Министерствообразования и науки Украины
НМетАУРеферат
по курсу: “Основы экологии”кафедра: “Инженерная экология и охрана труда”на тему: “Биосфера-2”
Выполнила:
студентка группы
ИСД-04
Грицан Ольга
Проверил:
ассистент Турищев В.В.
г. Днепропетровск
2004.
План.
Вступление 3
1. Необычный эксперимент американцев – “Биосфера-2” 4
2. Новая жизнь “Биосферы-2” 8
3. “Вечные аквариумы” 10
Заключение 11
Список использованных источников 13
Вступление
С каждым годом воздействие цивилизации на окружающую среду становится всебольшим и последствия этого — все менее прогнозируемыми. Мы все чаше ощущаемэто на себе, и не только в виде загрязненного воздуха, отравленных рек и почвы,сейчас ученые говорят о глобальных последствиях для всей нашей Земли.
Все чаще мы слышим о повышении уровня углекислого газа в атмосфере Землии связанном с этим парниковом эффекте, который может вызвать глобальноепотепление и таяние арктических и антарктических льдов, повышение уровня воды вокеане и затопление многих земель. Речь идет о том, как прогнозироватьвоздействие факторов, связанных с деятельностью человека на нашу биосферуЗемли.
Следует отметить, что сам термин “биосфера” предложил российский ученый —академик Владимир Вернадский. «Поверхность нашей планеты, ее биосфераотделяет нашу Землю от ее космического окружения… Биосфера это единственноеместо на Земле, где может быть найдена жизнь» писал в 1926 великий ученый,создатель учения о биосфере. Вернадский рассматривал науку в качестве средстваразвития человечества. Поэтому очень важно, чтобы наука не принимала формуабстрактной, имеющей свое независимое существование сущности. Мы наблюдаем, какнаука все сильнее и глубже начинает изменять биосферу Земли, она меняет условияжизни, геологические процессы, энергетику планеты. Значит, и сама научная мысльявляется природным явлением. В переживаемый нами момент создания новойгеологической силы, научной мысли, резко возрастает влияние живого вещества вэволюции биосферы. Биосфера, перерабатываясь научной мыслью Homo Sapiens,переходит в свое новое состояние – в ноосферу.
Очень сложно прогнозировать «поведение» нашей биосферы. Ведь наее состояние влияют очень много факторов. Из-за этого сложно проводитьтеоретические расчеты и строить математические модели поведения биосферы Земли,а поставить эксперимент на «натурной» модели по понятным причинамневозможно. Ведь невозможно же экспериментировать над целой планетой. Это можетпривести к непредсказуемым последствиям, да и технические возможностицивилизации неспособны действовать так глобально, в рамках целой планеты.
1. Необычный эксперимент американцев– “Биосфера-2”
По мнению ученых, очень важно было создать модель нашей биосферы:построить такую систему, которая была бы абсолютно изолирована от остальногомира, в которой была бы своя атмосфера, своя почва, был бы свой океан, своиджунгли, свои животные, свои растения — такая своеобразная мини-модель Земли.Система, в которую поступает только солнечная энергия, точно так же как это происходитс нашей Планетой. Ведь в нашу биосферу практически ничего не поступает извне,кроме солнечного света и тепла. Построив такой мир можно было бы начатьэксперименты, например, увеличив содержания углекислого газа или иноговещества, посмотреть на последствия.
Кроме того, интересно посмотреть, как будет развиваться эта другаябиосфера в будущем, если ее предоставить самой себе.
В начале девяностых годов такая биологическая система была создана. Этууникальную систему построили в американском штате Аризона, рядом с городомОракл и назвали ее «BIOSPHERE-2» — Биосфера-2. Имеется в виду, чтоБиосфера 1 — это наша Земля. Биосфера 2 — это грандиозная и величественнаяконструкция из стекла и армированной стали, занимает площадь 1.27 гектара,объем атмосферы, заключенной в ней 203 760 кубических метра. Биосфера 2включает в себя свыше 3.000 разновидностей растений и животных, семь биомов —дождевой лес, саванну, пустыню, болото, даже маленький океан с коралловымрифом, интенсивное сельское хозяйство и апартаменты для людей. Биомы разделенымежду собой пластмассовыми щитами. Гигантские «легкие» регулируютвнутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному — этосводит к минимуму утечки воздуха. В результате за год происходит замена всеголишь 10 процентов атмосферы «Биосферы-2» и по этому показателю она неимеет себе равных: ее герметичность в 50 раз выше, чем у комплекса «СпейсШаттл» НАСА.
