Сад в бутылке – одно из удивительных украшений вашего дома. Создание миниатюрных композиций, выбор растений, уход за ними очень быстро становятся любимым увлечением и дополнительным источником дохода: флористические композиции под стеклом сегодня очень популярны. «Работа» в таком саду – хорошая профилактика стресса. У вас всегда будет хорошее настроение: красота дарит спокойствие, скрупулезный труд – терпение.

Видео мастер-класс по созданию флорариума

Создаем мир своими руками

Как сделать сад в бутылке? Этот вопрос открывает вам путь к одному из увлекательных занятий. Для создания цветущего шедевра в специализированных магазинах нужно купить:

• стеклянную емкость;
• дренаж, пару листов картона;
• упаковку таблеток активированного угля;
• грунт;
• растения;
• предметы декора.

Чем необычнее сосуд, тем лучше

Один из ключевых моментов — выбор емкости. Это может быть бутыль необычной формы, с широким горлышком и плотно прилегающей крышкой. Можно выбрать высокий объемный бокал, графин, вазу, банку и даже старый аквариум – пригодна любая емкость из прозрачного стекла.

Даем аквариуму вторую жизнь

Дренаж помимо своего прямого предназначения в бутылочном саду несет большую декоративную нагрузку. Выбирать его следует с учетом общей дизайнерской задумки и эстетичности. Хорошо смотрится крупный песок, оригинально выглядит ракушечник, можно использовать керамзит или яркоокрашенные декоративные камни.

Грунт для цветов следует покупать в минимальном количестве. Емкость заполняется всего на четверть. Активированный уголь – хороший антисептик, он пригодится для композиций, высаженных в закрытом сосуде.

При отборе предметов декора ограничиваемся только собственной фантазией. Чаще всего используются камни, ракушки, песок, ветки, мох, декоративные фигурки людей и животных.

Особое внимание – «посадочному материалу»

Растения для сада в бутылке выбираем по следующим параметрам:

• небольшая корневая система (место в замкнутом пространстве ограничено);
• минимальные размеры;
• любовь к повышенной влажности;
• неприхотливось.

Лучше отдавать предпочтение декоративнолиственным экземплярам. Цветущие растения требуют удаления увядших цветов и опавших листьев, что сделать достаточно затруднительно через узкое горлышко бутылки.

Продумываем композицию для мини-сада

Наиболее эффектно в стеклянных емкостях смотрится Вариегата, аир злаковый. Его высота 25 см, растет медленно, отлично переносит недостаток влаги. Его кремово-зеленые листья украсят любой мини-ландшафт.

Хорошо смотрятся в стекле сорта бегонии королевской с мелкими листьями. Высота растений 15 см, располагают ее, как правило, в центре композиции.

Идеальное растение для мини-оранжерей — хамедорея изящная. Эта красивая, медленно растущая пальма с изящными листьями и тонкими стеблями украсит любой сад.

Для небольших емкостей идеально подходит бромелиевидный криптантус. Его высота всего 8 см, при этом он имеет красивые розетки листьев, зеленых с небольшими белыми вкраплениями в нижней части.

Часто для сада в бутылке используют невысокую стройную драцену Сандера. Ее необычные узкие листья с крупными белыми пятнами сразу привлекают внимание.

Неплохо в низкорослых композициях выглядят разные сорта папоротника. Особой популярностью пользуются птерис мечевидный Виктория, адиантум Радди, пеллея круглолистная, адиантум мелковолосистый. Их красивая зелень идеально подходит для создания «внеземных» ландшафтов.

Фиттония Вершаффельта – еще одно растение, которое любит влажный воздух и отлично себя чувствует в закрытом стеклянном сосуде. У нее необычные листья: оливково-зеленые с красными прожилками. Ее «подруга» серебристожильчатая фиттония имеет на ярко-зеленых листьях белые прожилки. И та, и другая красавицы весьма миниатюрны: высота всего 7,5 см.

Капризная маранта в мини-оранжерее чувствует себя великолепно. Ее стелющиеся стебли и зеленые с черными пятнами листья отлично смотрятся за стеклом.

Можно использовать плющ Спетчли, Литтл Диамонд или Тре Купе. Его крохотные листочки очень декоративны в вертикальном озеленении мини-сада.

Пеллиония красивая также часто встречается в флорариумах. Ее стелющиеся красноватые стебли в сочетании с темно-зелеными красивыми листьями выглядят весьма необычно.

У пилеи Кадье есть карликовая разновидность – Нана. Ее ценят за необычные серебристые крапинки на зеленых листьях.

Для декоративного покрытия почвы можно посадить салагинеллу Крауза. Ее маленькие листья издалека напоминают мох. На ее фоне вся композиция смотрится исключительно.

Можно использовать и другие растения. Выбор зависит от общей дизайнерской задумки. Однако следует помнить, что для выращивания в ограниченном пространстве стеклянного сосуда подходят только низкорослые разновидности, высота растений не должна превышать 20 см. К тому же выбранные вами «питомцы» должны любить влажный «климат».

