1.4.5. Околоземная космическая сфера

С созданием В. И. Вернадским учения о биосфере стало ясно, что в естественно-научных работах необходимо выйти на новый уровень обзора окружающей среды - планетарно-космический, на котором стало бы возможным рассмотрение биосферы как единой глобальной открытой системы. Такой подход к изучению биосферы открывает путь к пониманию жизни как космического явления.

Изучение Земли как целостного космического тела, изучение околоземного космоса, планетарных тел, Солнца и межпланетной среды стало возможным с применением космических средств. Располагая данными о зависимости биосферных процессов от космических факторов, естественные науки начали планомерное комплексное изучение и освоение космического пространства с целью углубления знаний о Земле и о жизни на ней. Совокупность наземных, авиационных и космических методов исследования Земли впервые предстала как единая система исследований нашей планеты, причем природоохранные исследования выступают как одно из главных направлений деятельности по сбору и обработке информации о Земле.

Приоритет в освоении околоземного космоса принадлежит нашей стране в связи с запуском первого спутника Земли (1957) и полетом первого человека в космос (1961).

Пионеры космонавтики и ракетной техники К. Э. Циолковский, Ю. В. Кондратюк, Ф. А. Цандер, Н. И. Тихомиров, С. П. Королев, В. П. Глушко, Н. А. Рынин, Р. Годдард, Г. Оберт, К. Ридель и многие другие проложили путь человечеству в космос.

Благодаря достижениям в освоении космического пространства человек получил возможность наблюдать Земной шар с огромных расстояний и наблюдать вселенную за пределами земной атмосферы.

Космонавты рассказывают, что над линией горизонта на высоте примерно 100 километров простирается слой яркости бело-желтых тонов, и такие слои яркости, иной раз повисшие над Землей несколькими ярусами, космонавтам довелось видеть не раз.

Вот что рассказывал А. А. Леонов, впервые вышедший в открытый космос в 1965 г.: «Яркие немигающие звезды на фоне темно-фиолетового с переходом в бархатную черноту бездонного неба сменялись видом Земли... Солнце, яркое, как бы включенное в черноту неба, проникая лучами через забрало гермошлема, ощутимо согревало лицо. Затем опять звезды, земные просторы...»

Изучая влияние космических физических факторов на процессы в живой природе, А. Л. Чижевский (1897-1964) установил зависимость между циклами активности Солнца и многими явлениями в биосфере. Он показал, что физические поля Земли (в частности электромагнитные и радиационные) должны учитываться в числе основных причин, влияющих на состояние биосферы.

Космос не только влияет на биосферу, но в известной мере является ее первоосновой. Во всяком случае, жизнь обязана своим существованием не только веществу Земли, но и энергии Солнца, без которой прекратились бы почти все движения на поверхности планеты.

Солнечная энергия, аккумулирующаяся в гидросфере и атмосфере, имеет большое экологическое значение, поскольку, перемещаясь по поверхности Земли с воздушными и морскими течениями, эта энергия способна сглаживать избыток или недостаток тепла в отдельных географических регионах экосферы.

Кроме того, способность солнечной энергии аккумулироваться в мертвом органическом веществе и в глинистых минералах позволяет солнечной энергии участвовать в большом геологическом круговороте вещества.

Солнечная энергия, трансформируясь в тепло, включается в тепловой поток недр Земли и, выходя на поверхность, участвует еще раз в ее тепловом балансе. Излучаясь через атмосферу, часть тепла временно возвращается обратно в нижние слои тропосферы молекулами НЮ и ССЬ , тем самым еще раз оказывая влияние на экологические условия на поверхности Земли. В конечном итоге тепловое инфракрасное излучение уходит в космическое пространство, замыкая тем самым большой круговорот энергии между Космосом, поверхностью Земли и ее недрами.

