CC BY
52-----
: ?
УДК 574.44
Трофические цепи и биологические ритмы как основа создания биосферы ЭкоКосмоДома
ЮНИЦКИЙ А.Э. (г. Минск), СИНЧУК О.В. (г. Брест)
кк
Рассмотрены концептуальные аспекты создания ЭкоКосмоДома (ЭКД) с точки зрения изучения трофических отношений и биологических ритмов. Приводится авторская схема построения многоуровневой модели на основе трофических сетей с определённым набором взаимосвязей (постоянных, временных, случайных и гипотетически возможных). Модель позволяет систематизировать все биологические организмы и служит основой для понимания энергетического баланса в среде, с разбором отдельных моментов биоритмологии и с указанием оптимальных абиотических условий, количества особей и т. п. Предлагаемая модель позволяет не только осуществлять регуляцию, но и определять пути решения проблем возможной гибели отдельных видов организмов, регулировать нарушения биосферного гомеостаза.
Ключевые слова:
трофические циклы, трофические сети, биоритмология живых организмов, трансформация и развитие экосистемы, искусственные экосистемы, биоразнообразие, многоуровневая динамичная сетевая модель регулирования гомеостаза искусственной биосферы, ЭкоКосмоДом (ЭКД).
^^иосфера ЭкоКосмоДома (ЭКД) определяется как замкнутый объём, включающий в себя множество сообществ живых организмов, способных к самовоспроизведению и полноценному существованию под влиянием комплекса абиотических факторов на протяжении неограниченного времени. С одной стороны, это искусственная экосистема, так как она будет создана инженером, с другой - естественная, так как все живые организмы будут доставлены с планеты Земля без каких-либо изменений (в том числе генной модификации) - из земной биосферы, насчитывающей миллиарды лет эволюции. Поскольку в ЭКД не может быть воссоздана вся биосфера, а лишь её упрощённая, локальная модель, то только в этом смысле она будет искусственной. При этом замкнутая локальная экосистема - достаточно узкое понятие, включающее отдельные биосистемы, состоящие из сообществ живых организмов из различных сред обитания и их систем сложившихся трофических связей, осуществляющих обмен веществом, энергией и информацией между ними.
Проектирование замкнутых искусственных экосистем -одна из актуальнейших проблем человечества. В первую очередь она продиктована космической эрой [1,2,3], во вторую - необходимостью понимания целого ряда биологических процессов, которые позволили бы не только моделировать полноценные биосферы, но и давали бы возможность осуществлять восстановление и развитие экосистем [4].
В связи с вышеуказанным целью данной работы является построение модели регулирования гомеостаза локальной биосферы ЭкоКосмоДома на основе трофических связей и биологических ритмов.
Наиболее известные крупномасштабные проекты в данной сфере - проекты БИОС-3 [5,6] и «Биосфера-2» [7,8]. В результате их реализации получен колоссальный опыт, анализ которого указывает на целый ряд вопросов и проблем по регулированию существования биологических организмов в замкнутой локальной биосфере. При этом подобный опыт стал основой для моделирования небольших искусственных экосистем (например, EcoSphere Closed Ecosystems, замкнутые экосистемы «АкваМир», «вечный террариум» и т. п.), проявляющих свою жизнеспособность около 2-15 лет (научных опытов на этот счёт почти нет).
Удачным примером случайного создания искусственной экосистемы может служить эксперимент инженера-электрика из г. Кранли (графство Суррей, Великобритания) -Д. Латимера, который в 1960 г. из любопытства посадил четыре саженца традесканции [Tradescantia] в огромный стеклянный бутыль и закрыл его. Выжило только одно растение, но оно сформировало мини-экосистему, существующую уже около 60 лет [9]. Рассматривая данную модель,
можно заключить, что вода, испаряясь с поверхности почвы и растений, конденсировалась на стенках стеклянного сосуда, тем самым осуществляя полив растения. Кислород, который вырабатывался в замкнутой системе, поглощался в процессе гниения опавших листьев. Образовавшийся углекислый газ вновь включался в процесс фотосинтеза. Таким образом, подобные небольшие экосистемы могут служить примером практического подхода к отработке механизмов подержания жизнеспособности искусственных экосистем.
