1. Основные концепции и методы биосферных исследований

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ РЕФЕРАТА

Требования к реферату. Объем 12-15 страниц, включая список литературы. Нельзя использовать готовые рефераты, допускается лишь обычная литература и интернет-ресурсы. Всю используемую литературу необходимо привести в конце реферата. На источники литературы по ходу реферата необходимо делать ссылки (в квадратных скобках указывать номер источника или в круглых скобках указывать фамилию автора и год источника литературы). Структура реферата свободная.

Необходимо равномерно распределить темы в группе, чтобы сначала охватить и представить на занятиях первые темы, по мере их прохождения – следующие за ними.

Проверка реферата. Выполненный реферат необходимо отправить для проверки на адрес nikitin—kfu@mail.ru, в теме письма указать название реферата, которое должно соответствовать названию файла.

Наименование реферата. Реферат нужно называть, исходя из следующего шаблона:

№ группы – Фамилия Имя – № темы реферата.doc

Например, название файла должно выглядеть так:

283 – Иванов Иван – 1.2.doc

В теме письма соответственно должно быть указано:

283 – Иванов Иван – 1.2

Оформление реферата. Реферат должен быть выполнен в Microsoft Word, расширение файла: *.doc. Формат листа – А4, поля – 2 х 2,5 х 2 х 1,5 мм (верхнее, левое, нижнее, правое). Шрифт – Times New Roman, размер шрифта – 14 пт., межстрочный интервал – 1,5 строки, отступ красной строки 1 см, выравнивание абзаца – по ширине. Допускается использование графических материалов, размером не более 10 MB.

Защита реферата. Для защиты реферата необходимо не позднее, чем за 4 дня до проведения практических занятий выслать реферат на проверку (при невыполнении этого условия реферат проверен не будет). На занятии необходимо представить устный доклад по реферату на 7-8 минут и быть готовым ответить на несколько вопросов по реферату.

Оценка реферата. Оценка складывается из уровня самостоятельности работы по реферату, полноте раскрытия заявленных тем, а также из ответов на вопросы по реферату.

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ – УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

1.1. Развитие взглядов на концепцию биосферы. Роль работ В. И. Вернадского в формировании современных взглядов на структуру и границы биосферы. Биосфера в современном понимании и ее место среди других оболочек Земли.

1.2. Специфика биосферы как объекта исследований. Методы исследований биосферы. Событийный подход в исследованиях развития биосферы. Геоцентризм, космоцентризм и синтетизм в биосферных исследованиях. Ключевые проблемы в изучении эволюции биосферы.

2. Структура современной биосферы

2.1. Структура, границы и компоненты биосферы. Структура литосферы. Литосферные процессы и их влияние на биосферу. Дегазация недр, генерация магнитного поля, спрединг, субдукция и дрейф материков, формирование рельефа как факторы формирования биосферы.

2.2. Гидросфера, ее границы, физические свойства; химические особенности воды, циркуляция вод при разных климатических условиях и их влияние на свойства биосферы.

Энергия в гидросфере, фотическая зона. Атмосфера, её структура и циркуляция.

2.3. Глобальная климатическая модель голоцена. Радиационный баланс Земли, парниковые газы, парниковый эффект и роль биосферы в его формировании. «Теплая» и «холодная» климатические модели, их приуроченность к геологическим эпохам и влияние на биосферу.

2.4. Биомы в современной биосфере, их ландшафтно-географическая обусловленность и основные структурные черты. Источники вещества и энергии в биосфере.

3. Биогеохимия и учение о биосфере

3. 1. Проблематика и объекты биогеохимии. Роль В.И. Вернадского в развитии биогеохимии. Классификации химических элементов. Содержание химических элементов в биосфере и ее окружении. Биогенные элементы, их источники, запасы и скорости оборота. Типы биогеохимических циклов и их роль в функционироании биосферы.

3.2. Биогеохимические барьеры, их типы и особенности. Осадочный цикл, его основные черты. Циклы главных биогенных элементов (водорода, углерода, серы, азота). Биогеохимические процессы и барьеры; типы биогеохимических барьеров.

3.3. Подходы к моделированию биогеохимических процессов. Влияние цивилизации на биогеохимические циклы.

4. Живое вещество в биосфере

4.1. Жизнь как процесс трансформации вещества и энергии. Классификация экосистем по источникам энергии. Распределение живого вещества; таксономическая, энергетическая и трофическая структуры биосферы. Биомасса и мортмасса в биосферных процессах.

4. 2. Различия сухопутной и морской частей биосферы. Потоки вещества и энергии в современной биосфере. Продукция и потребление в море и на суше. Экологические ниши, «лицензии» и адаптивные зоны. Особенности конкуренции в различных ландшафтных зонах.

4.3. Структура экосистем. Роль почвы в биосферных процессах. Взаимодействие эукариотных и прокариотных организмов в экосистемах. Сложные прокариотные экосистемы (строматолиты, цианобактериальные маты).

5. Ранние этапы эволюции Земли и теории происхождения жизни

5.1. Гипотезы происхождения Земли. Возраст Земли, способы его установления. Исходные физико-химические условия на поверхности планеты и ранние этапы ее химической эволюции.

5.2. Возникновение океана. Эволюция состава атмосферы на ранних этапах развития Земли. Проблема соотношения возраста Земли и древности жизни.

5.3. Следы органических веществ во Вселенной и концепция пангенезиса. Концепции самозарождения жизни. Экспериментальные свидетельства самоорганизации сложных химических систем. Коацерваты и микросферы. Роль абиотических факторов в эволюции протобиологических систем.

5.4. Проблемы биохимической эволюции и возникновения жизни. Возможные пути и движущие силы ранних этапов биохимической эволюции. Первые живые организмы.

Частные методы биологии — что это, определение и ответ

Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими методами исследования.