Инструмент для работы в мини-оранжерее

Чтобы сделать сад в бутылке своими руками, без подручного инструмента не обойтись. Ведь всю работу придется выполнять через достаточно узкое горлышко бутылки. Нам понадобятся:

• чайная ложка, зафиксированная на длинном черенке, — будет выполнять роль совка;
• острое лезвие, зафиксированное на ручке подходящего размера, – растения нужно будет подрезать;
• «пресс» для утрамбовки земли – пустая катушка ниток, закрепленная на удобной ручке;
• две длинных палочки – для подхватывания, переноса, посадки растений;
• губка для того, чтобы протирать сосуд изнутри;
• небольшой пульверизатор.

Технология создания флорариума

Берем стеклянный сосуд. Чем оригинальнее он будет, тем привлекательнее получится композиция.

На дно насыпаем дренаж. Если задуман неровный «рельеф», то в горлышко бутылки нужно поставить рупор из плотного листа бумаги, узким концом внутрь. С его помощью можно легко сформировать возвышенности и даже настоящие холмы.

Теперь насыпаем тонким слоем древесный уголь или раскладываем таблетки активированного угля, это защитит наш мини сад в бутылке от болезнетворных бактерий, плесени и переувлажнения.

Теперь добавляем слой плодородной почвы. Чтобы точно быть уверенным, что растения получают все необходимые питательные вещества, грунт следует покупать готовым в специализированных магазинах, исходя из того, какие цветы вы будете сажать. Объем почвы – напрямую зависит от того, насколько глубоко укореняются выбранные вами растения. В любом случае дренаж, уголь и земля не должны занимать больше ¼ части сосуда. Разравниваем слой, слегка «утрамбовываем», используя «пресс» — пустую катушку ниток на длинной ручке. Работать нужно максимально аккуратно, чтобы стенки емкости остались чистыми. Если не получилось, намочите губку, закрепите ее на удобной ручке и тщательно протрите стекло. Его чистота – залог хорошего роста растений. И красоты композиции, конечно.

Приступаем к самому главному – садим цветы и располагаем элементы декора. Для посадки используем обыкновенную вилку и ложку. Ложечкой делаем углубления, вилкой переносим растения и закапываем корни. Не расстраивайтесь, если с первой попытки у вас ничего не вышло. Немного терпения – и у вас все получится. Небольшой секрет. Если корни «саженцев» слишком мощные их следует безжалостно обрезать. Это приостановит рост растений, а также позволит высадить их с минимальными потерями. «Посадки» и почву смачиваем из пульверизатора. Следим, чтобы распыление было микроскопическим, ни в коем случае не используем струйный полив.

Протираем губкой стенки емкости, плотно закрываем ее крышкой.

Чаще всего композиции флорариума составляют из 1-3 растений. Если хотите посадить больше, берите сосуд объемнее. Например, старый аквариум. Посмотрите, как выглядит на фото сад в бутылке, приведенный ниже.

Уход за мини-садом в «пробирке»

Цветы в бутылочном саду не требуют особого ухода. На стенках сосуда иногда появляется обильный конденсат. Это нормально. Обязательно нужно открыть крышку и подсушить. Сильно разросшиеся растения время от времени нужно подрезать, чтобы композиция не теряла свой эстетический вид. В силу того, что за стеклом формируется особая экосистема, полив следует свести к минимуму. В большинстве случаев растениям достаточно той влаги, которую испаряют листья.

Для роста и правильного развития растениям нужен свет. Если флорариум расположен в плохо освещенном месте, следует продумать дополнительные источники света. Лучшее решение – люминесцентная лампа. Она не дает большого тепла, а значит, не пересушит садовых «жителей».

Сад в бутылке – прекрасная альтернатива выращиванию комнатных цветов на подоконнике. Он красив и необычен, к тому же благодаря закрытой экосистеме спокойно «терпит» долгое отсутствие своего владельца.

Замкнутая экосистема - система, не связанная с окружающим миром и не нуждающаяся для своего выживания в любой подпитке извне в течение очень долгого времени. Создание экосистемы в бутылке - научный эксперимент, помогающий изучить всю деликатность природного баланса и понять, как та или иная экосистема выживает или рушится. Вы сможете изолировать маленький кусочек природы у себя на столе и наблюдать, что в нем происходит. Экосистемы в бутылке также называют террариумами, но из-за этого их легко спутать с террариумами декоративными. Проекты в бутылках выживают в течение многих лет. В них помещают растения, землю и влагу - базовые элементы для развития и выживания при замкнутом цикле.

Вам потребуются :
- 2-х литровая бутылка;
- ножницы;
- свежая земля для комнатных растений, универсальная;
- семена;
- любая липкая лента.

1. Возьмите крупную прозрачную бутылку из-под любой жидкости, кроме бытовых химикатов и проч. Полностью удалите любые наклейки с ее поверхности, самым тщательным образом вымойте бутылку изнутри и выполоскайте после водой без добавок. Срежьте с бутылки верхушку прямо перед кругом, где бутылка начинает сужаться по направлению к крышечке. Сохраните и верх бутылки, и саму завинчивающуюся крышку.

2. В бутылку на дно заложите 7,5-10 см почвы. Легонько похлопайте по поверхности бутылки, чтобы земля «уселась», но ни в коем случае не утрамбовывайте почву с силой сверху.

