Эксперимент «Биосфера-2»

В 1984 году американская фирма «Space Biosphere Ventures» в штате Аризона приступила к реализации проекта «Биосфера - 2». Цель проекта — создать на площади в несколько гектаров замкнутую информационно-экологическую систему с регенерацией отходов, а также выяснить смогут ли человек и другие живые существа существовать (а человек ещё и работать) в замкнутой среде [2]. В отдалённом будущем такие системы могут быть полезны и как автономные поселения в космосе, и в случае крайнего ухудшения условий жизни на Земле.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 4
1 Проект «Биосфера -2» 4
1.1 Конструкция 4
1.2 Команда учёных 6
1.3 Цели проекта 8
2 Ход эксперимента 9
2.1 Первый этап 9
2.2 Второй этап 12
2.3 Проблемы и результаты эксперимента 14
3 Эксперименты по подобию «Биосферы-2» 16
3.1 БИОС-3 16
3.2 Ecosphere 16
3.3 Марс-500 17
3.4 BioSphere и Beach World 17
4 Судьба «Биосферы-2» 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 23

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Проект «Биосфера-2»
В пустыне Сонора (штат Аризона, США) на площади в 1,2 га было сооружена сеть герметичных купольных зданий, изолированных от окружающей среды Земли. Комплекс был поделен на 7 моделей экосистем: 1) тропический лес с более чем 90 видами тропических деревьев; 2) океан объемом 2600 м3; 3) побережье площадью 1400 м2; 4) пастбища тропической саванны; 5) лесные болота с преобладанием мангровых деревьев; 6) пустынные холмы с травянистой и кустарниковой растительностью; 7) Биосфера 2, т.е. кампус и связанные с ним сооружения служат моделью города площадью 162 000 м2 [2].
Фауна лаборатории включала в себя более трех тысяч разных представителей, среди которых: козы, куры, свиньи и рыбы. Флора (около 4 тыс. видов) — деревья, травы и кустарники могли приносить 46 разновидностей растительной пищи.
...

1.1 Конструкция
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 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[5].
Инициатором этого широкомасштабного эксперимента стал коллектив Колумбийского университета (штат Нью-Йорк), а исполнителем стала американская фирма «Space Biospheres Ventures» (первоначально проект финансировал техасский мультимиллионер Э. Басс, выделивший 30 миллионов долларов) – принимали участие инженеры, архитекторы, биологи, гидробиологи, ботаники, бактериологи и представители еще очень многих наук и профессий [6].
...

1.2 Команда учёных
На рисунке 2 представлена команда ученых:
Рисунок 2 – Команда учёных «Биосферы-2»
- Салли Сильверстоун, 36 лет. Капитан колонии. Специалист по сельскому хозяйству;
- Марк Нельсон, 44 года. Специалист по ирригационным и ассенизационным системы;
- Джейн Пойнтер, 29 лет. Руководила фермой, обеспечивала продовольствием;
- Марк Ван Тилло, 30 лет. Профессиональный механик.
- Табер Маккаллум, 27 лет. Технический ассистент;
- Абигэйль Айлинг, 31 год. Океанолог, специалист по рыбному хозяйству;
- Линда Лей, 39 лет. Ботаник, специалист по сельскохозяйственным культурам;
- Рой Уолфорд, 67 лет. Врач.
Одной из целей «Биосферы-2» было исследовать развитие взаимоотношений людей в пределах замкнутого пространства. Этот эксперимент дал неожиданные результаты, т.к. предполагалось, что в условиях «рая» отношения будут складываться идеально на основе взаимопонимания, однако проблемы с недостатком кислорода и пищи стали причиной ссор и разногласий между членами команды [9].
...

1.3 Цели проекта
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 и 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 биосфера в будущем, если ее предоставить самой себе.
«Биосфера-2» должна была автономно просуществовать два года, питаясь тем, что росло под куполом, дыша кислородом, который выделяли растения, очищая и бесконечно используя одну и ту же воду.
...

2.1 Первый этап
В лабораторию были помещены восемь человек (четыре женщины и четверо мужчин) и 3000 видов растений и животных. Внутри лаборатории росли деревья, травы и кустарники, дававшие 46 видов растительной пищи, а также были пастбища коз, свинарники и курятники, в искусственных водоёмах размножались рыбы и креветки. Участники эксперимента пробыли в «Биосфере-2» около двух лет, обмениваясь информацией с внешним миром только через компьютер.
Предполагалось, что комплекс будет функционировать автономно, так как были созданы все условия для нормального круговорота веществ. Солнечного света, по расчётам учёных, должно было хватить для достаточного воспроизводства кислорода растениями посредством фотосинтеза, черви и микроорганизмы должны были обеспечить переработку отходов, насекомые — опылять растения и т. д.
Поначалу все было именно так, как они мечтали.
...

