سیستم های زیست محیطی بسته
به گزارش وبلاگ توسعه زندگی، این سیستم ها به عنوان راهکاری برای زندگی آینده بشریت در مقابله با چالش های انرژی و مسائل زیست محیطی و صنعتی و در پروژه های فضایی، مطرح هستند.
در یک سیستم زیست محیطی بسته، نگهداری حیات به وسیله استفاده مجدد کامل از مواد در دسترس با استفاده از چرخه ها اتفاق می افتد. دی اکسید کربن بازدم و سایر مواد زائد، به طور شیمیایی یا با فتوسنتز به اکسیژن، آب و غذا تتازه می گردد.
سیستم های اکولوژیکی بسته (CES) (closed ecological system) زیست بوم هایی هستند که بر مبادله ماده با هیچ بخشی خارج از سیستم متکی نیستند. این واژه بیشتر برای توصیف زیست بوم های کوچک دست ساز به کار می رود. چنین سیستم هایی از نظر علمی جالب هستند و می توانند به طور بالقوه به عنوان یک سیستم پشتیبانی از زندگی در طول پروازهای فضایی، در ایستگاه های فضایی یا زیستگاه های فضایی عمل نمایند.
پیشرفت های اخیر در زمینه ژنومیک، روباتیک و فناوری حسگر باعث شده است که مطالعه سیستم های بسته در حال حاضر بسیار بیشتر از گذشته قابل آنالیز باشد و ما استدلال می کنیم که زمان آن فرا رسیده است که مطالعه سیستم های بسته را از این زمینه حومه ای رهایی بخشیم و آنها را وارد جریان اصلی کنیم.در یک سیستم اکولوژیکی بسته، هرگونه مواد زائد فراوری شده به وسیله یک گونه باید حداقل به وسیله یک گونه دیگر مورد استفاده قرار گیرد. اگر هدف حفظ یک فُرم حیات است، مثلاً حیات موش یا انسان، مواد زائد آنها مانند دی اکسید کربن، مدفوع و ادرار باید در نهایت به اکسیژن، غذا و آب تبدیل گردد.
یک سیستم زیست محیطی بسته باید حداقل دارای یک ارگانیسم خودگردان باشد. در حالی که هر دو موجودات شیمیوتروفیک و فوتوتروفیک برای چنین سیستمی قابل قبول هستند، تقریباً همه سیستم های بسته بوم شناختی تا به امروز بر اساس یک فوتوتروف مانند جلبک های سبز ساخته شده اند. (شیمیوتروف ها موجوداتی هستند که با اکسیداسیونِ الکترون دهندگان در محیط خود انرژی دریافت می نمایند. این مولکول ها می توانند آلی (شیمیو ارگانوتروف) یا غیر آلی (شیمیو لیوتوتروف) باشند. اما فوتوتروف ها، ارگانیسم هایی هستند که برای فراوری ترکیبات آلی پیچیده (مانند کربوهیدرات ها) و کسب انرژی، فوتون می گیرند. آنها از انرژی نور برای انجام فرایندهای متابولیک سلولی مختلف استفاده می نمایند. این یک تصور غلط رایج است که فوتوتروف ها اجباراً فتوسنتزی هستند. بسیاری، اما نه همه فتوتروف ها، اغلب فتوسنتز می نمایند: آنها دی اکسید کربن را به صورت آنابولیک به مواد آلی تبدیل می نمایند تا از نظر ساختاری، عملکردی یا به صورت منبعی برای فرآیندهای کاتابولیک بعدی (به عنوان مثال به شکل نشاسته، قندها و چربی ها)، مورد استفاده قرار گیرند.)
یک سیستم زیست محیطی بسته برای کل یک سیاره را اکوسفر می نامند.
سیستم های بوم شناختی بسته ساخته شده به وسیله بشر که برای حفظ زندگی انسان ایجاد شده اند شامل پروژه های بیوسفر 2، ملیسا، بیوس 1، بیوس 2، و بیوس 3 هستند.
زیست بوم های بسته ساخته شده به وسیله بشر راه حلی برای کاربردهای متنوع به عنوان سکونتگاه های انسانی روی زمین است که برای فراهم آوردن کیفیت بالای زندگی در محیط های سختی مانند بیابان ها، کوه ها و منطقه های که از نظر صنعتی آلوده اند، برنامه ریزی می نماید. باغ های بطری و محیط زیست های آکواریوم، ظروف شیشه ای تا حدی یا کاملاً محصور هستند که زیست بوم های بسته ای را تشکیل می دهند که می توانند ساخته یا خریداری شوند. آنها می توانند در بر گیرنده میگوهای کوچک، جلبک، شن، صدف تزئینی و گورگونیا باشند.