Методы цитологии:

1. Микроскопия – изучения объектов с помощью различных микроскопов. С их помощью получают изображения с различным увеличением. Микроскопия широко используется в цитологии.

По устройству микроскопы делят на:

  • В световой микроскоп ведется наблюдение за живыми и неживыми объектами. Можно увидеть: клетки, вакуоли растений, ядро, хлоропласты, клеточную стенку. Изображения – цветные и ч\б. Недорогостоящий и нетрудоемкий метод.

Световая микроскопия

  • В электронный микроскоп ведется наблюдение за неживыми объектами с большим увеличением. Через объект проходит поток электронов и создается изображение на фотопластинке. Можно увидеть: рибосомы, микротрубочки, мембраны ЭПС, вирусы. Изображения – ч\б. Дорогостоящий и трудоемкий метод.

Электронная микроскопия

2. Окрашивание (=цитохимический метод) – способ подготовки материала для морфологического, гистологического и цитологического исследования для повышения информативности световой микроскопии. Например, чтобы выявить изменения в шейке матки опухолевой природы, применяют йодный раствор. Опухолевые и нормальные клетки по-разному воспринимают краситель, что позволяет врачу определить наличие заболевания.

Световая микроскопия без окрашивания

Световая микроскопия с окрашиванием

3. Центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы.

Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций (составляющих) органических веществ и т. д. Органоиды клетки разделяются по плотности и молекулярной массе (от тяжелого к легкому): ядро → митохондрии и хлоропласты → лизосомы → рибосомы

Центрифугирование применяется для отделения осадка от раствора, для отделения загрязненных жидкостей, производится также центрифугирование эмульсий (например, сепарирование молока). Для исследования высокомолекулярных веществ, биологических систем применяют ультрацентрифуги.

Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях.

4. Хроматография – разделение смесей веществ или частиц, основанное на различиях в скоростях их перемещения в специальной среде.

Давайте рассмотрим рисунок, что мы здесь видим:

1) Колонну с вязким субстратом.

2) Некая смесь, которая состоит из двух компонентов (A+B).

Чтобы смесь разделить на компоненты мы заливаем ее в эту колонну, частицы двух компонентов двигаются вниз. Так как размеры частиц компонентов различаются, чем меньше размер и разветвленность молекул, тем дальше они продвигаются, так происходит разделение. Это мы видим на рисунке и можем сделать вывод, что частицы компонента А меньше частиц компонента В.

Таким методом смогли разделить компоненты сложного растительного пигмента – хлорофилла.

На рисунке: 1) Колонна с вязким субстратом, 2) Некая смесь, которая состоит из двух компонентов (A+B).

Хроматографию применяют для определения количественного и качественного состава исследуемой смеси (аналитическая хроматография). Метод хроматографии находит широкое применение в таких областях, как химия, нефтехимия, биотехнология, медицина, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных препаратов и во многих других.

5. Электрофорез – близкий к хроматографии метод: разделение веществ происходит в специальном геле, через который пропускают электрический ток, отрицательно заряженные компоненты вещества начинают двигаться в сторону положительно заряженного электрода с разной скоростью и происходит их разделение. Используется для разделения смесей белков, ДНК и др., имеющих разные заряды.

6. Рентгеноструктурный анализ – метод, основанный на дифракции рентгеновских лучей. Можно изучить строение молекул белков, нуклеиновых кислот, других веществ, входящих в состав цитоплазмы.

На рисунке рентгеноструктурный анализ структуры ДНК

7. Метод меченых атомов (=радиоизотопный метод) применяется при изучении биохимических процессов, происходящих в живых клетках. Чтобы проследить за превращениями какого-либо вещества, в него вводят радиоактивную метку (радиоактивный изотоп), т. е. заменяют в его молекуле один из атомов соответствующим радиоактивным изотопом.

Например, для позвоночных йод является важным метаболитом, так как он составляет часть гормонов щитовидной железы. Его концентрация в щитовидной железе в 10 000 раз больше, чем в любом другом органе. Человеку ежедневно необходимо лишь очень малое количество йода (приблизительно 100 мкг). Если, однако, он содержится в пище в меньшем количестве, то у человека возникают различные заболевания щитовидной железы.

Радиоактивный Jl3l используют для того, чтобы проследить прохождение йода, начиная с момента его заглатывания, попадания в щитовидную железу, распределения в гормонах, по всему организму и до окончательного выделения. Особенно важным примером является изучение поглощения щитовидной железой йода, введенного внутривенно.

На рисунке метод меченых атомов

Методы генетики:

1. Гибридологический – один из методов генетики, способ изучения наследственных свойств организма путём скрещивания его с родственной формой и последующим анализом признаков потомства.

В основе гибридологического анализа лежит способность к рекомбинации, то есть перераспределению генов при образовании гамет, что приводит к возникновению новых сочетаний генов.

На рисунке скрещивание растений ночной красавицы

2. Генеалогический метод – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков. Генеалогический метод применяется в генетике.

На рисунке родословная семьи королевы Виктории. Наследование гемофилии

3. Цитогенетический метод (=кариотипирование) – применяется в генетике. С помощью микроскопа изучаются качественные и количественные характеристики хромосомного набора организма. Хромосомы можно предварительно окрасить, чтобы их было проще разделить на гомологичные пары.

Пример: По кариотипу на рисунке ниже мы можем увидеть количество хромосом, определить пол данного организма (мужской, так как есть Y- хромосома) и заметить мутации (геномные)

4. Близнецовый метод – метод сопоставления особенностей членов однояйцевой близнецовой пары, позволяющий определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование тех или иных свойств человека.

5. Биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме. С помощью биохимического метода можно определить концентрацию различных веществ в полученном материале.

Например, врач может определить количество глюкозы в крови у пациента, у которого он подозревает сахарный диабет.

