Из истории создания искусственных экосистем

Представление о необходимости создания искусственной замкнутой среды обитания человека зародилось одновременно с возникновением мечты о космических полетах. Людей всегда интересовала возможность перемещаться в воздушном и космическом пространстве. В XX в. стартовало практическое освоение космоса, а в XXI в. космонавтика стала уже неотъемлемой частью мировой экономики. Провозвестник космонавтики, философ-космист К.Э. Циолковский в «Монизме Вселенной» (1925) писал: «Техника будущего даст возможность одолеть земную тяжесть и путешествовать по всей Солнечной системе. После заселения нашей Солнечной системы начнут заселяться иные солнечные системы нашего Млечного Пути. С трудом отделится человек от земли» [1, с. 477–478]. Под «техникой будущего» Циолковский имел в виду не только ракетную технику, использующую принцип реактивного движения, но и систему обитания человека в космосе, построенную по образу и подобию земной биосферы.

Рождение концепции «космической биосферы»

К.Э. Циолковский первым высказал идею об использовании природоподобных принципов и биосферных механизмов воспроизводства кислорода, питания, пресной воды и утилизации образующихся отходов для жизнеобеспечения экипажа своего «реактивного прибора». Этот вопрос рассматривался Циолковским почти во всех его научных работах, философских и фантастических произведениях. Возможность создания такой среды обоснована трудами В.И. Вернадского, раскрывшего основные принципы построения и функционирования биосферы Земли. В период с 1909 по 1910 г. Вернадский опубликовал серию заметок, посвященных наблюдениям за распространением химических элементов в земной коре, и сделал вывод о ведущем значении живых организмов для создания круговорота вещества на планете. Ознакомившись с этими работами Вернадского и другими трудами в области нового тогда научного направления – экологии, Циолковский писал во второй части статьи «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1911): «Как земная атмосфера очищается растениями при помощи Солнца, так может возобновляться и наша искусственная атмосфера. Как на Земле растения своими листьями и корнями поглощают нечистоты и дают взамен пищу, так могут непрерывно работать для нас и захваченные нами в путешествия растения. Как все существующее на земле живет одним и тем же количеством газов, жидкостей и твердых тел, так и мы можем вечно жить взятым нами запасом материи» [2, с. 111].

Авторству Циолковского принадлежит и проект космического поселения для большого количества жителей, для которых организовано обновление атмосферы, воды и пищевых ресурсов за счет замкнутого круговорота химических веществ. Циолковский описывает такую «космическую биосферу» в рукописи, которую он вел вплоть до 1933 г., но так и не смог закончить:

«Община содержит до тысячи человек народу обоего пола и всех возрастов. Влажность регулируется холодильником. Он же собирает всю излишнюю воду, испаряемую людьми. Общежитие сообщается с оранжереей, из которой получает очищенный кислород и куда посылает все продукты своих выделений. Одни из них в виде жидкостей пронизывают почву оранжерей, другие прямо выпускаются в их атмосферу.

Когда третья доля поверхности цилиндра занята окнами, то получается 87 % наибольшего количества света, а 13 % теряется. Везде неудобны проходы...» [3] (В этом месте рукопись обрывается).

Первые экспериментальные установки

Незаконченная рукопись Циолковского, получившая заглавие «Жизнь в межзвездной среде», вышла в издательстве «Наука» по прошествии более 30 лет - в 1964 г. Инициатором публикации выступил генеральный конструктор космической техники, академик С.П. Королев. В 1962 г. он, уже имея опыт успешного космического полета, осуществленного первым космонавтом Ю.А. Гагариным 12 апреля 1961 г., задал принципиально новый вектор развития космического проекта: «Надо бы начать разработку “оранжереи по Циолковскому”, с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над “космическими урожаями”. Какие организации будут вести эти работы: по линии растениеводства и вопросов почвы, влаги, по линии механизации и “свето-тепло-солнечной” техники и систем ее регулирования для оранжерей?» [4, с. 30].