بعلاوه سیستم های اکولوژیکی بسته معمولاً در داستان ها و به ویژه در داستان های علمی تخیلی مطرح می شوند. این ها شامل شهرهای گنبدی شکل، ایستگاه های فضایی و زیستگاه های روی سیارات یا سیارک های خارجی، زیستگاه های استوانه ای (مانند استوانه های اونیل)، کُره های دایسون و غیره هستند. (یک کره دایسون یک ابر ساختار فرضی است که به طور کامل یک ستاره را در بر می گیرد و درصد زیادی از توان خروجی آن را گیر می اندازد و به خود اختصاص می دهد.)
زمین یک سیستم بوم شناختی بسته در محیط فضا است که از حیات انسان و سایر موجودات بیولوژیکی پشتیبانی می نماید. خوشبختانه اکسیژن زیادی برای تنفس و بعلاوه آب و غذا در زمین وجود دارد. زیست بوم زمین، هوا و زباله های مایع و جامد را به وسیله فرایندهای بیولوژیکی و شیمیایی بازیافت می نماید.
بشر در حال حاضر فرایند طراحی و ساخت تسهیلات و محیط های آزمایشی که به سختی آب بندی شده اند را شروع نموده است. پروژه هایی مانند ایستگاه فضایی و زیست کره ها با چشم اندازی در جهت ایجاد زیست بوم هایی ساخته شده اند که می توانند حیات خود را با هوا، آب و غذا در مقاصد بسیار دوری مانند ماه حفظ نمایند. با مطالعه اکولوژی، شیمی، زیست شناسی و الگوهای آب و هوا، می توانیم نحوه ایجاد محیط های زیست احیاگر را یاد بگیریم.
سیستم های زیست محیطی بسته می توانند شامل نه تنها یک تنوع طبیعی، بلکه بعلاوه سیستم های مصنوعی باشند که به وسیله انسان برنامه ریزی و مدیریت می شوند. این ها می توانند از سیستم های کشاورزی گرفته تا مزوکوزم، میکروکاسم و آکواریوم، که ممکن است کاربردهای واقعی یا تحقیقاتی داشته باشند، متغیر باشند. سیستم های فراوری مواد غذایی زیست احیاگر برای ایستگاه فضایی و سیستم های بوم شناختیِ بسته، به دانشمندان یاری نموده است تا از بعضی از فرایندهای اساسیِ نحوه رشد گیاهان در زمین آگاهی پیدا نموده و نظریه های علمی موجود را به چالش بکشند. دانشمندان مشاهده نموده اند که خم شدگی نوک در حال رشد بسیاری از گیاهان در جهات مختلف، به ویژه در گیاهان بالا رونده، تأثیر تعامل بین سیگنال های داخلی گیاه، گرانش و نور است - نه فقط گرانش به تنهایی.
مطالعات نشان داده است که الگوهای موج دار و پیچ دار شونده ریشه در هنگام جوانه زنی، در فضا مانند زمین است. این نشان می دهد که گرانش عامل مهمی برای ایجاد این الگوهای رشد ریشه نیست. آزمایشات گیاهی صورت گرفته روی ایستگاه فضایی نشان داد که چرخه رشد گیاهان و فرایندهای اساسی، به شرایط پرواز فضایی بستگی ندارد.
توازی ای بین چالش های پیش روی حمایت زیست احیاگر حیات در یک سیستم زیست محیطی مصنوعیِ بسته و چالش های موجود در زیست کره جهانی ما وجود دارد. با افزایش جمعیت انسانی، آشکارتر می گردد که زیست کره زمین دیگر نمی تواند با خیال راحت آلاینده های دست ساز را جذب کند.
از بین رفتن تنوع زیستی، اتکا به منابع طبیعی تتازه ناپذیر (سوخت های فسیلی) و تبدیل زیست بوم های وحشی برای استفاده انسان، منجر به فراخوان گسترده برای جلوگیری از کاهش منابع طبیعی به منظور حفظ تعادل اکولوژیکی شده است. حجم های کوچک و زمان های چرخه زنی سریع تر در زیست کره زمین، این را روشن می سازد که زیست بوم ها باید طوری طراحی شوند که تتازه آب و جو، بازیافت مواد مغذی، فراوری غذای سالم و فرآیندهای ایمن محیطی را برای حفظ سیستم های فنی، تضمین نمایند.