Разработка конструкций и систем заняла около 10 лет, в течение этоговремени специальные группы ученых собирали по всей Земле виды животных ирастений для заселения Биосферы 2, подбирали образцы почвы, тщательно следя затем, чтобы все там было биологически сбалансировано. Биосфера 2 достаточнавелика, чтобы поддерживать всю экосистему в равновесии и в то же времядостаточна мала, чтобы все процессы, происходящие в ней было легко исследовать.
А что самое интересное, Биосфера 2 была разработана специально для того,чтобы в ней могли жить люди, причем абсолютно изолированно от остального мира:ни пища, ни воздух, ни вода, ни какое-либо другое вещество не проникает внутрьи ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации попроводам. Даже «дно» изолировано от земли на которой она стоитспециальными герметично сваренными железными листами, а для поддержанияпостоянного давления воздуха внутри Биосферы 2, колебания которого происходятиз-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантскиемембраны-легкие. Утечка воздуха из всей конструкции составляла не более 10% загод.
Сложные технические устройства создают: течения в «океане»,тропические дожди, морской прибой и эмитируют другие природные явления, амножество специальных датчиков постоянно определяет температуру, содержание техили иных элементов в почве, воде и воздухе внутри Биосферы 2, записывая этипараметры для дальнейших исследований. На специальном участке интенсивногосельского хозяйства при помощи особых методов возделывались культуры, которыеслужили пищей для людей — ведь другой еды им взять было неоткуда.
Раскинувшись на площади в полтора гектара эта огромная сверкающаяконструкция в начале девяносто первого года была впервые заселена людьми — восемь человек (четыре женщины и четверо мужчин) пробыли в ней около двух лет,поддерживая связь с внешним миром только через компьютер. 26 сентября 1991 годадобровольцы вошли в Биосферу 2 с целью провести в изоляции два года. 26сентября 1993 года научный эксперимент был успешно завершен. Только одна изчленов команды покидала комплекс на 5 часов — для проведения операции напораненной руке, после того как она повредила палец.
Сначала все шло хорошо — козье молоко, яйца, курятина, рыба, креветки,козлятина, свинина, куры, а также сорок шесть видов растительной пищи позволялис оптимизмом смотреть в будущее.
Предполагалось, что комплекс сможет функционировать автономно, так какналицо все условия нормального круговорота веществ. Солнечного света, порасчетам ученых, должно было хватить для достаточного воспроизводства кислородарастениями в результате фотосинтеза; черви и микроорганизмы призваны обеспечитьпереработку отходов, насекомые — оплодотворять растения и т.д.
Важный вопрос, который изучали биосфериане — это межличностные отношенияв замкнутом коллективе, и что интересно, они отмечают, что этот вопрос былрешен гораздо грамотнее у российских космонавтов. Так, при полетах космонавтовза их психическим состоянием, взаимодействием между собой постоянно следитособый специалист и давал дельные советы. Этот человек имеет полномочиянастаивать на изменении распорядка дня работы команды, если он считает этонеобходимым. Здесь было много сложностей. Впрочем, все обошлось, и послеокончания эксперимента двое его участников сыграли свадьбу. BIOSPHERE-2оказался перенаселенным.
Через некоторое время биосферианам стало не хватать пищи, и здесьоказалось, что проблемы внутри Биосферы-2 очень напоминают земные. При созданиимини-мира многие думали, что он будет совершеннее, чем наш, обычный, будетизбавлен от многих экологических и социальных проблем на многие десятилетия.Однако, даже перед тем, как группа зашла туда на два года, становилось всеболее понятно, что у населения Биосферы-2 будет много общих проблем, что и ужителей «Биосферы 1» — Земли. Площадь участка, где возделывалиськультуры была относительно небольшой, а погода в Аризоне в течение 2-х летэксперимента была рекордно дождливой и пасмурной, растениям не хваталосолнечного света и вследствие этого, плохие урожаи, нехватка еды. В Биосфере-2нельзя использовать пестициды — из-за замкнутости биологических циклов внутри,можно отравить все живое, поэтому вредители чувствовали себя вольготно, исъедали иногда значительную часть урожая. Люди для борьбы с ними разводили ихестественных врагов, например насекомых, которые питаются личинками вредителей,но зачастую просто собирали их руками, совсем как у нас собирают колорадскихжуков. А для очистки воды в Биосфере-2 выращивали водные гиацинты. Эти цветы вбирают в себя загрязнения из воды.
