سیستم‌های زیست محیطی بسته

تصویر: زیست کره 2، دانشگاه آریزونا (Wikimedia Commons)
 
در یک سیستم زیست محیطی بسته، نگهداری حیات از طریق استفاده مجدد کامل از مواد در دسترس با استفاده از چرخه‌ها اتفاق می افتد. دی اکسید کربن بازدم و سایر مواد زائد، به طور شیمیایی یا با فتوسنتز به اکسیژن، آب و غذا تجدید می شود.
 
سیستم های اکولوژیکی بسته (CES) (closed ecological system) اکوسیستم هایی هستند که بر مبادله ماده با هیچ بخشی خارج از سیستم متکی نیستند. این واژه بیشتر برای توصیف اکوسیستم 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 کنند.
 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 بررسی باشد و ما استدلال می کنیم که زمان آن فرا رسیده است که مطالعه سیستم های بسته را از این زمینه ی حومه ای رهایی بخشیم و آنها را وارد جریان اصلی کنیم.در یک سیستم اکولوژیکی بسته، هرگونه مواد زائد تولید شده توسط یک گونه باید حداقل توسط 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 شود.
 
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 کنند. این مولکول ها می توانند آلی (شیمیو ارگانوتروف) یا غیر آلی (شیمیو لیوتوتروف) باشند. اما فوتوتروف ها،  ارگانیسم هایی هستند که برای تولید ترکیبات آلی پیچیده (مانند کربوهیدرات ها) و کسب انرژی، فوتون می گیرند. آنها از انرژی نور برای انجام فرایندهای متابولیک سلولی مختلف استفاده می کنند. این یک تصور غلط رایج است که فوتوتروف ها اجباراً فتوسنتزی هستند. بسیاری، اما نه همه ی فتوتروف ها، اغلب فتوسنتز می کنند: آنها دی اکسید کربن را به صورت آنابولیک به مواد آلی تبدیل می کنند 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 توسط بشر که برای حفظ زندگی انسان ایجاد شده اند شامل پروژه های بیوسفر 2، ملیسا، بیوس 1، بیوس 2، و بیوس 3 هستند.  
 اکوسیستم های بسته ساخته شده توسط 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 مناطقی که از نظر صنعتی آلوده اند، برنامه ریزی می کند. باغ های بطری و محیط زیست های آکواریوم، ظروف شیشه ای تا حدی یا کاملاً محصور هستند که اکوسیستم 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.
 
همچنین 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 می‌اندازد 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 کند. خوشبختانه اکسیژن زیادی برای تنفس و همچنین آب و غذا در زمین وجود دارد. اکوسیستم زمین، هوا و زباله های مایع و جامد را از طریق فرایندهای بیولوژیکی و شیمیایی بازیافت می کند.
 
بشر در حال حاضر فرایند طراحی و ساخت تسهیلات و محیط های آزمایشی که به سختی آب بندی شده اند را آغاز کرده است. پروژه هایی مانند ایستگاه فضایی و زیست کره ها با چشم اندازی در جهت ایجاد اکوسیستم هایی ساخته شده اند که می توانند حیات خود را با هوا، آب و غذا در مقاصد بسیار دوری مانند ماه حفظ کنند. 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 همچنین سیستم های مصنوعی باشند که توسط 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 تولید مواد غذایی زیست احیاگر برای ایستگاه فضایی و سیستم های بوم شناختیِ بسته، به دانشمندان کمک کرده است تا از برخی از فرایندهای اساسیِ نحوه رشد گیاهان در زمین آگاهی پیدا کرده و نظریه های علمی موجود را به چالش بکشند. دانشمندان مشاهده کرده 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 انجام شده 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 شود 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 تجدید ناپذیر (سوخت های فسیلی) و تبدیل اکوسیستم 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 زمان‌های چرخه زنی سریع‌تر در زیست کره زمین، این را روشن می سازد که اکوسیستم ها باید طوری طراحی شوند که تجدید آب و جو، بازیافت مواد مغذی، تولید غذای سالم و فرآیندهای ایمن محیطی را برای حفظ سیستم های فنی، تضمین کنند.
باغ های بطری و محیط زیست های آکواریوم، ظروف شیشه ای تا حدی یا کاملاً محصور هستند که اکوسیستم های بسته ای را تشکیل می دهند که می توانند ساخته یا خریداری شوند. 
گسترش سیستم های فنی ای که می توانند به طور کامل ادغام شده و از سیستم های زنده پشتیبانی کنند، نشان دهنده ادراکات و فناوری های جدید در محیط جهانی است. سیستم های زیست محیطی بسته فرصت هایی را برای آموزش عمومی و تغییر آگاهی در مورد نحوه زندگی ما در زیست کره جهانی ارائه می دهند.
 
