Экосистема космического корабля

   Включение в СЖО экипажа наряду с многочисленными техническими устройствами биологических звеньев, функционирование которых осуществляется по сложным законам развития живого вещества, требует качественно нового, экологического подхода к формированию биотехнических СЖО, в которых должны быть достигнуты устойчивое динамическое равновесие и согласованность потоков вещества и энергии во всех звеньях системы. В этом смысле любой обитаемый космический аппарат должен рассматриваться как искусственная экологическая система.

   Обитаемый космический корабль включает как минимум одно активно функционирующее биологическое звено – человека (экипаж) с его микрофлорой. При этом человек и микрофлора существуют во взаимодействии с искусственно созданной в космическом корабле окружающей средой, обеспечивая устойчивое динамическое равновесие биологической системы по потокам вещества и энергии.

   Таким образом, даже при полном обеспечении жизни экипажа в космическом корабле за счет запасов веществ и в отсутствие других биологических звеньев обитаемый космический корабль уже представляет собой искусственную космическую экологическую систему. Она может быть полностью или частично изолированной по веществу от внешней окружающей среды (космического пространства), однако совершенно исключается ее энергетическая (тепловая) изоляция от этой среды. Постоянный обмен энергией с окружающей средой или по крайней мере постоянный отвод тепла – необходимое условие функционирования любой искусственной космической экосистемы. 

ИСКУССТВЕННЫЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ БИОСФЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ: СХОДСТВО И ОТЛИЧИЯ

   К. Э. Циолковский был первым, кто предложил создать в космической ракете замкнутую систему кругооборота всех необходимых для жизни экипажа веществ, т. е. замкнутую экосистему. Он считал, что в космическом корабле в миниатюре должны быть воспроизведены все основные процессы превращения веществ, которые осуществляются в биосфере Земли. Однако почти полстолетия это предложение существовало как научно-фантастическая гипотеза.

   Практические работы по созданию искусственных космических экосистем на основе процессов биологического круговорота веществ бурно развернулись в США, СССР и некоторых других странах в конце 50-х – начале 60-х годов. Несомненно, что этому способствовали успехи космонавтики, открывшей запуском первого искусственного спутника Земли в 1957 г. эру освоения космического пространства.

    Итак, что является общим для крупных искусственных космических экосистем и естественной биосферной. экосистемы? Прежде всего это их относительная замкнутость, их главные действующие лица – человек и другие живые биозвенья, биологический круговорот веществ и потребность в источнике энергии.

   Замкнутые экологические системы – это системы с организованным круговоротом элементов, в котором вещества, используемые с определенной скоростью для биологического обмена одними звеньями, с такой же средней скоростью регенерируются из конечных продуктов их обмена до исходного состояния другими звеньями и вновь используются в тех же циклах биологического обмена (Гительзон и др., 1975).

   Вместе с тем экосистема может оставаться замкнутой и без достижения полного круговорота веществ, необратимо расходуя часть веществ из предварительно созданных запасов.

   Естественная земная экосистема является практически замкнутой по веществу, так как в циклах круговорота участвуют только земные вещества и химические элементы (доля космического вещества, ежегодно попадающего на Землю, не превышает 2 ∙ 10^–14 процента массы Земли). Степень участия земных веществ и элементов в многократно повторяющихся химических циклах земного круговорота достаточно велика и, как уже отмечалось, обеспечивает воспроизводство отдельных циклов на 90 – 98%.

   В искусственной замкнутой экосистеме невозможно повторить все многообразие процессов земной биосферы. К этому, однако, и стремиться не следует, так как биосфера в целом не может служить идеалом искусственной замкнутой экосистемы с человеком, основанной на биологическом круговороте веществ. Существует ряд принципиальных отличий, которыми характеризуется биологический круговорот веществ, искусственно созданный в ограниченном замкнутом пространстве в целях жизнеобеспечения человека.

   Каковы эти основные отличия?

