Оценить степень неустойчивости и функциональность выбранных принципов устройства

Разработать принципиальную схему круговорота.

2. Детально обсудить возможные варианты устройства отдельных блоков.

1.Качественная схема.

Предположим, наша орбитальная станция является закрытой системой, т.е. обменивается с окружающей средой только энергией: n(в-ва)=const.

Тогда станцию можно охарактеризовать как закрытую экосистему – совокупность живого, биогенного, биокосного и косного веществ, в пределах которой происходит круговорот веществ и поток энергии; (Тэнсли, 1935) при этом невозможно получение системой вещества извне. Для устойчивого функционирования такой экосистемы получаем условия:

1. Живое вещество должно иметь минимальную экологическую разнокачественность, т.е. содержать в себе формации продуцентов, консументов, редуцентов.

2. Система должна быть климаксом, т.е. исключено накопление биомассы: E(погл.)=E(выдел.)

Для контроля системы можно закрепить экологическую разнокачественность пространственно, разделив процессы создания, передачи и деструкции органики. Тогда генеральная картина экосистемы такая:

При этом продукционный блок включает не только совокупность автотрофов (еда и кислород) в чистом виде, но и консументов низших порядков, создающих необходимую трофическую (и прочую материальную) базу для жизнеобеспечения человека. Деструкционный блок может либо работать по типу «труба», просто перерабатывая органику в подходящую неорганику (в т.ч. воду, которая используется и человеком) с высвобождением тепла (тогда его единственная основная характеристика – скорость переработки r), либо выдавать на выходе некоторые органические метаболиты (брать на себя часть функций продукционного блока), которые могут быть использованы напрямую в любом из блоков. Все блоки вместе можно определить как климакс. В нём: P/R=1, где P - первичная валовая продукция, R – затраты на дыхание. Чистая продукция сообщества = 0.

Каждый из блоков, в свою очередь, можно тоже представить как экосистему, но уже открытую. Для продукционного блока P/R>>1. Значит, это сообщество, соответствующее промежуточному в сукцессионнной серии:

Это график, показывающий энергетику развития экосистем леса и лабораторного микрокосма (Odum, 1975). Здесь Pg – валовая первичная продукция (всё, что в начале запасено продуцентами), Pn- чистая первичная продукция – то, что продуценты готовы передавать на следующий трофический уровень, Pn=Pg-R, где R -затраты на дыхание; B- накопление биомассы

В случае продукционного блока его продуктивность

Где Ri – потеря энергии на i-том трофическом уровне (поскольку в нашем блоке есть ещё консументы, производящие наиболее подходящие для человека соединения). Из графика видно, что наибольшая Pn достигается на некоторой промежуточной стадии сукцессионной серии. Характеристики этой стадии можно учитывать при создании системы продукционного блока.

Для деструкционного блока P=0, т.к. органическое вещество полностью поставляется извне. Его сообщество – это климакс воображаемой сукцессионной серии, протекающей только с участием гетеротрофов (см. Шилов, 2006). Для него характерна полная переработка поступающей органики со стабильным выделением предсказуемых неорганических метаболитов. Это достигается за счёт высокого разнообразия видов, соединённых многочисленными трофическими и мутуалистическими взаимоотношениями. Характерными здесь будут глубокие симбиозы между сильно филогенетически отстоящими друг от друга формами (бактериями и археями). (См. Заварзин, 2004)

Под блоком «Человек» нужно понимать не только прямые трофические связи, но ещё и ношение одежды, сжигание биотоплива для получения энергии и др.

2. Устройство отдельных блоков

2.1 Деструкционный блок

В деструкционный блок поступает различное органическое вещество, являющееся отходами жизнедеятельности человека. Некоторую часть отходов поставляет продукционный блок (доля потерь Ri прод. блока). Это: фекалии, продукты выделительной системы, пот, волосы, отработанная одежда, прочие бытовые биоматериалы.

Одна из возможных схем – однопотоковая. Первый этап переработки здесь – унификация, т.е. сведение всего многообразия веществ к некоей единой мортмассе. Её далее можно перерабатывать в полезные вещества или разлагать в неорганику. Далее рассмотрен один из вариантов однопотоковой схемы, при котором происходит частичная регенерация энергии за счёт выработки биогаза.

Поступающее вещество можно разделить на две физические категории:

1. DOC – dissolved organic compounds, растворённая органика

2. POC – particulated organic compounds, взвешенная органика.

Рассматриваемое сообщество носит микробиальный анаэробный характер: скорость метаболизма у прокариот очень высокая, они могут работать с любыми субстратами. Анаэробные условия позволяют получать метан, сохраняя часть энергии для нужд станции. DOC легко усваивается бактериями-бродильщиками, которые образуют готовый унипродукт. С POC дело обстоит сложнее. Первый этап их разложения – гидролиз, проводимый гидролитиками. Агрегируясь вокруг пищевых частиц, гидролитики обеспечивают очень малое рассеяние продуктов гидролиза. Так, целлюлозоразлагающие клостридии имеют целлюлосому – экзоферментный комплекс, подвешенный к клетке с помощью слизевого канала. Он вплотную прилегает к субстрату, осуществляя гидролиз. Образующаяся целлобиоза усваивается клеткой. (Doi, Kosugi, 2004; Заварзин, 2004).

