Рефорат Биологические системы, способы их применения и значение на земле и в космосе
Страница 1 из 2
Рефорат Биологические системы, способы их применения и значение на земле и в космосе
Содержание
Введение…………………………………………………………………
1. Общая Характеристика работы………………………………
1.1. Цели и задачи……………………………………
1.2. Апробация работы……………………………
1.3. Актуальность темы…………………………………
1.4. Положения, выполняемые на защиту………………
1.5. Структура и объем работы………………………
2. Обзор литературы…………………………
2.1. Биологические системы ………………………………
- что такое биологические системы……………………
- история биологических систем………………
2.2. Примеры биологических систем, их существование и значение…
- подземные теплицы – прообраз биосистемы………………………….
- первые шаги к космическим теплицам…………
- микро-биосистемы в квартире…………………………
3. Результаты изучения………………………
3.1. Биологическая система с кактусами – модель космической станции………………………………………
3.2. Круговорот веществ в биологической системе……
Выводы……………………………………………………
Приложения……………………………………………
Список использованных источников………
Введение
С древних времен человечество стремится достичь космоса и его планет. Это возможно только при обеспечении человека всем необходимым (водой, едой, воздухом). Для решения этой задачи необходимы биологические системы, которые будут снабжать экипаж всем необходимым и утилизировать отходы жизнедеятельности.
1. Общая характеристика работы
1.1. Цель и задачи:
· показать многообразие биологических систем, их значение в жизни человека на Земле и космосе;
· показать возможность моделирования биологических систем и их использование;
1.2. Актуальность темы.
На данный момент тема останется актуальной до тех пор, пока ученые не смогут сделать такую биологическую систему, которую можно поместить на космический корабль, чтобы она обеспечивала экипаж всем необходимым и действовала довольно долго.
А также тема актуальна, потому что на Земле во многих странах ощущается недостаток овощей и фруктов. Решить этот вопрос помогут биологические системы, которыми можно занять пустыни, высокогорья и пустые выработки старых шахт. Тем самым удастся решить проблему голода.
1.3. Апробация работы.
Работа доложена на заседании секции биологии МАН Молодежненской ОШ № 1 13.11.2004 года и одобрена к защите.
1.4. Положения, выполняемые на защиту.
· что такое биосистема.
· круговорот веществ биосистеме.
· создание биологической системы с использованием суккулентов.
· значение биологических систем на Земле и в космосе.
1.5. Структура и объем работы.
Работа изложена на ___ страницах, включая ___ рисунка.
2. Обзор литературы.
2.1. Биологические системы
Что такое биологическая система?
Биологическая система – это биологические объекты различной сложности (клетки, ткани, организмы, биоценозы), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности, способности к саморегуляции, что и определяет их устойчивость, а также способность к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции. Любая биологическая система является динамической – в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологическая система – открытая система, условием существования которой служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы, так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биологической системы заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутреннего управления, которые позволяют избежать «термодинамической смерти» путем использования энергии, извлекаемой из внешней среды.
Устойчивость стационарных состояний биологической системы (сохранение постоянства внутренних характеристик на фоне нестабильной или изменяющейся внешней среды, а также способность к их переходу из одного состояния в другое, свойство неустойчивости стационарных состояний биологических систем) обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции. В основе саморегуляции биологических систем лежит принцип обратной связи, положительной или отрицательной. Так в цепи регулирования с отрицательной обратной связью, информация об отклонении регулируемой величины от заданного уровня включает в действие регулятор, который действует на регулируемый объект, таким образом, что регулируемая величина возвращается к исходному уровню (знак применения её обратен знаку первоначального отклонения). Этот механизм, а также более сложные комбинации нескольких механизмов могут функционировать на разных уровнях организации биологических систем (например, на молекулярном – ингибирование ключевого фермента при избытке конечного продукта или репрессия синтеза ферментов, на клеточном – гормональная саморегуляция и контрактное угнетение, обеспечивающее оптимальную плотность клеточной популяции, на уровне организмов – регуляция содержания глюкозы в крови, а в общих случаях гомеостаз, обеспечивающих стабильность внутренней среды организма). Специальные механизмы положительной обратной связи (воздействие на регулируемый объект вызывают изменения, совпадающие по знаку с первоначальным отклонением регулируемой величины, вследствие чего система выходит из данного стационарного состояния) лежат в основе перехода биологических систем из одного стационарного состояния в другое и основанных на этих переходах закономерных изменениях биологических систем, обеспечивающих их адаптацию к изменяющимся внешним условиям, перемещение, другие многообразные активные функции биологических систем, их эволюцию. Сложное автономное (независимое от среды) движение биосистем возможно благодаря множественности стационарных состояний биосистем, между которыми могут совершаться переходы. В некоторых случаях новое состояние оказывается не стационарным, а автоколебательным, т. е. таким, в котором значения показателей колеблются во времени с постоянной амплитудой. Такие явления в основе периодических процессов в биологических системах временной организации биосистем, в основе функционирования биологических часов.
