БСЭ. Жизнеобеспечение - Жизнь
Начало Вверх

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ в космическом полёте, системы жизнеобеспечения (СЖО), комплекс мероприятий, направленных на обеспечение жизнедеятельности экипажа космич. корабля на протяжении полёта. Верхние слои атмосферы Земли и тем более космич. пространство, условия на поверхности планет Солнечной системы непригодны для жизни высокоорганизованных существ, включая человека. Поэтому жизнь и деятельность человека в космич. пространстве может быть обеспечена созданием в космич. кораблях, на искусств. спутниках Земли или планетных станциях искусств. среды обитания, близкой к оптимальной области диапазона жизни на Земле, в её биосфере. Это относится как к возд. среде - искусств. атмосфере корабля, так и к тем элементам среды, в широком смысле слова, к-рые необходимы для питания и поддержания водного баланса организма человека.

Существование человека основано на непрерывном обмене вещества и энергии с окружающей средой. Создание возможностей для этого является функцией СЖО. Т. о., СЖО - комплекс устройств, агрегатов и запасов веществ, обеспечивающих необходимые условия жизнедеятельности экипажа в течение всего полёта. Частные системы (подсистемы) этого комплекса обеспечивают соответствующие им отд. стороны жизнедеятельности (обмена веществ) организма: питание, водный обмен, газообмен, теплообмен (терморегулирование), отправление естеств. надобностей и т. д. Такова типовая структура СЖО в наиболее часто употребляемом узком значении этого термина. СЖО могут быть коллективными (СЖО космич. кораблей и планетных станций) и индивидуальными, напр. автономные СЖО, применяемые вместе со скафандрами.

В более широком смысле к сфере СЖО иногда относят все остальные устройства и предметы, служащие для обеспечения гигиенич., бытовых, культурных и эстетич. потребностей экипажа. Необходимость наиболее полного удовлетворения этих потребностей существенно возрастает с увеличением продолжительности пребывания экипажа в космосе, когда эти стороны деятельности человека могут приобретать значение жизненно важных факторов. Частные СЖО делятся на нерегенеративные, предусматривающие создание бортовых запасов пищи, воды, кислорода, и регенеративные, основанные на регенерации этих веществ из продуктов жизнедеятельности человека или др. обитателей космич. кораблей и спутников.

Принципиальная возможность регенерации всех необходимых для жизнедеятельности человека веществ осн. на том, что организм выделяет в составе продуктов жизнедеятельности все те химич. элементы, к-рые он получил в виде пищи и воды, а также поглощённый при дыхании кислород. Т. о., практически создаётся замкнутый круговорот необходимых веществ. Регенерация пищевых веществ (из углерода углекислого газа, воды, минеральных элементов мочи и кала) может быть, в принципе, осуществлена при использовании способных к фото- или химосинтезу автотрофных организмов. Ведутся также поисковые исследования по искусств. синтезу пищевых углеводов из углекислого газа и воды.

При расчётах СЖО исходят из потребности человека в пище, воде и кислороде, а также из кол-ва выводимых продуктов жизнедеятельности, что вместе составляет материальный баланс обмена веществ в организме человека (см. табл. 1). Помимо этого, в СЖО предусматривается запас воды для туалета, кол-во к-рой при нерегенеративных системах и кратковременных полётах ок. 100 г/чел-сут; при длительных полётах это кол-во увеличивается до 2-2,5 кг/чел-сут. Вода составляет (в зависимости от кол-ва её для туалетных надобностей) 60-80% от массы запасаемых веществ. Поэтому регенеративные системы водообеспечения делают весовой баланс СЖО ниже, чем СЖО с нерегенеративными системами (пропорционально числу членов экипажа и длительности полёта). Исходя из этого, при расчётах СЖО материальный баланс измеряется в чел-сут.

Разнообразием принципиальных подходов и решений отличается система обеспечения кислородом (табл. 2). Приведённые в таблице методы регенерации кислорода являются лишь наиболее разработанными и не исчерпывают возможных технологич. принципов регенерации. Методика и аппаратура для регенерации кислорода электролизом воды позволяет обеспечить газообмен человека с помощью установки, к-рая весит ок. 30 кг, при электрич. мощности ок. 10 вт на 1 л кислорода. Биол. регенерация кислорода может быть осуществлена фотосинтезирующими одноклеточными водорослями, из к-рых 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 ок. 50 г/чел-сут. Такая система одновременно обеспечивает и поглощение выделяемого человеком углекислого газа.
 