Основой моделирования искусственных экосистем является установление гомеостаза на всех уровнях организации сообществ живых организмов с учётом регуляции абиотических и биотических факторов. При этом немаловажным представляется использование понятий трофических цепей и биологических ритмов. Именно от организации трофической структуры сообществ живых организмов с учётом сезонной ритмики будет зависеть стабильность соответствующих ценозов.
Сборник материалов II международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Трофическая (пищевая) цепь - перенос веществ и заключённой в них энергии от автотрофов к гетеротро-фам, что происходит в результате поедания одними организмами других [10]. Именно поэтому особое значение имеет трофическая структура в рамках ЭкоКосмоДома [4], рассматриваемая нами как цикл (рисунок 1]. Подобный подход позволяет чётко понимать роль каждого из биологических компонентов искусственной экосистемы.
Вместе с тем трофические циклы могут быть основой для построения соответствующего энергетического баланса. При переходе на каждый уровень, двигаясь от продуцентов к редуцентам, остаётся около 10 % энергии от более энергоёмкого уровня (правило Р Линдемана] [11]. Для графического отображения трофической структуры биоценоза используется модель пирамиды [12] (рисунок 2], которая может отражать число особей (пирамида чисел], количество их биомассы (пирамида биомасс] или заключённой в них энергии (пирамида энергии].
Рисунок 1 - Трофический цикл с указанием соответствующего трофического уровня: а - трофический цикл с указанием трофических уровней; б - конкретный пример трофического цикла
Перемещение питательных элементов и перераспределение энергии
А
Консументы I
Консументы I
Консументы I
Продуценты
Для полного понимания структуры взаимодействия трофических цепей предлагается использовать трофические сети (рисунок 3), которые включали бы пищевые отношения целого ряда организмов. В трофических сетях различают следующие типы связи: постоянную, временную, случайную и гипотетически возможную. Постоянная связь - взаимоотношение, возникающее с высокой частотой или постоянно (например, взаимоотношение монофагов). Временная связь - взаимоотношение, образованное при определённых условиях (например, при вспышках массового размножения). Случайная связь - очень редкие взаимоотношения, носящие случайный характер. Гипотетически возможная связь - предположительное возникновение взаимоотношения исходя из занимаемого трофического уровня, поведения и трофических предпочтений.
Постепенное разрастание сетевой модели (из-за большого числа биологических организмов, входящих в ЭКД) привело к тому, что назрела необходимость унификации и приведения к единой модели, отражающей общую структуру сообществ живых организмов. В связи с этим авторами предлагается использование многоуровневой динамичной сетевой модели регулирования гомеостаза искусственной биосферы, которая при постепенном заполнении принимала бы шарообразную форму (рисунок 4).
Для функционирования данной модели авторами введены следующие правила: каждый вид живых организмов
вносится в модель только единожды; каждый вид биологических организмов может иметь бесконечное число пищевых связей, но не менее одной; связи в модели могут быть как вертикальные, так и горизонтальные; при создании сети необходимо учитывать характер взаимосвязей биологических элементов экосистемы (постоянная, временная, случайная и гипотетически возможная): чем более широкая сеть и чем точнее указан характер взаимосвязей в многоуровневой динамичной сетевой модели регулирования гомеостаза искусственной биосферы, тем более качественный инструмент можно получить; возможен динамичный переход любого организма на любой из трофических уровней в связи с переменой трофического уровня для конкретной пищевой цепи и т. д.
Предложенная модель, основанная на трофических уровнях и связях, представляет собой базу данных о целом ряде биотических и абиотических показателей. В качестве протокола для заполнения может служить следующая схема: название живого организма, трофический(-ие) уро-вень(-ни), трофическая(-ие) связь(-и), фенология, информация об особенностях биоритмологии, объёма потребляемой пищи, газообмена, методы идентификации и возможные пути регулирования численности и др.