3. Посадите в землю семена: 4-6 семян бобов на глубину в 2,5 см и близко к бокам бутылки. Или выберите другой вид семян и сажайте их на глубину, указанную на коммерческой упаковке. Бобы - выносливые семена, которые легко прорастают, а также они довольно стойкие в вопросе выживания.

Поверх почвы более-менее равномерно посыпьте пару щепоток семян травы и буквально чуть-чуть прикройте их дополнительной землей.

4. Опрыскайте почву водой: последняя должна увлажнить всю землю полностью до самого дна бутылки, но не вымочить почву, тем более до состояния болота. Поэтому лейте по чуть-чуть равномерно по всей поверхности и ждите минут 5: если вода не дойдет до низа, только потом лейте еще.

5. Максимально плотно закрутите крышку на ранее срезанном горлышке бутылки. Аккуратнее - не сбейте резьбу. Переверните верхушку-конус вверх ногами и вложите так в бутылку сверху. Не проталкивайте вниз, а липкой лентой надежно и герметично запечатайте и скрепите края бутылки и конуса вровень друг с другом.

6. Поместите вашу экосистему в теплое, частично освещаемое солнцем место. Дополнительного полива ваша экосистема больше не потребует.

Дополнения и предупреждения:

Спустя пару месяцев поместите в свою вторую экосистему улитку или червяка, чтобы посмотреть, какой эффект они окажут на выживание растения;

Вместо пластиковой бутылки можно использовать и стеклянную банку с плотно завинчивающейся крышкой, только учтите, что стекло более хрупкое;

Начинать можно не с семян, а с саженцев;

Если вам действительно интересен процесс, стоит вести ежедневный журнал изменений в вашей замкнутой экосистеме.

Не знаете что почитать? Самые интересные научные новости России на сайте reactor.space . Узнай какое будущее ждет смартфоны и не только. Узнавай первым и поделись со своими друзьями.

Человечество — самый влиятельный вид, проживающий на планете Земля. Он демонстрирует свое превосходство, бесцеремонно вмешиваясь в различные природные процессы и в жизнь своих менее развитых соседей. Однако, несмотря на стремительное развитие, есть вещи, на которые вряд ли когда-то мы сможем оказать существенное давление.

Изменение нашей биосферы, возможность существования в космическом пространстве или на другой планете – эти направления исследований станут определяющими для наших потомков. Одним из наиболее возможных решений поставленных задач считается создание замкнутой экологической системы. Разработчики многих государств трудятся над этой задачей, преодолевая большие трудности в реализации самодостаточного мира.

Люди давно начали создавать экологические системы. Засеянные поля, парки, искусственные водоемы – все это призвано для извлечения некой пользы. Мы воссоздаем условия, которые позволяют поддерживать жизнедеятельность отельных живых организмов и сред их обитания. Подконтрольно нашему влиянию они взаимодействуют друг с другом. Однако кроме нас на такие образования действует и экологическая система планеты Земля. Она находиться несоизмеримо выше на иерархической лестнице, глобально влияя на свои рукотворные копии.

Целью же научных экспериментов является изучить изменение самой экологической системы Земли или возможность создания подобного независимого природного комплекса. А это значит, что поставлена задача – построить замкнутый автономно функционирующий проект, со своим набором живых организмов и средой обитания. Работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно. Их масштабы и успешность разнообразны, но ученые не прекращают попытки почувствовать себя в роли Создателя.

Проект «Эдем»

Проект «Эдем» — это самая большая оранжерея на нашей планете. Задуманная сэром Тимом Смитом, она была открыта к посещениям в марте 2001 года. На ее строительство потратили 2.5 года и немало интеллектуальных ресурсов. Местом расположения было выбрано графство Корнуолл, Великобритания.

«Эдем» состоит из двух строений, образованных геодезическими куполами, которые представляют собой сферическое архитектурное сооружение. Купол состоит из набора шести- и пятиугольников, которые и образуют каркас громадной оранжереи. Основными материалами строителей были трубчатая сталь и специальный термопластик. Такое покрытие пропускает солнечный свет и аккумулирует тепло, а также является менее опасным, чем стеклянные витражи.

Внутри куполов разработчики воссоздали набор биомов – совокупности экологических систем, которые соответствуют определенным природно-климатическим зонам. В каждом таком объекте расположился уникальный набор живых организмов и растительности. Посетителям предложено путешествие по нескольким климатическим поясам в пределах одного строения. Объем познавательной и развивающей информации сложно переоценить. Всего в «Эдеме» представлено три биома, каждый из которых широко наполнен характерными представителями. Самая большая экосистема представляет экваториальные широты. Она занимает более 1.5 гектара и достигает высоты 55 метров. Внутри поддерживается соответствующий температурный режим и влажность. Скромнее представлены средиземноморские виды. Их биом занимает чуть более 0.6 гектара, однако кроме экологической системы он выделяется скульптурным оформлением. На открытом воздухе представлен биом, отвечающий за представителей умеренного климата.

