Экосистема космического корабля

   Введением в систему четвертого звена – микробного культиватора, предназначенного для переработки непищевых растительных отходов и возврата их в систему, был начат новый эксперимент с человеком продолжительностью 73 сут. В процессе эксперимента был полностью замкнут газообмен звеньев, почти полностью – водообмен (исключая пробы на химический анализ) и частично – пищевой обмен. За время эксперимента выявилось ухудшение продуктивности высших растений (пшеницы), объясненное накоплением метаболитов растений или сопутствующей микрофлоры в питательной среде. Был сделан вывод о нецелесообразности введения в систему звена минерализации твердых выделений человека исходя из технико-экономических показателей четырехзвенной биологической системы.

   В 1973 г. был завершен полугодовой эксперимент по жизнеобеспечению экипажа из трех человек в замкнутой экосистеме с общим объемом около 300 м³, включавшей, помимо испытателей, звенья высших и низших растений. Эксперимент выполнялся в три этапа. На первом этапе, длившемся два месяца, все потребности экипажа в кислороде и воде удовлетворялись за счет высших растений, включавших пшеницу, свеклу, морковь, укроп, репу, капусту листовую, редис, огурцы, лук и щавель. Сточные воды из бытового отсека подавались в питательную среду для пшеницы. Твердые и жидкие выделения экипажа выводились из гермообъема наружу. Пищевые потребности экипажа удовлетворялись частично высшими растениями, а частично – обезвоженными продуктами из запасов. Ежесуточно в звене высших растений с посадочной площади около 40 м² синтезировалось 1953 г биомассы (в сухом весе), включая 624 г съедобной, что составило 30% от полной потребности экипажа. При этом полностью обеспечивалась потребность трех человек в кислороде (около 1500 л в сутки). Замкнутость системы «человек – высшие растения» на этом этапе составила 82%.

   На втором этапе эксперимента часть оранжереи была заменена звеном низших растений – хлореллой. Потребности экипажа в воде и кислороде удовлетворялись высшими (пшеница и овощные культуры) и низшими растениями, жидкие выделения экипажа направлялись в водорослевый реактор, твердые выделения высушивались для возврата воды в круговорот. Питание экипажа осуществлялось аналогично первому этапу. Выявилось ухудшение роста пшеницы вследствие увеличения количества сточно-бытовой воды, поступающей с питательной средой на единицу посадочной площади, сократившейся вдвое.

   На третьем этапе в звене высших растений были оставлены только овощные культуры, и основную нагрузку по регенерации атмосферы гермообъема выполнял водорослевый реактор. Сточно-бытовая вода в питательный раствор для растений не вносилась. Тем не менее на этом этапе эксперимента была обнаружена интоксикация растений атмосферой гермообъема. Замкнутость системы, включающей хлореллу, утилизирующую жидкие выделения человека, возрастала до 91%.

   В ходе эксперимента особое внимание уделялось вопросу выравнивания временных колебаний в обмене экзометаболитов экипажа. С этой целью испытатели жили по графику, обеспечившему непрерывность управления экосистемой и равномерность уровня массообмена в процессе автономного существования экосистемы. За 6 мес эксперимента в системе находилось 4 испытателя, один из которых обитал в ней непрерывно, а трое – по 6 мес, заменяясь по графику.

   Основной результат эксперимента – доказательство возможности осуществления в ограниченном замкнутом пространстве биологической системы жизнеобеспечения, автономно управляемой изнутри. Анализ показателей физиологических, биохимических и технологических функций испытателей не выявил направленных изменений, вызванных их пребыванием в искусственной экосистеме.

   В 1977 г. в Институте физики СО АН СССР был проведен четырехмесячный эксперимент с искусственной замкнутой экосистемой «человек – высшие растения». Основная задача – найти способ сохранения продуктивности высших растений в условиях замкнутой экосистемы. При этом изучалась также возможность повышения замкнутости системы путем увеличения воспроизводимой в ней доли пищевого рациона экипажа. В эксперименте участвовали два испытателя (в течение первых 27 дней – три испытателя). Посевная площадь фитотрона составляла около 40 м². Набор культур высших растений включал пшеницу, чуфу, свеклу, морковь, редис, лук, укроп, капусту листовую, огурцы, картофель и щавель. В эксперименте была организована принудительная циркуляция внутренней атмосферы по контуру «жилой отсек – фитотроны (оранжерея) – жилой отсек». Эксперимент явился продолжением предыдущего эксперимента с замкнутой экосистемой «человек – высшие растения – низшие растения».