6. Популяционно-статистический метод дает возможность рассчитать в популяции частоту встречаемости нормальных и патологических генов, определить соотношение гетерозигот – носителей аномальных генов. С помощью данного метода определяется генетическая структура популяции.

7. Молекулярно-генетические методы – группа методов по выявлению изменений в структуре участка ДНК (гена, аллелей), определение нуклеотидных последовательностей.

  • Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) – определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности. Применяется в молекулярной генетике (также см. протеомику и геномику). В результате секвенирование можно получить последовательность мономеров молекулы белка или нуклеиновой кислоты в текстовом виде. Секвенировать можно как отдельные участки, так и полные геномы организмов.

Методы биотехнологии :

Биотехнология – это производство необходимых продуктов и материалов для человека с помощью живых организмов.

1. Методы генной инженерии — методы, направленные на получение рекомбинантных РНК и ДНК, выделение генов из организма (клеток), осуществление манипуляций с генами, введение их в другие организмы и выращивание искусственных организмов после удаления выбранных генов из ДНК. Методом генной инженерии является создание рекомбинантных ДНК.

2. Метод рекомбинантных ДНК – метод заключается во встраивании фрагментов ДНК, среди которых находится интересующий нас участок, в так называемые векторные молекулы ДНК (или просто векторы) – плазмидные (маленькие кольцевые ДНК бактерии) или вирусные ДНК, которые могут быть перенесены в клетки про- или эукариот и там реплицироваться. На следующем этапе проводится отбор тех клеток, которые несут в себе рекомбинантные ДНК (с помощью маркерных признаков, которыми обладает сам вектор), и затем индивидуальных клонов с интересующим нас сегментом ДНК (используя признаки или пробы, специфичные для данного гена или участка ДНК).

3. Хромосомная инженерия – это совокупность методов, позволяющая осуществлять манипуляции с хромосомами. Применяется в селекции растений. Это может быть введение в генотип дополнительных хромосом либо замещение одних хромосом на другие.

4. Методы клеточной инженерии – это методы конструирования (создания) клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Получение и изучение гибридных клеток позволяет решать многие теоретические вопросы биологии. Также данные методы используются в селекции растений для получения новых сортов. В медицине применяется клеточная инженерия для создания моноклональных антител (для борьбы с раковыми клетками).

Благодаря методам клеточной инженерии становится возможным клонирование (создание генетических копий животных).

5. Метод культуры тканей – метод, который также применяется в нескольких науках и относится к области биотехнологии. Метод заключается в выращивании вне организма культуры полученных от него клеток. Селекционеры могут применить этот метод для бесполого размножения растения, которое не дает семян (например, арбуз без косточек). В медицине пытаются воссоздавать из клеток целые органы для их дальнейшей трансплантации.

Методы других наук :

1. Исторический – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет).

2. Биоиндикация – метод, позволяющий оценить численность и состояние видов-биоиндикаторов, по которым можно судить о степени загрязненности воздуха, воды, почвы.

3. Родственное скрещивание (инбридинг). Применяется с целью сохранения/ закрепления необходимых признаков у сорта/породы. Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта.

4. Неродственное скрещивание (аутбридинг) – неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных в пределах одного вида.

5. Отдаленная гибридизация – получение межвидовых и межродовых гибридов.

6. Палеонтологический – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.

7. Эмбриологический – изучение зародышей.

На рисунке развитие зародышей разных классов

8. Метод радиоуглеродного датирования. Метод основан на том, что организмы с пищей могут поглощать радиоактивные изотопы углерода. После гибели животного или растения радиоактивный изотоп постепенно распадается. По его остаточной удельной активности можно оценить время гибели организмов. Данный метод применятся для определения возраста ископаемых останков.

Обрати внимание! Многие методы хоть и являются частными, но применяются не одной, а сразу группой наук. Например, биохимический метод применяют и в медицине, и в ботанике, и в зоологии, и в фармацевтике, и т. д.

Наследие Биосферы 2 для изучения биосферы и замкнутых экологических систем

Обзор

. 2003;31(7):1629-39.

doi: 10.1016/s0273-1177(03)00103-0.

Дж. П. Аллен 1 , М. Нельсон, А. Аллинг

принадлежность

  • 1 Биосферный фонд, Санта-Фе, Нью-Мексико, 87508, США. биосферы@compuserve.com
  • PMID: 14503500
  • DOI: 10. 1016/s0273-1177(03)00103-0

Обзор

JP Allen et al. Adv Space Res. 2003.

. 2003;31(7):1629-39.

doi: 10.1016/s0273-1177(03)00103-0.

Авторы

Дж. П. Аллен 1 , М. Нельсон, А. Аллинг

принадлежность

  • 1 Биосферный фонд, Санта-Фе, Нью-Мексико, 87508, США. [email protected]
  • PMID: 14503500
  • DOI: 10.1016/s0273-1177(03)00103-0

Абстрактный

Беспрецедентные задачи создания «Биосферы-2», первой в мире лаборатории биосферы, исследования глобальной экологии и долгосрочной динамики закрытых экологических систем привели к прорывным разработкам во многих областях и более глубокому пониманию возможностей и трудностей материальной замкнутости. В этом документе будут рассмотрены достижения и проблемы со ссылкой на некоторые из ключевых результатов исследований и публикаций, ставших результатом экспериментов в Биосфере 2. Инженерные достижения включали разработку метода переменного объема для работы с перепадами давления между объектом и внешней средой, разработку методы обнаружения и герметизации атмосферных утечек при достижении новых стандартов герметичности с годовой скоростью утечки в атмосферу менее 10% или менее 300 частей на миллион в сутки. Эта степень закрытия позволяла детально отслеживать двуокись углерода, кислород и следовые газы, такие как закись азота и этилен, в течение двух лет сезонной изменчивости. Полное закрытие также потребовало разработки новых подходов и технологий для полной рециркуляции и повторного использования воздуха, воды и сточных вод на объекте. Разработка высокопродуктивной сельскохозяйственной системы на основе почвы была первой в закрытых экологических системах, и многое стало известно об управлении широким спектром сельскохозяйственных культур с использованием нехимических средств борьбы с вредителями и болезнями.