Солнечное излучение в виде солнечного ветра на пути к Земле встречается с радиационными полями Земли, а затем с самой внешней оболочкой Земли - магнитосферой - областью околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитными полями Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц. Солнечный ветер образуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц. Он также образует магнитное поле.

Искусственные спутники Земли позволили не только доказать существование солнечного ветра, но и измерить в межпланетном пространстве поток плазмы от Солнца к Земле, впервые осуществленной с автоматической межпланетной станции «Луна-2». Результаты этих экспериментов имеют непосредственное приложение к биосферным исследованиям, так как солнечный ветер не только регулирует динамические процессы в межпланетном пространстве, но и влияет на появление и развитие геомагнитных бурь.

Во время геомагнитной бури происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, увеличение яркости полярных сияний, нарушается радиосвязь на коротких волнах. При этом отмечаются изменения в жизнедеятельности организмов, начиная от простейших до человека.

В 1919 г. первые гелиобиологические эксперименты были поставлены А. Л. Чижевским при участии и консультации К. Э. Циолковского.

В дальнейшем А. Л. Чижевский установил связь возникновения эпидемий и эпизоотии (эпидемий, поражающих животных), обострений нервных и психических заболеваний и ряда других биологических явлений с изменением солнечных вспышек. Результаты исследований были опубликованы им в 1930 г.

Чрезвычайную роль Солнца во всех проявлениях жизни на Земле четко определил также и В. И. Вернадский [2]: «Изучение отражения на земных процессах солнечных излучений уже достаточно для получения первого, но точного и глубокого представления о биосфере как о земном и космическом механизме. Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера».

В настоящее время специалисты в области космической биомедицины занимаются исследованием влияния космических факторов на живое вещество планеты, в первую очередь на человека как его составную часть. Это необходимо не только для решения мировоззренческих задач, но и для того, чтобы обеспечить жизнедеятельность космонавтов в длительных полетах, применить меры профилактики для сохранения здоровья и работоспособности людей, обживающих космос в интересах всего человечества.

Еще К. Э. Циолковский (1857-1935) в своих трудах разработал концепцию широкого освоения человечеством мирового пространства.

Мировое пространство он понимал не только как ближний космос, а как пространство Солнечной системы, как галактическое и даже межгалактическое.

Выход в околоземный космос - это вторая фаза эволюции человечества. За второй последует третья стадия, когда человеческий род заселит и галактические просторы.

Выход в космос - это переход в принципиально иную для существования человека среду. Жизнь в межзвездной среде неизбежно наложит отпечаток на физический, духовный и нравственный облик людей.

Эта отдаленная эволюция человека, превращение его в космическое существо будет происходить, по мнению К. Э. Циолковского и В. И. Вернадского, через стадии глубокого изменения энергетических и обменных процессов. Они считали возможным превращение человека в существо автотрофное, т. е. способное, как и растение, питаться органическими веществами и даже получать энергию непосредственно от Солнца.

Будущих представителей рода человеческого К. Э. Циолковский представлял в виде почти бесплотных существ с легкими прозрачными крылышками для улавливания энергии Солнца. Крылья - необычный для человека и очень важный в новых условиях орган. В нем происходят процессы фотосинтеза. Существа свободного космоса, нарисованные фантазией К. Э. Циолковского, не будут нуждаться ни в пище, ни в питье, ни в жилье, летая свободно и существуя безбедно. Они станут жителями Вселенной!

К. Э. Циолковский в своих работах остановился и на вопросах создания надежных систем жизнеобеспечения на космических кораблях. При этом от исходил из необходимости создания на корабле замкнутых экологических систем, повторяющих естественный круговорот веществ, существующих на Земле. Следовательно, речь шла, по существу, о создании маленьких искусственных «террат» (от лат. terra - земля) в космосе. Он же предлагал в длительных полетах применять как для регенерации воздуха, так и для восполнения пищевых запасов, различные растения.

