Биосфера-2

2



Министерство образования и науки Украины

НМетАУ











Реферат

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 все большим и последствия этого — все менее прогнозируемыми. Мы все чаше ощущаем это 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 Земли и связанном с этим парниковом эффекте, который может вызвать глобальное потепление и таяние арктических и антарктических льдов, повышение уровня воды в океане и затопление многих земель. Речь идет о том, как прогнозировать воздействие факторов, связанных с деятельностью человека на нашу биосферу Земли. 

Следует отметить, что сам термин “биосфера” предложил российский ученый — академик Владимир Вернадский. "Поверхность нашей планеты, ее биосфера отделяет нашу Землю от ее космического окружения… Биосфера это единственное место на Земле, где может быть найдена жизнь" писал в 1926 великий ученый, создатель учения о биосфере. Вернадский рассматривал науку в качестве средства развития человечества. Поэтому очень важно, чтобы наука не принимала форму абстрактной, имеющей свое независимое существование сущности. Мы наблюдаем, как наука все сильнее и глубже начинает изменять биосферу Земли, она меняет условия жизни, геологические процессы, энергетику планеты. Значит, и сама научная мысль является природным явлением. В переживаемый нами момент создания новой геологической силы, научной мысли, резко возрастает влияние живого вещества в эволюции биосферы. Биосфера, перерабатываясь научной мыслью Homo Sapiens, переходит в свое новое состояние – в ноосферу. 

Очень сложно прогнозировать "поведение" нашей биосферы. Ведь на ее состояние влияют очень много факторов. Из-за этого сложно проводить теоретические расчеты и строить математические модели поведения биосферы Земли, а поставить эксперимент на "натурной" модели по понятным причинам невозможно. Ведь невозможно же экспериментировать над целой планетой. Это может привести к непредсказуемым последствиям, да и технические возможности цивилизации 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 остального мира, в которой была бы своя атмосфера, своя почва, был бы свой океан, свои джунгли, свои животные, свои растения — такая своеобразная мини-модель Земли. Система, в которую поступает только солнечная энергия, точно так же как это происходит с нашей Планетой. Ведь в нашу биосферу практически ничего не поступает извне, кроме солнечного света и тепла. Построив такой мир можно было бы начать эксперименты, например, увеличив содержания углекислого газа или иного вещества, посмотреть на последствия. 

Кроме того, интересно посмотреть, как будет развиваться эта другая биосфера в будущем, если ее предоставить самой себе. 

В начале девяностых годов такая биологическая система была создана. Эту уникальную систему построили в американском штате Аризона, рядом с городом Оракл и назвали ее "BIOSPHERE-2" — Биосфера-2. Имеется в виду, что Биосфера 1 — это наша Земля. Биосфера 2 — это грандиозная и величественная конструкция из стекла и армированной стали, занимает площадь 1.27 гектара, объем атмосферы, заключенной в ней 203 760 кубических метра. Биосфера 2 включает в себя свыше 3.000 разновидностей растений и животных, семь биомов — дождевой лес, саванну, пустыню, болото, даже маленький океан с коралловым рифом, интенсивное сельское хозяйство и апартаменты для людей. Биомы разделены между собой пластмассовыми щитами. Гигантские "легкие" регулируют внутреннее давление таким образом, чтобы оно соответствовало наружному - это сводит к минимуму утечки воздуха. В результате за год происходит замена всего лишь 10 процентов атмосферы "Биосферы-2" и по этому показателю она не имеет себе равных: ее герметичность в 50 раз выше, чем у комплекса "Спейс Шаттл" НАСА.

Разработка конструкций и систем заняла около 10 лет, в течение этого времени специальные группы ученых собирали по всей Земле виды животных и растений для заселения Биосферы 2, подбирали образцы почвы, тщательно следя за тем, чтобы все там было биологически сбалансировано. Биосфера 2 достаточна велика, чтобы поддерживать всю экосистему в равновесии и в то же время достаточна 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 внутрь и ничто не уходит наружу, кроме солнечного света, электричества и информации по проводам. Даже "дно" изолировано от земли на которой она стоит специальными герметично сваренными железными листами, а для поддержания постоянного давления воздуха внутри Биосферы 2, колебания которого происходят из-за изменения температуры (днем и ночью) предусмотрены гигантские мембраны-легкие. Утечка воздуха из всей конструкции составляла не более 10% за год. 