2.3 Проблемы и результаты эксперимента
Одной из самых острых проблем стала проблема недостатка кислорода, которая возникла из-за просчёта инженеров в размерах куполов и не только. Когда ученые внимательно осмотрели плачевное состояние разоренных куполов, они пришли к выводу, что роковую роль сыграли цементные перекрытия. Кислород вступал в реакцию с цементом и оседал в виде окислов на стенах. Еще одним активным потребителем кислорода оказались бактерии в почве. Для «Биосферы» выбрали самый плодородный чернозем, чтобы естественных микроэлементов в нем хватило на долгие годы, однако в такой земле было очень много микроорганизмов, которые точно так же дышат кислородом, как и позвоночные животные. Научные журналы признали эти открытия главными и единственными достижениями «Биосферы».
Более того, в лаборатории расплодилось огромное количество микробов и насекомых, особенно тараканов и муравьёв, из-за благоприятных внешних условий.
...

3 Эксперименты по подобию «Биосферы-2»
Наука в наше время не стоит на месте, поэтому 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 «Биосфере-2».
Серьезные эксперименты по организации автономных экосистем начались в 70-х годах XX века. После высадки экипажа Аполлон-11 на Луну стало понятно, что перспективы космической колонизации реальны, а опыт создания живых замкнутых пространств стал необходим для потенциальных длительных перелетов и построения инопланетных баз.
3.1 БИОС-3
Первым за проблему взялся СССР. В 1972 году в подвале красноярского Института биофизики профессор Борис Ковров построил первую функционирующую замкнутую экосистему БИОС-3.
...

3.2 Ecosphere
Во время завершения эксперимента «Биосеры-2» в NASA разработало менее экстравагантный, но более успешный проект [15]. Космическое агентство придумало экосистему, которая, в отличие от всех предыдущих, принесла своим создателям вполне внушительный коммерческий доход. Это была Ecosphere — герметичный стеклянный шар-аквариум, диаметром 10-20 сантиметров, где находилось несколько креветок Halocaridina rubra, кусочек коралла, немного зеленых водорослей, бактерии, расщепляющие продукты жизнедеятельности креветок, песок, морская вода и прослойка воздуха. По уверениям производителей весь этот мир был абсолютно автономным: он нуждался только в солнечном свете и поддержании регулярной температуры — и тогда мог просуществовать «вечность». Креветки размножались и умирали, не выходя, однако, за рамки разумного числа, которое могли обеспечить существующие ресурсы. Ecosphere сразу приобрела невероятную популярность.
...

3.3 Марс-500
Успешными примерами создания замкнутых систем также можно считать МКС, медико-технический комплекс «Марс-500» РАН и несколько других подобных проектов. Однако их сложно назвать «биосферой». Вся пища космонавтов доставляется с Земли, а в главных системах жизнеобеспечения никак не участвуют растения. Регенерация кислорода на МКС происходит с использованием постоянно пополняемых с Земли запасов воды. «Марс-500» также забирает воду и частично воздух извне. Впрочем, для регенерации кислорода и восстановления запасов воды можно использовать реакцию Сабатье. Потребуется только небольшое количество водорода извне, а этот газ является наиболее распространенным не только на Земле, но и в космосе. Так что, например, деревья на гипотетических инопланетных станциях совсем не нужны. Но если бы для успешного функционирования нам хватало ежедневного поступления четкой суммы питательных веществ и кислорода все было бы слишком просто.

3.4 BioSphere и Beach World
На основе уникальных результатов, полученных в ходе экспериментов в замкнутой системе, ученые, бывшие в составе первой экспедиции «Биосферы-2», 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 [16].
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.
...

4 Судьба «Биосферы-2»
В январе 2001 года у этого долгого эксперимента как бы открылось второе дыхание. Министр энергетики США подписал с Колумбийским университетом соглашение об использовании строений «Биосферы-2» для нужд его ведомства. Было решено в течение двух лет выделить 700 тысяч долларов на то, чтобы приспособить сооружение для изучения реакций экологической системы на глобальные и региональные климатические изменения. В настоящее время там проводятся небольшие эксперименты и экскурсии [18].
Так началась вторая жизнь этого замечательного проекта. Дальние прицелы? Когда этот проект только замышлялся, Национальная комиссия США по космосу считала возможной создать в 2017 году поселения на Луне, а к 2027 году − на Марсе. Тогда подсчитали, что потребуется не менее трех лет жизни в условиях, подобных тем, что были организованы в «Биосфере-2», чтобы проделать путь к красной планете и вернуться обратно.
...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С каждым годом влияние цивилизации на окружающую среду становится все крупным и следствием данного - все наименее прогнозируемыми. Все мы чаше ощущаем это на себе, и не только лишь в виде загрязненного воздуха, отравленных рек и земли, сегодня исследователи утверждают о обширных 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 таяние и потепление арктических и антарктических льдов, увеличение уровня воды в океане и затопление массы земель. Речь ведется о том, как прогнозировать влияние факторов, соединенных с деятельностью человека на нашу биосферу Земли.
Ученые-экспериментаторы решили построить такую ​​систему, которая была бы совершенно изолирована от остального мира, своеобразную мини-модель Земли. Система, в которую поступает лишь солнечная энергия, строго так же как это случается в нашей Планете.
...