При анализе поведения и свойств биосистем широкое применение находят различные методы физического и математического моделирования, используются кибернетические и термодинамические подходы. Системный подход оказывается перспективным для решения многих практически важных проблем (таких, например, как создание замкнутых биосистем жизнеобеспечения, проблема заболеваний, связанных с нарушением гомеостаза и прочее). Примером биологической системы являются все живые организмы, населяющие нашу планету, в том числе и растения.
История биологических систем.
Планета Земля в космосе – пример частично закрытой, автономной биологической системы. Живые объекты на Земле обеспечены всеми необходимыми веществами для жизни и жизнедеятельности. Эта система довольно постоянна, получая из космоса главный фактор жизни – солнечный свет. Эта система – Земля, удерживает на своей поверхности и в ближайшем окружении не только тяжелые твердые предметы, но и воздух, воду, пары воды. Самую простейшую модель биологической системы придумали японцы. В Японии такие системы появились на прилавках в восьмидесятые годы двадцатого века. Они были предназначены для занятых или ленивых цветоводов, которые хотели иметь у себя дома отличные сорта цветов, но, в то же время, не ухаживать за ними. Достаточно было подойти к прилавку, купить такую систему, налить туда воды, герметически закрыть и готово – отличные растения у себя дома целый год.
2.2. Примеры биологических систем, их существование и значение.
Подземные теплицы – прообраз биосистемы.
В настоящее время расширение площадей защищенного грунта сдерживается из-за высокой стоимости строительства теплиц и их эксплуатации. Так, в степной зоне Украины строительство 1 м2 теплиц в среднем обходилось в 60 рублей, а в Якутске, где овощи и фрукты в дефиците, 250 рублей. И, как это ни парадоксально, тепличное хозяйство более всего развито в центральных и южных районах Украины, а вовсе не там, где в свежих овощах испытывается недостаток. Проведенные за рубежом опыты показали, что овощи можно с успехом выращивать под землей, используя для этого подземные выработки старых шахт, оставшиеся после добычи полезных ископаемых.
Но не все шахтные выработки пригодны для создания подземных теплиц, т. к. большинство угольных шахт подтапливаются грунтовыми водами и в них наблюдаются выбросы метана и других горючих газов, что значительно удорожает эксплуатацию таких выработок (искусственная откачка грунтовых вод). Положительным моментом подземных выработок является постоянная положительная температура выше +11 оС. Электрические осветительные приборы и оборудование выделяют дополнительное тепло и ещё подогревают шахтные выработки и температура в них даже зимой при сильных морозах достаточна для выращивания большинства овощных растений. В более глубоких шахтах с глубиной температура повышается, но увеличиваются затраты на вертикальную транспортировку людей, оборудования и продукции, а также откачку грунтовых вод и вентиляцию.
Под землей растения можно выращивать круглый год. Традиционные культивационные сооружения (теплицы, парники, оранжереи) зимой приходится обогревать, а летом охлаждать, но следует еще и вентилировать их, на что тратится 20-30% всей потребляемой энергии. Наличие в Украине дешевой электрической энергии для освещения, постоянная температура окружающих пород на глубине и низкая стоимость подготовки отработанных шахт к производству сельскохозяйственной продукции могут дать большой эффект. Что необходимо для нормального роста растений в искусственных условиях? Прежде всего освещение и среда обитания корней – субстрат.
Опыт эксплуатации подземных выработок в Криворожском железорудном бассейне показал: применяя искусственное освещение соответствующего спектрального состава, можно получать очень хороший урожай овощей. В качестве источников света здесь применяются облучатели тепличные ОТ-400, лампы РРЛ-700 и лампы накаливания мощностью 500 и 1000 Вт. Если позволят габариты помещения, можно использовать и другие системы искусственного освещения, установку ускоренного выращивания растений (УВР), установку системы освещения растительных теплиц СОРТ 1-5 и СОРТ 1-10, систему освещения вегетационных теплиц СОВК-1 и другие (такие установки использовались и на подводных лодках).
В шахтах наиболее традиционно применять гидропонный способ выращивания растений. Кроме того, субстраты (гравий, торф, шлак, песок), соответственно подобранные по физиологическим и химическим свойствам, могут «работать» в подземных условиях 10-15 лет и более, тогда как почву в теплицах необходимо менять каждые 3-4 года.