   Масштабы искусственного биологического круговорота веществ как средства обеспечения жизнедеятельности человека в ограниченном замкнутом пространстве не могут быть сопоставимыми с масштабом земного биологического круговорота, хотя основные закономерности, определяющие ход и эффективность процессов в его отдельных биологических звеньях, могут быть применимы для характеристики подобных звеньев в искусственной экосистеме. В биосфере Земли действующими лицами являются почти 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, способных в определенных критических обстоятельствах (например, гибель вида или популяции) заменять друг друга, поддерживая устойчивость биосферы. В искусственной экосистеме представительность видов и число особей весьма ограничены, что резко повышает «ответственность» каждого живого организма, включенного в состав искусственной экосистемы, и предъявляет повышенные требования к его биологической устойчивости в экстремальных условиях.

   В биосфере Земли круговорот веществ и химических элементов основан на огромном числе разнообразных, не согласованных во времени и пространстве, самостоятельных и перекрестных циклов, каждый из которых осуществляется с характерной для него скоростью. В искусственной экосистеме количество таких циклов ограниченно, роль каждого цикла в круговороте веществ; многократно повышается, а согласованные скорости протекания процессов в системе должны быть строго выдержаны в качестве необходимого условия устойчивой работы биологической СЖО.

   Наличие тупиковых процессов в биосфере существенно не отражается на естественном круговороте веществ, поскольку на Земле пока еще имеются в значительных количествах запасы веществ, впервые вовлекаемых в круговорот. Кроме того, масса веществ тупиковых процессов неизмеримо меньше буферных возможностей Земли. В искусственных космических СЖО всегда существующие общие ограничения по массе, объему и энергопотреблению налагают соответствующие ограничения и на массу веществ, участвующих в круговороте биологической СЖО. Наличие или образование в этом случае любого тупикового процесса ощутимо снижает эффективность работы системы в целом, уменьшает показатель ее замкнутости, требует соответствующей компенсации из запасов исходных веществ, а следовательно, и увеличения этих запасов в системе.

   Важнейшая особенность биологического круговорота веществ в рассматриваемых искусственных экосистемах – определяющая роль человека в качественных и количественных характеристиках круговорота веществ. Круговорот в данном случае осуществляется в конечном счете в интересах удовлетворения потребностей человека (экипажа), который является главным задающим звеном. Остальные биологические объекты – исполнители функций поддержания среды обитания человека. Исходя из этого, каждому биологическому виду в искусственной экосистеме создаются по возможности наиболее оптимальные условия существования для достижения максимальной продуктивности вида. В биосфере Земли интенсивность процессов биосинтеза определяется преимущественно поступлением энергии Солнца в тот или иной регион. В большинстве случаев эти возможности ограниченны: интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли приблизительно в 10 раз ниже, чем за пределами земной атмосферы. Кроме того, каждому живому организму, чтобы выжить и развиваться, постоянно требуется приспосабливаться к условиям жизни, заботиться о поиске пищи, расходуя на это значительную часть жизненной энергии. Поэтому интенсивность биосинтеза в биосфере Земли не может считаться оптимальной с позиций основной функции биологических СЖО – удовлетворение пищевых потребностей человека.

    В отличие от биосферы Земли в искусственных экосистемах исключены масштабные абиотические процессы и факторы, играющие заметную, но зачастую слепую роль в формировании биосферы и ее элементов (погодные и климатические воздействия, обедненные почвы и непригодные территории, химические свойства воды и т. п.).

   Указанные и другие отличия способствуют достижению существенно большей эффективности трансформации вещества в искусственных экосистемах, более высокой скорости реализации циклов круговорота, более высоких значений КПД биологической системы жизнеобеспечения человека.

ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

   По мере накопления практического опыта по изучению и освоению околоземного космического пространства программы космических исследований все более усложняются. Решать основные вопросы формирования биологических СЖО для будущих длительных космических экспедиций необходимо уже сегодня, поскольку научные эксперименты, выполняемые со звеньями биологических СЖО, отличаются большой продолжительностью от начала до момента получения конечного результата. Это обусловлено, в частности, сравнительно длительными циклами развития, объективно существующими у многих живых организмов, избираемых в качестве звеньев биологических СЖО, а также необходимостью получения достоверной информации по отдаленным последствиям трофических и иных связей биозвеньев, которые для живых организмов могут проявиться обычно лишь в последующих поколениях. Методик ускоренного проведения подобных биологических экспериментов пока не существует. Именно это обстоятельство требует значительно опережающей во времени закладки экспериментов по изучению энерго- и массообменных процессов в биологических СЖО, включающих человека.

   Ясно, что основные вопросы создания биологических СЖО космических экипажей должны быть предварительно отработаны и решены в наземных условиях. Для этих целей создавались и создаются специальные технические и медико-биологические центры, включающие мощные исследовательские и испытательные базы, гермобарокамеры большого объема, стенды, имитирующие условия космического полета, и т. п. В комплексных наземных экспериментах, выполняемых в гермобарокамерах с участием групп испытателей, определяется совместимость систем и звеньев друг с другом и с человеком, выясняется устойчивость биологических звеньев в длительно функционирующей искусственной экосистеме, оценивается эффективность и надежность принятых решений и делается выбор варианта биологической СЖО для его окончательной углубленной проработки применительно к конкретному космическому объекту или полету.

   В 60 – 70-х годах в СССР был выполнен ряд уникальных научных экспериментов, направленных на создание биологических СЖО для экипажей искусственных космических экосистем. В ноябре 1968 г. в СССР был завершен длительный (годовой) эксперимент с участием трех испытателей. Основными его целями были проверка и отработка технических средств и технологий комплексной СЖО, основанной на физико-химических методах регенерации веществ и биологическом способе восполнения потребностей человека в витаминах и клетчатке при культивировании в оранжерее зеленных: культур, В этом эксперименте посевная площадь оранжереи составляла всего 7,5 м², производительность по биомассе на одного человека в среднем равнялась 200 г в сутки. В набор культур входили капуста хибинская, огуречная трава, кресс-салат и укроп.

   В процессе эксперимента была установлена возможность нормального выращивания высших растений в замкнутом объеме при пребывании в нем человека и многократного использования транспирационной воды без ее регенерации для орошения субстрата. В оранжерее осуществлялась частичная регенерация веществ, обеспечивая минимальную замкнутость по пище и кислороду – на 3 – 4%.

   В 1970 г. на ВДНХ СССР демонстрировался экспериментальный макет системы жизнеобеспечения, представленный Всесоюзным научно-исследовательским биотехническим институтом Главмикробиопрома СССР и предназначенный для определения оптимального состава комплекса биотехнических блоков и режима их работы. Система жизнеобеспечения макета была рассчитана на удовлетворение потребностей трех человек в воде, кислороде и свежих растительных продуктах в течение неограниченно длительного периода времени. Основные регенерационные блоки в системе были представлены водорослевым культиватором емкостью 50 л и оранжереей с полезной площадью около 20 м² (рис. 3). Воспроизводство животных пищевых продуктов возлагалось на культиватор кур.

   В Институте физики Сибирского отделения АН СССР была выполнена серия экспериментальных исследований экосистем, включающих человека. Эксперимент с двухзвенной системой «человек – микроводоросли» (хлорелла) длительностью 45 сут позволил изучить массообмен между звеньями системы и окружающей средой и достигнуть показателя общей замкнутости круговорота веществ, равного 38% (регенерация атмосферы и воды).

   Эксперимент с трехзвенной системой «человек – высшие растения – микроводоросли» выполнялся в течение 30 сут. Цель – изучение совместимости человека с высшими растениями при полностью замкнутом газообмене и частично замкнутом водообмене. При этом была предпринята попытка замкнуть пищевую цепь по растительной (овощной) биомассе. Результаты эксперимента показали отсутствие взаимного угнетающего влияния звеньев системы через общую атмосферу в течение времени эксперимента. Была определена минимальная величина посадочной площади непрерывной культуры овощей для полного обеспечения потребности одного человека в свежих овощах при избранном режиме выращивания (2,5 – 3 м²).