В закрытой экологической системе поддержание жизни происходит за счет полного повторного использования доступного материала с помощью циклов. Выдыхаемый углекислый газ и другие отходы восстанавливаются химическим путем или путем фотосинтеза в кислород, воду и пищу.
Земля - это замкнутая экологическая система в среде космоса, обеспечивающая жизнеобеспечение человека и других биологических живых существ. К счастью, кислорода для дыхания, а также воды и пищи предостаточно. Экосистема Земли перерабатывает воздух, жидкие и твердые отходы с помощью биологических и химических процессов.
Люди уже начали процесс проектирования и строительства герметичных экологических испытательных лабораторий и сред. Такие проекты, как космическая станция и биосферы, были созданы с целью создания экосистем, которые могут поддерживать жизнь с помощью воздуха, воды и пищи в отдаленных местах, таких как Луна. Изучая экологию, химию, биологию и погодные условия, мы можем понять, как создавать биорегенерирующую среду.
Биорегенеративные системы производства продуктов питания для космической станции и закрытые экологические системы помогли ученым понять некоторые из основных процессов роста растений на Земле и бросили вызов существующим научным теориям. Ученые заметили, что изгиб в разных направлениях кончика многих растений, особенно наблюдаемый у вьющихся растений, является результатом взаимодействия между собственными внутренними сигналами растения, гравитацией и светом, а не только гравитацией.
Исследования показали, что модели завивки и скручивания корней во время прорастания сопоставимы на Земле и в космосе. Это указывает на то, что сила тяжести не является существенным фактором для этих моделей роста корней. Эксперименты с растениями, проведенные на космической станции, показали, что цикл развития растений и основные процессы не зависят от условий космического полета.
Существует параллель между проблемами, с которыми сталкивается биорегенеративное жизнеобеспечение в искусственно закрытой экологической системе, и проблемами в нашей глобальной биосфере. С ростом населения Земли становится все более очевидным, что биосфера Земли больше не может безопасно поглощать антропогенные загрязнители.
Утрата биоразнообразия, зависимость от невозобновляемых природных ресурсов (ископаемое топливо) и преобразование диких экосистем для использования человеком привели к широко распространенному призыву избегать истощения природных ресурсов в целях сохранения экологического баланса. Небольшие объемы и более короткое время круговорота в биосфере Земли ясно показывают, что экосистемы должны быть спроектированы так, чтобы гарантировать обновление воды и атмосферы, повторное использование питательных веществ, производство здоровой пищи и безопасные экологические процессы для поддержания технических систем.
Расширение технических систем, которые могут быть полностью интегрированы и поддерживать живые системы, свидетельствует о новых представлениях и технологиях в глобальной среде. Закрытые экологические системы предлагают возможности для общественного образования и изменения сознания того, как мы живем в нашей глобальной биосфере.
Замкнутые экологические системы могут состоять не только из природного разнообразия, но и из искусственных систем, планируемых и управляемых людьми. Они могут варьироваться от сельскохозяйственных систем до мезокосмов, микрокосмов и аквариумов, которые могут иметь практическое или исследовательское применение. В некоторых случаях может потребоваться проектирование систем, которые полностью закрыты, что касается циклирования материалов. Во всех случаях математическое моделирование может помочь оценить динамические силы системы и конструктивные подходы к управлению, позволяющие поддерживать работу системы в желаемых диапазонах.
Термин «замкнутая экологическая система» широко используется. Тем не менее, не существует общепризнанной меры закрытия экологических систем. Для получения воспроизводимости экспериментов с естественными и техногенными замкнутыми экологическими системами необходимо разработать ряд универсальных оценок.
Земледелие с закрытой экологической системой - это процедура, при которой все питательные вещества и органические вещества рециркулируются обратно в почву, в которой они выросли. Эта сельскохозяйственная практика сохраняет уровни питательных веществ и углерода в почве и позволяет вести сельское хозяйство на сбалансированной основе. Закрытые экологические системы необходимы для решения ряда задач. В космосе материальная изоляция позволяет сохранять внутри и перерабатывать важные жизнеобеспечивающие ресурсы, в то время как закрытые экологические системы в небольших биосферных системах помогают проводить глубокие измерения глобальных экологических процессов и биогеохимических циклов.
Закрытые экологические системы облегчают изучение объектов исследования, которые требуют изоляции извне, таких как генетически модифицированные организмы, чтобы их экологические взаимодействия можно было исследовать отдельно от взаимодействия с внешней средой. Закрытие системы предполагает решение сложных экологических проблем, в том числе возможность справляться с более быстрыми темпами велосипедного движения и управлять ежедневными и сезонными изменениями критических элементов жизни, таких как углекислый газ, кислород, вода и питательные вещества.
Проблема достижения устойчивости в замкнутой системе состоит в том, как управлять атмосферной динамикой, которая включает в себя следы газов, переработку питательных веществ, поддержание плодородия почвы, поддержание здорового воздуха и воды и предотвращение потери важнейших элементов. В закрытых экологических системах задача состоит в том, чтобы добиться сходства с естественным сообществом флоры и фауны, а также с экосистемами.
Другие проблемы включают динамику и генетику небольших популяций, психологические проблемы для небольших изолированных групп людей, а также меры и варианты, которые могут потребоваться для обеспечения долгосрочного функционирования замкнутых экологических систем.
Искусственно созданные замкнутые экологические системы изучаются экспериментально и теоретически уже более двух десятилетий. Размер этих систем варьировался от менее одной кварты до многих тысяч кубических ярдов в объеме. Компоненты, включенные в систему, имеют широкий диапазон от чисто водных систем до систем на основе почвы, которые включают многие характеристики биосферы Земли.
Искусственные замкнутые экосистемы - это решение для разнообразных применений на Земле в населенных пунктах, обеспечивающих высокое качество жизни в экстремальных экологических средах, таких как пустыни, горы и промышленно загрязненные районы. Также первостепенное значение имеет разработка экодома, призванного обеспечить людям высокое качество жизни в арктических и антарктических регионах.
Разработанная технология энергетики позволяет обеспечить постоянную подачу свежих овощей, очистку воды и воздуха, привычный цвет и световой режим в зимний период. Закрытые экологические системы, основанные на описанной технологии, сегодня реальны и зависят от доступной энергии и решимости лиц, принимающих решения.
Хотя о функционировании этих закрытых экологических систем было известно много, многое еще предстоит изучить, что поможет в создании собственной закрытой экологической системы Земли.