Создание первой в мире замкнутой искусственной экосистемы космического назначения началось со встречи С.П. Королева и директора Института физики Сибирского отделения Академии наук СССР (ИФ СО АН СССР) Л.В. Киренского, на которой Королев передал Киренскому свои предложения по «космической оранжерее». После этого в ИФ СО АН СССР состоялась серия совещаний, где решался вопрос о том, какой отдел станет базой для развертывания работ по космической программе. Поставленную Королевым задачу создания искусственной экосистемы в герметичной капсуле, в которой человек мог длительное время пребывать в приближенных к земным условиях среды, поручили отделу простейших организмов [5, с. 6]. Это необычное решение, как выяснилось позже, оказалось верным: именно простейшие микроводоросли оказались способными полностью обеспечить экипаж кислородом и чистой водой.

Знаменательно, что в том же году - 1964-м, когда увидела свет последняя рукопись Циолковского, начались работы по практической отработке первой в истории замкнутой искусственной экологической системы, включающей во внутренний круговорот вещества метаболизм человека. В отделе биофизики ИФ СО АН СССР, позднее преобразованном в самостоятельный Институт биофизики СО АН СССР, в Красноярске началось строительство экспериментальной установки «Биос-1», в которой участвовали И.И. Гительзон и И.А. Терсков, ставшие основателями нового направления в биофизике. Главная задача заключалась в организации обеспечения человека кислородом и водой. Первая установка состояла из двух компонентов: гермокабины объемом 12 м3, внутри которой размещался человек, и специального резервуара-культиватора объемом 20 л для выращивания хлореллы обыкновенной. Проведенные 7 экспериментов различной длительности (от 12 ч до 45 сут) показали возможность полностью замкнуть газообмен, то есть обеспечить выработку кислорода и утилизацию углекислого газа микроводорослями. Через процессы жизнедеятельности хлореллы также был налажен водооборот, в процессе которого вода очищалась в количестве, необходимом для питья и удовлетворения других нужд.

В «Биос-1» не удавались опыты длительностью более 45 суток, так как рост микроводорослей останавливался. В 1966 г. для отработки искусственной экосистемы, содержащей как низшие, так и высшие растения, «Биос-1» был модернизирован до «Биос-2» путем подсоединения к гермокабине фитотрона объемом 8 м3. Фитотрон - это специальное техническое устройство для выращивания в условиях искусственного освещения и микроклимата высших растений: овощей и пшеницы. Высшие растения служили источником пищи для экипажа и обеспечивали регенерацию воздуха. Так как высшие растения тоже давали кислород, то удалось провести опыты с участием двух испытателей, продолжавшиеся 30, 73 и 90 дней. Установка работала вплоть до 1970 г.

«Биос-3» был введен в строй в 1972 г. Это герметичное сооружение размером с 4-комнатную квартиру, которое работоспособно и поныне, объемом 315 м3 было устроено в подвале Института биофизики СО РАН в Красноярске. Внутри установка разделена герметичными переборками со шлюзами на четыре отсека: две оранжереи съедобных растений, выращиваемых в фитотронах методом гидропоники, не требующим наличия почвы, отсек для разведения производящей кислород и чистую воду хлореллы и отсек для размещения членов экипажа. В жилом отсеке находятся спальные места, кухня и столовая, туалет, пульт управления, приспособления для обработки растительных продуктов и утилизации отходов.

В фитотронах экипаж выращивал специально выведенные карликовые сорта пшеницы, содержащие минимум несъедобной биомассы. Так же разводили овощи: лук, огурцы, редис, салат, капусту, морковь, картофель, свеклу, щавель и укроп. Было подобрано среднеазиатское масличное растение «чуфа», служившее источником незаменимых для организма человека растительных жиров. Необходимые белки экипаж получал, употребляя в пищу мясные и рыбные консервы.

В «Биос-3» было проведено десять опытных заселений на протяжении 1970-х и в начале 1980-х гг. Три из них продолжались по нескольку месяцев. Самый продолжительный опыт непрерывной полной изоляции экипажа из трех человек продолжался 6 месяцев – с 24 декабря 1972 г. по 22 июня 1973 г. Этот эксперимент имел сложную структуру и проводился в три этапа. Каждому этапу соответствовал свой состав исследователей. Внутри установки попеременно находились М.П. Шиленко, Н.И. Петров и Н.И. Бугреев, отработавшие по 4 месяца каждый. Участник эксперимента В.В. Терских пробыл в «Биос-3» все 6 месяцев.