Сложные технические устройства создают: течения в "океане", тропические дожди, морской прибой и эмитируют другие природные явления, а множество специальных датчиков постоянно определяет температуру, содержание тех или иных элементов в почве, воде и воздухе внутри Биосферы 2, записывая эти параметры для дальнейших исследований. На специальном участке интенсивного сельского хозяйства при помощи особых методов возделывались культуры, которые служили пищей для людей — ведь другой еды им взять было неоткуда. 

Раскинувшись на площади в полтора гектара эта огромная сверкающая конструкция 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 года добровольцы вошли в Биосферу 2 с целью провести в изоляции два года. 26 сентября 1993 года научный эксперимент был успешно завершен. Только одна из членов команды покидала комплекс на 5 часов — для проведения операции на пораненной 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 позволяли с оптимизмом смотреть в будущее. 

Предполагалось, что комплекс сможет функционировать автономно, так как налицо все условия нормального круговорота веществ. Солнечного света, по расчетам ученых, должно было хватить для достаточного воспроизводства кислорода растениями в результате фотосинтеза; черви и микроорганизмы призваны обеспечить переработку отходов, насекомые - оплодотворять растения и т.д. 

Важный вопрос, который изучали биосфериане — это межличностные отношения в замкнутом коллективе, и что интересно, они отмечают, что этот вопрос был решен гораздо грамотнее у российских космонавтов. Так, при полетах космонавтов за их психическим состоянием, взаимодействием между собой постоянно следит особый специалист и давал дельные советы. Этот человек имеет полномочия настаивать на изменении распорядка дня работы команды, если он считает это необходимым. Здесь было много сложностей. Впрочем, все обошлось, и после окончания эксперимента двое его участников сыграли свадьбу. BIOSPHERE-2 оказался перенаселенным. 

Через некоторое время биосферианам стало не хватать пищи, и здесь оказалось, что проблемы внутри Биосферы-2 очень напоминают земные. При создании мини-мира многие думали, что он будет совершеннее, чем наш, обычный, будет избавлен от многих экологических и социальных проблем на многие десятилетия. Однако, даже перед тем, как группа зашла туда на два года, становилось все более понятно, что у населения Биосферы-2 будет много общих проблем, что и у жителей "Биосферы 1" — Земли. Площадь участка, где возделывались культуры была относительно небольшой, а погода в Аризоне в течение 2-х лет эксперимента была рекордно дождливой и пасмурной, растениям не хватало солнечного света и вследствие этого, плохие урожаи, нехватка еды. В Биосфере-2 нельзя использовать пестициды — из-за замкнутости биологических циклов внутри, можно отравить все живое, поэтому вредители чувствовали себя вольготно, и съедали иногда значительную часть урожая. Люди для борьбы с ними разводили их естественных врагов, например насекомых, которые питаются личинками вредителей, но зачастую просто собирали их руками, совсем как у нас собирают колорадских жуков. 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 были козы, курицы, и даже поросята. Причем это были особые животные, приспособленные к суровым условиям. Например, курицы были дикой породы из Индии — они были приспособлены к жизни в тропиках (высокая температура и влажность) и могли питаться отходами. Американские куры не подошли бы, так как они не могут питаться ничем, кроме комбикромов, ведь их кормят ими уже в течение многих поколений. С маслом для жарки, заметим, были проблемы, жалко было переводить на него бобы, которые можно было съесть, так что вместо жарки стали варить, печь, или готовить на пару. 

Нехватка калорийной пищи привела к попыткам рационирования распределения продуктов питания, а вопрос о выращивании большего количества еды выходил на первый план. В Биосфере-2 для выращивания продуктов был отведен особый участок, а вся другая поверхность должна была оставаться "дикой". Сразу возникла идея вырубить часть дикой природы и использовать освободившиеся место для выращивания дополнительной пищи. Но другие считали, что дикая природа имеет собственную ценность и весь видовой состав должен быть оставлен без изменений. 