Конечно, проект «Эдем» нельзя назвать полноценной независимой замкнутой экосистемой. Работа оранжереи постоянно корректируется специальным компьютерным софтом и научными сотрудниками. Кроме того материалы, из которых создана оболочка куполов, имеют достаточно приземленные сроки годности, что делает проект «Эдем» достаточно уязвимым.

Проект БИОС

Более обстоятельно к замкнутости и автономности искусственной экологической системы подошли ученые красноярского Института биофизики. Их серия исследовательских программ БИОС дала неплохие результаты. Стартовав в 1964 году, БИОС-1 и БИОС-2 использовали двух- и трехзвенные системы обеспечения человека. Изначально, основным компонентом работы комплекса должны были стать водоросли хлорелла. Они успешно перерабатывали углекислый газ в кислород, однако оказались непригодны в пищу. Красноярские ученые ввели третий элемент – высшие растения. В 1968 году такая трехсоставная система прошла тестирования, показав перспективные показатели. Экспериментальная среда смогла достичь 85% порога повторного использования водного ресурса.

Основываясь на предыдущих наработках, исследователи в 1972 году запустили проект БИОС-3. Базой исследований стало герметичное помещение, объем которого составил 315 квадратных метра. Оно было разделено на четыре отсека: два предназначались для выращивания растений в искусственных условиях, один занимали микроводорослевые культиваторы, а последний служил жилым помещением. Было проведено десять экспериментов-заселений, в каждом из которых участвовали три человека. Инженер Николай Бугреев находился в БИОСЕ-3 около 13 месяцев.

Эта научная компания добилась беспрецедентных результатов. Была достигнута полная автономность по водной составляющей и газообмену. Самостоятельное обеспечение пищей участников эксперимента достигло отметки 80%.

После распада Советского Союза работы над БИОС-3 были приостановлены. Только в 2005 году в Красноярске возобновилась деятельность по созданию замкнутых экосистем.

Биосфера-2

В начале 90-х годов в пустыне Аризона была предпринята самая масштабная попытка создания пригодной для жизни автономной среды. Проект Биосфера-2 представляет собой лабораторный герметичный комплекс, раскинувшийся на 1.5 гектара. В состав экспериментального сооружения входит 7 отсеков, несущие индивидуальные климатические условия. Здесь есть свой океан, пустыня, тропический лес. Все блоки населены соответствующими видами флоры и фауны. Оболочка Биосферы-2 пропускает до 50% солнечных лучей, а газообмен с внешней средой сведен к возможному минимуму.

Первоочередной задачей проекта Биосфера-2 была проверка возможности существования человека в созданных условиях. Результаты оказались не особо радужными. Ученые и участники эксперимента столкнулись с множеством проблем и недоработок. В среду огромной лаборатории были помещены восемь человек. Однако вскоре они столкнулись с кислородным голоданием. Насыщенность воздуха кислородом опустилась с отметки 21% до 15%. Одной из наиболее вероятных причин была названа деятельность почвенных организмов. Так или иначе, а драгоценный газ пришлось дополнительно подкачивать.

Позже выяснилось, что размеры экосистемы не в состоянии обеспечить жителей пищей в полном объеме. Было принято решение дополнительного засева территорий. Серьезнейшей проблемой стало массовое размножение насекомых-вредителей. Ученые также не учли влияние ветра на укрепление структуры растений. Без этого природного явления деревья стали хрупкими, не имея шансов на полноценный рост. Эксперимент по заселению человека в Биосферу-2 вызвал много вопросов и критики. Следующий исследовательский подход обошелся уже без присутствия людей внутри лаборатории. А в 2005 году проект был выставлен на продажу, так и не решив поставленных целей.

Вот уже более 40 лет в большой бутыли, заткнутой пробкой, живет растение. Без поступления извне воздуха и воды.

Этот смелый эксперимент в свое время поставил Дэвид Латимер, 80-летний садовник из городка Кранлей, Великобритания. Свой первый «сад в бутылке» он запустил в 1960 году. А в 1972 году закупорил бутыль пробкой навсегда. Таким образом растение на фото ниже вот уже 52 года живет в сосуде, причем 41 год из них — совершенно самостоятельно.

Растение живет и не умирает благодаря тому, что оно собирает солнечную энергию, необходимую ему для фотосинтеза, с водой еще проще — в бутыли просто круговорот воды. Она испаряется и конденсируется на стенках бутыли, это и есть осадки. Питательные вещества растение получает из компоста, в который превращаются опавшие листья. Таким образом это растение сможет жить теоретически вечно, если не повлияют какие-то факторы извне. Примечательно, что первоначально садовник посадил в бутыль сразу четыре разных растения, однако выжило только сильнейшее.

Сделать подобную замкнутую экосистему в бутылке не так сложно:

1. Сначала надо найти подходящий стеклянный сосуд с достаточно широким горлышком для более удобного доступа.


2. Нужен хороший грунт и компост.


3. И конечно же, само растение. В качестве растений рекомендуют Adiantum (Папортоник) , некоторые виды Tradescantia (Традесканция) и маленькие ростки Chlorophytum (Хлорофитум).


4. Поливать надо всего 1-2 раза до запечатывания.

