Autonomous and Environmentally Comfortable Type of Housing for the Development of the Arctic

Factors that impede the development of the Arctic are: 1) long frosts; 2) low quality of indoor air; 3) an unsanitary surroundings due to low activity of biota; 4) deficiency of fresh vitamin-containing food; 5) high dependency of settlements on external supply. The concept of the Arctic Ecological- Energy Autonomous Dwelling (AEEAD) designed to solve the problems is grounded on: 1) the optimal configuration of housing and heat savings; 2) closure of the flows of substances; 3) the use of autonomous energy sources. To ensure energy savings and maintain a high quality of life air revitalization is required. Air revitalization is provided by household greenhouses, which perform additional functions – heating the living quarters, lighting it, moistening the winter overdried air, growing food, decorating house interior, providing psychological support. New technologies for growing a variety of plants and organic wastes decomposition are discussed. Energetic autonomy is provided by means coupling wind generator with high-heat accumulators based on cheap solid heat-storage materials coupled, in its turn, with Stirling engine/electrical generator unit. Due to “macro-composite” structure of heat exchanger it can be achieved: almost zero heat loss in the absence of thermal insulation; a significant stabilization of the temperature at the output of the thermal battery, over the whole period of the discharg

Замкнутость земной биосферы: эволюция и текущее состояние

The existence of the biosphere is determined by the presence of a constant circulation of substances, carried out by a highly branched trophic network of mainly closed material loops. How this largely self-contained system formed remains unclear. The theory of evolution cannot help answer this question since the closure of the biosphere is not an adaptive trait of an individual – this is the essence of the Vernadsky-Darwin paradox. The present paper discusses stages of the formation of the biosphere in the context of closure – a key property and parameter of the biosphere – and possible approaches to resolving the paradox. The authors assume that the appearance of the first living organisms did not mean the appearance of the biosphere as a system of interacting components. The formation of the biosphere in the true sense of the word was associated with the appearance of predation approximately 500 million years ago and the emergence of a highly branched trophic network. The authors obtain simple estimates showing that, on the one hand, living organisms are potentially capable of changing their environment at the global level in a negligible geological time period but, on the other hand, are capable of maintaining an accurate balance of global material cycling for several tens of thousands of years. A simple model was used to show the effect of stoichiometric constraints on the formation of closed material flow in simple ecosystems and to demonstrate the need for increased diversity at trophic levels to overcome these stoichiometric constraintsСуществование биосферы определяется наличием постоянного круговорота веществ, осуществляемого высокоразветвленной трофической сетью, с высокой степенью замкнутости вещественных потоков. Каким образом была сформирована столь согласованная система с высоким уровнем замкнутости, остается неясным. Простое обращение к теории эволюции нам помочь не может, поскольку замкнутость биосферы не является приспособительным признаком особи – в этом суть парадокса Вернадского-Дарвина. В статье обсуждаются этапы формирования биосферы в контексте замкнутости – ключевого свойства и параметра биосферы, а также обсуждаются подходы к разрешению парадокса. Выдвинут тезис о том, что появление первых живых организмов не означает появления биосферы как системы взаимодействующих компонентов. Говорить о биосфере в полном смысле этого слова можно после появления хищничества около 500 млн лет назад и возникновения разветвленной трофической сети. Приведены простые оценки, показывающие, что, с одной стороны, живые организмы потенциально способны изменить среду обитания на глобальном уровне за ничтожное по геологическим масштабам время. Но, с другой стороны, они десятки тысяч лет способны обеспечивать точный баланс глобального круговорота веществ. На простой модели показано влияние стехиометрических ограничений на возможность формирования замкнутого потока веществ в простых экосистемах и продемонстрирована необходимость увеличения разнообразия на трофических уровнях для преодоления этих стехиометрических ограничени

Stability of the Biosphere and Sustainable Development: a Challenge to Biospherics

The central point of the concept of sustainable development proposed for overcoming unwelcome trends in the development of the environment – “The right to development must be fulfilled so as to equitably meet developmental and environmental needs of present and future generations” – contains certain conflict. The bottom line is that modern human beings cannot live without the infrastructure that pollutes the environment, and the future generations will not be able to live without this environment. The conflict can be mitigated by switching to the optimal infrastructure, which will maintain human impact on regional ecosystems at levels that fall within the range of their resilience. To achieve this goal, the following objectives must be fulfilled: 1) to develop methods for evaluating “resilience” of local ecosystems and the biosphere; 2) to develop technologies for production of goods that have the lowest possible environmental impact in all stages of their lifecycle: production, use, and disposal; 3) to develop methods for designing systems of optimal environmental management at regional levels and formulate an adequate optimality criterion. Difficulties arising in achieving these objectives have been illustrated by using rather simple examples. In some instances, the ecosystem shows a threshold response to upsetting impact, and on the way to the threshold, there may be no indications of the pending disaster. The possibility of the threshold response to the gradually increasing impact – a rise in the greenhouse gas concentrations – has been shown by using a low-dimensional model of the biosphere. An example of electric vehicles is used to show that if, by analogy with the input-output model (IOM) developed by W. Leontief, one takes into account the direct and indirect ecological damage caused by production, use, and disposal of the product, the resulting assessment of the environmental harm may be drastically different from the claimed one. Simple examples demonstrate dramatic dependence of the configuration of the optimal infrastructure on optimality criteria used by decision makers