Фитотроны «Биос-3» производили в сутки достаточный урожай зерна и овощей [6, с. 238]. Большую часть времени экипаж тратил на выращивание из семян съедобных растений, сбор урожая и его обработку, выпечку хлеба и приготовление пищи. В 1976-1977 гг. прошел эксперимент, продлившийся 4 месяца, в котором были задействованы двое испытателей: Г.З. Асиньяров и Н.И. Бугреев. С осени 1983 г. по весну 1984 г. проводился 5-месячный эксперимент с участием Н.И. Бугреева и С.С. Алексеева, которым завершилась работа «Биоса». Н.И. Бугреев, таким образом, поставил абсолютный в то время рекорд по пребыванию в замкнутой искусственной среде, прожив в установке в совокупности 15 месяцев. В конце 1980-х программа «Биос» была заморожена, так как ее государственное финансирование прекратилось.

«Биосфера» за стеклом

Эстафету в создании замкнутой среды обитания подхватили американцы. В 1984 г. компания Space Biospheres Ventures начала строить «Биосферу-2» – замкнутый экспериментальный комплекс на участке, расположенном в Аризонской пустыне США.

Идеологами «Биосферы-2» были Марк Нельсон и Джон Аллен, которые прониклись идеями В.И. Вернадского, объединив на основе учения о биосфере порядка 20 ученых за рубежом. В СССР в издательстве «Мысль» в 1991 г. была издана книга этого авторского коллектива «Каталог биосферы», в которой рассказывалось о предстоящем эксперименте. Аллен и Нельсон так писали о своих задачах по созданию «космических биосфер»: «Вооруженное великими замыслами, идеями и моделями Вернадского и других ученых, человечество сейчас с готовностью обдумывает не только возможные пути взаимодействия с биосферой, но и пути оказания содействия ее “митозу”, приспособляя нашу земную жизнь для полноценного участия в судьбе самого Космоса за счет создания возможности путешествовать и жить в космическом пространстве» [7, с. 191].

«Биосфера-2» – это капитальная конструкция из стекла, бетона и стали, расположившаяся на территории 1,27 га. Объем комплекса составил более 200 тыс. м3. Система была герметизирована, то есть могла быть полностью отделена от внешней среды. Внутри нее были искусственно воссозданы водные и наземные экосистемы биосферы: мини-океан с искусственным рифом, сложенным из кораллов, тропический лес – джунгли, саванна, редколесье колючих растений, пустыня, пресноводное и солоноводное болота. Последнее имело форму извилистого русла реки, затопляемого искусственным океаном, – эстуария, засаженного мангровыми зарослями. Биологические сообщества экосистем включали в себя 3800 видов животных, растений и микроорганизмов. Внутри «Биосферы-2» были устроены жилые апартаменты для участников эксперимента и сельскохозяйственные площадки, составлявшие целое ранчо, названное Sun Space.

26 сентября 1991 г. внутри комплекса сооружений были изолированы 8 человек – 4 мужчины и 4 женщины. Экспериментаторы – «бионавты», в числе которых был идеолог проекта Марк Нельсон, занимались традиционным сельским хозяйством – рисоводством. Для этого использовались сельская и животноводческая фермы, применялись высоконадежные инструменты, которые должны были приводиться в действие только за счет мускульной силы человека. Внутри установки были высажены трава, кустарники и деревья. Исследователи разводили рис и пшеницу, бататы и свеклу, бананы и папайю, а также другие культуры, что в совокупности позволяло получать 46 видов разнообразной пищи растительного происхождения. Мясной рацион обеспечивало животноводство. На животноводческой ферме жили куры, козы и свиньи. Вдобавок бионавты растили рыбу и креветок.

