається, лише приймає різні "форми" -- він може бути атомом, з якого складається рослина, вуглекислий газ, або входити до складу інших молекул. Деякі частини наукового комплексу тепер відкриті для екскурсій.

Список використаних джерел

Архив сайта "Известия науки" за 10 сентября 2004 года, http://inauka.ru/10-09-04/

Биосферцы испытывают трудности // "Природа", 1993. №7. С.117;

"Биосферу-2" проветрили и почистили // "Природа", 1996. №1. С.117-118;

Дом под стеклянным небом // Знание--сила : Новости науки http://znanie-sila.ru/news/issue2print_72.html, 2000

Нельсон М. и др. Биосфера-2 // "Природа", 1993. №10. С.66-79;

Последняя разработка NASA у вас дома // "Мир климата", 2003, № 2

Чашечников Д., Краснобородько В. Два года под колпаком //"Аргументы и Факты", 11 июня 1998, №24

Эксперимент "Биосфера-2" продолжается // "Природа", 1995. №1. С.119-120;