Stability of the Biosphere and Sustainable Development: a Challenge to Biospherics

The central point of the concept of sustainable development proposed for overcoming unwelcome trends in the development of the environment – “The right to development must be fulfilled so as to equitably meet developmental and environmental needs of present and future generations” – contains certain conflict. The bottom line is that modern human beings cannot live without the infrastructure that pollutes the environment, and the future generations will not be able to live without this environment. The conflict can be mitigated by switching to the optimal infrastructure, which will maintain human impact on regional ecosystems at levels that fall within the range of their resilience. To achieve this goal, the following objectives must be fulfilled: 1) to develop methods for evaluating “resilience” of local ecosystems and the biosphere; 2) to develop technologies for production of goods that have the lowest possible environmental impact in all stages of their lifecycle: production, use, and disposal; 3) to develop methods for designing systems of optimal environmental management at regional levels and formulate an adequate optimality criterion. Difficulties arising in achieving these objectives have been illustrated by using rather simple examples. In some instances, the ecosystem shows a threshold response to upsetting impact, and on the way to the threshold, there may be no indications of the pending disaster. The possibility of the threshold response to the gradually increasing impact – a rise in the greenhouse gas concentrations – has been shown by using a low-dimensional model of the biosphere. An example of electric vehicles is used to show that if, by analogy with the input-output model (IOM) developed by W. Leontief, one takes into account the direct and indirect ecological damage caused by production, use, and disposal of the product, the resulting assessment of the environmental harm may be drastically different from the claimed one. Simple examples demonstrate dramatic dependence of the configuration of the optimal infrastructure on optimality criteria used by decision makers

Стабильность биосферы и устойчивое развитие: вызов биосферике

The central point of the concept of sustainable development proposed for overcoming unwelcome trends in the development of the environment – “The right to development must be fulfilled so as to equitably meet developmental and environmental needs of present and future generations” – contains certain conflict. The bottom line is that modern human beings cannot live without the infrastructure that pollutes the environment, and the future generations will not be able to live without this environment. The conflict can be mitigated by switching to the optimal infrastructure, which will maintain human impact on regional ecosystems at levels that fall within the range of their resilience. To achieve this goal, the following objectives must be fulfilled: 1) to develop methods for evaluating “resilience” of local ecosystems and the biosphere; 2) to develop technologies for production of goods that have the lowest possible environmental impact in all stages of their lifecycle: production, use, and disposal; 3) to develop methods for designing systems of optimal environmental management at regional levels and formulate an adequate optimality criterion. Difficulties arising in achieving these objectives have been illustrated by using rather simple examples. In some instances, the ecosystem shows a threshold response to upsetting impact, and on the way to the threshold, there may be no indications of the pending disaster. The possibility of the threshold response to the gradually increasing impact – a rise in the greenhouse gas concentrations – has been shown by using a low-dimensional model of the biosphere. An example of electric vehicles is used to show that if, by analogy with the input-output model (IOM) developed by W. Leontief, one takes into account the direct and indirect ecological damage caused by production, use, and disposal of the product, the resulting assessment of the environmental harm may be drastically different from the claimed one. Simple examples demonstrate dramatic dependence of the configuration of the optimal infrastructure on optimality criteria used by decision makersЦентральный пункт концепции устойчивого развития, предложенной для преодоления негативных тенденций в состоянии окружающей среды – «Сохранение среды обитания и природных ресурсов для следующих поколений при обеспечении хорошего качества жизни ныне живущих поколений», содержит в себе зерно конфликта. Проблема в том, что человечество не может существовать без инфраструктуры, загрязняющей среду обитания, без которой, в свою очередь, не смогут существовать будущие поколения. Остроту конфликта можно ослабить, если перейти к оптимальной инфраструктуре, обеспечивающей поддержание уровня антропогенного воздействия на региональные экосистемы в пределах их устойчивости. Для этого нужно решить следующие задачи: 1) разработать методы оценки “эластичности” локальных экосистем и биосферы; 2) развить технологии, производящие продукцию с минимальным экологическим воздействием на всех этапах ее жизни: производство, эксплуатация и утилизация; 3) разработать методы проектирования структур оптимального природопользования на уровне регионов с формулировкой адекватного критерия оптимальности. Сложности, возникающие при решении этих задач, проиллюстрированы на достаточно простых примерах. Показано, что отклик экосистемы на возмущающее воздействие может иметь пороговый характер, причем по мере приближения к порогу какие-либо признаки надвигающейся катастрофы могут отсутствовать. Возможность порогового ответа на плавно нарастающее воздействие – рост концентрации парниковых газов – показана на малоразмерной модели биосферы. На примере электрических автомобилей продемонстрировано, что если по аналогии с моделью межотраслевого баланса, разработанной В.В. Леонтьевым, учитывать прямой и косвенный экологический ущерб, возникающий при производстве, эксплуатации и утилизации продукта, то полученная оценка экологического вреда может кардинально отличаться от декларируемой. На простых примерах показано, что конфигурация оптимальной инфраструктуры существенно зависит от критериев оптимальности, которыми руководствуются лица, принимающие решени