Подобная модель станет не только основой для понимания всей системы взаимоотношений живых организмов, но и послужит инструментом для осмысления протекания всех энергетических процессов с учётом абиотических факторов, что позволит рассчитать конкретное число
Продуценты
Консументы I
Quercus robus РЬуНопогуЛег те^ан/еИа
Дуб черешчатый Каштановая моль-пестрянка
Tilia americana Липа американская
Постоянная связь Временная связь Случайная связь Гипотетически возможная связь
ТгасЬуз тюиШз Минирующая ивовая златка
£í^cэ///pfeл^s, Мае Липовая тля
Консументы I
Mangora acatypha Пчелосос негаданный
Araniella cucurbitina Кругопряд зелёный
Parus major Большая синица
¡.аз/'из п/дег Чёрный садовый муравей
Coccinella septempunctata Семиточечная коровка
Рисунок 3 - Фрагмент трофической сети ЭКД
Сборник материалов II международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Рисунок 4- Многоуровневая динамичная сетевая модель регулирования гомеостаза искусственной биосферы
организмов в ЭКД (которое ранее исчислялось весьма условно). Гибель отдельных видов организмов, снижение или вспышка численности любого из элементов трофической сети может привести к катастрофическим последствиям, однако, имея подобную полноценную модель, можно не только осуществить регуляцию, но и определить все возможные пути решения проблемы, а значит, в кратчайшие сроки решить нарушение биосферного гомеостаза и т. п. Кроме того, в рамках данной модели планируется предусмотреть биоритмологию живых организмов. Биологические ритмы - периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов [13]. В ряде случаев биоритмология приводит к изменению характера питания живых организмов.
В связи с этим данный момент может также рассматриваться как часть предложенной модели, формирующий высокочувствительный инструмент для создания высокоэффективной замкнутой экосистемы. Описанную модель рекомендуется внедрить в виде соответствующего программного обеспечения (некоторые из элементов соответствующей модели указаны выше).
Основная проблема подобного подхода заключается в том, что при всей своей развитости исследований живых организмов научный мир ещё совсем мало понимает трофические связи и биологические ритмы отдельных организмов. К настоящему времени всё ещё происходит накопление информации по установлению равновесия в экосистемах. Кроме того, ежегодно описываются новые виды живых организмов, которые также занимают определённое место в сложившихся системах. Работа осложняется тем, что искусственно созданный некоторый набор условий приводит к тому, что ряд неосновных и/или дополнительных связей между организмами может принимать основной характер. Более того, могут возникать новые связи, что может привести к дестабилизации разработанной схемы взаимодействия живых организмов. Всё это должно быть максимально исследовано и структурировано на базе предложенной модели. В последующем именно данный подход позволит произвести не только трансформацию экосистемы, но и контролировать её развитие и улучшение.
ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ КАК ОСНОВА СОЗДАНИЯ БИОСФЕРЫ ЭК0К0СМ0Д0МА
Юницкий А.Э. (г. Минск), СинчукО.В. (г. Брест)
Рассматривая биологическую структуру ЭКД, необходимо учитывать тот факт, что живая плодородная почва является основой жизни и иммунной системой любой биосферы, в том числе локальной. Мы её берём неизменной - живую почву с планеты Земля с тысячами видов микроорганизмов, порядка триллиона особей на 1 кг почвы. Для создания ЭКД нами предполагается использование более 2500 видов растительных организмов (около 2 млн особей), свыше 4000 видов животных организмов (около 2,5 млн особей), которые составят основу существования локальной экосистемы. Вместе с тем центральное место среди них будут занимать микрофлора и микрофауна в почвенной и водной средах.
Для полноценного существования в ЭКД надлежит обеспечить порядка 1000 мг поверхности почвы из расчёта на одного человека, из них (ориентировочно): 10 % -на продуцирование кислорода (с учётом использования хлореллы), 50 % - для растительной пищи (овощи, фрукты, зелень, зерновые культуры и т. д.), 40 % - для животной пищи (мясо, молоко, сыр и т. д.). Однако при современных разработках и оптимизации процессов (природных и технологических по продуцированию кислорода, повышению плодородности почвы и т. п.) в условиях ЭКД необходимая
площадь почвы на одного человека может быть значительно снижена - в два раза и более. Для производства продуктов питания, достаточных для полноценного питания одного человека, в ЭКД стоит поддерживать следующую численность сельскохозяйственных животных (ориентировочно): 1/50 коровы, 1/20 козы, 1/10 свиньи, 1/10 овцы, 1/30 пчелиной семьи, пять перепелов, две курицы. Кроме того, оптимальная потребность во фруктах, зелени и рыбе будет обеспечена при таких удельных показателях (в пересчёте на одного человека) деревьев, кустарников, грядок, водной глади (ориентировочно): 1/2 яблони, 1/2 груши, 1/2 персика, 1/2 абрикоса, 1,2 сливы, 2 мг посадок петрушки и укропа, 10 мг микрозелени, 10 мг площади пресных водоёмов и т. д. (рисунок 5).