Замкнутые экологические системы имеют различные временные биогеохимические циклы и диапазоны атмосферных компонентов из-за их меньших резервуаров воздуха, воды и почвы и более высокой концентрации биомассы, и Биосфера 2 обеспечила подробное изучение и моделирование этих ускоренных циклов в течение периода закрытия, который измерял годами. Медицинские исследования внутри Биосферы 2 включали влияние пониженного содержания кислорода на людей: открытие того, что продуктивность человека можно поддерживать при хорошем здоровье при пониженном уровне кислорода в атмосфере, может привести к значительной экономии на проектировании космических станций и планетарных / лунных поселений. Улучшение здоровья в результате ограниченной по калориям, но богатой питательными веществами диеты «Биосфера 2» было первым подобным научно контролируемым экспериментом с людьми. Успех «Биосферы 2» в создании разнообразной наземной и морской среды, от тропических лесов до коралловых рифов, позволил провести детальные исследования с комплексными измерениями, благодаря которым динамика этих сложных биомических систем теперь лучше понимается. Экосистема коралловых рифов, крупнейший из когда-либо построенных искусственных рифов, послужила катализатором методов изучения, применяемых в настоящее время к системам планетарных коралловых рифов. Экология восстановления продвинулась вперед благодаря созданию и изучению динамики адаптации и самоорганизации биомов в Биосфере 2. Международный интерес, который вызвала Биосфера 2, дал новый импульс общественному признанию наук о биосферах (биосферах), биомах и замкнутые экологические системы жизнедеятельности. Этот объект, хотя и не является материально закрытой экологической системой, используется Колумбийским университетом в качестве учебного заведения в качестве введения в изучение биосферы и экологии сложных систем, а также изучения воздействия углекислого газа с использованием сложных экосистем, созданных в биосфере. Многие уроки, извлеченные из «Биосферы-2», используются ее ключевой группой создателей при проектировании и эксплуатации закрытой экологической системы лабораторного размера, Лаборатории «Биосфера», работающей с марта 2002 г. , а также при проектировании Марса на Земле. (TM) прототип системы жизнеобеспечения для пилотируемых полетов на Марс и в обитаемые на поверхности Марса места обитания. Биосфера 2 является важной основой для будущих достижений в области исследований биосферы и замкнутых экологических систем.

c2003 Опубликовано Elsevier Science Ltd от имени COSPAR.

Похожие статьи

  • Теория биосферы и отчет об общей конструкции и производительности Биосферы 2.

    Аллен Дж. Аллен Дж. Жизнеобеспечение Biosph Sci. 1997;4(3-4):95-108. Жизнеобеспечение Biosph Sci. 1997. PMID: 11542295

  • Биосфера II: проектирование обитаемых замкнутых экологических систем.

    Демпстер WF. Демпстер ВФ. J Аэросп Инж. 1991 янв; 4(1):23-30. doi: 10.1061/(исх.)0893-1321(1991)4:1(23). J Аэросп Инж. 1991. PMID: 11543563

  • Биосфера 2: проект прототипа постоянной и развивающейся системы жизни для марсианской базы.

    Нельсон М., Аллен Дж. П., Демпстер В. Ф. Нельсон М. и др. Adv Space Res. 1992;12(5):211-7. doi: 10.1016/0273-1177(92)

    • -т. Adv Space Res. 1992. PMID: 11537067

  • Искусственные биосферы как модель глобальной экологии на планете Земля.

    Аллен Дж. Аллен Дж. Жизнеобеспечение Biosph Sci. 2000;7(3):273-82. Жизнеобеспечение Biosph Sci. 2000. PMID: 11676442 Обзор.

  • Выращивание сельскохозяйственных культур для исследователей космоса на Луне, Марсе или в космосе.

    Солсбери ФБ. Солсбери ФБ. Adv Space Biol Med. 1999;7:131-62. doi: 10.1016/s1569-2574(08)60009-x. Adv Space Biol Med. 1999. PMID: 10660775 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Потенциальные стратегии контроля биопленки для длительных космических полетов.

    Zea L, McLean RJC, Rook TA, Angle G, Carter DL, Delegard A, Denvir A, Gerlach R, Gorti S, McIlwaine D, Nur M, Peyton BM, Stewart PS, Sturman P, Velez Justiniano YA. Зеа Л. и др. Биопленка. 2020 30 мая; 2:100026. doi: 10.1016/j.bioflm.2020.100026. Электронная коллекция 2020 декабрь. Биопленка. 2020. PMID: 33447811 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

  • Синтетическая биология для уроков терраформации с Марса, Земли и микробиома.

    Конде-Пуэо Н., Видиелла Б., Сарданьес Дж., Бердуго М., Маэстре Ф.Т., Де Лоренцо В., Соле Р. Конде-Пуэо Н. и др. Жизнь (Базель). 2020 9 февраля; 10 (2): 14. doi: 10.3390/life10020014. Жизнь (Базель). 2020. PMID: 32050455 Бесплатная статья ЧВК.

  • Оценка извлечения углерода из твердых органических отходов сверхкритическим окислением воды для регенеративной системы жизнеобеспечения.

    Чжан Д., Лютер А.К., Клауверт П., Чиччоли П., Ронссе Ф. Чжан Д. и др. Environ Sci Pollut Res Int. 2020 март; 27 (8): 8260-8270. doi: 10.1007/s11356-019-07527-3. Epub 2020 3 января. Environ Sci Pollut Res Int. 2020. PMID: 31897988

  • Мультисистемная адаптация к изоляции во время 180-дневного эксперимента с управляемой экологической системой жизнеобеспечения (CELSS).

