Космическая экология: зачем человечеству создавать биосферу за пределами Земли

Ко Дню эколога Александр Белявский, профессор института № 6 «Аэрокосмический» Московского авиационного института (МАИ), участник проекта по созданию системы жизнеобеспечения космонавтов, рассказал, почему космическая экология становится одной из ключевых наук будущего и какие задачи предстоит решить человечеству, прежде чем говорить о колонизации других планет.

Для человека естественно, что он может дышать, пить воду, выращивать пищу и жить в относительно стабильной среде. Однако все это обеспечивается сложнейшей системой взаимосвязей между атмосферой, гидросферой, почвой и живыми организмами. Эту систему академик Владимир Вернадский когда-то назвал биосферой.

Земля далеко не всегда была такой, какой мы знаем ее сегодня. Более двух миллиардов лет назад в атмосфере практически отсутствовал свободный кислород. Его накопление стало результатом деятельности живых организмов — прежде всего цианобактерий, которые начали использовать фотосинтез. Фактически они не просто приспособились к окружающей среде, а изменили ее.

Как отмечает Александр Белявский, вопросы космической экологии нельзя сводить к отдельным техническим решениям. За пределами Земли человеку предстоит воспроизвести не один прибор и не одну технологию, а целую систему, формировавшуюся на протяжении геологической истории нашей планеты.

На Международной космической станции уже сегодня работают системы, позволяющие возвращать в цикл большую часть воды — до 98% водных ресурсов экипажа, — а также поддерживать газовый состав атмосферы и обеспечивать космонавтов кислородом. Это серьезное достижение, которое еще несколько десятилетий назад казалось невозможным. Но это лишь одна из составляющих будущей автономной среды. Гораздо сложнее обстоит ситуация с производством пищи. В отличие от воды или воздуха, пищевые системы неизбежно связаны с живыми организмами, а значит, требуют поддержания биологических процессов.

«С водой и кислородом ситуация выглядит достаточно оптимистично, а вот с питанием все значительно сложнее. Воду можно очищать и возвращать в цикл с помощью относительно предсказуемых технологий. Но для получения пищи необходимо поддерживать работу живых организмов. Если мы говорим о растениях, то нужно учитывать освещение, состав среды, круговорот питательных веществ, взаимодействие с микроорганизмами и множество других факторов», — отмечает Александр Белявский.

По словам ученого, именно при попытке создать замкнутую систему производства пищи становится особенно заметна разница между отдельной технологией и полноценной искусственной биосферой. Главная сложность заключается не в том, чтобы заставить работать каждый элемент по отдельности, а в том, чтобы объединить их в единую систему, способную сохранять равновесие на протяжении многих лет.

Проблема замкнутых систем жизнеобеспечения начала активно изучаться в 1960-х. Одним из наиболее известных отечественных проектов стал комплекс БИОС, разработанный в Красноярске под руководством академика Иосифа Гительзона. Наибольшую известность при этом получил экспериментальный комплекс БИОС-3, введенный в эксплуатацию в начале 1970-х годов. Ученые исследовали возможность длительного проживания людей в герметичной среде, где часть воздуха и пищи обеспечивалась за счет выращивания растений. В отдельных экспериментах участники находились внутри комплекса до нескольких месяцев. Эти проекты впервые позволили рассматривать растения не просто как источник пищи, а как полноценный элемент системы жизнеобеспечения. Они участвовали в выработке кислорода, газообмене, водообеспечении и поддержании экологического баланса.

В отдельных экспериментах удалось добиться практически полного замыкания газообмена за счет растений. Для своего времени это был уникальный результат, который показал, что живые организмы могут выступать не дополнением к инженерным системам, а их полноценной частью. Такие исследования заложили основу современных представлений о биорегенеративных системах жизнеобеспечения — комплексах, в которых растения, микроорганизмы и другие живые организмы участвуют в выработке кислорода, восстановлении состава воздуха, очистке воды и частичном обеспечении экипажа пищей. Подобные технологии рассматриваются как один из ключевых элементов будущих длительных космических миссий. 