Unanimous Model for Describing the Fast Bioluminescence Kinetics of Ca²⁺-regulated Photoproteins of Different Organisms

Upon binding their metal ion cofactors, Ca2+-regulated photoproteins display a rapid increase of light signal, which reaches its peak within milliseconds. In the present study, we investigate bioluminescence kinetics of the entire photoprotein family. All five recombinant hydromedusan Ca2+-regulated photoproteins-aequorin from Aequorea victoria, clytin from Clytia gregaria, mitrocomin from Mitrocoma cellularia and obelins from Obelia longissima and Obelia geniculata-demonstrate the same bioluminescent kinetics pattern. Based on these findings, for the first time we propose a unanimous kinetic model describing the bioluminescence mechanism of Ca2+-regulated photoproteins

Применение механизменных математических и нейросетевых моделей для управления биотехнологическими процессами на примере окисления концентратов тугоплавких золото-мышьяковых сульфидных руд

Problems related to the control of complex biotechnological processes were considered on the example of biooxidation of refractory gold-arsenic sulphide concentrates for the subsequent gold recovery. Two possible approaches to the problem were considered: a) building “mechanistic” mathematical model and b) applying neural network model. An attempt to construct a mixed mechanistic-phenomenological model using various combinations of formulas given in literature and general description of bioleaching processes has given not satisfactory result. The models were able to describe only the general properties and trends of the process. Neural network analysis of time series of the bioleaching process has revealed dependences between the process, control parameters, and feed composition. Obtained 10% level of the forecast error (MAPE) is quite satisfactory if compare with the forecasts of any natural ecosystem. It can be argued that the relatively low complexity of neural network indicates the possibility of developing a fairly simple mechanistic model of the bioleaching processПроблемы, связанные с контролем сложных биотехнологических процессов, были рассмотрены на примере биоокисления тугоплавких золото-мышьяковых сульфидных концентратов для последующего извлечения золота. Проанализированы два возможных подхода к проблеме: а) построение «механистической» математической модели и б) применение нейросетевой модели. Попытка построить смешанную механистическо-феноменологическую модель с использованием различных комбинаций формул, приведенных в литературе, и общего описания процессов биовыщелачивания дала неудовлетворительный результат. Модели смогли описать только общие свойства и тенденции процесса. Анализ временных рядов процесса биовыщелачивания с помощью нейронной сети выявил зависимости между протеканием процесса, параметрами управления и составом минерального субстрата. Полученный 10%-ный уровень ошибки прогноза (MAPE) является вполне удовлетворительным, если сравнивать его с прогнозами любой природной экосистемы. Можно утверждать, что относительно низкая сложность нейронной сети указывает на возможность разработки довольно простой механистической модели процесса биовыщелачивани