Перед биосферианами встал вопрос об уважении к другим видам живых существ. Руководители, контролировавшие экспедицию, дали ясно понять ее участникам, что если они очень голодны, все они, либо кто-то из них могут покинуть Биосферу-2 в любое время. Им не доставят пищу извне и запретили уничтожать участки дикой природы. Нехватка калорий приводила к тому, что у ученых не хватало энергии для выращивания пищи, — а ведь это тяжелый физический труд, значит, еды становилось все меньше. 

Получался замкнутый круг. Кончилось тем, что в джунглях высадили все же немного бананов и папайя. Уплотнили посадку зерновых, засадив каждый сантиметр участка, отведенного для агрокультур, а распределение еды продолжили. Вопросы перенаселенности, самоценности дикой природы, необходимость поддерживать разнообразие видов — все это передний край современных экологических исследований. 

Явления в природе также были достаточно интересны и непредвиденны. К примеру, над пустыней на стеклянной крыше Биосферы-2 по утрам конденсировалась вода, и на пустыню выпадал дождь. Его невозможно было ликвидировать, и поэтому пустыня стала не такой пустынной, как планировалось сначала — на ней стали произрастать растения. 

Предусмотрев течения в "океане", создатели Биосферы-2 не предусмотрели ветер, а он, как оказалось, очень важен для растений, под его действием качаются деревья, что укрепляет их ствол. Без ветра ствол и ветви акаций, растущих в Биосфере-2, стали хрупкими и начали обваливаться под собственной тяжестью. Почему-то развелось много муравьев — хотя никто не планировал первоначально привносить их в систему. 

Были трудности и посерьезнее: содержание кислорода за два года уменьшилось с 21% до 14%,а это значит — головные боли, низкая трудоспособность. Конечно, нельзя сказать, что обошлось без проблем — среди них проблема уменьшения содержания кислорода в атмосфере: с начального содержания в 21%, его количество за два года уменьшилось до 14%. Такое падение содержания кислорода приводило к постоянным головным болям, потере трудоспособности у участников эксперимента.

Разумеется, первый опыт — он закончился 26 сентября 1993 года — кое в чем был несовершенным. Но, несмотря на все эти трудности и неурядицы, первый эксперимент на Биосфере-2 завершился успешно: вся команда ученых и подавляющее большинство растений и животных с успехом пережило два года в изоляции. Этот эксперимент еще раз показал, что существует опасность столкнуться в будущем и в целом 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 на пользу: они ведь два года ели экологически чистую пищу, не травились ядохимикатами, не ели много жиров. После выхода из Биосферы-2 обнаружилось, что уровень холестерина в крови заметно снизился, а сами биосфериане не могли привыкнуть к обычной пище — она им казалась какой-то искусственной, безвкусной.

“Находясь в Биосфере-2, особенно ясно чувствуешь, что зависишь от окружающей природы, ведь ты особенно четко понимаешь, что дышишь кислородом, который вырабатывают растения, что если вода загрязниться, тебе нечего будет пить”, — 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 на восстановление огромного комплекса. 

Новая команда считает, что главное преимущество проекта - возможность проследить за миграцией элементов и прочими процессами в условиях автономности. Прежде всего их интересует влияние изменения содержания СО2 в атмосфере на жизнедеятельность растений. 

Поскольку наличие СО2 является основным условием для процесса фотосинтеза, ученых давно занимает вопрос, не приведет ли повышение содержания СО2 в земной атмосфере в результате парникового эффекта к усиленному росту и развитию растений. Некоторые даже предлагают искусственно повышать процент СО2, чтобы увеличить урожайность основных культур. 

В середине 1996 года ученые начали новый эксперимент, уже строго научный и "безлюдный". Они должны были выяснить: действительно ли с увеличением процентного содержания СО2 урожайность повышается и до каких пор; и что происходит с излишками СО2, где они накапливаются и возможен ли при неконтролируемом росте содержания двуокиси углерода в атмосфере некий обратный катастрофический процесс. 