Помимо земледелия, жители Биосферы-2 занимались скотоводством. У них быликозы, курицы, и даже поросята. Причем это были особые животные, приспособленныек суровым условиям. Например, курицы были дикой породы из Индии — они былиприспособлены к жизни в тропиках (высокая температура и влажность) и моглипитаться отходами. Американские куры не подошли бы, так как они не могутпитаться ничем, кроме комбикромов, ведь их кормят ими уже в течение многихпоколений. С маслом для жарки, заметим, были проблемы, жалко было переводить нанего бобы, которые можно было съесть, так что вместо жарки стали варить, печь,или готовить на пару.
Нехватка калорийной пищи привела к попыткам рационирования распределенияпродуктов питания, а вопрос о выращивании большего количества еды выходил напервый план. В Биосфере-2 для выращивания продуктов был отведен особый участок,а вся другая поверхность должна была оставаться «дикой». Сразувозникла идея вырубить часть дикой природы и использовать освободившиеся местодля выращивания дополнительной пищи. Но другие считали, что дикая природа имеетсобственную ценность и весь видовой состав должен быть оставлен без изменений.
Перед биосферианами встал вопрос об уважении к другим видам живыхсуществ. Руководители, контролировавшие экспедицию, дали ясно понять ееучастникам, что если они очень голодны, все они, либо кто-то из них могутпокинуть Биосферу-2 в любое время. Им не доставят пищу извне и запретилиуничтожать участки дикой природы. Нехватка калорий приводила к тому, что уученых не хватало энергии для выращивания пищи, — а ведь это тяжелый физическийтруд, значит, еды становилось все меньше.
Получался замкнутый круг. Кончилось тем, что в джунглях высадили все женемного бананов и папайя. Уплотнили посадку зерновых, засадив каждый сантиметручастка, отведенного для агрокультур, а распределение еды продолжили. Вопросы перенаселенности,самоценности дикой природы, необходимость поддерживать разнообразие видов — всеэто передний край современных экологических исследований.
Явления в природе также были достаточно интересны и непредвиденны. Кпримеру, над пустыней на стеклянной крыше Биосферы-2 по утрам конденсироваласьвода, и на пустыню выпадал дождь. Его невозможно было ликвидировать, и поэтомупустыня стала не такой пустынной, как планировалось сначала — на ней сталипроизрастать растения.
Предусмотрев течения в «океане», создатели Биосферы-2 непредусмотрели ветер, а он, как оказалось, очень важен для растений, под егодействием качаются деревья, что укрепляет их ствол. Без ветра ствол и ветвиакаций, растущих в Биосфере-2, стали хрупкими и начали обваливаться под собственнойтяжестью. Почему-то развелось много муравьев — хотя никто не планировалпервоначально привносить их в систему.
Были трудности и посерьезнее: содержание кислорода за два годауменьшилось с 21% до 14%, а это значит — головные боли, низкая трудоспособность.Конечно, нельзя сказать, что обошлось без проблем — среди них проблемауменьшения содержания кислорода в атмосфере: с начального содержания в 21%, егоколичество за два года уменьшилось до 14%. Такое падение содержания кислородаприводило к постоянным головным болям, потере трудоспособности у участниковэксперимента.
Разумеется, первый опыт — он закончился 26 сентября 1993 года — кое в чембыл несовершенным. Но, несмотря на все эти трудности и неурядицы, первыйэксперимент на Биосфере-2 завершился успешно: вся команда ученых и подавляющеебольшинство растений и животных с успехом пережило два года в изоляции. Этотэксперимент еще раз показал, что существует опасность столкнуться в будущем и вцелом на Земле с такими проблемами как перенаселенность, нехватка пищи,уменьшение содержания кислорода в атмосфере и т.д.