Табл. 1.- Примерный материальный баланс обмена веществ человека

Потребление г/чел-сут

 

Выделение, г/чел-сут

 

Пища

500

Углекислый газ

930

Кислород

800

Вода

2200

Водяные пары

840

 

 

Моча

1500

Кал

230

Итого

3500

Итого

3500

В более сложных вариантах фотосинтетич. регенеративной системы расход минеральных солей может быть в неск. 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, когда получаемый в ней водород не утилизируется для гидрирования углекислого газа, окиси углерода или метана в приведённых физико-хим. процессах. Помимо компенсации убыли кислорода, для поддержания состава атмосферы корабля необходимо также удалять избыток углекислого газа и водяных паров. Двуокись углерода может быть удалена физ. методами (вымораживание, конденсация) и применением щелочных хим. поглотителей. Более экономично использовать регенерируемые сорбенты (цеолиты, карбонаты). Попеременная работа двух патронов с цеолитом в режиме "сорбция-десорбция" обеспечивает поглощение углекислого газа, выделяемого 2 членами экипажа при массе установки ок. 40 кг.

Избыток водяных паров из воздуха может удаляться с помощью перегенерируемых хим. поглотителей, регенерируемых сорбентов (цеолиты), а также физ. методами - вымораживанием и конденсацией. В существующих космим. кораблях часть водяных паров конденсируется на холодных поверхностях жидкостно-возд. теплообменников, входящих в систему терморегулирования обитаемых кабин.

Частные СЖО - регенерации кислорода, удаления углекислого газа и волы - 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 отд. независимыми устройствами. Так, в частности, была решена СЖО атмосферы в амер. кораблях "Меркурий", "Джемини" и "Аполлон", основанная па запасах кислорода, нерегенерируемых поглотителей углекислого газа и водяных паров. Хим. системы обеспечивают сопряжённость 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 кол-вами поглощаемой воды и углекислого газа (рис.).

Система водообеспечсния основывается па запасах воды. В космич. корабле "Аполлон" питьевая вода вырабатывалась также из запасов кислорода и водорода, "сжигавшегося" в электрохимич. генераторах (топливных элементах) для получения электроэнергии. Разработаны различные физико-хим. методы регенерации воды из конденсата мочи п атм. влаги. Конденсат атм. парой достаточно эффективно очищается от неизбежных органич. примесей каталитич. окислением, а также с помощью ионообменных смол и углей. В наиболее разработанных методах регенерации поды из мочи используются режимы испарения при различных давлении и темп-ре, с последующим каталитич. 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 космич. корабле состоят из продуктов и готовых блюд, консервированных в их естеств. 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 па замкнутом биол. круговороте огранич. кол-ва 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-энергетич. отношений между элементами системы возникает новое качество - целостная система высшего порядка, обладающая свойствами закрытой термодинамич. системы.
 

Табл. 2. - Основные технологические принципы систем регенерации кислорода

 

Нерегенеративные системы

физические

физико-химические

химические

Формы запасаемого кислорода

молекулярный кислород: газообразный, жидкий

химически связанный в форме воды

химически связанный в составе: перекисей, надперекисей и озонидов щелочных металлов, перхлоратов, перекиси водорода

Способы мобилизации запаса

ступенчатая редукция газа высокого давления; испарение 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 регенерации

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 зелёных растений, хемосинтез автотрофных бактерий (напр., водородокисляющих)

Форма потребляемой энергии

тепловая, электрическая

 

для фотосинтеза- световая; для хемосинтеза - электрическая (для получения водорода)

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 экологич. системам, включающим человека.

Лит.: Проблемы космической биологии, т. 5 - 7, Л.- М., 1967: Космическая биология и медицина. М., 1966.

О. Г. Газенко.

ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ, 1) способность особи (или популяции) жить и давать потомство. Ж. популяции определяется плодовитостью, длительностью периода размножения и кол-вом достигших Половозрелости особей. 2) Способность особи выживать до определённого момента жизненного цикла, напр. до начала периода размножения. Мерилом Ж. мутанта служит относит. частота доживания до этого периода мутировавших особей по сравнению с немутировавшими.

ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ СЕМЯН, свойство семян сохранять способность к прорастанию. Только что убранные или хранящиеся при низкой темп-ре семена часто не прорастают, хотя и имеют здоровый зародыш, т. е. жизнеспособны. Это вызывается периодом покоя, после прохождения к-рого 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 гос. стандартами.

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, к-рые вне клеток организма хозяина не обладают ни одним из атрибутов живого: в вирусной частице в это время отсутствуют метаболич. 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 ок. 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" (М аркс 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 осн. 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 ее проявления, от самой низшей до наивысшей" (там же, с. 84).