Вот так целлюлосома утроена (из Doi, Kosugi, 2004):

Все экзоферменты клеток действуют вместе, и продукты гидролиза тоже обобществляются. Среди гидролитиков можно выделить ряд экологических группировок по используемым субстратам: сахаролитики, протеолитики, липолитики. Все они участвуют в работе нашего блока. Рассеиваемое вещество поглощается диссипотрофами (Васильева, Заварзин, 1995). Это одиночные клетки, часто подвижные. Для усвоения субстрата при малой его концентрации в среде они имеют высокое соотношение S/V (например, спирохеты). Гидролитики и диссипотрофы объединяются в группу первичных анаэробов. В деструкционном блоке они (и еще бродильщики) играют роль унификаторов, образуюя три группы продуктов.

1. Бактериальная мортмасса. Осаждением она удаляется из певого подблока и запускается во второй подблок, где разлагается до неорганики сообществом органотрофов. Трофическая система органотрофов определяется правилом Виноградского (1896): для каждого природного вещества есть микроорганизмы, способные его разложить. Возможно использование аэробного подблока с аэробными органотрофами. Преимущества каждого из вариантов разложения пока обдумываю.

2. Выделяемые метаболиты. Это водород, ацетат и ЛЖК. Эти субстраты прямо в блоке могут использоваться метаногенной группировкой микроорганизмов, конечным итогом деятельности которых является метан, удаляющийся из сферы реакции. Его легко собрать и использовать на станции как биотопливо.

3. Углекислый газ, который используется метаногенами как акцептор электронов.

Все организмы метаногенного сообщества сильно взаимозависимы, это богатый видами устойчивый ценоз. Типичным типом взаимоотношения между ними является синтрофия – межвидовой перенос водорода. Перенос вещества между клетками определяется расстоянием между ними, поэтому возникают плотные консорциумы, имеющие вид гранул (размер – до 0,5 см). Собственно метаноген (гидрогенотрофный или ацетокластический) образует либо пористую псевдопаренхиму внутри гранулы (Methanosarcina), либо клубок нитей (Methanotrix).

Помимо однопотоковых схем деструкционного блока, возможны многопотоковые схемы. Принципом их работы является раздельный сбор отходов. Каждый тип отхода подвергается наиболее подходящей для него обработке.

Необходимо обеспечить систему контроля видового и количественного состава сообщества и среды в деструкционном блоке. Это можно делать с помощью микроэлектродной техники (Reevsbech, 1994; Йоргенесен, 1994). В этих работах микроэлектроды применялись для разового анализа бактериальных сообществ. Можно приспособить этот метод для перманентного использования на нашей станции.

2.2 Продукционный блок

Наши мысли были следующие. Продукционный блок имеет меньше внутренних биоценотических связей. Это сообщество более простое, в связи чем, однако, менее устойчивое (возможны все проблемы, с которыми мы сталкиваемся в земных агроценозах).

Основной трудностью разработки блока является подборка видов, которые вместе смогут обеспечить человека всем необходимым. Кратко суммирую наши идеи. Продуценты – это некие водоросли: спирулина, хлорелла и др. Нужны ли высшие растения? Консументы – это либо макрообъекты (если мы идём по пути копирования земного рациона), либо микробы с плазмидами и BACами. Думаю, бактериальные виды здесь всё равно понадобятся – если не для приготовления еды, то для приготовления бытовых биоматериалов. С одеждой – была идея создавать ткани на основе хитина: в СССР был эксперимент с выращиванием для этой цели колоний гидроидных полипов.

Оценка устойчивости

Возможно ли совмещение пионерного продукционного блока с климаксным деструкционным? Здесь нужно будет задуматься о соотношении их размеров: деструкционный блок, как менее продуктивный, должен будет иметь больший объем, чтобы успевать перерабатывать поставляемое сырьё. Продукционный блок нужно будет абиотически регулировать, в связи с чем актуальным является частичная циклизация энергетического потока в деструкционном блоке. Ведь на регуляцию продукционного блока, кажется, будет уходить большое количество энергии, потребуются сложные, громоздкие регуляторы, гасящие вспышки численности, предупреждающие колебания концентраций веществ в среде и др.

Может быть, продукционный блок должен быть утроен также в качественном плане, как и деструкционный – большое число видов, связанных сложной сетью биоценотических взаимоотношений. Тогда он будет также соответствовать поздней стадии сукцосерии (пункт 1).

Возвращаясь к пункту 0, мы выбираем для длительных полётов замкнутую многовидовую систему климаксного типа, в которой преобладает биотическая регуляция; для кратковременных – открытые и полуоткрытые системы. Задача наша - предложить аргументированную модель возможного климаксного сообщества (с некоторой степенью детальности), оговаривая при этом, что на настоящий момент все реальные эксперименты по созданию подобных систем проваливаются в силу сложности устройства систем, невозможности предсказать (на данном этапе развития) все эффекты системы и тд.

Закрытые системы типа высокопродуктивных пионерных сообществ с малой массой оказываются экспериментально (Бейерс, 1962; Кук и др, 1968; Тауб, 1963; Ивлев, 1966) крайне неустойчивыми, требуют мощной системы регуляции с колоссальными затратами энергии, которая у нас, видимо, является одним из лимитирующих ресурсов.

Проблему вывода на орбиту (хотя, вроде, мы даже отмахнулись от неё, постулируя, что мы можем вывести всё) можно решить, запуская с Земли отдельные блоки и затем стыкуя их на орбите.