1. Еремченко, О.З. Учение о биосфере: учеб. пособие для вузов / О.З. Еремченко.- 2-е изд., стер.- М.: Academia, 2006.- 240с.;
2. Our Mission. Biosphere 2 – URL: https://biosphere2.org/research/our-mission (дата обращения 17.11.2020 г.);
3. Нельсон, М., Аллен Дж. П. Using a Closed Ecological System to Study Earth's Biosphere / М. Нельсон, Дж. П. Аллен // «BioScience». - 1993. - № 4. - С.225-235;
4. Нельсон, М., Аллен, Дж. П. Biosphere 2: A prototype project for a permanent and evolving life system for Mars base / М. Нельсон, Дж. П. Аллен // «Advances in Space Research». – 1992. - №5 – С.211-217;
5. Демпстер, У., Аллен, Дж. П. Achieving Closure for Bioregenerative Life Support Systems: Engineering and Ecological Challenges, Research Opportunities / У. Демпстер, Дж. П. Аллен - URL: https://www.researchgate.net/publication/252071985_Achieving_Closure_for_Bioregenerative_Life_Support_Systems_Engineering_and_Ecological_Challenges_Research_Opportunities (дата обращения 17.11.2020 г.);
6. Биосферианцы испытывают трудности // «Природа», 1993. №7. С.117;
7. Демпстер, У., Аллен, Дж. П. Achieving Closure for Bioregenerative Life Support Systems: Engineering and Ecological Challenges, Research Opportunities / У. Демпстер, Дж. П. Аллен - URL: https://www.researchgate.net/publication/252071985_Achieving_Closure_for_Bioregenerative_Life_Support_Systems_Engineering_and_Ecological_Challenges_Research_Opportunities (дата обращение 17.11.2020 г.);
8. Нельсон, М., Тилло, В. М. Bioregenerative recycling of wastewater in Biosphere 2 using a constructed wetland / М. Нельсон, В. М. Тилло // «Ecological Engineering». – 1999. - №13. – С. 189-197;
9. Нельсон, М., Грей, К., Аллен, Дж. П. Group dynamics challenges: Insights from Biosphere 2 experiments / М. Нельсон, К. Грей, Дж. П. Аллен // «Life Sciences in Space Research». – 2015. - №6 – С.79-86;
10. Нельсон, М., Демпстер, У., Аллен, Дж. П. Carbon dioxide fixation and respiration relationships observed during closure experiments in Biosphere 2 / М. Нельсон, У. Демпстер, Дж. П. Аллен - URL: https://www.researchgate.net/publication/241383398_Carbon_dioxide_fixation_and_respiration_relationships_observed_during_closure_experiments_in_Biosphere_2 (дата обращение 17.11.2020 г.);
11. Демпстер, У., Тилло, В. М, Аллинг, Аб., Аллен, Дж. П. Technical review of the Laboratory Biosphere closed ecological system facility / У. Демпстер, В. М. Тилло, Аб. Аллинг, Дж. П. Аллен // «Advances in Space Research». – 2004. - №7. – С. 77-82;
12. Walford, R. L. The 120-year diet : how to double your vital years / R. L. Walford – М.: New York : Simon and Schuster, 1986 г. – С.157;
13. Нельсон, М., Демпстер, В. М., Аллен, Дж. П. Biosphere 2: A prototype project for a permanent and evolving life system for Mars base / М. Нельсон, В. М. Демпстер, Дж. П. Аллен // «Advances in Space Research». – 2008. - №41 – С.787-797;
14. “Биосферу-2” проветрили и почистили // «Природа». - 1996. - №1. -С.117-118;
15. Последняя разработка NASA у вас дома // "Мир климата". – 2003. - № 2. - С. 34-42;
16. Эксперимент “Биосфера-2” продолжается // «Природа». - 1995. -№1. - С.119-120;
17. Необыкновенный опыт американцев- Биосфера-2 // Общество и экология. – 11 июля 2012. URL: http://www.ethno-fest.ru/neobyknovennyi_opyt_amerikancev_biosfera_2.html (дата обращения: 03.09.2020);
18. Судьба «Биосферы-2» // Технологии- URL: http://www.priroda.su/item/1281 (дата обращения: 03.09.2020);
19. Бородина, В. Лаборатория «Биосфера-2» - замкнутая экологическая система// Новости в мире - URL: http://becti.net/world/59518-laboratorija-biosfera-2-zamknutaja.html (дата обращения: 03.09.2020).