Трудности начались практически сразу же после начала эксперимента. Через неделю техник «Биосферы-2» сообщил, что в атмосфере понемногу уменьшается количество кислорода и нарастает концентрация углекислого газа. Также выяснилось, что ферма обеспечивала только 83 % требуемого рациона исследователей. К тому же в 1992 г. размножившиеся мотыльки-вредители уничтожили почти все посевы риса. Всю зиму этого года держалась облачная погода, что привело к снижению продукции кислорода и растительного питания. Искусственный океан закислился вследствие растворения в его воде большого объема углекислого газа, из-за чего коралловый риф погиб. Началось вымирание животных в джунглях и саванне. В течение двух лет концентрация кислорода за стеклом снизилась до 14 % вместо исходных 21 % по объему.

«Бионавты» вышли наружу в сентябре 1993 г., после двухлетнего пребывания «за стеклом». Считается, что «Биосфера-2» потерпела неудачу. Вследствие малых масштабов модели, «экологическая катастрофа» в ней произошла очень быстро и показала всю пагубность современного способа хозяйствования человека, создающего экологические проблемы: недостаток питания, изъятие биомассы, загрязнение атмосферы и гидросферы, уменьшение видового разнообразия. Опыт «Биосферы-2» имел большое мировоззренческое значение. Одна из «бионавтов» – Джейн Пойнтер, выступая с лекциями после окончания эксперимента в «Биосфере-2», говорила: «Только тут я впервые осознала, насколько человек зависим от биосферы – если погибнут все растения, то людям нечем будет дышать и нечего будет есть. Если загрязнится вся вода, то людям нечего будет пить». Комплекс «Биосферы-2» и сейчас открыт для посещения, так как его авторы считают, что создали принципиально новую базу для публичного образования в области защиты окружающей среды [8, р. 787].

Прообразы обитаемых космических станций

Создаваемые со второй половины 1990-х установки изначально имели четкое назначение – моделирование системы жизнеобеспечения космического корабля или обитаемой базы для условий полета и исследования Марса или Луны. С 1998 по 2001 г. в Японии проводились исследования на установке CEEF (Closed Ecological Experimental Facility), представляющей собой замкнутую искусственную экосистему. Целью экспериментов было изучение замкнутых циклов газообмена, водо-оборота и питания при имитации условий марсианской обитаемой базы. Комплекс включал в себя фитотронный блок для выращивания растений, отсек для разведения домашних животных (козы), специальный геогидросферный блок, моделирующий наземную и водную экосистемы, и обитаемый модуль для экипажа из двух человек. Площадь растительных посадок составляла 150 м2, животноводческого модуля – 30 м2, жилого – 50 м2 [9, р. 1506]. Авторами проекта были сотрудники Токийского аэрокосмического института К. Нитта и М. Огучи. Объект располагается на острове Хонсю в городе Роккасё. Данные о проведении длительных экспериментов по изоляции людей в этой установке отсутствуют, опубликованы результаты моделирования последствий глобального потепления климата и исследований миграции радионуклидов во внутренних потоках вещества.

Моделирование замкнутой среды обитания при имитации длительных космических полетов проводится в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН (Москва), основанном М.В. Келдышем и С.П. Королевым в 1963 г. Основу этой работы составляет исследование пребывания людей в изолированных условиях в течение длительного времени внутри комплекса «Марс-500». Эксперимент по 520-суточной изоляции экипажа начался в июне 2010-го и завершился в ноябре 2011 г. В эксперименте приняли участие исследователи-мужчины: А.С. Ситев, С.Р. Камолов, А.Е. Смолеевский (Россия), Диего Урбина (Италия), Шарль Ромен (Франция), Ван Юэ (Китай) [10, с. 33]. В состав одного из модулей комплекса включена оранжерея для разведения овощей. Площадь посадок не превышает 14,7 м2 в объеме 69 м3. Оранжерея служила источником витаминов, дополняющим и улучшающим рацион питания участников эксперимента. Комплекс «Марс-500» базируется на физико-химических, а не биологических процессах обеспечения экипажа кислородом и чистой водой при использовании запасов консервированного питания, поэтому существенным образом отличается от установки «Биос-3».

Наиболее концептуально близок проекту «Биос» китайский комплекс «Юэгун-1» («Лунный дворец»). Комплекс воспроизводит условия лунной базы. «Юэгун-1» разработан в Пекинском университете аэронавтики и астронавтики профессором Ли Хун [1 1, с. 63]. Консультировали создателей китайского комплекса ученые из Москвы и Красноярска.

