Большая Советская Энциклопедия (ЖИ)
Шрифт:
Разнообразием принципиальных подходов и решений отличается система обеспечения кислородом (см. табл. 2). Приведённые в таблице методы регенерации кислорода являются лишь наиболее разработанными и не исчерпывают возможных технологических принципов регенерации. Методика и аппаратура для регенерации кислорода электролизом воды позволяет обеспечить газообмен человека с помощью установки, которая весит около 30 кг, при электрической мощности около 10 вт на 1 л кислорода. Биологическая регенерация кислорода может быть осуществлена фотосинтезирующими одноклеточными водорослями, из которых наиболее изучена хлорелла. В лабораторных экспериментах длительностью до 60 сут показана возможность обеспечения газообмена человека при объёме культуры водорослей порядка 20—30 л на человека и затрате минеральных солей около 50 г/чел-сут. Такая система одновременно обеспечивает и поглощение выделяемого человеком углекислого газа. В более сложных вариантах фотосинтетической регенеративной системы расход минеральных солей может быть в несколько раз уменьшен в связи с использованием минеральных элементов мочи. В этом случае одновременно обеспечивается наиболее энергоёмкий этап регенерации воды из мочи — испарение. Кроме того, часть биомассы водорослей может быть использована в пищевом рационе человека (до 20% белковой части рациона). Применение хемосинтетических газообменников на основе водородокисляющих бактерий целесообразно при наличии электролизной системы,
Табл. 2. — Основные технологические принципы систем регенерации кислорода,
| Нерегенеративные системы | |||
| физические | физико-химические | химические | |
| Формы запасае- мого кислорода | Молекуляр- ный кислород: газообразный, жидкий | Химически связанный в форме воды | Химически связанный в составе: перекисей, надперекисей и озонидов щелочных металлов, перхлоратов, перекиси водорода |
| Способы мобили- зации запаса | Ступенчатая редукция газа высокого давления: испарения сжиженного газа и редукция | Электролиз воды (свободной или связанной фосфорным ангидридом) | Химическое разложение кислородных соединений металлов при поглощении ими воды и углекислоты , каталитическое разложение перекиси водорода |
| Источники энергии | Внутренняя энергия сжатого или сжиженного газа | Внешние источники энергии | Энергия экзотермических реакций |
| Регенеративные системы | |||
| Физико-химические | Биологические | ||
| Источники кислорода | Углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ | Углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ | |
| Методы регенера- ции | Электролиз воды: прямое восстановление углекислого газа водородом до углерода и воды с последующим электролизом воды, восстановление углекислого газа водородом до метана (или окиси углерода) и воды с последующим электролизом воды | Фотосинтез зеленых растений, хемосинтез автотрофных бактерий (напр., водородоокисляющих) | |
| Форма потребляе- мой энергии | Тепловая, электрическая | Для фотосинтеза – световая, для хемосинтеза – электрическая (для получения водорода) |
Избыток водяных паров из воздуха может удаляться с помощью нерегенерируемых химических поглотителей, регенерируемых сорбентов (цеолиты), а также физическими методами — вымораживанием и конденсацией. В существующих космических кораблях часть водяных паров конденсируется на холодных поверхностях жидкостно-воздушных теплообменников, входящих в систему терморегулирования обитаемых кабин.
Частные СЖО — регенерации кислорода, удаления углекислого газа и воды — составляют единый комплекс обеспечения состава атмосферы корабля. Иногда к этой системе относят также систему терморегулирования и фильтры очистки воздуха от вредных примесей. Функции этих систем могут выполняться отдельными независимыми устройствами. Так, в частности, была решена СЖО атмосферы в американских кораблях «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон», основанная на запасах кислорода, нерегенерируемых поглотителей углекислого газа и водяных паров. Химические системы обеспечивают сопряженность рассматриваемых процессов в пределах одной системы. Именно такое решение было использовано в сов. кораблях «Восток», «Восход» и «Союз», где применялась нерегенеративная система на основе надперекиси щелочного металла. Выделение кислорода регенеративным веществом связано с вполне определёнными количествами поглощаемой воды и углекислого газа (рис.).
Система водообеспечения основывается на запасах воды. В космическом корабле «Аполлон» питьевая вода вырабатывалась также из запасов кислорода и водорода, «сжигавшегося» в электрохимических генераторах (топливных элементах) для получения электроэнергии. Разработаны различные физико-химические методы регенерации воды из конденсата мочи и атмосферной влаги. Конденсат атмосферных паров достаточно эффективно очищается от неизбежных органических примесей каталитическим окислением, а также с помощью ионообменных смол и углей. В наиболее разработанных методах регенерации воды из мочи используются режимы испарения при различных давлении и температуре, с последующим каталитическим окислением загрязняющих примесей в паровой фазе и очисткой получаемого конденсата сорбентами. Данные методы позволяют регенерировать большую часть потребляемой воды, а при дальнейшем их совершенствовании — добиться практически замкнутого цикла её регенерации.