باغ های بطری و محیط زیست های آکواریوم، ظروف شیشه ای تا حدی یا کاملاً محصور هستند که زیست بوم های بسته ای را تشکیل می دهند که می توانند ساخته یا خریداری شوند.
توسعه سیستم های فنی ای که می توانند به طور کامل ادغام شده و از سیستم های زنده پشتیبانی نمایند، نشان دهنده ادراکات و فناوری های تازه در محیط جهانی است. سیستم های زیست محیطی بسته فرصت هایی را برای آموزش عمومی و تغییر آگاهی در خصوص نحوه زندگی ما در زیست کره جهانی ارائه می دهند.
سیستم های زیست محیطی بسته می توانند شامل نه تنها یک تنوع طبیعی، بلکه بعلاوه سیستم های مصنوعی باشند که به وسیله انسان برنامه ریزی و مدیریت می شوند. این ها می توانند از سیستم های کشاورزی گرفته تا مزوکوزم، میکروکاسم و آکواریوم، که ممکن است کاربردهای واقعی یا تحقیقاتی داشته باشند، متغیر باشند. بعضی از کاربردها ممکن است طراحی سیستم هایی را که کاملاً بسته هستند، آن چنان که در رابطه با چرخه مواد این گونه است، ضروری سازد. در همه موارد، مدل سازی ریاضی می تواند به درک نیروهای پویای سیستم و روینمودهای طراحی کنترل برای حفظ عملکرد سیستم در محدوده دلخواه یاری کند.
بشر در حال حاضر فرایند طراحی و ساخت تسهیلات و محیط های آزمایشی که به سختی آب بندی شده اند را شروع نموده است. پروژه هایی مانند ایستگاه فضایی و زیست کره ها با چشم اندازی در جهت ایجاد زیست بوم هایی ساخته شده اند که می توانند حیات خود را با هوا، آب و غذا در مقاصد بسیار دوری مانند ماه حفظ نمایند. از اصطلاح سیستم اکولوژیکی بسته به طور گسترده استفاده می گردد. با این حال، هیچ معیار متداولی برای بسته بودن سیستم های اکولوژیکی وجود ندارد. برای به دست آوردن تکرار پذیری آزمایش ها با سیستم های اکولوژیکی بسته طبیعی و ساخت بشر، تعدادی برآورد جهانی باید تهیه گردد.
کشاورزیِ سیستم اکولوژیکی بسته، روشی است که تمام مواد مغذی و مواد آلی را در خاکی که کشاورزی در آن رشد نموده است بازیافت می نماید. این روش کشاورزی، سطح مواد مغذی و کربن را در خاک حفظ می نماید و اجازه می دهد که کشاورزی به صورت متوازن انجام گردد. به سیستم های بسته زیست محیطی برای تعدادی از اهداف، احتیاج هست. در فضا، بسته بودن مواد، اجازه می دهد تا منابع مهم حمایتگر زندگی در داخل حفظ و بازیافت شوند، در حالی که سیستم های زیست محیطی بسته در سیستم های کوچک زیست کره ای به مقدار گیری عمیق فرایندهای اکولوژیکی جهانی و چرخه های بیوشیمیایی یاری می نمایند.
سیستم های اکولوژیکی بسته، انجام موضوعاتی تحقیقی را تسهیل می نمایند که احتیاج به جدا سازی از خارج دارند، مانند موجودات زنده اصلاح شده ژنتیکی، به طوری که تعاملات زیست محیطی آنها جدا از فعل و انفعالات با محیط خارج آنالیز می گردد. بسته بودن یک سیستم، درگیرِ حل چالش های پیچیده زیست محیطی است که شامل توانایی کنترل نرخ های چرخه زنی سریع تر و مدیریت تغییرات روزانه و فصلی عناصر حیاتی زندگی مانند دی اکسید کربن، اکسیژن، آب و مواد مغذی است.
مشکل دستیابی به پایداری در یک سیستم بسته، شامل نحوه مدیریت پویایی جوی، شامل گازهای غیر اکسیژنی هوا، بازیافت مواد مغذی، حفظ باروری خاک، حفظ هوا و آب سالم و جلوگیری از از دست دادن عناصر حیاتی است. در سیستم های اکولوژیکی بسته، چالش، ایجاد شباهت هایی با جامعه طبیعی گیاهان و جانوران و زیست بوم ها است.
چالش های دیگر شامل پویایی و ژنتیک جمعیت های کوچک، چالش های روانی برای گروه های کوچک انسانی جدا شده و اقدامات و گزینه هایی است که ممکن است برای اطمینان از عملکرد طولانی مدت سیستم های بسته بوم شناختی ضروری باشد.