Таким образом, неотъемлемой частью процесса создания замкнутой локальной биосферы должен стать учёт трофических связей и биологических ритмов. Рассмотрев некоторые количественные данные по числу живых организмов в ЭкоКосмоДоме, можно прийти к выводу, что предложенная многоуровневая динамичная сетевая модель регулирования гомеостаза искусственной биосферы позволяет решать проблему структурирования и управления замкнутыми экосистемами.
1/50 коровы
1/2 яблони
1/20 козы
1/2 груши
1/10 свиньи
1/2 персика
1/10 овцы
10 мг микрозелени
1/30 пчелиной семьи
2 мг петрушки и укропа
5 перепелов
10 мг пресных вод
2 курицы
Рисунок 5 - Схема некоторых элементов питания для полноценного существования одного человека в ЭКД
Сборник материалов II международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Литература
1. Ткаченко, ЮЛ Из истории создания искусственных экосистем / Ю.Л. Ткаченко, С.Д. Морозов // Общество: философия, история, культура. - 2017. - № 6. - С. 88-92.
2. Гришин, Ю.И. Искусственные космические экосистемы/ Ю.И Гришин // Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космонавтика, астрономия». - № 7. - М.: Знание, 1989. - 64 с.
3. Anker, P. The Ecological Colonization of Space/Р. Anker// Environmental History. -2005. - Vol. 10, No. 2. -P. 239-268.
4. Юницкий, A3. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.
5. Gitelson, J.I. Optimal Structure of Plant Conveyor for Human Life Support in a Closed Ecosystem BIOS-3 / J.I. Gitelson, G.M. Lisovsky, A.A. Tikhomirov // Plant Production in Closed Ecosystems / Eds. £ Goto [et al.]. -Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1997. -P. 297-304.
6. Salisbury, F.B. BIOS-3: Siberian Experiments in Biore-generative Life Support / F.B. Salisbury, J.I. Gitelson, G.M. Lisovsky//Bioscience. -1997. - Vol 47, No. 9.-P. 575-585.
1. Allen, J. P. Overview and Design Biospherics and Biosphere 2, mission one [1991-1993]/J.P Allen, M. Nelson //Ecological Engineering. - 1999. - Vol. 13, Iss. 1-4. - P. 15-29.
© Юницкий А.Э., 2019 © Синчук O.B., 2019
8. Allen, J.P Historical Overview of the Biosphere 2 Project/ J.P. Allen // Biological Life Support Technologies: Commercial Opportunities: Conference Paper, NASA, Washington, 1 Nov. 1990. - Washington, 1990. - P. 12-22.
9. Thriving since 1960, my garden in a bottle: Seedling sealed in its own ecosystem and watered just once in 53 years [Electronic resource] / DailyMail. - Mode of access: https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/ article-2267504/The-sealed-bottle-garden-thriving-40-years-fresh-air-water.html. - Date of access: 28.03.2019.
Ю.Маврищев, В.В. Общая экология: курс лекций / В. В. Маврищев. - Минск: Новое знание, 2005. - 299 с.
11. Lindeman, R.L. The trophic-dynamic aspect of ecology / R.L. Lindeman//Ecology. - 1942. - Vol. 23. - P. 399-418.
12. Elton, C.S. Animal Ecology / C.S. Elton; Ed. J.S. Huxley. -New York: The Macmillan company, 1927. - 207p.
13. Гэйдук, B.E Основы биоритмологии/B.E Гзйдук. - Брест: Изд-во БрГ/2003. -250 с.
ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ КАК ОСНОВА СОЗДАНИЯ БИОСФЕРЫ ЭКОКОСМОДОМА
Юницкий А.Э. (г. Минск), Синчук 0.В. (г. Брест)