В отличие от предыдущих систем, обеспечение пищей не имеет ближайших перспектив перехода к регенеративным системам. Запасы пищи в космическом корабле состоят из продуктов и готовых блюд, консервированных в их естественном состоянии или в обезвоженном виде (см. Лиофилизация). Регенерация пищевых веществ возможна на основе использования фотосинтезирующих зелёных растений. Поскольку при этом также решается задача поглощения углекислого газа и регенерации воды, то возможно создание СЖО по типу закрытой экологической системы, основанной на замкнутом биологическом круговороте ограниченного количества вещества. Нужные для человека вещества непрерывно воссоздаются в такой системе благодаря жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Для этого следует расположить комплекс необходимых организмов (см. Биокомплекс) в такую функциональную замкнутую цепь, включающую и человека, где «выходные» характеристики предыдущего звена соответствуют параметрам «входа» последующего. В результате такой организации материально-энергетических отношений между элементами системы возникает новое качество — целостная система высшего порядка, обладающая свойствами закрытой термодинамической системы. Такая система в принципе способна к автономному существованию без поступления вещества извне, насколько это позволит степень согласованности входных и выходных характеристик смежных звеньев системы. При этом впервые возникает ситуация, когда существование самой системы становится в зависимость от жизнедеятельности человека как одного из её функциональных элементов. Эта зависимость настолько велика, что привычное представление о СЖО, как о чём-то внешнем по отношению к человеку, теряет своё основание, поскольку человек здесь является объектом обеспечения в той же мере, в какой он сам необходим в качестве составной части системы как целого. Это показывает всю условность термина СЖО по отношению к закрытым экологическим системам, включающим человека.
Лит.: Проблемы космической биологии, т. 5—7, Л. — М., 1967; Космическая биология и медицина, М., 1966.
О. Г. Газенко.
Принципиальная схема системы регенерации и кондиционирования воздуха корабля — спутника «Восток»: 1 — вентилятор; 2, 3, 4 — регенераторы с регулирующим устройством; 5, 6 — осушители; 7, 8 — краны с ручным управлением; 9 — автоматический кран; 10 — жидкостно-воздушный теплообменник; 11 — шторка радиатора; 12 — исполнительный механизм (привод шторки); 13 — усилитель; 14 — задатчик температуры; 15 — датчик температуры; 16 — сигнализатор и измеритель влажности; 17 —
измеритель давления; 18 — измеритель температуры; 19 — приборная доска; 20, 21, 22, 23 — датчики давления, температуры, влажности; 24, 25, 26 — газоанализаторы O2 и CO2; 27 — фильтры вредных примесей; 28 — противопылевой фильтр; 29 — блок терморегулирования.Жизнеспособность
Жизнеспосо'бность, 1) способность особи (или популяции) жить и давать потомство. Ж. популяции определяется плодовитостью, длительностью периода размножения и количеством достигших половозрелости особей. 2) Способность особи выживать до определённого момента жизненного цикла, например до начала периода размножения. Мерилом Ж. мутанта служит относительная частота доживания до этого периода мутировавших особей по сравнению с немутировавшими.
Жизнеспособность семян
Жизнеспосо'бность семя'н, свойство семян сохранять способность к прорастанию. Только что убранные или хранящиеся при низкой температуре семена часто не прорастают, хотя и имеют здоровый зародыш, т. е. жизнеспособны. Это вызывается периодом покоя, после прохождения которого семена могут дать нормальные всходы. Ж. с. определяют при контрольно-семенном анализе, число живых семян выражают в процентах от общего числа семян, взятых для анализа. Методы определения Ж. с. предусмотрены государственными стандартами.
Жизнь
Жизнь, высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи, закономерно возникающая при определённых условиях в процессе её развития. Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ — непременным условием Ж., способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д. Однако строго научное разграничение на живые и неживые объекты встречает определённые трудности. Так, до сих пор нет единого мнения о том, можно ли считать живыми вирусы, которые вне клеток организма хозяина не обладают ни одним из атрибутов живого: в вирусной частице в это время отсутствуют метаболические процессы, она не способна размножаться и т. д. Специфика живых объектов и жизненных процессов может быть охарактеризована в аспекте как их материальной структуры, так и важнейших функций, лежащих в основе всех проявлений Ж. Наиболее точное определение Ж., охватывающее одновременно оба эти подхода к проблеме, дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел»- (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20, с. 82). Термин «белок» тогда ещё не был определён вполне точно и его относили обычно к протоплазме в целом. Все известные ныне объекты, обладающие несомненными атрибутами живого, имеют в своём составе два основных типа биополимеров: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Сознавая неполноту своего определения, Энгельс писал: «Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них... Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до наивысшей» (там же, с. 84).