    Юань М., Кусто М.А., Сюй З., Ван Дж., Юань М., Таффорин С., Треффель Л., Арбей П., Николя М., Гариб С., Гоклен-Кох Г., Арно Л., Ллорет Дж.С., Ли И., Навасиолава Н. Юань М. и др. Фронт Физиол. 2019 21 мая; 10:575. doi: 10.3389/fphys.2019.00575. Электронная коллекция 2019. Фронт Физиол. 2019. PMID: 31164833 Бесплатная статья ЧВК.

  • Выбросы предполагаемых продуктов окисления изопрена из ветвей манго в условиях абиотического стресса.

    Жардин К.Дж., Мейерс К., Абрелл Л., Алвес Э.Г., Янез Серрано А.М., Кессельмейер Дж., Карл Т., Гюнтер А., Чемберс Дж.К., Викерс К. Джардин К.Дж. и др. J Опытный бот. 2013 сен; 64 (12): 3697-708. дои: 10.1093/jxb/ert202. Epub 2013 23 июля. J Опытный бот. 2013. PMID: 23881400 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

Биосфера 2: Превращение эксперимента в исследовательскую станцию ​​| BioScience

Abstract

Рамеш Мурти смотрит на тополь, растущий в высокогорной пустыне Сонора в 35 милях к северо-востоку от Тусона, штат Аризона. Посаженные в виде 6-дюймовых пней, деревья высотой от 20 до 25 футов предлагают тень от теплого полуденного солнца. Однако вместо того, чтобы расти вдоль пустынного ручья, эти тополя стоят аккуратными рядами внутри футуристического вида закрытой конструкции из стекла и стали в Центре Биосферы 2 на холмах Санта-Каталина недалеко от Оракула, штат Аризона. Они были посажены не для восстановления естественной среды обитания или спасения вымирающих видов, а для серии экспериментов по проверке того, как экосистемы могут реагировать на повышение уровня углекислого газа и другие климатические изменения, связанные с глобальным потеплением.

«Что может быть лучше для изучения целых насаждений деревьев, чем здесь?» — спрашивает экофизиолог Мурти, младший научный сотрудник Колумбийского университета в области биосферы. «Мы можем измерить, что входит и что выходит из камеры. Мы можем использовать эти тополя для разработки моделей, чтобы предсказать, куда уходит углекислый газ и другие [атмосферные] соединения. В отличие от настоящего леса, здесь мы можем контролировать условия. Это означает, что мы можем проводить эксперименты, которые невозможно провести в настоящих лесах или в обычных лабораториях, потому что там нет контроля».

Словно демонстрируя свою точку зрения, Мурти указывает на множество проводов, ведущих от тополей к датчикам вдоль стен. Датчики контролируют и записывают влажность, температуру и уровень освещенности. Газовые пробоотборники в других местах Биосферы измеряют содержание углекислого газа, метана и других атмосферных газов. Один набор вентиляторов обеспечивает циркуляцию воздуха внутри конструкции, в то время как другие пропускают воздух через охлаждающие змеевики, которые удаляют влагу, чтобы имитировать более сухие условия, которые, по прогнозам ученых, возникнут из-за глобального потепления. (Циркуляция и охлаждение воздуха вентиляторами также служат для обогрева и охлаждения здания.) Компьютеризированный командный центр на уровень выше контролирует климатические условия в тополиной камере и во всем здании.

«На этой планете больше нет места, где можно было бы проводить подобные эксперименты, — заявляет Чарльз Бэрри Осмонд, новый президент и исполнительный директор Биосферы. «Мы превращаемся в исследовательское академическое учреждение, способное изучать последствия крупномасштабного изменения климата на уровне экосистемы. Мы максимально приближены к естественной экосистеме. В результате мы можем масштабировать обычные лабораторные эксперименты [от одного листа или отдельного растения до небольшой экосистемы]. Это мощный альтернативный подход».

Несмотря на очевидные преимущества контролируемой среды, проведение исследований в Биосфере имеет некоторые недостатки, признает Эндрю Петерсон, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде. Во-первых, стеклянные окна здания сокращают доступ солнечного света почти наполовину. Во-вторых, нет возможности имитировать штормы с сильным ветром или разрушительными ливнями. Биосфера также не может воссоздать все сложные растения или почвы бразильских тропических лесов или пустыни Сонора, но она может их приблизить. Да и влажность внутри значительно выше, чем снаружи. Это не проблема для тропических лесов Биосферы, но это было бы для исследований в биоме пустыни.

Такие проблемы заставляют некоторых задуматься о том, следуют ли исследователи биосферы лучшим научным путем. «Биосфера по своей сути представляет собой большую оранжерею, — говорит Уильям Шлезингер, декан Школы окружающей среды и наук о Земле Университета Дьюка. «Это полезно для некоторых видов науки, но у них проблемы с тиражированием [экспериментов], потому что есть только один из них. Вопрос, который они должны задать, заключается в следующем: какова минимальная сложность экосистемы, которая может выжить в закрытой среде? Не то чтобы их эксперименты с углекислым газом были плохими, но «Биосфера» превосходно спроектирована для решения давних вопросов о разнообразии и стабильности экосистем».

Перенаправление исследований

На первый взгляд может показаться неуместным, что Биосфера-2 стоимостью 150 миллионов долларов («Биосфера-1» — это сама Земля) должна заняться серьезной наукой. В конце концов, это место, которое открылось в 1991 году для проверки способности людей жить в течение длительного времени в закрытой, самодостаточной структуре в рамках эксперимента по колонизации космоса, который многие исследователи считали лженаукой. Именно здесь уровни кислорода и углекислого газа стали настолько несбалансированными, что первый пришлось добавлять в воздух. И это то место, откуда в 1994.

