Про искусственные экосистемы

Jan 10, 2015 14:48

Оригинал взят у vitus_wagner в Про искусственные экосистемы

Андрей Гаврилов
Андрей Гаврилов (которому лень заводить свой блог, поэтому он пишет вещи, заслуживающие отдельных постов в виде оффтопичных комментариев в моем) набросал тут ссылок на Проект по созданию искусственных экосистем БИОС-3

Wikipedia
Проект biosmhars
журнал Природа
oxfgord journals или там же, PDF


Вообще, конечно, искусственные экосистемы - вещь достаточно интересная.
Это с одной стороны замкнутые СЖО для космических кораблей, с другой - возможность создания самодостаточных колоний. Не исключено, что место для искусственных экосистем есть и на планетах с кислородными атмосферами, в том числе и на Земле.

Вопрос в том, что пока что исследования на эту тему ведутся достаточно небольшими группами и результаты получаются несколько странными. Например, на проект Биосфера-2 была затрачена уйма денег, а результаты получены достаточно небольшие.

Вообще говоря, нужно понимать, что цели при создании искусственных экосистем могут ставиться совершенно разные, и подходы к решению задачи тоже могут быть совершенно разные.

У меня сложилось такое впечатление, что авторы проекта "Биосфера-2" ставили задачу создания СЖО для "корабля поколений". Максимальное биоразнообразие, относительно дорогая конструкция. Но не учли немножко того, что для того, чтобы создать экосистему, способную существовать десятилетия, нужен переходный период в несколько лет, в течение которого нужно будет довести до насыщения некоторые химические процессы.

"БИОС-3" судя по всему, это СЖО для межпланетного корабля. Обеспечивает замкнутый цикл по воде и кислороду, но только на 40% обеспечивает экипаж пищей. То есть 60% еды нужно везти с собой в виде консервов, что ограничивает продолжительность экспедиции примерно теми же рамками, на которые могли рассчитывать полярные экспедиции конца позапрошлого-начала прошлого века - 5-7 лет.

Возможно, могут быть созданы еще более компактные искусственные экосистемы. Если отказаться от производства пищи совсем, и обеспечивать только воду и кислород, может быть можно добиться того, что масса системы (вместе с водой и насосами) будет сравнима с массой людей, которых она обслуживает. Ну или превосходить её не более чем в 3-5 раз. (что-то примерно такое используется на спейсианских кораблях).

Очевидно, что для колоний на планетах, в том числе и абсолютно безжизненных, таких как Луна, нужен совсем другой подход. Имея под ногами целую планету стройматериалов, мы можем себе позволить десяти тонн экосистемы на каждую человеческую тушку (примерно как в "Биосфере-2"), но в отличие от Биосферы-2 можем строить систему, рассчитанную на сотни человек, если не на тысячи. А увеличение размеров системы (при условии что мы умеем бороться с теми процессами, которые масштабируются вместе с системой, такими как поглощение углекислоты бетоном) позволяет увеличить биоразнообразие, удлиннить пищевые цепочки (развести в системе не только синиц, которые едят тараканов, но и ястребов-перепелятников, регулирующих численность популяции синиц) и увеличить количепство отрицательных обратных связей стабилизирующих систему.

В идеале, конечно, должна получиться система, которая, в случае ухода оттуда людей (как описанный в "Детях пространства" Большой Купол Клавиуса) переходит в некоторое самоподдерживающееся состояние и продолжает жить. А антропогенное воздействие проживающих там людей на систему сводится к тому, чтобы сместить равновесие в сторону производства вкусных и удобных для человека продуктов, точно так же, как это делается в естественных экосистемах Земли.

Очевидно, что чем больше искусственная экосистема, тем больше времени потребуется на то, чтобы достичь в ней какого-то равновесия (именно на это налетели авторы проекта "Биосфера-2" - не учли необходимости переходного периода, когда нужно предпринимать активные меры по подавлению нарушений равновесия, поскольку обратные связи еще не сформированы).

Существенным элементом искусственной экосистемы, которая способствует ее самостоятельному саморегулированию, избавлению от необходимости прикладывать руки или технические средства, является почва.

Собственно, поэтому многие проекты предлагают использование гидропоники или аэропоники - это существенно упрощает систему, делает её пригодной для автоматического управления (но и нежизнеспособной без такового).