Сначала новые распорядители проекта взяли в аренду на ближайшей угольной шахте несколько мощных вентиляторов и впервые за несколько лет начали интенсивную замену воздуха внутри сооружения. Как следствие, содержание СО2 резко снизилось, что повлекло за собой замедление роста многих растений, а это, в свою очередь, вызвало уменьшение производства двуокиси углерода почвенными микроорганизмами. Вывод: посадки деревьев - неоднозначное решение проблемы парникового эффекта, так как микроорганизмы при этом, возможно, будут вырабатывать большее количество двуокиси углерода.

При ответе на первый из вышеназванных вопросов директоры проекта руководствуются уже проведенными исследованиями. Так, Брюс Кимболл из Финикса (штат Аризона) наблюдал за воздействием атмосферы, искусственно обогащенной СО2 до предположительного уровня 21-го века, на посевы пшеницы и хлопчатника. 

С хлопчатником все обстояло просто - растения восприняли повышение содержания СО2, как и предсказывали специалисты, и в конце сезона принесли добавочные 40% хлопка по сравнению с контрольными растениями. Пшеница вела себя сложнее. 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 урожай лишь на 10% превосходил величину контрольного урожая. 

Кимболл полагает, что в этом, видимо, виновато изменение температуры и уровня грунтовых вод. Как повышение СО2, так и понижение зеркала грунтовых вод способствует закрытию устьиц на поверхности листьев. Вода, которую пьют растения, испаряется через эти поры, охлаждая листья. Но при частично закрытых порах происходит перегрев листьев. Кимболл предполагает, что тепло ускоряет все физиологические процессы внутри растений, приводя к их раннему вызреванию. Если это так, то глобальное потепление, в сочетании с увеличением процентного содержания СО2, вызовет еще большее сокращение вегетационного периода растений. 

Что касается второго вопроса, то так до конца и не ясно, что же происходит - повышение процентного содержания СО2 в атмосфере отстает от суммарных общемировых выбросов более чем на миллиард тонн углерода; ученые считают, что аккумулировать СО2 могут деревья, корни растений, почва... 

В общем, "Биосфере-2" предстоит решить немало задач. Сейчас идет реконструкция комплекса с разделением его на мелкие участки, которым предстоит стать ареной серьезных экспериментов, и прежде всего - по изменению процентного содержания СО2, с тщательным прослеживанием путей миграции элементов. 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 опять взят в аренду еще на 10 лет Колумбийским университетом. 


3. “Вечные аквариумы”



Наука пошла, развиваться дальше — сейчас понадобилось сконструировать миниатюрные замкнутые системы, чтобы их можно было использовать в космических аппаратах, ведь объем космического корабля сравнительно мал, а свободного пространства еще меньше. И тут на помощь пришел опыт работы в BIOSPHERE-2. 

На основе уникальных результатов, полученных в ходе экспериментов в замкнутой системе, ученые, бывшие в составе первой экспедиции, уже давно разработали миниатюрные биологические аквасистемы, размером от 10 до 30 см в диаметре, в которых абсолютно безо всякого ухода могут жить разнообразные морские и пресноводные животные и растения — креветки, улитки. Их назвали BioSphere и Beach World. 

Теперь такие замкнутые "вечные" аквариумы не редкость в американских домах, в офисах корпораций и банков, на столах руководителей. Ведь это очень необычно — это есть далеко не у всех и не все себе могут это позволить; и удобно: не нужно менять воду, чистить стекла, кормить, как это приходилось бы делать с обычным аквариумом. 

Сейчас существует два основных вида "биосфер" — BioSphere и Веаch World — пляжный или прибрежный мир. 

В BioSphere воссоздан животный и растительный мир озер Флориды, там растет большое красивое растение Hornwort, а по нему с ветки на ветку, как обезьяны 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 поступает только свет, солнечная энергия, которая и дает жизнь всем живым существам. 

В BioSphere все сбалансировано, растения производят на свету в процессе фотосинтеза кислород, которым дышат животные. Животные, в свою очередь, выдыхают углекислый газ, который нужен растениям. Так замыкается цикл кислорода. Кроме этого, в BioSphere соблюдены все остальные природные циклы азота, углерода, воды. Животные в BioSphere размножаются и живут, сменяясь поколениями. Это — "вечная" биосистема, как и наша Земля. 