Ч. Дарвин в последних строках «Происхождения видов» пишет об основных законах, лежащих, по его мнению, в основе возникновения всех форм Ж.: «Эти законы, в самом широком смысле — Рост и Воспроизведение, Наследственность, почти необходимо вытекающая из воспроизведения, Изменчивость, зависящая от прямого или косвенного действия жизненных условий и от упражнения и неупражнения, Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к Борьбе за жизнь и её последствию — Естественному Отбору...» (Соч., т. 3, М.—Л., 1939, с. 666). Если оставить в стороне роль упражнения, которое, по позднейшим данным, служит фактором ненаследственной изменчивости, обобщение Дарвина сохраняет силу и поныне, а его основные законы Ж. сводятся к двум ещё более общим. Это прежде всего способность живого ассимилировать полученные извне вещества, т. е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам, и за счёт этого многократно воспроизводить их (репродуцировать). При этом, если исходная структура случайно изменилась (см. Мутация), то она продолжает воспроизводиться в новом виде. Способность к избыточному самовоспроизведению лежит в основе роста клетки, размножения клеток и организмов и, следовательно,— прогрессии размножения (основное условие для естественного отбора), а также в основе наследственности и наследственной изменчивости. Советский биохимик В. А. Энгельгардт рассматривает воспроизведение себе подобного как фундаментальное свойство живого, которое ныне получает интерпретацию в терминах химических понятий на подлинно молекулярном уровне. Др. особенность живого заключается в огромном многообразии свойств, приобретаемых благодаря изменчивости материальными структурами живых объектов. Каждое из этих двух фундаментальных свойств связано в основном с функцией одного из двух биополимеров. «Запись» наследственных свойств, т. е. кодирование признаков организма, необходимое для воспроизведения, осуществляется с помощью ДНК и РНК, хотя в самом процессе репродукции непременно принимают участие белки-ферменты. Т. о., живой является не отдельная молекула ДНК, белка или РНК, а их система в целом. Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путём синтеза согласно генетическому коду различных белков (ферментных, структурных и т. д.), которые благодаря своему разнообразию и структурной пластичности обусловливают развитие самых различных физических и химических приспособлений живых организмов. На этом фундаменте в процессе эволюции возникли непревзойдённые по своему совершенству живые управляющие системы. Т. о., Ж. характеризуется высокоупорядоченными материальными структурами, содержащими два типа биополимеров (белок и ДНК или РНК), которые составляют живую систему, способную в целом к самовоспроизведения по принципу матричного синтеза. Характерная особенность химического состава известных нам форм Ж. — асимметрия оптически активных веществ, представленных в живых объектах левовращающими или правовращающими формами.
Ж. возможна лишь при определённых физических и химических условиях (температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Ж. качественно превосходит др. формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности структурной и функциональной, в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическую экономичность живого — результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Одно из важных следствий этой компактности — универсальный эффект «усиления», характерный для всех живых систем. Так, в 5·10– 15г ДНК, содержащейся в оплодотворённом яйце кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5·107 г. Здесь, следовательно, при наличии необходимых условий масса возрастает на 22 порядка. «Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул, — пишет Энгельгардт, — состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие возрастанию энтропии» («Коммунист», 1969, № 3, с. 85). Живые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией, т. е. являются открытыми системами. При этом, в отличие от неживых систем, в них не происходит выравнивания энергетических разностей и перестройки структур в сторону более вероятных форм, а наблюдается обратное.: восстанавливаются разности энергетических потенциалов, химического состава и т. д., т. е. непрерывно происходит работа «против равновесия» (Э. Бауэр). На этом основаны ошибочные утверждения, что живые системы якобы не подчиняются второму закону термодинамики. Однако местное снижение энтропии в живых системах возможно только за счёт повышения энтропии в окружающей среде, так что в целом процесс повышения энтропии продолжается, что вполне согласуется с требованиями второго закона термодинамики. По образному выражению австрийского физика Э. Шрёдингера, живые организмы как бы питаются отрицательной энтропией (негэнтропией), извлекая её из окружающей среды и увеличивая этим возрастание положительной энтропии в ней.