Но как, ни странно, жизнь в изоляции от остального мира пошла людям напользу: они ведь два года ели экологически чистую пищу, не травилисьядохимикатами, не ели много жиров. После выхода из Биосферы-2 обнаружилось, чтоуровень холестерина в крови заметно снизился, а сами биосфериане не моглипривыкнуть к обычной пище — она им казалась какой-то искусственной, безвкусной.
“Находясь в Биосфере-2, особенно ясно чувствуешь, что зависишь отокружающей природы, ведь ты особенно четко понимаешь, что дышишь кислородом,который вырабатывают растения, что если вода загрязниться, тебе нечего будетпить”, — говорит одна из участниц эксперимента.
2. Новая жизнь “Биосферы-2”
Сегодня BIOSРHERE-2 является подразделением Колумбийского университета.Там сейчас нет постоянных жителей, но научные исследования продолжаются.
Два года внутри «Биосферы-2» находились люди. Три года ушли навосстановление огромного комплекса.
Новая команда считает, что главное преимущество проекта — возможностьпроследить за миграцией элементов и прочими процессами в условиях автономности.Прежде всего их интересует влияние изменения содержания СО2 в атмосфере нажизнедеятельность растений.
Поскольку наличие СО2 является основным условием для процессафотосинтеза, ученых давно занимает вопрос, не приведет ли повышение содержанияСО2 в земной атмосфере в результате парникового эффекта к усиленному росту иразвитию растений. Некоторые даже предлагают искусственно повышать процент СО2,чтобы увеличить урожайность основных культур.
В середине 1996 года ученые начали новый эксперимент, уже строго научныйи «безлюдный». Они должны были выяснить: действительно ли сувеличением процентного содержания СО2 урожайность повышается и до каких пор; ичто происходит с излишками СО2, где они накапливаются и возможен ли принеконтролируемом росте содержания двуокиси углерода в атмосфере некий обратныйкатастрофический процесс.
Сначала новые распорядители проекта взяли в аренду на ближайшей угольнойшахте несколько мощных вентиляторов и впервые за несколько лет началиинтенсивную замену воздуха внутри сооружения. Как следствие, содержание СО2резко снизилось, что повлекло за собой замедление роста многих растений, а это,в свою очередь, вызвало уменьшение производства двуокиси углерода почвеннымимикроорганизмами. Вывод: посадки деревьев — неоднозначное решение проблемыпарникового эффекта, так как микроорганизмы при этом, возможно, будутвырабатывать большее количество двуокиси углерода.
При ответе на первый из вышеназванных вопросов директоры проектаруководствуются уже проведенными исследованиями. Так, Брюс Кимболл из Финикса(штат Аризона) наблюдал за воздействием атмосферы, искусственно обогащенной СО2до предположительного уровня 21-го века, на посевы пшеницы и хлопчатника.
С хлопчатником все обстояло просто — растения восприняли повышениесодержания СО2, как и предсказывали специалисты, и в конце сезона принеслидобавочные 40% хлопка по сравнению с контрольными растениями. Пшеница вела себясложнее. В середине вегетационного периода опытные растения получали на 20%больше СО2, чем контрольные, и росли быстрее. Но созревание также ускорилось,что уменьшило продолжительность вегетационного периода, и полученный урожайлишь на 10% превосходил величину контрольного урожая.
Кимболл полагает, что в этом, видимо, виновато изменение температуры иуровня грунтовых вод. Как повышение СО2, так и понижение зеркала грунтовых водспособствует закрытию устьиц на поверхности листьев. Вода, которую пьютрастения, испаряется через эти поры, охлаждая листья. Но при частично закрытыхпорах происходит перегрев листьев. Кимболл предполагает, что тепло ускоряет всефизиологические процессы внутри растений, приводя к их раннему вызреванию. Еслиэто так, то глобальное потепление, в сочетании с увеличением процентногосодержания СО2, вызовет еще большее сокращение вегетационного периода растений.