При выращивании овощей в подземных теплицах на гидропонике многие отрицательные свойства почвы (необходимость внесения большого количества удобрений, повышенная влажность, наличие вредителей и возбудителей болезней растений) полностью отсутствуют. Соотношение питательных веществ в растворах может быть изменено в зависимости от возраста растений и времени созревания плодов, что значительно повышает коэффициент полезного действия вносимых удобрений и урожай возделываемых культур. Созревание овощей при этих условиях происходит среднем на 2-3 недели раньше, чем в грунтовых теплицах.
При подземном выращивании овощей лотки для гидропоники могут быть изготовлены из различных материалов – дерева, обернутого пленкой, пластмассы или асбоцементных труб большого диаметра. Лотки должны укладываться с уклоном 0,3о для стока питательного раствора.
Гидропоника способствует лучшему обеспечению овощей водой с растворенными в ней питательными веществами, предохраняет зону расположения корней от колебания температуры и подсыхания, позволяет автоматизировать производственные процессы по уходу за растениями, а также значительно повысить урожайность продукции.
В настоящее время поступает все больше и больше сообщений об использовании шахтных выработок для выращивания овощей – в Казахстане, Норильске и в других городах мира взялись за это дело с интересом.
Актуальность же проблемы не вызывает сомнений – подземные теплицы должны стать составной частью агропромышленных комплексов, продовольственной программы Украины.
Первые шаги на пути к космическим теплицам.
Сложнее по устройству, чем подземные теплицы, но более совершенные наземные тепличные комплексы приближаются по конструкции к закрытой биосистеме, получающей извне только солнечную энергию и информационные сигналы связи. В таких комплексах добровольцы в команде, имитирующей команду космического корабля, проживали и работали более чем по году, изучались вопросы круговорота веществ, в том числе и воды, тепловой баланс, вопросы питания группы людей, реутилизации отходов и другие наблюдения и исследования растений и людей в такой системе. Такие научные комплексы создавались в горах, т. к. условия освещенности (инсоляции) и суточного колебания температур ближе к условиям космического пространства, а на поверхности земли на небольших высотах над уровнем моря условия очень отличаются. На больших высотах, как и в космосе, значительно усилена ультрафиолетовая составляющая солнечной радиации. Также на больших высотах значительно меньше атмосферное давление и наблюдаются резкие колебания температуры за счет сильно меняющегося в течение суток потока солнечной энергии.
Для нормального обеспечения людей, находящихся в таком комплексе, применялись специальные стекла в покрытиях тепличного комплекса. Такое стекло поглощает и ослабляет поток ультрафиолетовой радиации и частично снижает резкие колебания температуры внутри комплекса, т. к. препятствует прохождению не только ультрафиолетовых, но и инфракрасных (тепловых) лучей. Дней поступает меньше тепла, теплица не перегревается, а ночью меньше теряется тепла, теплица не переохлаждается. Для снижения колебания температур применяются также шторки-жалюзи, а также придумана оригинальная система суточных колебаний температуры – это тепловые аккумуляторы. Они используют высокие показатели теплоемкости воды. Черные трубы, наполненные водой, прокладываются на поверхности почвы или субстрата для растений. Днем, при избытке тепла, эти аккумуляторы поглощают тепло, препятствуя перегреву, а ночью отдают его, предохраняя систему от переохлаждения.
Группы людей прожили год и более в помещении теплицы, биологически абсолютно изолированном от атмосферы Земли. Воздух и вода очищались и восстанавливались растениями. Так были сделаны первые шаги человека к созданию надежной замкнутой биологической системы обеспечения человека с использованием высших растений. Эксперимент оказался удачным.
Главная задача при построении космических теплиц состоит в том, чтобы отобрать растения, которые обеспечили бы космонавтов наиболее полезным набором питательных веществ. Поэтому исследователи считают, что с большим успехом эту задачу удастся решить, если на космическом «огороде» посадить набор различных овощей. Только так можно обеспечить полноценную пищу. Естественно, что, подбирая овощи для космической теплицы, необходимо учитывать привычки и вкусы людей. К примеру, зарубежные ученые предлагают выращивать в космической оранжерее бобы, горох и масличное дерево – земляной орех, которые в сочетании с другими растениями удовлетворительно обеспечивают рацион космонавтов. Все это так, но земляной орех для нас непривычная еда. Поэтому рацион космонавтов целесообразно составлять из растений, которые возделываются на территории страны или введены в меню овощей и фруктов, ставших для нас уже привычными. Рацион космонавта не должен включать одни овощи, в нем обязательно должны быть животные белки и жиры. Для решения этого вопроса было рассмотрено большое количество самых различных видов организмов, в том числе беспозвоночных и рыб. Установлено, что современный аквариум – это тоже прообраз замкнутой биоэкологической системы, который можно использовать на корабле. Определено, что на борту космического корабля должны быть и травоядные животные. Более всего для обеспечения космонавтов мясом подходят куры. Они едят практически все и легко размножаются.