   В ходе опыта, первый этап которого воспроизводил условия предыдущего, выявилось снижение фотосинтеза растений, начавшееся с 5-х сут и продолжавшееся до 24 сут. Далее была включена термокаталитическая очистка атмосферы (дожигание накопившихся токсических газообразных примесей), в результате чего ингибирующее действие атмосферы на растения было снято и фотосинтетическая продуктивность фитотронов восстановлена. За счет дополнительной углекислоты, полученной от сжигания соломы и целлюлозы, воспроизводимая часть рациона экипажа была доведена до 60% по массе (до 52% по калорийности).

   Водообмен в системе был частично замкнутым: источником питьевой и частично санитарно-бытовой воды служил конденсат транспирацнонной влаги растений, для полива пшеницы использовалась питательная среда с добавлением сточных хозяйственных вод, а водный баланс поддерживался введением дистиллированной воды в количествах, компенсирующих вывод из системы жидких выделений человека.

   По завершении эксперимента не было обнаружено отрицательных реакций организма испытателей на комплексное воздействие условий замкнутой системы. Растения полностью обеспечили испытателей кислородом, водой и основной частью растительной пищи.

   В том же 1977 г. завершился полуторамесячный эксперимент с двумя испытателями в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР. Эксперимент проводился с целью изучения модели замкнутой экосистемы, включавшей оранжерею и установку с хлореллой.

   Выполненные эксперименты показали, что при осуществлении биологической регенерации атмосферы и воды в искусственной экосистеме с помощью зеленых растений низшие растения (хлорелла) имеют бóльшую биологическую совместимость с человеком, чем высшие. Это следует из того факта, что атмосфера жилого отсека и выделения человека неблагоприятно влияли на развитие высших растений и требовалась некоторая дополнительная физико-химическая обработка воздуха, поступающего в оранжерею.

   За рубежом работы, направленные на создание перспективных СЖО, наиболее интенсивно ведутся в США. Исследования проводятся в трех направлениях: теоретическом (определение структуры, состава и расчетных характеристик), экспериментальном наземном (испытания отдельных биологических звеньев) и экспериментальном летном (подготовка и проведение биологических экспериментов на пилотируемых космических кораблях). Занимаются проблемой создания биологических СЖО центры НАСА и фирмы, разрабатывающие космические корабли и системы к ним. Во многих исследованиях перспективного характера принимают участие университеты. В НАСА создан отдел биосистем,, координирующий работы по программе создания управляемой биотехнической СЖО.

   Большой интерес специалистов-экологов вызвал проект создания в США грандиозного искусственного сооружения, названного «Биосферой-2». Это сооружение из стекла, стали и бетона представляет собой полностью герметичный объем, равный 150 000 м³ и занимающий площадь 10 000 м². Весь объем разделен на крупномасштабные отсеки, в которых формируются физические модели различных климатических зон Земли, включающие тропический лес, тропическую саванну, лагуну, мелководные и глубоководные зоны океана, пустыню и т. п. В «Биосфере-2» размещаются также жилые помещения испытателей, лаборатории, мастерские, сельскохозяйственные оранжереи и пруды для разведения рыбы, системы переработки отходов и другие необходимые для жизнедеятельности людей обслуживающие системы и технические средства. Стеклянные потолки и стены отсеков «Биосферы-2» должны обеспечить поступление лучистой солнечной энергии к ее обитателям, в числе которых в течение первых двух лет будут находиться восемь испытателей-добровольцев. Им предстоит доказать возможность активной жизни и деятельности в изолированных условиях на основе внутреннего биосферного круговорота веществ.

   Институт экотехники, возглавивший в 1986 г. создание «Биосферы-2», планирует завершить ее строительство уже в нынешнем году. К участию в реализации проекта присоединились многие авторитетные ученые и технические специалисты.