В основе всех творческих поисков создания оптимальных условий жизни и работы в космосе (конечной цели космической биомедицины) лежат представления о влиянии различных факторов космического полета на живой организм (будь то человек, животное или растения). Принято различать три группы таких факторов. Первая группа характеризует космическое пространство как своеобразную среду (вакуум, ионизирующее излучение, метеориты). Вторая - связана с динамикой космического полета (невесомость, вибрации, ускорения). Третья - обусловлена длительным пребыванием человека в герметичных кабинах малого объема (измененная газовая среда и микроклимат, гипокинезия, изоляция, измененный режим жизни, эмоциональное напряжение и многое другое).

Уже этот краткий перечень основных факторов космической среды и космического полета свидетельствует о сложности и ответственности формирования оптимальных условий обитания человека вне Земли.

Для решения вопроса о значимости фактора гравитации применялась система «Биогравистат». В этой системе проростки растений выращивались в небольшой центрифуге. В ходе эксперимента были получены первые обнадеживающие результаты.

Получены также положительные результаты в совместном советско-вьетнамском эксперименте. В приборе «Светоблок» (на станции «Салют-6») выращивали двухнедельные отростки арабидопсиса. Эти растения зацвели на станции. Работа биологов по исследованию растений в условиях космических полетов продолжается. Изучается, в частности, режим солнечного облучения растений.

Для обеспечения экипажей водой в длительных полетах разработана система круговорота воды различными физическими и физико-химическими способами - перегонкой, очисткой ионообменными смолами и т. д. В зависимости от условий и продолжительности полета вода может как поступать из запаса, хранимого на борту корабля, так и восстанавливаться из влагосодержащих отходов. Одним из способов получения питьевой воды из влагосодержащих отходов является окислительно-каталитический метод регенерации воды. В результате окисления органические вещества переходят в углекислый газ, воду, азот, сульфаты и фосфаты, последние два соединения легко удаляются ионообменными смолами.

При непродолжительных космических полетах обеспечение запасами воды на борту корабля требует разработки методов, предотвращающих нарушение химических и органолептических свойств воды, развитие в ней микрофлоры и т. д. С этой целью производят консервирование воды, которое обеспечивает сохранность всех ее свойств.

Для консервирования воды в условиях космического полета применимы следующие способы стерилизации: физические (ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвуком и холодом), биологические (введение антибиотиков) и химические (обработка химическими консервирующими средствами). Наиболее перспективными методами являются химические способы консервирования, в частности препаратами серебра, применяющимися в полетах советских космических кораблей.

В настоящее время проблема обеспечения жизни космонавтов в околоземных полетах всесторонне продумана.

Для создания биотехнических систем с применением растений проводятся обширные исследования по изысканию наиболее приемлемых растений и их сообществ. Сейчас ведутся работы в основном с высшими растениями, хотя не отрицается возможность использования и низших растений, например хлореллы.

В целом современные системы жизнеобеспечения (СОЖ) подразделяются на следующие звенья: низшие автотрофные организмы (одноклеточные водоросли), высшие автотрофные растения, низшие гетеротрофные организмы (дрожжи, бактерии, зоопланктон и др.) и высшие гетеротрофные животные (мелкие животные и птицы), выделяется также звено физико-химической трансформации. Получаемые в таких СОЖ продукты питания нуждаются в последующей технологической переработке для разрушения клеточных оболочек, удаления пигмента и т. д.