Почва весит много. Примерно 3 тонны на квадратный метр. А квадратных метров на человека нужны сотни. Поэтому, очевидно, что для систем жизнеобеспечения космических кораблей придется таки связываться с гидропоникой и постоянно эту систему регулировать.

А вот для систем на поверхности планеты, где тысячи тонн грунта лежат даром, можно попытаться создать искусственную почву.

Благо, технологии создания искусственных почв активно развиваются на Земле и безотносительно искусственных экосистем.

См, например книгу "Теория и практика конструирования почв", про которую я писал два года назад.

Таким образом у меня сложилась следующая классификация искусственных экосистем:

1. Экосистемы компактные, обеспечивающие замкнутый цикл только по воде и кислороду, но с минимальным весом. Требуют запаса продовольствия, требуют утилизации наработанной биомассы, т.е. принципиально незамкнутые, но позволяют обходиться без контактов с более другими экосистемами порядка года или нескольких лет.

2. Экосистемы постоянные - обеспечивают обитающих в них людей (и, возможно, не только их) полноценным спектром продуктов питания и всего прочего, что человеку необходимо для жизни, включая и рекреационное пространство.

3. Экосистемы промежуточные - немножечко более громоздкие, чем системы первого типа, но частично обеспечивают обитателей продуктами питания. БИОС-3 - это типичный пример промежуточной искусственной экосистемы.

Процесс создания постоянных искусственных экосистем - дело долгое. Потребуются как минимум единицы лет для превращения полностью абиогенных субстратов необитаемых планет в плодородные почвы. И чем больше такая экосистема, тем дольше займет раскрутка, но тем комфортнее там будет жить по её окончании.

Полное терраформирование планеты - предельный случай искусственной постоянной экосистемы. Но как мы знаем по буджолдовскому Барраяру, процесс терраформирования занимает века, даже при довольно благоприятных начальных условиях.

Поэтому, вероятно, в начальный период раскрутки будут использоваться экосистемы промежуточного типа, наработанная в которых несъедобная биомасса будет либо использоваться для создания почв из грунтов (и таким образом включаться в углеродный цикл создаваемой экосистемы), либо должна будет каким-то образом быть захоронена вне системы, если источником атмосферного кислорода для системы служит углекислый газ "дикой" атмосферы, как, например, на Марсе. В этом случае, видимо, неплохо было бы подвергнуть эту биомассу пиролизу, чтобы захоранивать возможно более чистый углерод, а прочие вещества, использованные для создания этой биомассы, включая воду, вернуть в биогеохимические циклы искусственной экосистемы.

Вопрос в том, будет ли у создателей экосистемы избыток высокопотенциального тепла на подобные развлечения.

This entry was originally posted at http://vitus-wagner.dreamwidth.org/1040767.html. Please comment there using OpenID. Now there are
comments


[Из комментариев:]Из комментариев:

From:

Андрей Гаврилов

Date:
10 Январь 2015 14:21 (местное)




( Link)

>Андрей Гаврилов (которому лень заводить свой блог, поэтому он пишет вещи, заслуживающие отдельных постов в виде оффтопичных комментариев в моем)

- продолжая эту славную традицию :) :

Отдельная тема для колонистов - хим.фарма, и синтез большого номинала сложных химических соединений вообще (хотя бы в малых масштабах) (правда для "вообще" кроме фармы мне трудно сходу придумать применения).

Хотелось бы иметь компактное и эффективное решение на этот счет. У вас есть идеи/ наработки/ ссылки на оные (в столе/ в сеттинге)?

Идеал был бы - компактная система, работающая в автоматическом (возможно частично - в автоматическом с точностью до эффекторов (людей)) режиме, заказ, компоненты (лучше - примитивные), несколько циклов работы (возможно, с простейшими действиями руками людей, и на выходе - "оно".

Насколько я понимаю, это возможно делать, используя "Википедию" химиков (есть такая, называется иначе, но там - для любого вещества - цепочки синтеза с описаниями (и ссылки на соотв. работы), насколько я понимаю упоминание у одной биологине в залоге "везет химикам, вот бы у нас (в биологии) аналогично и компактно инфу по биологии иметь" (и еще несколько раз в других местах)) + систему синтеза на поточных реакторах (есть оч. хорошее лаб оборудование для них, - хорошая модульность, возможности автоматизации - уже в нашей реальности.