   Несмотря на значительную стоимость работ (не менее 30 млн. долл.), реализация проекта позволит провести уникальные научные исследования в области экологии и биосферы Земли, определить возможность применения отдельных элементов «Биосферы-2» в различных отраслях хозяйства (биологическая очистка и регенерация воды, воздуха и пищи). «Подобные конструкции окажутся необходимыми для создания поселений в космическом пространстве, а может, и для сохранения определенных видов живых существ на Земле», – утверждает астронавт США Р. Швейкарт.

   Практическое значение упомянутых экспериментов заключается не только в решении отдельных вопросов создания космических замкнутых экосистем, включающих человека. Не менее важны результаты этих экспериментов для познания законов экологии и медико-биологических основ адаптации человека к экстремальным условиям среды, уточнения потенциальных возможностей биологических объектов в интенсивных режимах культивирования, разработки безотходных и экологически чистых технологий обеспечения потребностей человека в качественной пище, воде и воздухе в искусственных изолированных обитаемых сооружениях (подводные поселения, полярные станции, поселки геологов на Крайнем Севере, оборонные сооружения и т. п.).

   В перспективе можно представить целые безотходные и экологически чистые города. Например, директор Международного института системного анализа Ч. Маркетти считает: «Наша цивилизация сможет спокойно существовать, и притом в условиях лучших, чем нынешние, замкнувшись в городах-островах, находящихся на полном самообеспечении, не зависящих от превратностей природы, не нуждающихся ни в природном сырье, ни в природной энергии и гарантированных от загрязнений». Добавим, что для этого требуется выполнение всего лишь одного условия: объединения усилий всего человечества в мирном творческом труде на Земле и в космосе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Успешное решение проблемы создания крупных искусственных экосистем, включающих человека и основанных на полностью или частично замкнутом биологическом круговороте веществ, имеет огромное значение не только для дальнейшего прогресса космонавтики. В эпоху, когда «с такой пугающей ясностью мы увидели, что к фронту ядерно-космической угрозы приближается и встает в один ряд с ним второй фронт – экологический» (из выступления министра иностранных дел СССР Э. А. Шеварднадзе на 43-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН), одним из реальных путей выхода из приближающегося экологического кризиса может быть путь создания практически безотходных и экологически чистых интенсивных агропромышленных технологий, в основу которых должен быть положен биологический круговорот веществ и более эффективное использование солнечной энергии.

   Речь идет о принципиально новой научно-технической проблеме, результаты решения которой могут иметь огромное значение для защиты и охраны окружающей среды, разработки и широкого применения новых интенсивных и безотходных биотехнологий, создания автономных автоматизированных и роботизированных комплексов по наработке пищевой биомассы, решения продовольственной программы на высоком современном научно-техническом уровне. Космическое неотрывно от земного, поэтому уже сегодня результаты космических программ дают существенный экономический и социальный эффект в самых различных областях народного хозяйства.

   Космос служит и должен служить людям. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА

Блинкин С. А., Рудницкая  Т. В. Фитонциды вокруг нас. – М.: Знание, 1981.

Газенко О. Г., Пестов И. Д., Макаров В. И. Человечество и космос. – М.: Наука, 1987.

Дадыкин В. П. Космическое растениеводство. – М.: Знание, 1968.

Дажо Р. Основы экологии. – М.: Прогресс, 1975.

Замкнутая система: человек – высшие растения (четырехмесячный  эксперимент) / Под ред. Г. М. Лисовского. – Новосибирск-Наука, 1979.

Космонавтика. Энциклопедия. / Под ред. В. П. Глушко – М.: Советская энциклопедия, 1985.

Лапо А. В. Следы былых биосфер. – М.: Знание, 1987.

Ничипорович А. А. КПД зеленого листа. – М.: Знание 1964.

Основы космической  биологии и медицины. / Под ред. О  Г Газенко (СССР) и М. Кальвина (США). – Т. 3 – М.: Наука, 1975.

Плотников В. В. На перекрестках экологии. – М.: Мысль, 1985

Сытник К. М., Брайон А. В., Гордецкий А. В. Биосфера, экология, охрана природы. – Киев: Наукова думка, 1987.

Экспериментальные экологические системы, включающие человека / Под ред. В. Н. Черниговского. – М.: Наука, 1975

Яздовский В. И. Искусственная биосфера. – М.: Наука, 1976