Прекрасная замкнутая экосистема , которая сможет существовать до тех пор, пока есть солнечный свет. Даже если вся жизнь на планете вымрет.

А вот и видео с героем, где он рассказывает о том, как все это получилось и показывает свою экосистему.

Иосиф Гительзон, Андрей Дегерменджи, Александр Тихомиров

«В Институте биофизики СО РАН создана уникальная биолого-техническая система жизнеобеспечения человека – БИОС-3. Проведенные на ней эксперименты показали: экипаж из 2–3 испытателей, находящийся в автономном режиме, за счет замкнутого цикла может в течение 4–6 месяцев на 100% обеспечивать свои потребности в воде и воздухе, более чем на 50% – в пище.

На системах такого же назначения, созданных в других странах мира, столь высокого результата пока не достигнуто. В настоящее время БИОС-3 реконструируется с учетом международных стандартов, в нем планируются длительные эксперименты по имитации круговоротных процессов для обеспечения автономного существования человека на лунных и марсианских космических станциях.

Что такое замкнутая экосистема?

В замкнутых экологических системах (ЗЭС) круговорот биогенных элементов организован так, что вещества, используемые с определенной скоростью одними звеньями этих систем, с такой же средней скоростью регенерируются из конечных продуктов их обмена до исходного состояния другими звеньями, а затем вновь используются в тех же биологических циклах.

Наиболее яркий представитель естественных ЗЭС – сама биосфера Земли: в ней за счет круговорота веществ поддерживается существование жизни, в том числе и человечества. В идеальном случае данные системы могут существовать бесконечно долго.

В искусственных ЗЭС конструкторы стремятся реализовать круговорот массообменных процессов с минимальным количеством отходов, т.е. веществ, накапливающихся в системе в виде неиспользуемого балласта. При этом необходимо обеспечить циркуляцию массообменных потоков как минимум между двумя типами звеньев – синтезаторами веществ и их деструкторами. Работа первых чаще всего основывается на фотосинтезе. Поэтому их называют фототрофными, и состоят они либо из низших растений (как правило, микроводорослей), либо из высших. Вторые (деструкторы) окисляют полученные в процессе фотосинтеза вещества и продукты их жизнедеятельности вплоть до компонентов (в идеальном случае до СО 2 , Н 2 О и минеральных соединений), вновь используемых фототрофами.

Важнейшее гетеротрофное звено рассматриваемых нами замкнутых экосистем – человек. Именно он формирует требования к работе всех других звеньев и по сути задает интенсивность круговорота, чтобы обеспечить свои потребности в кислороде, воде и пище. Для ЗЭС с участием людей это означает также включение в круговорот продуктов их жизнедеятельности, растительных отходов и ряда других веществ. Отметим, такая экосистема с фототрофным звеном, состоящим из высших растений, имеет большую замкнутость круговоротных процессов, нежели из водорослей, ибо последние практически несъедобны и их биомасса накапливается в виде отходов. И еще. ЗЭС с человеком могут существовать в автономном режиме достаточно долго. Данное их свойство востребовано в первую очередь для космических целей.

Внешний вид герметической кабины объёмом 12 куб.м с человеком в БИОС-1

Поэтому неудивительно, что резкий рост соответствующих научных исследований связан с «космическим бумом» 50-60 годов ХХ в., когда освоение Луны и Марса казалось делом ближайшего времени.

Пионерские опыты

Первые в мире реально действующие замкнутые системы жизнеобеспечения были созданы в СССР в первой половине 1960-х годов. Основные изыскания развернулись тогда в Москве – в Институте авиационной и космической медицины Министерства обороны, а позднее в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР (ныне ИМБП РАН) и в Красноярске – вначале в отделе биофизики Института физики (ИФ) СО АН СССР, а затем в Институте биофизики (ИБФ) СО РАН. Исторически так сложилось, что в ИМБП поиск изначально был сосредоточен на системах жизнеобеспечения космических кораблей и орбитальных станций, где предпочтения отдавались использованию физико-химических процессов, а в ИБФ – на замкнутых экосистемах для долговременных планетных станций, где доминирующую роль в круговороте веществ должны играть биологические методы. Подчеркнем: с помощью первого подхода невозможно создать полный круговорот, поскольку неизвестны пути искусственного синтеза полноценных пищевых веществ, необходимых для питания человека. Второй же избавлен от этих недостатков. Базирующиеся на нем системы жизнеобеспечения автономны, а следовательно, более независимы от продолжительности миссий при освоении дальнего космоса.

Макет БИОС-3: 1 – жилая часть: три кабины для экипажа, санитарно-гигиенический модуль, кухня-столовая; 2 – фитотроны с высшими растениями: два с площадями посева 20 м2 в каждом; 3 – водорослевый культиватор: три фотобиореактора объемом 20 л каждый для выращивания Chlorella vulgaris .

Разумеется, биологические ЗЭС допускают использование в них элементов физикохимии, но только как дополняющих технологий, способствующих повышению скоростей и степени замкнутости массообменных потоков. Системы, где предполагается такая интеграция биологических и физико-химических методов, получили название биолого-технических ЗЭС. Именно их и создают в ИБФ.