سیستم های اکولوژیکی بسته مصنوعی ایجاد شده به صورت تجربی و نظری بیش از دو دهه مورد مطالعه قرار گرفته است. مقدار این سیستم ها از حجم کمتر از یک لیتر تا هزاران متر مکعب فرق دارد. اجزای گنجانده شده در سیستم، دارای طیف گسترده ای از سیستم های آبزی تا سیستم های خاکی هستند که شامل بسیاری از ویژگی های زیست کره زمین اند.
زیست بوم های بسته ساخته شده به وسیله بشر راه حلی برای کاربردهای متنوع به عنوان سکونتگاه های انسانی روی زمین است که برای فراهم آوردن کیفیت بالای زندگی در محیط های سختی مانند بیابان ها، کوه ها و منطقه های که از نظر صنعتی آلوده اند، برنامه ریزی می نماید. بعلاوه، ایجاد یک خانه بوم گردی با هدف ارائه کیفیت بالای زندگی در منطقه ها قطبی و قطب جنوب برای مردم بسیار مهم است.
فناوری پیشرفته انرژی این امکان را فراهم می نماید که در طول زمستان مقادیر پایدار سبزیجات تازه، تصفیه آب و هوا، رنگ و شرایط معمول نور فراهم گردد. سیستم های بسته زیست محیطی مبتنی بر فناوری، امروزه امری واقع بینانه توصیف می گردد و توسعه آنها بر انرژی های در دسترس و تصمیم گیرندگان متکی است.
در حالی که اطلاعات زیادی در خصوص عملکرد این سیستم های بسته بوم شناختی جمع آوری شده است، انتظار می رود که استفاده از این سیستم ها مورد مطالعه قرار گیرد، که در آن صورت این، به سیستم بسته بوم شناختی زمین یاری می نماید.
در یک سیستم زیست محیطی بسته، نگهداری حیات به وسیله استفاده مجدد کامل از مواد در دسترس با استفاده از چرخه ها اتفاق می افتد. دی اکسید کربن بازدم و سایر مواد زائد، به طور شیمیایی یا با فتوسنتز به اکسیژن، آب و غذا تتازه می گردد.آگاهی از این که سیاره ما یک زیست کره خود حمایت گر است و نور خورشید به عنوان منبع اصلی انرژی آن برای زندگی است، منجر به شیفتگی طولانی مدت تاریخی ای در خصوص عملکرد سیستم های اکولوژیکی خود حمایت گر شده است. با این حال، مطالعات چنین سیستم هایی هرگز وارد قانون ابزارهای اکولوژیکی یا تکاملی نشده و در عوض، منجر به ایجاد حومه هایی شده است که به مهندسی سیستم های پشتیبانی از زندگی و سفرهای فضایی مرتبط است. باید چارچوبی را برای ایجاد رنسانس در موضوع زیست کره معرفی کرد که بر اساس مطالعه زیست بوم های بسته از نظر ماده و باز از نظر انرژی، در سطح میکروبی (بیوسفریک میکروبی)، باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه ژنومیک، روباتیک و فناوری حسگر باعث شده است که مطالعه سیستم های بسته در حال حاضر بسیار بیشتر از گذشته قابل آنالیز باشد و ما استدلال می کنیم که زمان آن فرا رسیده است که مطالعه سیستم های بسته را از این زمینه حومه ای رهایی بخشیم و آنها را وارد جریان اصلی کنیم. رویکردی برای مطالعه فرایندهای زیست بوم با اجازه دادن به مطالعات طولانی مدت، به ویژه در سیستم های از پیش معین شده و ساده، و زیست کره های میکروبی، فرصتی را برای آزمایش و توسعه فرضیه های قوی در خصوص عملکرد زیست بوم و عوامل اکولوژیکی و تکاملی خرابی یا دوام طولانی مدت سیستم ارائه می دهد. برخلاف بسیاری از علوم، بوم شناسی زیست بوم هرگز به طور کامل از رویکرد تقلیل گرایانه استفاده ننموده است و با تمام پیچیدگی خود بر دنیای طبیعی متمرکز شده است. یک رویکرد تقلیل گرایانه در بوم شناسی زیست بوم، با استفاده از زیست کره های میکروبی، بر اساس ترکیبی از نظریه و مطالعه تکراری میکروسیستم های بسیار ساده تر، می تواند سودهای هنگفتی را به همراه داشته باشد.
منبع: agritechtomorrow
منبع: راسخون