Очевидный вопрос: как превратить то, что стало кошмаром по связям с общественностью, в образовательное учреждение, способное проводить первоклассные исследования по важным социальным и научным вопросам. Входит Уоллес Брокер, профессор наук о Земле в Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета в Палисейдс, Нью-Йорк. Первоначальные менеджеры «Биосферы» уже наняли Брокера для помощи в расследовании дисбаланса кислорода и углекислого газа. Он осознал потенциал объекта площадью 3,15 акра, расположенного на территории кампуса площадью 250 акров (плюс еще 1250 акров прилегающей земли), с закрытой средой и климат-контролем. Брокер предложил использовать «Биосферу», чтобы «предупредить наших землян» о биологических и биохимических последствиях сжигания ископаемого топлива и повышения уровня углекислого газа в атмосфере.

С помощью Брокера и других новые менеджеры Биосферы создали научно-консультативный комитет с Брокером в качестве сопредседателя и наняли научного директора. Что еще более важно, Брокер помог убедить Колумбийский университет взять на себя ответственность за управление биосферой и реализацию ее научных, образовательных и информационно-просветительских программ. С 5-летним контрактом на управление, подписанным в 1996 году и продленным на 10 лет в 2001 году с возможностью выкупа, Колумбия запустила 3-летнюю модернизацию стоимостью 3 миллиона долларов, которая превратила «Биосферу» из структуры, предназначенной для размещения людей, в структуру, которая могла бы разместить научные исследования.

В рамках модернизации Колумбия разделила то, что раньше было дикой местностью, на отдельные биомы тропических лесов, океана и пустыни. Поливинилхлоридные завесы разделяют биомы, позволяя ученым контролировать климат и атмосферные условия для проведения в каждом из них различных экспериментов. В сельскохозяйственном районе, где космические колонизаторы Биосферы выращивали себе еду, теперь находится топольный лес Мурти. То, что раньше было жилыми помещениями для жителей, было превращено в офисы для сотрудников Биосферы и выставочные площади для 170 000 посетителей в год, которые приезжают, чтобы узнать о глобальном изменении климата.

Модернизация идет полным ходом. Ученые Биосферы обратили внимание на первоначальный заряд Брокера. «Есть много прогнозов о том, как растения будут реагировать на повышение уровня углекислого газа и изменение климата», — говорит Петерсон. «Большинство растений, живущих сегодня, эволюционировали в периоды относительно низкого уровня углекислого газа. Мы хотим понять, как растения реагируют на более высокие уровни и процессы, с помощью которых они адаптируются к новой и изменяющейся среде, поскольку скорость изменения климата, вероятно, превысит скорость, [на которую] может реагировать большинство».

С этой целью Гуанхуэй Лин, экофизиолог и младший научный сотрудник Колумбийского университета в области биосферы, изучил метаболические и функциональные изменения в растениях в тропическом лесу площадью 20 000 квадратных футов здания. Там на стальных мачтах установлены датчики, измеряющие температуру и уровень освещенности. Верхние разбрызгиватели обеспечивают дождь и туман, которые поддерживают высокий уровень влажности. Деревянная дорожка ведет посетителей и исследователей мимо почти 100 различных видов, которые растут в 9Секция здания высотой 1 фут. Самым высоким является cebia (или шелковое хлопковое дерево) высотой 63 фута из Центральной Америки, чьи мешочки с семенами собирают для получения их жестких белых волокон, которые когда-то использовались для наполнения спасательных жилетов и женской одежды.

В одном эксперименте, начатом в 1999 году, Лин и его коллеги из Biosphere изучали, насколько хорошо влажные тропические леса служат резервуарами углекислого газа. Влажные тропические леса действуют как океаны, поглощая, по крайней мере, часть мирового избыточного углекислого газа. Но могут ли влажные тропические леса продолжать поглощать и накапливать углекислый газ бесконечно долго, или существуют верхние пределы их способности действовать как «поглотитель» углекислого газа?

Чтобы ответить на этот вопрос, Лин подверг тропический дождевой лес Биосферы воздействию углекислого газа с концентрацией 400, 700 и 1200 частей на миллион (млн). Уровень 400 частей на миллион близок к сегодняшним оценкам 370 частей на миллион, а 700 частей на миллион — это уровень, ожидаемый к 2100 году. Различные уровни тестировались четыре раза в течение 4 дней каждый в течение 2-летнего периода. Лин измерил способность растений и почвы поглощать углекислый газ и скорость, с которой они «вдыхают» этот газ обратно в атмосферу днем ​​и ночью.

Находки Лина удивили его. Он обнаружил, что измерение интенсивности фотосинтеза и дыхания отдельных листьев, как это делается в большинстве лабораторных и полевых экспериментов, завышает ценность влажных тропических лесов как поглотителей углекислого газа. «Экосистема ведет себя не так, как отдельные листья, из-за взаимодействия между растениями», — говорит Лин. «Вы должны изучить, как вся экосистема реагирует на возмущения».

«Влажные тропические леса пытаются достичь нового равновесия», — добавляет ботаник и геохимик Джозеф Берри из Института Карнеги в Вашингтоне из своего офиса в Стэнфордском университете в Калифорнии. Берри работает с Лином и другими учеными в Биосфере с 19 лет.97. «Увеличение содержания углекислого газа приводит к усилению фотосинтеза и более быстрому росту растений, — говорит он, — но это также приводит к более быстрому дыханию растений [двуокисью углерода]», особенно после того, как растения отмирают или сбрасывают листья.

Действительно, Лин обнаружил, что если уровень углекислого газа поднимется до уровня 700 частей на миллион, предсказанного для 2100 года, способность тропических лесов поглощать атмосферный газ начнет снижаться. На самом деле он обнаружил, что снижение может начаться уже через 20 лет, в зависимости от того, насколько быстро и до какой степени продолжит расти уровень углекислого газа. Через 20–50 лет тропические растения все еще будут поглощать углекислый газ, но накапливать его будут меньше. Если уровень углекислого газа продолжит расти, способность тропических лесов действовать как поглотители углекислого газа полностью исчезнет примерно через 200 лет.