Стартом к началу работ по строительству ЗЭС космического назначения в ИБФ (в те годы отдел биофизики ИФ СО АН СССР) стала встреча в начале 1960-х годов директора Института физики Леонида Киренского (академик с 1968 г.) и Генерального конструктора ракетных систем Сергея Королева (академик с 1958 г.). Предложение Леонида Васильевича создать в Красноярске замкнутую экосистему, способную автономно существовать длительное время за счет внутреннего круговорота вещества, очень заинтересовало Сергея Павловича. Состоялась серия совещаний, в которых приняли участие основатели этого нового направления биофизики Иван Терсков (академик с 1981 г.) и один из авторов данной статьи Иосиф Гительзон (академик с 1990 г.) – они дали подробное научное обоснование целесообразности и реальности выполнения таких работ. Королев поставил четкую задачу: в течение нескольких лет на базе отдела биофизики ИФ СО АН СССР создать экосистему с замкнутым круговоротом вещества, способную в автономном режиме обеспечить длительное пребывание человека в герметичном пространстве в условиях, приближающихся к земным. Тогда государство выделило достаточные средства для привлечения специалистов и приобретения необходимого оборудования.

Выполнение этой задачи можно условно разбить на три этапа. Вначале (1964-1966 гг.) была реализована биологическая система БИОС-1, включавшая два основных звена: герметичную кабину объемом 12 м с человеком и специальный культиватор объемом 20 л для выращивания микроводоросли хлореллы. По итогам семи экспериментов длительностью от 12 ч до 90 суток удалось достичь важного результата – полного замкнутого цикла по газу (выдыхаемый воздух очищался от углекислого газа, примесей, обогащался кислородом, вырабатываемым хлореллой) и воде (включая регенерацию питьевой, для приготовления пищи и гигиенических нужд).

Затем в 1966 г. БИОС-1 модернизировали в БИОС-2 путем подсоединения к ней камеры объемом 8,5 м с высшими растениями – здесь выращивали набор овощных культур. Они повысили замкнутость массообменных процессов в системе за счет частичного вовлечения в круговорот растительной пищи, включенной в рацион питания человека. Кроме того, высшие растения, как и хлорелла, участвовали в регенерации атмосферы для дыхания людей. Это позволило снизить биомассу хлореллы, необходимой для поддержания жизнедеятельности, и тем самым повысить степень замкнутости массообменных процессов. И поскольку за счет фотосинтеза высших растений продуцировался дополнительный объем кислорода, удалось провести эксперименты с экипажем из двух испытателей (наиболее продолжительные из них длились 30 и 73 суток). Работы в БИОС-2 продолжались до 1970 г. По их результатам впервые в мире была доказана возможность длительного функционирования искусственной экосистемы «человек-микроводоросли-высшие растения».

В начале 1972 г. в красноярском ИБФ создали БИОС-3 – принципиально новую искусственную экосистему. В отличие от предыдущих она обрела совершенно иные как конструктивные, так и функциональные характеристики. Установка общим объемом 300 м вместила в себя 4 отсека одинаковых размеров: жилой модуль с индивидуальными каютами для трех испытателей и три отсека с растениями для воспроизводства пищи и регенерации атмосферы и воды.

В БИОС-3 выполнены долговременные (несколько месяцев) опыты как по ранее уже опробованной схеме «человек-хлорелла-высшие растения», так и по совершенно новой – «человек-высшие растения». Впервые в мире удалось сформировать полную растительную диету для испытателей за счет набора растений, выращиваемых в самой системе, благодаря чему степень ее замкнутости по массообмену удалось поднять до 75%. А в итоге из всех искусственных биологических экосистем как в нашей стране, так и за рубежом только БИОС-3 позволила в автономном режиме обеспечивать жизнь экипажа из 2–3 человек в течение 4–6 месяцев за счет замкнутого цикла по воде и газу практически на 100%, по пище – более чем на 50%. Как уже говорилось, до настоящего времени этот результат остается непревзойденным. [Здесь, как и во многом другом, СССР опередил США, см. про их ЗЭС «Биосфера-2 «]

Важно и то, что путь от БИОС-1 до БИОС-3 был пройден за фантастически короткий промежуток времени – примерно за 7 (!) лет.

Рождение новых технологий

Создание БИОС-3 связано с целой плеядой выдающихся ученых. В первую очередь здесь следует еще раз упомянуть Леонида Киренского, заинтересовавшего Сергея Королева в проведении этих изысканий в Красноярске и организовавшего их выполнение. Исключительно важную роль в технической реализации системы сыграл наш сотрудник доктор биологических наук Борис Ковров. Он обладал способностью принимать быстрые и, что важнее, оптимальные конструкторские решения. Именно ему принадлежит идея передачи режимов обслуживания системы «внутрь», т.е. самим испытателям. В этом отношении БИОС-3 выгодно отличается от всех зарубежных искусственных ЗЭС. В ходе экспериментов на ней постоянно вели медицинские исследования состояния человека. Причем работы проходили при активном участии сотрудников ИМБП под руководством академика Олега Газенко, а непосредственный контроль осуществлял кандидат медицинских наук Юрий Окладников. Отметим, за весь период опытов БИОС-3 (длившихся в общей сложности около 11 месяцев) не было ни одного случая возникновения проблем с состоянием здоровья экипажа испытателей.