Что касается второго вопроса, то так до конца и не ясно, что жепроисходит — повышение процентного содержания СО2 в атмосфере отстает отсуммарных общемировых выбросов более чем на миллиард тонн углерода; ученыесчитают, что аккумулировать СО2 могут деревья, корни растений, почва…
В общем, «Биосфере-2» предстоит решить немало задач. Сейчасидет реконструкция комплекса с разделением его на мелкие участки, которымпредстоит стать ареной серьезных экспериментов, и прежде всего — по изменениюпроцентного содержания СО2, с тщательным прослеживанием путей миграцииэлементов. Возможно, для обывателя проект потерял значительную долю былой привлекательности,но в научных — а может, и в деловых — кругах позиции «Биосферы-2»укрепились. В конце 1999 года учеными комплекс «Биосфера-2» был опятьвзят в аренду еще на 10 лет Колумбийским университетом.
3. “Вечные аквариумы”
Наука пошла, развиваться дальше — сейчас понадобилось сконструироватьминиатюрные замкнутые системы, чтобы их можно было использовать в космическихаппаратах, ведь объем космического корабля сравнительно мал, а свободногопространства еще меньше. И тут на помощь пришел опыт работы в BIOSPHERE-2.
На основе уникальных результатов, полученных в ходе экспериментов взамкнутой системе, ученые, бывшие в составе первой экспедиции, уже давноразработали миниатюрные биологические аквасистемы, размером от 10 до 30 см вдиаметре, в которых абсолютно безо всякого ухода могут жить разнообразныеморские и пресноводные животные и растения — креветки, улитки. Их назвалиBioSphere и Beach World.
Теперь такие замкнутые «вечные» аквариумы не редкость вамериканских домах, в офисах корпораций и банков, на столах руководителей. Ведьэто очень необычно — это есть далеко не у всех и не все себе могут этопозволить; и удобно: не нужно менять воду, чистить стекла, кормить, как этоприходилось бы делать с обычным аквариумом.
Сейчас существует два основных вида «биосфер» — BioSphere иВеаch World — пляжный или прибрежный мир.
В BioSphere воссоздан животный и растительный мир озер Флориды, тамрастет большое красивое растение Hornwort, а по нему с ветки на ветку, какобезьяны в лесу «прыгают» маленькие рачки «гаммарусы».Кроме того, там еще живут улитки трех видов, дафнии, циклопы, остракоды.Принцип работы BioSphere такой же, как и у биосферы Земли: извне поступаеттолько свет, солнечная энергия, которая и дает жизнь всем живым существам.
В BioSphere все сбалансировано, растения производят на свету в процессефотосинтеза кислород, которым дышат животные. Животные, в свою очередь,выдыхают углекислый газ, который нужен растениям. Так замыкается циклкислорода. Кроме этого, в BioSphere соблюдены все остальные природные циклыазота, углерода, воды. Животные в BioSphere размножаются и живут, сменяясьпоколениями. Это — «вечная» биосистема, как и наша Земля.
Понятно, что BioSphere для процветания необходимо достаточно света,причем желательно естественного или наиболее близкого к естественному, икомнатная температура. А на тот случай, если в помещении недостаточно светло,рекомендуется использовать специальные светильники с соответствующими лампами.Кстати, при таком освещении BioSphere смотрятся наиболее эффектно.
Еще одно изобретение — это Beach world. В отличие от BioSphere, с еефлоридскими обитателями, в них живут красные морские креветки,«уроженцы» Гавайских островов. Размер креветок 1–2 см. Они ходят побелому песку, ракушкам и разноцветным камушкам, не прячутся в грунте и поэтомуочень заметны. Забавно наблюдать, как креветки «пасутся»,«пощипывают» друг друга и даже носят маленькие песчинки! Если ихпобепокоить, они теряют на время свой ярко-красный цвет и становятсянезаметными. Как только они успокоятся, их покровы вновь становятся красными.Они едят микроводоросли и дышат кислородом, который вырабатывают растения.Креветки «подстригают» растения, поддерживая их здоровыми. Креветкаест не сами растения, она скорее пощипывает их, поедая микроводоросли ибактерии, которые растут на них. Они буквально являются садовниками тех мест,где живут.
Прибрежные животные, находящиеся в опасности.