Стабильность биосферы и устойчивое развитие: вызов биосферике

The central point of the concept of sustainable development proposed for overcoming unwelcome trends in the development of the environment – “The right to development must be fulfilled so as to equitably meet developmental and environmental needs of present and future generations” – contains certain conflict. The bottom line is that modern human beings cannot live without the infrastructure that pollutes the environment, and the future generations will not be able to live without this environment. The conflict can be mitigated by switching to the optimal infrastructure, which will maintain human impact on regional ecosystems at levels that fall within the range of their resilience. To achieve this goal, the following objectives must be fulfilled: 1) to develop methods for evaluating “resilience” of local ecosystems and the biosphere; 2) to develop technologies for production of goods that have the lowest possible environmental impact in all stages of their lifecycle: production, use, and disposal; 3) to develop methods for designing systems of optimal environmental management at regional levels and formulate an adequate optimality criterion. Difficulties arising in achieving these objectives have been illustrated by using rather simple examples. In some instances, the ecosystem shows a threshold response to upsetting impact, and on the way to the threshold, there may be no indications of the pending disaster. The possibility of the threshold response to the gradually increasing impact – a rise in the greenhouse gas concentrations – has been shown by using a low-dimensional model of the biosphere. An example of electric vehicles is used to show that if, by analogy with the input-output model (IOM) developed by W. Leontief, one takes into account the direct and indirect ecological damage caused by production, use, and disposal of the product, the resulting assessment of the environmental harm may be drastically different from the claimed one. Simple examples demonstrate dramatic dependence of the configuration of the optimal infrastructure on optimality criteria used by decision makersЦентральный пункт концепции устойчивого развития, предложенной для преодоления негативных тенденций в состоянии окружающей среды – «Сохранение среды обитания и природных ресурсов для следующих поколений при обеспечении хорошего качества жизни ныне живущих поколений», содержит в себе зерно конфликта. Проблема в том, что человечество не может существовать без инфраструктуры, загрязняющей среду обитания, без которой, в свою очередь, не смогут существовать будущие поколения. Остроту конфликта можно ослабить, если перейти к оптимальной инфраструктуре, обеспечивающей поддержание уровня антропогенного воздействия на региональные экосистемы в пределах их устойчивости. Для этого нужно решить следующие задачи: 1) разработать методы оценки “эластичности” локальных экосистем и биосферы; 2) развить технологии, производящие продукцию с минимальным экологическим воздействием на всех этапах ее жизни: производство, эксплуатация и утилизация; 3) разработать методы проектирования структур оптимального природопользования на уровне регионов с формулировкой адекватного критерия оптимальности. Сложности, возникающие при решении этих задач, проиллюстрированы на достаточно простых примерах. Показано, что отклик экосистемы на возмущающее воздействие может иметь пороговый характер, причем по мере приближения к порогу какие-либо признаки надвигающейся катастрофы могут отсутствовать. Возможность порогового ответа на плавно нарастающее воздействие – рост концентрации парниковых газов – показана на малоразмерной модели биосферы. На примере электрических автомобилей продемонстрировано, что если по аналогии с моделью межотраслевого баланса, разработанной В.В. Леонтьевым, учитывать прямой и косвенный экологический ущерб, возникающий при производстве, эксплуатации и утилизации продукта, то полученная оценка экологического вреда может кардинально отличаться от декларируемой. На простых примерах показано, что конфигурация оптимальной инфраструктуры существенно зависит от критериев оптимальности, которыми руководствуются лица, принимающие решени

Применение механизменных математических и нейросетевых моделей для управления биотехнологическими процессами на примере окисления концентратов тугоплавких золото-мышьяковых сульфидных руд

Problems related to the control of complex biotechnological processes were considered on the example of biooxidation of refractory gold-arsenic sulphide concentrates for the subsequent gold recovery. Two possible approaches to the problem were considered: a) building “mechanistic” mathematical model and b) applying neural network model. An attempt to construct a mixed mechanistic-phenomenological model using various combinations of formulas given in literature and general description of bioleaching processes has given not satisfactory result. The models were able to describe only the general properties and trends of the process. Neural network analysis of time series of the bioleaching process has revealed dependences between the process, control parameters, and feed composition. Obtained 10% level of the forecast error (MAPE) is quite satisfactory if compare with the forecasts of any natural ecosystem. It can be argued that the relatively low complexity of neural network indicates the possibility of developing a fairly simple mechanistic model of the bioleaching processПроблемы, связанные с контролем сложных биотехнологических процессов, были рассмотрены на примере биоокисления тугоплавких золото-мышьяковых сульфидных концентратов для последующего извлечения золота. Проанализированы два возможных подхода к проблеме: а) построение «механистической» математической модели и б) применение нейросетевой модели. Попытка построить смешанную механистическо-феноменологическую модель с использованием различных комбинаций формул, приведенных в литературе, и общего описания процессов биовыщелачивания дала неудовлетворительный результат. Модели смогли описать только общие свойства и тенденции процесса. Анализ временных рядов процесса биовыщелачивания с помощью нейронной сети выявил зависимости между протеканием процесса, параметрами управления и составом минерального субстрата. Полученный 10%-ный уровень ошибки прогноза (MAPE) является вполне удовлетворительным, если сравнивать его с прогнозами любой природной экосистемы. Можно утверждать, что относительно низкая сложность нейронной сети указывает на возможность разработки довольно простой механистической модели процесса биовыщелачивани