Важнейшей прорывной технологией явилось включение в круговорот высших растений, ставших основой обеспечения человека кислородом, пищей и водой. Ее автор доктор биологических наук Генрих Лисовский обосновал и практически реализовал идею подбора высших растений с последующей полной заменой ими несъедобной водоросли хлореллы. Специально для замкнутой экосистемы ученый вывел новый сорт короткостебельной пшеницы, у которой около 50% от общей биомассы приходилось на зерно.

Добавим также, что работы на БИОС-3 резко ускорили появление новых технологий. В частности, удалось научно обосновать выбор энергетических и спектральных характеристик видимого излучения для фототрофного звена систем жизнеобеспечения человека, определить место белого света при освещении растительных сообществ как в природе, так и в искусственных условиях и сформулировать концепцию светового управления продукционным процессом у растений с учетом различных уровней организации фотосинтетического аппарата.

В частности, были предложены режимы выращивания различных видов растений на лунной станции. Предполагалось, что если там будет действовать биорегенеративная система жизнеобеспечения, то для выращивания в ней растений (повторим, источника пищи и кислорода) необходимо «научить» их расти в условиях лунных суток, т.е. около 14 земных суток непрерывный свет и примерно столько же – ночь. Эту необычную задачу решили Лисовский с сотрудниками. Они нашли такие параметры внешней среды, при которых удавалось вырастить растения, приемлемые как по съедобной биомассе, так и по биохимическому составу. Это позволяет считать возможным использовать энергию Солнца для построения биорегенеративных систем жизнеобеспечения на Луне.

День сегодняшний

В настоящее время в нашем институте параллельно решают две ключевые задачи: техническую модернизацию системы БИОС-3 и разработку научных основ технологий для повышения степени замкнутости круговоротных процессов. Реализация их поддержана серией грантов СО РАН, рядом контрактов с Европейским космическим агентством. Используются и внутренние ресурсы ИБФ.

Исключительно важное значение мы придаем второму из указанных направлений. В числе уже достигнутых результатов – утилизация несъедобной растительной биомассы. Для вовлечения ее во внутрисистемный круговорот разрабатываем технологию биологического окисления с помощью почвоподобного субстрата. Он представляет собой продукт переработки соломы пшеницы червями и микрофлорой, одновременно являющийся корнеобитаемым слоем для растений. К тому же микрофлора субстрата угнетает патогенные микроорганизмы в корневой зоне растений, что способствует их защите от гнилей.

Еще один результат – экологически чистая технология вовлечения поваренной соли во внутрисистемный массообмен. Как известно, NaCl содержится, в частности, в жидких выделениях человека, но ее концентрация в них может оказаться летальной для растений. Поэтому включение этого соединения в биологический круговорот потребовало привлечения физико-химического метода минерализации жидких выделений. Идея такова: в переменное электрическое поле помещается водный раствор перекиси водорода, от молекул которой при этом отщепляется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем.

Внешний вид малой искусственной экосистемы: 1 – облучатель с высокоинтенсивным источником света; 2 – фототрофное звено (высшие растения) внутри герметичной камеры; 3 – манипуляторы для работы внутри камеры без нарушения ее герметичности; 4 – почвенный блок с почвоподобным субстратом; 5 – приборная стойка для контроля
и автоматического поддержания параметров среды внутри камеры; 6 – стенка герметичной камеры из нержавеющей стали.

В такой среде он доводит до минеральных компонентов растительные и животные отходы, после чего они используются растениями в качестве удобрений. Такой физико-химический метод экологически чист и относительно малоэнергоемок. Исходным продуктом для получения перекиси водорода служит вода – в биорегенеративных ЗЭС она не является дефицитом, т.е. фактически все исходные продукты, требуемые для обеспечения запуска технологического процесса, легко включаются в круговорот. Важно, что в отличие от традиционно используемых в системах жизнеобеспечения космических аппаратов физико-химических процессов, данный идет при температурах до 100 0 С и нормальном давлении.

Правда, полученный таким способом минерализованный раствор содержит неприемлемую для основных видов высших растений концентрацию NaCl. Поэтому первоначально его надо использовать для выращивания съедобного для человека солероса (Salicornia europaea ) – однолетнего растения семейства амарантовых, способного расти на средах с высоким содержанием поваренной соли и накапливать ее до 50% от своего сухого веса. Затем концентрация NaCl в питательном растворе падает до значений, приемлемых для его последующего использования в культивировании других видов растений.

Принципиальное решение проблемы вовлечения в круговорот жидких выделений человека открывает возможность полной ликвидации тупиковых, т.е. неприемлемых для дальнейшего использования веществ в ЗЭС, связанных с его экзометаболитами (выделяемыми во внешнюю среду продуктами метаболизма), включении их во внутрисистемный кругооборот. В связи с этим в ИБФ предложен комплекс соответствующих технологий. Дело в том, что вопрос с твердыми экзометаболитами человека решается намного проще: они не содержат NaCl и их вовлечение в массообмен после стерилизации не представляет особых трудностей.