Среди одноклеточных водорослей пищевая ценность биомассы наиболее полно изучена у представителей протококковых водорослей - хлореллы. При выращивании этих водорослей в обычных условиях их состав следующий: белков - 50%, углеводов - 32%, жиров - 13%. Биомасса протококковых водорослей содержит различные витамины: группу В (в том числе B₁, PP, К, С и др.). Усвояемость одноклеточных водорослей, установленная в опытах на крысах, составляет 60-70%. Более полному усвоению пищевых продуктов препятствует наличие у одноклеточных водорослей оболочек, устойчивых к действию пищеварительных ферментов высших плотоядных животных и человека. Разрушение клеточных оболочек и удаление пигментов повышают усвоение биомассы. Однако включение ее в рацион человека в больших количествах (50, 100, 150 г сухой биомассы в сутки) нежелательно, так как вызывает ряд диспепсических явлений (отрыжка, метеоризм, тошнота и др.). Для выращивания в космической оранжерее, кроме одноклеточных водорослей, наиболее перспективны и высшие растения: картофель, батат, сахарная свекла, морковь, редис, капуста (китайская и белокочанная), салат, шпинат, томаты, укроп, арахис.

Специалисты усиленно работают над использованием растений в биотехнических СОЖ. Так, на космической станции «Салют-6» интенсивно изучались эти возможности. Проводились эксперименты с системами «Малахит», «Оазис», «Биогравистат», «Вазон» и др.

Космонавты находятся в кабинах космических кораблей в атмосфере, по своему составу приближающейся к привычной земной: общее давление - 750-770 мм рт.ст., содержание кислорода около 21%, содержание углекислого газа около 0,03%. Воздух кабины непрерывно очищается. Его влажность и температура также поддерживаются в пределах привычных параметров. Правда, температура воздуха несколько выше обычной - 25-26°С, что сделано по просьбе космонавтов. Вода и пища поступают при многомесячных космических вахтах на орбитальные станции по мере необходимости с помощью транспортных кораблей. Отработана и система удаления отбросов путем шлюзования их в открытый космос. Решаются вопросы и гигиенического характера (умывание, душ, бритье, чистка зубов и т.д.), как правило с применением определенных технических устройств (например, применение микропылесоса при бритье электрической бритвой).

Все возрастающий объем задач обеспечения жизнедеятельности космонавтов на борту космического корабля и орбитальной станции, с одной стороны, и постоянно усиливающееся включение жизнедеятельности всего человечества в космические процессы и явления, с другой стороны, трансформируют земную экологию человека в экологию космическую.

Таким образом, на наших глазах идет интенсивное (научное и практическое) освоение околоземного космического пространства, происходит становление новой сферы, которую Л. И. Егоренков называет супербиосферой.

Супербиосфера является объектом изучения многих наук, в том числе и современной геоэкологии, позволяющей установить связь между человеком, биосферой и космосом.

И не случайно зарождение геоэкологии происходило в годы наибольшего за всю историю проникновения человека в космос. Исследуя структуру (уровень) и динамику (функции) живой и «косной» материи в окружающей среде, современная геоэкология понимает под последней все пространство материальной и мыслительной деятельности.

Геоэкология, как и все традиционно земные науки, получает сегодня дальнейшее развитие благодаря притоку новой, космической информации.

В этой связи, супербиосфера, функционирующие в ней Искусственные экосистемы (космические станции) являются как научной лабораторией для более глубокого и широкого изучения явлений, происходящих в земной биосфере, так и Плацдармом для освоения дальнего космоса, проникновения Па планеты Солнечной системы, выявления оптимальных Для заселения зон околосолнечного и даже галактического пространства.

С точки зрения возможности существования жизни весьма интересны планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В их атмосферах имеются все элементы, необходимые для построения белковых тел. Из-за обилия водорода там не может быть свободного кислорода, но последний имеется в связанном состоянии в воде. Солнечного света эти планеты получают мало, но там имеются собственные источники энергии - тепло приходит из глубоких недр.

Дайте определение экологического потенциала ландшафта.

В чем заключается сущность закона В.И.Вернадского?

Кто открыл первую биокосную систему Земли?

Назовите основные миграционные циклы в биосфере.

В чем заключается принцип Ле Шателье-Брауна?

Кто впервые разработал математические модели для изучения процессов в биосфере?

С чем в значительной мере связано ядовитое действие ионов тяжелых металлов на живые организмы?

Чем вызвано современное состояние дестабилизации биосферы?