В ходе другого эксперимента команда Линя проверила, действуют ли влажные тропические леса как поглотители углекислого газа во время засухи. Некоторые ученые опасаются, что в тропиках будет меньше дождей, поскольку глобальное потепление нарушает исторические погодные условия. По словам Лин, южноамериканские тропики в некоторых районах уже страдают от засухи. Компьютерные модели предсказали, что влажные тропические леса, подверженные засухе, могут превратиться из поглотителя в источник атмосферного углекислого газа.

В 2000 году Лин перекрыл подачу воды в тропические леса Биосферы на 28 дней. Лин повторил испытание дважды в том же году и планирует провести еще два испытания в 2002 году, каждый раз после этого возобновляя нормальные осадки. Он измерил влажность почвы, относительную влажность, поглощение углекислого газа, фотосинтез листьев и уровни дыхания почвы. Результат? Снижается как фотосинтез, так и количество углекислого газа, теряемого в воздух из почвы. Другими словами, засуха не превращает тропические леса из поглотителей углекислого газа в источники.

Аналогичные эксперименты с тополями Мурти подтверждают выводы Лин. Кевин Гриффин, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Земной обсерватории Ламонта-Доэрти, проверил влияние дневных температурных изменений в диапазоне от 10 до 20 градусов по Цельсию на индивидуальное дыхание листа. Затем он сравнил эти показатели с изменениями температуры в ночное время для всей экосистемы тополя. Как и в случае с выводами Лина, результаты Гриффина показали увеличение дыхания листьев на 19 процентов больше при измерении на уровне экосистемы, чем при измерении отдельных листьев.

«Возможно, реакция растений на глобальное потепление была недооценена предыдущими исследованиями, в которых рассматривались отдельные листья», — говорит Гриффин. «Дыхание листьев больше реагирует на изменения температуры, когда затрагивается вся экосистема. Мы подняли вопросы, которые должны быть решены в ходе долгосрочных исследований, выходящих за рамки нашей стеклянной конструкции».

Эксперименты в искусственном море

Оставив наземные экосистемы позади, Кристофер Лэнгдон, биолог-океанограф и младший научный сотрудник Ламон-Доэрти, сосредоточил свои исследования на океаническом биоме биосферы. Биом океана состоит из резервуара на 750 000 галлонов с глубиной до 25 футов и небольшого песчаного пляжа, расположенного под возвышающимися скалами. Пневматическая камера этажом ниже всасывает воду и откачивает ее, создавая небольшие волны. Чтобы добавить реализма, в океанском биоме даже есть причал и гребная лодка. В отличие от других биомов биосферы, этот содержит животных, а также растения. Около 60 видов морских беспозвоночных, 15 видов рыб и 60 видов водорослей живут в океане площадью 8100 квадратных футов. Лэнгдон хочет знать, влияет ли и как повышение уровня углекислого газа на 25 видов кораллов биома.

В ходе исследований, начатых в 1996 году, Лэнгдон проверил влияние различных уровней углекислого газа на коралловые рифы. Он добавил в воду соляную кислоту и гидроксид натрия, чтобы повысить и понизить уровень углекислого газа. Сначала Лэнгдон поднял уровень углекислого газа до 1200 частей на миллион. Через 30 месяцев он снизил его до 350 промилле. Углекислый газ тестировали при концентрациях 200, 350 и 700 частей на миллион в течение 4 месяцев, причем каждый цикл повторялся восемь раз. Уровень 200 частей на миллион, вероятно, преобладал во время ледникового периода 20 000 лет назад.

Лэнгдон обнаружил, что повышение уровня углекислого газа до 1200 частей на миллион снижает рост коралловых рифов на 90 процентов. Кораллы не смогли приспособиться к такому высокому уровню даже через 30 месяцев. Нормальные темпы роста возобновлялись только тогда, когда уровень углекислого газа снижался до 350 частей на миллион. При 700 ppm Лэнгдон обнаружил снижение отложения карбоната кальция кораллами на 20-40%, а при 200 ppm коралловые рифы росли в два раза быстрее, чем при 350 ppm. Снижение темпов роста при более высоких уровнях углекислого газа может сделать кораллы более уязвимыми для создаваемых штормом волн и действий креветок, улиток, губок и других морских животных, которые зарываются в риф, чтобы избежать хищников. По словам Лэнгдона, исследователи, изучавшие годичные кольца коралловых рифов в дикой природе, сообщают о 10-процентном снижении плотности за последнее столетие, чего можно было бы ожидать от повышения уровня углекислого газа.

Этот эффект, добавляет Лэнгдон, связан с изменением химического состава океанов. Углекислый газ растворяется в морской воде, где он реагирует с ионами карбоната с образованием бикарбоната кальция. Кораллы используют карбонат кальция для построения своих скелетов, из которых состоят рифы. Повышение уровня углекислого газа в атмосфере — и, следовательно, в воде — уменьшает количество карбоната по отношению к бикарбонату, и чем больше бикарбоната кальция в океанах, тем меньше карбоната кальция доступно для коралловых рифов. При 700 ppm уровень бикарбоната повышается на 15 процентов, а уровень карбоната снижается на 40 процентов. «Даже если температура останется постоянной, коралловые рифы пострадают из-за повышения уровня углекислого газа», — говорит он.

Помимо кораллов, Вания Коэльо, морской биолог и младший научный сотрудник Колумбийского университета в области биосферы, хочет знать, как уровень углекислого газа влияет на другие морские организмы. Коэльо, который работает с Лэнгдоном, особенно интересуется улитками и офиурами, важными обитателями рифов. Коэльо обнаружил, что повышение уровня углекислого газа привело к сокращению численности улиток и других беспозвоночных, в то время как численность хрупких звезд увеличилась по пока неизвестным причинам.