Понятно, что BioSphere для процветания необходимо достаточно света, причем желательно естественного или наиболее близкого к естественному, и комнатная 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 ее флоридскими обитателями, в них живут красные морские креветки, "уроженцы" Гавайских островов. Размер креветок 1–2 см. Они ходят по белому песку, ракушкам и разноцветным камушкам, не прячутся в грунте и поэтому очень заметны. Забавно наблюдать, как креветки "пасутся", "пощипывают" друг друга и даже носят маленькие песчинки! Если их побепокоить, они теряют на время свой ярко-красный цвет и становятся незаметными. Как только они успокоятся, их покровы вновь становятся красными. Они едят микроводоросли и дышат кислородом, который вырабатывают растения. Креветки "подстригают" растения, поддерживая их здоровыми. Креветка ест не сами растения, она скорее пощипывает их , поедая микроводоросли и бактерии, 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 отдельных островах Тихого океана. Причина вымирания креветок в том, что аквариумисты выпускали аквариумных рыбок. Рыбки поедают креветок, разрушая всю экосистему Гавайских озер, и, в результате, озера вымирают. Разведение креветок для использования их в Beach World — один из немногих способов сохранения их как вида. Beach World выпускаются в виде 4 и 5 дюймовых шаров и в виде пирамиды высотой 7 дюймов. 

Заключение.



В начале 90-х годов прошлого века "Биосфера-2" мелькала на первых страницах газет в качестве эксперимента, который позволит понять работу "Биосферы-1" - то есть нашей планеты, откроет дорогу к созданию замкнутых экосистем, необходимых для полетов в космос, и поможет решить ряд других серьезных экологических проблем.

Однако, следует отметить, что первыми построили замкнутые комплексы, в которых на протяжении разного времени успешно жили люди были все же ученые СССР. Самым крупным нашим специалистом в области космической медицины и биологии, можно назвать Евгения Яковлевича Шепелева, профессора, сотрудника института медико-биологических проблем. Именно он был первым человеком на Земле, кто провел месяц в камере объемом пять кубических метров без связи с внешним миром, используя специальный биологический реактор, построенный на основе культивирования одноклеточных водорослей. 

В конце пятидесятых годов, когда стало ясно, что полет в космос человека не за горами, возник вопрос - как обустроить его жизнь в среде, абсолютно неприспособленной для этого. Уже тогда было ясно, что нужно обзаводиться системами жизнеобеспечения, способными самовоспроизводиться. Тогда и возникла мысль повторить то, что делается в природе Земли. Следовательно, зашла речь о биологических регенеративных системах. Возникла идея использовать водоросли под названием хлорелла как биологический реактор, который снабжал бы герметичное помещение достаточным количеством кислорода в результате фотосинтеза и поглощения СО2. По распоряжению Сергея Павловича Королева была создана герметичная пяти кубометровая камера для того, чтобы имитировать обстановку в "Востоке". Засадили туда меня. Иллюминатор, конечно, был, телефонная связь. К исходу первых суток стало ясно, что человек, потребляет значительно больше кислорода, чем могут вырабатывать водоросли. Углекислота росла, а кислород падал. После этого эксперимента усовершенствовали технологию и спокойно держали 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 замкнутых систем, в которых человек бы полностью обеспечивался кислородом, водой и частично пищей. Однако, возможность построения такой системы доказана.

Поэтому то, американское космическое агентство NASA проявило большой интерес к этим исследованиям, проведенным в “Биосфере-2” и к аквасистемам. Научные исследования связаны, прежде всего, с определением реакции окружающей среды на те или иные изменения в составе атмосферы, изучаются пути превращения тех или иных химических элементов внутри Биосферы-2. Ведь в ней по-прежнему поддерживается замкнутость и, например, атом углерода раз попав в нее, в ней и остается, только принимает разные «формы» — он может быть атомом, из которого состоит растение, углекислый газ, или входить в состав других молекул. Некоторые части научного комплекса теперь открыты для экскурсий. 


Список использованных источников



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;