Ч. Дарвин в последних строках "Происхождения видов" пишет об осн. законах, лежащих, по его мпснию, 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 се 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. Mутация), то она продолжает воспроизводиться в новом виде. Способность к избыточному самовоспроизведению лежит в основе роста клетки, размножения клеток и организмов и, следовательно,- прогрессии размножения (осн. условие для естественного отбора), а также в основе наследственности и наследственной изменчивости. Сов. биохимик В. А. Энгельгардт рассматривает воспроизведение себе подобного как фундаментальное свойство живого, к-рое ныне получаст интерпретацию в терминах химических понятий па 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.), к-рые благодаря своему разнообразию и структурной пластичности обусловливают развитие самых различных физ. и хим. 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 п ДНК или РНК), к-рые составляют живую систему, способную в целом к самовоспроизведению по принципу матричного синтеза. Характерная особенность химич. состава известных нам форм Ж. - асимметрия оптически активных веществ, представленных в живых объектах левовращающими или правовращающими формами.

Ж. возможна лишь при определённых физ. и хим. условиях (температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение жизненных процессов, напр. при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если сохраняется неповреждённой структура, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

Ж. качественно превосходит др. формы существования материи в отношении многообразия и сложности хим. компонентов и динамики протекающих и живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности структурной и функциональной, в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетич. экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. Одно из важных следствии этой компактности - универсальный эффект "усиления", характерный для всех живых систем. Так, в 5*10-15 г ДНК, содержащейся в оплодотворённом яйце кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, к-рос весит 5*Ю7 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 энергетич. разностей и перестройки структур в сторону более вероятных форм, а наблюдается обратное: восстанавливаются разности энергетич. потенциалов, хим. состава и т. д., т. с. 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 австр. физика Э. Шрёдингера, живые организмы как бы питаются отрицательной энтропией (негэнтропией), извлекая её из окружающей среды и увеличивая этим возрастание положительной энтропии в ней.

Ж. на Земле, зародившаяся не менее 1,5-2 млрд. лет назад (см. Происхождение жизни), представлена громадным числом организмов. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с др. организмами и неживой природой, причём связь эта носит двусторонний характер. Ж. со всеми её проявлениями произвела глубочайшие изменения в развитии нашей планеты, по крайней мере наружных её оболочек. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы всё шире распространялись по планете, принимая всё большее участие в перераспределении энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и водной оболочках Земли. Возникновение и распространение растительности привели к коренному изменению состава атмосферы, первоначально содержавшей очень мало свободного кислорода и состоявшей гл. обр. из двуокиси углерода и, вероятно, метана и аммиака. Растения, ассимилирующие углерод из СО2, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы CO2. Свободный кислород в составе атмосферы служил ие только активным хим. агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли ("озоновый экран"). Одновременно углерод, веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре грандиозные энергетич. запасы в виде залежей органич. соединений (каменный уголь, торф). Растит. покров изменил физ. и хим. характеристики планеты; изменился, в частности, коэффициент отражения поверхностью суши различных участков солнечного спектра. Развитие Ж. в Мировом океане привело к созданию осадочных пород, состоящих из скелетов и др. остатков мор. организмов. Эти отложения, их механич. давление, хим. и физ. превращения изменили поверхность земной коры. Активное избирательное поглощение веществ организмами вызвало перераспределение веществ в верх. слоях коры. Всё это свидетельствует о наличии на Земле особой оболочки, назв. сов. геохимиком В. И. Вернадским биосферой, в к-рой развёртывались и продолжаются поныне жизненные явления.

В ходе эволюции живых организмов всё более совершенствовались процессы регуляции и приспособления их к внеш. условиям, что у свободно подвижных животных способствовало развитию центр. нервной системы. Развитие под влиянием общественного труда наиболее совершенной формы высшей нервной деятельности у предков человека создало предпосылки для перехода Ж. на новый - социальный - уровень, связанный с новой формой движения, свойственной человеку и качественно отличной от биологической, присущей остальным формам Ж. После перехода на этот уровень, с возникновением обществ. сознания, становится возможным прогнозирование развития и создание новых форм регуляции и приспособления, к-рые способны обеспечить преимущества, невозможные в процессе чисто биологич. развития.

Лит.: Энгельс Ф., Диалектика природы, Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20; его же, Анти-Дюринг, там же; Ленин В. И., Материализм и эмпириокритицизм, Полн. собр. соч., 5 изд., т. 18; Вернадский В. И., Биосфера, т. 1-2, Л., 1926; Бауэр Э. С., Теоретическая биология, М.- Л., 1935; Шредингер Э., Что такое жизнь с точки зрения физики?, пер. с англ., М., 1947; Шмальгаузен И. И., Кибернетические вопросы биологии, Новосиб., 1968; Малиновский А. А., Некоторые вопросы организации биологических систем, в сб.; Организация и управление, М., 1968; Энгельгардт В., Проблема жизни в современном естествознании, "Коммунист", 1969, № 3; Веrtalanffу L. vоn. Problems of  life, N. Y., [1960].

А. А. Малиновский.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2016