سیستم های زیست محیطی بسته می توانند شامل نه تنها یک تنوع طبیعی، بلکه همچنین سیستم های مصنوعی باشند که توسط 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. برخی 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 رویکردهای طراحی کنترل برای حفظ عملکرد سیستم در محدوده دلخواه کمک کند.
 بشر در حال حاضر فرایند طراحی و ساخت تسهیلات و محیط های آزمایشی که به سختی آب بندی شده اند را آغاز کرده است. پروژه هایی مانند ایستگاه فضایی و زیست کره ها با چشم اندازی در جهت ایجاد اکوسیستم هایی ساخته شده اند که می توانند حیات خود را با هوا، آب و غذا در مقاصد بسیار دوری مانند ماه حفظ کنند. از اصطلاح "سیستم اکولوژیکی بسته" به طور گسترده استفاده می شود. 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 شود.
 
کشاورزیِ سیستم اکولوژیکی بسته، روشی است که تمام مواد مغذی و مواد آلی را در خاکی که کشاورزی در آن رشد کرده است بازیافت می کند. این روش کشاورزی، سطح مواد مغذی و کربن را در خاک حفظ می کند و اجازه می دهد که کشاورزی به صورت متوازن انجام شود. به سیستم های بسته زیست محیطی برای تعدادی از اهداف، نیاز 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 اندازه گیری عمیق فرایندهای اکولوژیکی جهانی و چرخه های بیوشیمیایی کمک می کنند.
 
سیستم های اکولوژیکی بسته، انجام موضوعاتی تحقیقی را تسهیل می کنند که نیاز 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 بررسی می شود. 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 اکوسیستم 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. اندازه این سیستم ها از حجم کمتر از یک لیتر تا هزاران متر مکعب متفاوت است. 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.
 
اکوسیستم های بسته ساخته شده توسط 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 مناطقی که از نظر صنعتی آلوده اند، برنامه ریزی می کند. همچنین، ایجاد یک خانه بوم گردی با هدف ارائه کیفیت بالای زندگی در مناطق قطبی و قطب جنوب برای مردم بسیار مهم است.
 
فناوری پیشرفته انرژی این امکان را فراهم می کند که در طول زمستان مقادیر پایدار سبزیجات تازه، تصفیه آب و هوا، رنگ و شرایط معمول نور فراهم شود. سیستم های بسته زیست محیطی مبتنی بر فناوری، امروزه امری واقع بینانه توصیف می شود و توسعه آنها بر انرژی های در دسترس و تصمیم گیرندگان متکی است.
 
در حالی که اطلاعات زیادی در مورد 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 کمک می کند.
 در یک سیستم زیست محیطی بسته، نگهداری حیات از طریق استفاده مجدد کامل از مواد در دسترس با استفاده از چرخه‌ها اتفاق می افتد. دی اکسید کربن بازدم و سایر مواد زائد، به طور شیمیایی یا با فتوسنتز به اکسیژن، آب و غذا تجدید می شود.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 مورد 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 اکوسیستم 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 بررسی باشد و ما استدلال می کنیم که زمان آن فرا رسیده است که مطالعه سیستم های بسته را از این زمینه ی حومه ای رهایی بخشیم و آنها را وارد جریان اصلی کنیم. رویکردی برای مطالعه فرایندهای اکوسیستم با اجازه دادن به مطالعات طولانی مدت، به ویژه در سیستم های از پیش تعیین شده و ساده، و زیست کره های میکروبی، فرصتی را برای آزمایش و توسعه فرضیه های قوی در مورد عملکرد اکوسیستم و عوامل اکولوژیکی و تکاملی خرابی یا دوام طولانی مدت سیستم ارائه می دهد. برخلاف بسیاری از علوم، بوم شناسی اکوسیستم هرگز به طور کامل از رویکرد تقلیل گرایانه استفاده نکرده است و با تمام پیچیدگی خود بر دنیای طبیعی متمرکز شده است. یک رویکرد تقلیل گرایانه در بوم شناسی اکوسیستم، 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