Эти креветки — исчезающий вид, в природе они живут только на отдельныхостровах Тихого океана. Причина вымирания креветок в том, что аквариумистывыпускали аквариумных рыбок. Рыбки поедают креветок, разрушая всю экосистемуГавайских озер, и, в результате, озера вымирают. Разведение креветок дляиспользования их в Beach World — один из немногих способов сохранения их каквида. Beach World выпускаются в виде 4 и 5 дюймовых шаров и в виде пирамидывысотой 7 дюймов.
Заключение.
В начале 90-х годов прошлого века «Биосфера-2» мелькала напервых страницах газет в качестве эксперимента, который позволит понять работу«Биосферы-1» — то есть нашей планеты, откроет дорогу к созданиюзамкнутых экосистем, необходимых для полетов в космос, и поможет решить ряддругих серьезных экологических проблем.
Однако, следует отметить, что первыми построили замкнутые комплексы, вкоторых на протяжении разного времени успешно жили люди были все же ученыеСССР. Самым крупным нашим специалистом в области космической медицины ибиологии, можно назвать Евгения Яковлевича Шепелева, профессора, сотрудникаинститута медико-биологических проблем. Именно он был первым человеком наЗемле, кто провел месяц в камере объемом пять кубических метров без связи свнешним миром, используя специальный биологический реактор, построенный наоснове культивирования одноклеточных водорослей.
В конце пятидесятых годов, когда стало ясно, что полет в космос человекане за горами, возник вопрос — как обустроить его жизнь в среде, абсолютнонеприспособленной для этого. Уже тогда было ясно, что нужно обзаводитьсясистемами жизнеобеспечения, способными самовоспроизводиться. Тогда и возникламысль повторить то, что делается в природе Земли. Следовательно, зашла речь обиологических регенеративных системах. Возникла идея использовать водоросли подназванием хлорелла как биологический реактор, который снабжал бы герметичноепомещение достаточным количеством кислорода в результате фотосинтеза ипоглощения СО2. По распоряжению Сергея Павловича Королева была созданагерметичная пяти кубометровая камера для того, чтобы имитировать обстановку в«Востоке». Засадили туда меня. Иллюминатор, конечно, был, телефоннаясвязь. К исходу первых суток стало ясно, что человек, потребляет значительнобольше кислорода, чем могут вырабатывать водоросли. Углекислота росла, акислород падал. После этого эксперимента усовершенствовали технологию и спокойнодержали в этой камере человека на протяжении месяца. После этого эксперимента,были проведены и другие испытания системы жизнеобеспечения человека.
На сегодня, нигде в мире не существует надежно работающих замкнутыхсистем, в которых человек бы полностью обеспечивался кислородом, водой ичастично пищей. Однако, возможность построения такой системы доказана.
Поэтому то, американское космическое агентство NASA проявило большойинтерес к этим исследованиям, проведенным в “Биосфере-2” и к аквасистемам.Научные исследования связаны, прежде всего, с определением реакции окружающейсреды на те или иные изменения в составе атмосферы, изучаются пути превращениятех или иных химических элементов внутри Биосферы-2. Ведь в ней по-прежнемуподдерживается замкнутость и, например, атом углерода раз попав в нее, в ней иостается, только принимает разные «формы» — он может быть атомом, из которогосостоит растение, углекислый газ, или входить в состав других молекул.Некоторые части научного комплекса теперь открыты для экскурсий.
Список использованных источников
1. Архив сайта«Известия науки» за 10 сентября 2004 года, inauka.ru/10-09-04/
2. Биосферцыиспытывают трудности // «Природа», 1993. №7. С.117;
3. “Биосферу-2”проветрили и почистили // «Природа», 1996. №1. С.117-118;
4. Дом подстеклянным небом // Знание—сила: Новости науки znanie-sila.ru/news/issue2print_72.html,2000
5. Нельсон М. и др.Биосфера-2 // «Природа», 1993. №10. С.66-79;
6. Последняяразработка NASA у вас дома // «Мир климата», 2003, № 2
7. ЧашечниковД., Краснобородько В. Два года под колпаком //«Аргументы и Факты», 11июня 1998, №24
8. Эксперимент“Биосфера-2” продолжается // «Природа», 1995. №1. С.119-120;