Перспективы на завтра

Формирование замкнутых экосистем имеет две четко выраженные перспективы применения: космическую направленность и земные приложения. Первая связана с разработкой физических моделей устойчивых круговоротных процессов для стационарных лунных и марсианских баз. Состав систем, их конкретные функции и основные проектные характеристики определяются прежде всего типом той или иной планетной станции, ее задачами, длительностью существования, количеством членов экипажа, весовыми и энергетическими ограничениями, а также рядом других требований (медицинских, эксплуатационных и т.д.).

В литературе можно найти различные варианты систем жизнеобеспечения, основанных как на запасах и физико-химических методах регенерации атмосферы и воды, так и на введении в цепь соответствующих биологических звеньев (микроводорослей, высших растений, рыб и т.д.). Накопленный в ИБФ опыт позволяет акцентировать внимание на реализации интегрированной биолого-физико-химической системы жизнеобеспечения с доминирующей ролью первой составляющей. При развертывании планетной биорегенеративной ЗЭС (на примере гипотетической марсианской миссии) регенерация атмосферы станции, построенная только на высших растениях, будет страдать существенным недостатком – большой инерционностью, связанной с длительным циклом их развития. Стационарное функционирование такой системы возможно лишь спустя несколько месяцев после начала запуска: скажем, полное обеспечение экипажа водой и кислородом реально через 2 месяца, растительной частью диеты – через 3–4 месяца. И в течение этого времени обеспечивать экипаж водой и кислородом сможет только упомянутый водорослевый культиватор: при производительности 600 г/сут сухого вещества он полностью решит проблему нормализации воздушной среды для человека.

Конечно, параллельно с запуском последнего необходимо «включить» конвейер высших растений. По мере его формирования нагрузка на конвейер водорослей будет уменьшаться до такой степени, что последний можно остановить. Таким образом, в ходе развертывания биорегенеративной ЗЭС на планетной станции целесообразно перейти на схему функционирования, основанную только на высших растениях, обеспечивающих человека кислородом и растительной пищей.

Что касается земных приложений ЗЭС, то они возможны в самых различных отраслях. Так, специально разработанные для ЗЭС световые технологии могут стать основой создания энергосберегающих ламп с физиологически обоснованными спектральными и энергетическими характеристиками. Эти источники света применимы, в частности, для получения экологически чистой растительной продукции в регионах с неблагоприятными природными условиями. Дома, в которых будут использовать такие технологии замкнутых циклов, способны обеспечить людям автономное существование длительное время (например, в период сильных морозов и непогоды в северных регионах, в труднодоступных горных местностях) с частичным замыканием в воспроизводстве растительной пищи, обеззараживании и утилизации отходов, а также регенерации атмосферы. Расчеты показывают, что энергозатраты экологичного дома даже ниже, чем обычного.

Еще одно земное приложение – модель круговорота в биосфере. В настоящее время в научном сообществе идут широкие дискуссии о возможных климатических изменениях на нашей планете. Однако до сих пор отсутствует достаточное понимание их причин и механизмов. Приблизит ответы на многие вопросы моделирование, заключающееся во внимании к самым основным, принципиальным для функционирования системы (в данном случае биосферы) параметрам. Такого рода подходы проверяемы не только на биосферном уровне, но и на так называемых «биосфероподобных» системах. На основе полученных результатов реально разработать имитационные модели с принципиально новым характером понимания глобальных биосферных процессов.

Правда, в связи с этим необходимо создать упрощенные биосфероподобные искусственные экосистемы с высокой степенью замкнутости круговорота веществ и относительно небольшой обменной массой, к тому же обладающих определенной репрезентативностью по отношению к природным биотам.

Их уже разрабатывают в ИБФ, они могут оказаться эффективным инструментом для моделирования биосферных процессов, включая исследования их устойчивости к антропогенным факторам воздействия. В такой системе при искусственном свете в условиях герметичности поддерживается круговоротный процесс между двумя основными звеньями: фотосинтезирующим (высшие растения) и гетеротрофным (почвоподобный субстрат). Газовый состав среды, температура и влажность воздуха поддерживаются автоматически. Создавая различные факторы воздействия на систему (изменение температуры, концентрации СО 2 и др.), можно оценить ее реакцию и проверить те или иные варианты сценариев изменения климата.

Примечания

См.: О. Газенко, А. Григорьев, А. Егоров. Космическая медицина: вчера, сегодня, завтра. – Наука в России, 2006, №3,4; А. Григорьев, Б. Моруков. Марс все ближе. – Наука в России, 2011, №1 (прим. ред.).

См.: Э. Галимов. Перспективы планетоведения. – Наука в России, 2004, №6; К. Труханов, Н. Кривова. Брать ли на Марс магнитное поле Земли? – Наука в России, 2010, №3 (прим. ред.).

Биосфероподобные системы – искусственные замкнутые экосистемы, в которых сформированы и функционируют вещественно-обменные циклы, имеющие высокую степень подобия глобальным вещественно-обменным циклам биосферы (прим. авт.).