Отдельно интересен вопрос об изменениях в раскладах "здесь и сейчас", если такую систему сделают, и сделают опенсорсной.
____

В этой связи, хозяйке на заметку, не совсем то, но неплохо так близкое:

Новость, как биологическими методами достаточно эффективно получать различные хим. соединения (не имею ввиду это, как альтернативу вышеописанной системы чистого хим. синтеза; но подспорьем может быть).

Суть идеи (если перепевать попсу) - использование эволюционного механизма. А, впрочем, проще попсу скопировать:

Один из ведущих проект учёных, Джеймсон Роджерс, рассказывает: «Мы подсаживаем бактерии на то химическое соединение, которое нам необходимо производить. Затем мы обрабатываем колонию антибиотиками, после чего выживают только самые высокопроизводительные клетки, которые и участвуют в создании следующего поколения бактерий».

А делают они это так:

Метод изменяет ДНК микроорганизмов таким образом, что гены, ответственные за сопротивление антибиотику, включаются только в присутствии нужного химиката. Этот же химикат становится необходимым для выживания бактерий. В то же время, бактерии, вырабатывающие недостаточное количество химиката, становятся крайне чувствительными к антибиотикам. В результате, с каждым поколением производительность бактерий повышается.

Источник: http://geektimes.ru/post/243981/ - статья с громким (и не уверен, что вполне верным) названием "Найден способ производить практически любые химикаты при помощи бактерий".

Источник для них - попса от Гравардского университета: http://news.harvard.edu/gazette/story/2014/12/bacteria-churn-out-valuable-chemicals/ -
статья "Bacteria ‘factories’ churn out valuable chemicals" с подзаголовком "It’s ‘survival of the fittest’ as bacteria colonies pump out chemicals faster than ever"

Ну а работа, видимо, вот эта: http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2014.09.004
- "Engineering allostery", Srivatsan Raman, Noah Taylor, Naomi Genuth, Stanley Fields, George M. Church.

___

George Church, Ph.D. смотрит на нас.



И не только:



Такой вот http://wyss.harvard.edu/viewpage/119/george-church дядька http://arep.med.harvard.edu/gmc/ .

From:

Андрей Гаврилов

Date:
10 Январь 2015 14:23 (местное)




( Link)

BTW, вспомнилось (к вышеописанному хаку, и источнику темы основного поста): тот самый красноярский Институт биофизики, который подарил нам эту серию "БИОС"'ов, в малохлебный для науки период 90-х (ну и далее, особо после "открытия второго дыхания", у исследовательской фармы после сиб. язвы 2001), неплохо кормила лаборатория, ЕМНИП, биолюминесценции моря (sic!). Внезапно.

Они поставляли одному, известному в узких кругах неограниченных лиц, немецкому фармгиганту, известному своими двумя своими лекарственными "-ин"'ами (как минимум один из которых - в любой домашней аптечке живет), гены биолюминесценции всяких гадов (а этого добра в природе навалом - их там только разных _механизмов_ оной 150 штук насчитали). Поставляли для автоматических линий тестирования лекарств, 100 000 тестов в сутки. Эти гены вкрячивали в человеческие клетки (культуры которых потом использовались в этих линиях), и связывали активацию гена светимости с хим. механизмом, сигнализирующем "лекарство сработало" (грубо говоря). (Как раз потому-то о них в этом месте и вспомнил). Ну а свет как раз автоматика и регистрировала.

From:

Андрей Гаврилов

Date:
10 Январь 2015 14:26 (местное)




( Link)

прямая ссылка на полный текст исходной работы (по этому биотеху): http://libgen.in/scimag7/10.1016/j.tig.2014.09.004.pdf


[Что ещё интересного в СО-сообществах 3-го круга:]_____________________________________________
Что ещё интересного в СО-сообществах 3-го круга:
2 Академия, Марсианский трактор, Мир Полдня, Школа Полдня, ЗОНА СИНГУЛЯРНОСТИ. + оЗадачник:

субъект "умный" очень легко поддаётся "магии толпы"
Экранизация проекта по использованию лунного ракетного топлива для вывода грузов с Земли и Марса
Картинка из будущего трансгуманизма от трансгуманиста
Оптическая иллюзия с восемью тираннозаврами
Основные положения теории четырёхмерного строения атома
"Точка G" мировой экономики
Шифрование в условиях древности

экосистемы, космос, Раздел "Космонавтика - проекты"

Previous post Next post
Up