Полученные результаты стали важным шагом в развитии космической экологии и показали, что создание замкнутой среды принципиально возможно. Однако одновременно выяснилось, насколько сложно обеспечить ее долгосрочную устойчивость: даже если удается наладить отдельные процессы — производство кислорода, очистку воды или выращивание растений. Малейшие изменения в одном из элементов способны привести к цепочке последствий, затрагивающих работу всей искусственной экосистемы. 

Продолжением исследований замкнутых систем жизнеобеспечения стал знаменитый американский эксперимент «Биосфера-2» в Аризоне. В начале 1990-х годов восемь участников были помещены в огромный герметичный комплекс площадью более одного гектара, внутри которого находились искусственные экосистемы — от тропического леса до сельскохозяйственных угодий. Эксперимент задумывался как модель будущих внеземных поселений. Однако результаты оказались гораздо неоднозначнее ожидаемых. Внутри комплекса начали происходить процессы, которые разработчики не смогли полностью предсказать: менялся химический состав атмосферы, сокращалось разнообразие видов, а сельскохозяйственные участки не всегда обеспечивали достаточный объем продовольствия для экипажа. В результате участникам эксперимента приходилось жить в условиях постоянного дефицита калорий и искать способы адаптироваться к нему. 

«Важнейшим свойством земной биосферы является ее избыточность. Многие процессы в ней дублируются, а потеря отдельных элементов далеко не всегда приводит к разрушению всей системы. Именно эта способность сохранять устойчивость даже при серьезных изменениях окружающей среды во многом обеспечила существование жизни на протяжении миллиардов лет. Создать подобный запас прочности в искусственной среде обитания очень сложно», — поясняет эксперт МАИ.

Уникальным полигоном для проверки технологий, необходимых для будущих дальних экспедиций, может стать Луна. Здесь можно отрабатывать системы жизнеобеспечения, способы получения ресурсов, модели автономного существования экипажей и другие решения, которые в перспективе понадобятся для создания внеземных поселений.

Особое значение имеет радиационная безопасность. В отличие от Земли, Луна практически лишена атмосферы и магнитного поля, которые на нашей планете выполняют роль естественного щита от космического излучения. Поэтому будущие лунные базы позволят не только испытывать системы жизнеобеспечения, но и искать эффективные способы долговременной защиты человека от одного из главных факторов риска при освоении дальнего космоса.

Не менее важной задачей остается изучение влияния длительной изоляции на человека. Даже идеально спроектированная среда обитания не сможет выполнять свою функцию, если экипаж окажется не готов к многомесячному пребыванию в замкнутом пространстве. Именно поэтому большое значение имеют исследования, посвящённые психологическим и физиологическим аспектам длительных космических миссий.

Одним из наиболее известных проектов такого рода стал эксперимент «Марс-500», реализованный Институтом медико-биологических проблем РАН. В ходе исследования шесть участников провели 520 суток в изолированном комплексе, где были смоделированы условия экспедиции к Марсу. Ученые наблюдали за изменениями физического состояния экипажа, особенностями адаптации организма к длительной изоляции, режимом сна и бодрствования, работоспособностью, а также за тем, как меняются взаимоотношения между людьми в условиях ограниченного пространства и отсутствия привычных социальных контактов.

Эксперимент показал, что длительная автономная миссия требует не только надежной техники и достаточного запаса ресурсов. Не менее важными факторами становятся психологическая совместимость экипажа, способность людей справляться со стрессом, сохранять мотивацию и эффективно взаимодействовать друг с другом на протяжении многих месяцев. Эти знания сегодня используются при подготовке новых космических программ и рассматриваются как важная часть исследований, связанных с будущим освоением дальнего космоса.

Говоря же о потенциальном расселении человечества за пределами Земли, ученые сегодня чаще всего упоминают Марс. Несмотря на низкие температуры, высокий уровень радиации и отсутствие пригодной для дыхания атмосферы, именно эта планета считается наиболее перспективным кандидатом для создания первых внеземных поселений. Причина в том, что Марс сильно похож на Землю: здесь есть запасы водяного льда, циклы дня и ночи близки к земным, а в прошлом на планете существовали реки, озера и более плотная атмосфера. Однако даже в этом случае речь идет не о переселении в привычном смысле слова, а о создании искусственной среды, которая должна будет компенсировать отсутствие большинства условий, обеспечиваемых земной биосферой.