В ходе еще одного исследования Коэльо обнаружил, что в океанском сообществе биосферы доминируют пять тварей, по одному в каждой группе беспозвоночных. К ним относятся амфипод, огненный червь, губка, хрупкая звезда и улитка. Каждый из них занимает свою экологическую нишу, говорит Коэльо. Огненный червь — хищник и падальщик, губка — фильтрофаг, а офиур — детритофаг. И амфипод, и улитка питаются водорослями, но разными их видами.

Хотя доминирование этих пяти видов не удивило Коэльо, она была поражена их уменьшающейся численностью с тех пор, как ее исследования начались в 1999. Сокращение затронуло только доминирующие виды, а не другие, более редкие виды, что стало еще одним сюрпризом. «Я ожидала, что [недоминантные виды] будут уничтожены, но этого не произошло», — говорит она. «Мы не знаем, природное это явление или биосферное. Нам нужно больше исследований».

Завершение исследовательской программы

Дальнейшие исследования в области биосферы — одна из целей Барри Осмонда. Чтобы усилить трех докторов наук, которые сейчас работают в «Биосфере», он планирует нанять шесть старших ученых, каждый из которых создаст на месте исследовательскую группу численностью до десяти человек. Ученые высокого уровня помогут собрать грантовые деньги, тем самым уменьшив потребность в поддержке со стороны Колумбийского университета и техасского миллиардера Эдварда Басса — основателя и в течение многих лет единственного финансиста — для годового бюджета Биосферы в 15 миллионов долларов, что в конечном итоге сделает его самодостаточным. . «Мы можем это сделать», — заявляет Осмонд.

Осмонд также надеется провести эксперименты с углекислым газом в пустынных местах обитания. Небольшое строение на этом месте, построенное как испытательный центр, ремонтируется для изучения того, как сагуаро и другие растения пустыни Сонора реагируют на изменение климата. Осмонд также нанял Карла Биля, уроженца России, изучавшего пустыню Каракумы в Туркмении. Биль, координатор исследований «Биосферы», надеется обновить биом пустыни «Биосферы» для изучения азиатских растений.

Тем временем Чарльз Вуд, директор по вопросам образования Биосферы, также стремится сделать Биосферу первоклассным учебным заведением. «Мы предлагаем увлекательную природную среду вокруг нас, которой угрожает развитие человека», — говорит Вуд. «Мы можем интегрировать науку, политику и управление с практическим опытом в мире природы. Мы становимся значительным академическим учреждением с нетрадиционным подходом к обучению в колледже».

Колумбийский университет уже предлагает две семестровые программы бакалавриата в Биосфере. Первый касается Земли и экологических систем. Предлагаются курсы по геологии, биологии, химии окружающей среды и климатологии, каждый из которых рассматривает вопросы, связанные как с наукой, так и с человеческим фактором. «Мы хотим помочь учащимся анализировать и понимать формулирование и управление государственной политикой», касающейся Земли и окружающей среды, — говорит Вуд.

Программа, рассчитанная на второй семестр, использует преимущества 24-дюймового телескопа Биосферы и полдюжины других научных учреждений в горах южной Аризоны. «Это волшебное место ночью», — говорит Вуд об астрономической программе Биосферы. «Вы можете видеть Млечный Путь по всему горизонту». Более 1000 студентов из более чем 200 университетов и колледжей в Соединенных Штатах и ​​за их пределами прошли курсы по двум программам с 19 года.96. Почти треть поступила из Колумбийского университета и его дочерней школы, Барнард-колледжа.

Кроме того, начиная с лета 2002 года, Колумбия будет предлагать годовую магистерскую программу по политике и управлению земными системами в Биосфере. Программа будет основываться на существующей в кампусе Нью-Йорка. Курсы будут объединять науки о Земле и окружающей среде с изучением государственной политики и управления окружающей средой. Также предлагаются летние курсы бакалавриата по биоразнообразию и экологии пустыни. А в этом году руководство «Биосферы» планирует запустить новые курсы для старшеклассников. Эти научные исследования и исследования биосферы (изучение управляемых систем жизнеобеспечения) присоединятся к существующему курсу, изучающему жизнь на Земле и возможность существования жизни в других местах Солнечной системы.

Для размещения ожидаемого увеличения количества студентов (со 100 до 300, а позже, возможно, даже до 500) Биосфера только что завершила строительство квартиры, библиотеки и комплекса студенческого союза стоимостью 10 миллионов долларов. «Это очень захватывающие и очень напряженные времена для нас», — говорит Вуд. «Мы настолько расширяем нашу образовательную программу, что иногда мне кажется, что мы вот-вот покорим мир и, возможно, вселенную».

Как и в случае с покорением космоса, ботаник Джозеф Берри рассматривает Биосферу как место для ученых, которые хотят сделать что-то новое. «Это место привлечет любителей риска», — говорит Берри. «Это способствует новаторскому мышлению и творческим исследованиям. Это место для людей, которые по-другому думают об экосистемах и хотят протестировать новые методы. То, что сейчас происходит в «Биосфере», — это только начало».

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Кампус Biosphere площадью 250 акров расположен в районе лугов пустыни Сонора и мескитовых лесов в 35 милях к северо-востоку от Тусона. Здания круглой формы снабжают Биосферу свежим воздухом. Фотография: Центр биосферы 2 Колумбийского университета

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

На объекте «Биосфера» площадью 3,15 акра (с горами Санта-Каталина снаружи на заднем плане) воссозданы биомы леса, океана и пустыни. Фотография: Центр 9 Биосферы 2 Колумбийского университета.0003

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Исследователь биосферы поднимается в биоме тропического леса, чтобы собрать листья для анализа углерода и азота в рамках изучения последствий глобального потепления.