Комплекс «Юэгун-1» занимает площадь 160 м2 при объеме 500 м3 и состоит из трех полу-цилиндрических модулей. Первый модуль – жилой, в котором находятся кают-компания, каюты для трех членов экипажа, система переработки отходов и помещение для личной гигиены. В двух остальных модулях размещаются оранжереи для производства растительной пищи. Выращенные растения составляли более 40 % рациона экипажа. По воде и по воздуху замкнутость среды установки составила 99 %.

Строительство установки «Юэгун-1» было закончено 9 ноября 2013 г. С 23 по 30 декабря 2014 г. испытатели, которыми были два студента университета, провели пробное заселение «Лунного дворца». Сам эксперимент проводился в течение 105 суток – с 3 февраля по 20 мая 2014 г. В нем участвовал экипаж из трех человек: мужчина Се Бэйчжэнь и две женщины – Ван Миньцзюань и Дун Чэни. Эксперимент завершился успешно и широко освещался в средствах массовой информации Китая.

Заключение

Представленная история создания замкнутых искусственных экосистем является фрагментом глобального исторического процесса развития человечества. Человек благодаря своим способностям к мышлению создал практическую космонавтику и доказал свою способность выйти за рамки планеты. Глубокое изучение биосферных механизмов построения и функционирования среды обитания позволит людям создавать благоприятные условия на планетах и их спутниках, астероидах, других космических телах. Эта деятельность позволит реализовать смыслы существования человечества.

В.И. Вернадский писал о растекании жизни по Земле и космическому пространству. Вести экспансию нашей биосферы дальше, вплоть до освоения изученных рубежей Космоса, способен лишь человек с его разумом. Человечеству необходимо распространить биосферу на астероиды и ближайшие космические тела, чтобы пойти дальше, за изученные пределы Вселенной. Это важно для сохранения не только нашей биосферы, но и самого биологического вида человека. В результате предвиденного Циолковским освоения сначала околоземного пространства, Солнечной системы, а затем и дальнего Космоса могут образоваться динамические популяции человечества – т. е. часть людей будет постоянно жить на космических базах вне Земли. История как наука, таким образом, выйдет за планетарные рамки и станет воистину историей не только Земли, но и Космоса.

Ссылки:

• 1.    Мир философии. В 2 т. Т. 2. М., 1991. 624 с.

• 2.    Циолковский К.Э. Промышленное освоение космоса : сборник трудов. М., 1989. 278 с.

• 3.    Фотокопии рукописей К.Э. Циолковского [Электронный ресурс]. URL:   http://tsiolkovsky.org/wp-content/up-

  loads/2016/02/ZHizn-v-mezhzvezdnoj-srede.pdf (дата обращения: 25.04.2017).

• 4.    Гришин Ю.И. Искусственные космические экосистемы. М., 1989. 64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия

• 5.    Гительзон И.И., Дегерменджи А.Г., Тихомиров А.А. Замкнутые системы жизнеобеспечения // Наука в России. 2011. № 6. С. 4–10.

• 6.    Дегерменджи А.Г., Тихомиров А.А. Создание искусственных замкнутых экосистем земного и космического назначения // Вестник РАН. 2014. Т. 84, № 3. С. 233–240.

• 7.    Каталог биосферы. М., 1991. 253 с.

• 8.    Nelson M., Dempster W.F., Allen J.P. “Modular Biospheres” – New Testbed Platforms for Public Environmental Education and Research // Advances in Space Research. 2008. Vol. 41, no. 5. Р. 787–797.

• 9.    Nitta K. The CEEF, Closed Ecosystem as a Laboratory for Determining the Dynamics of Radioactive Isotopes // Ibid. 2001. Vol. 27, no. 9. Р. 1505–1512.

• 10. Григорьев А.И., Моруков Б.В. «Марс-500»: предварительные итоги // Земля и Вселенная. 2013. № 3. С. 31–41.

• 11. Павельцев П. «Юэгун-1» – наследник проекта БИОС-3 // Новости космонавтики. 2014. Т. 24, № 7. С. 63–65.

«Космонавтика, астрономия». № 7).