Космическая экология: зачем человечеству учиться создавать биосферу вне Земли

Фото: Кирилл Песков / Роскосмос

Когда в середине XX века человечество начало покорять космос, перед учёными и инженерами встал вопрос, который поначалу оставался в тени громких достижений космонавтики. Оказалось, что доставить человека на орбиту значительно проще, чем поддерживать его длительное существование за пределами Земли, обеспечив ему воздух, воду и условия жизни, которые миллиарды лет формировались в биосфере нашей планеты благодаря эволюции. Попытка решить эту проблему стала основой научного направления, которое сегодня называют космической экологией. 

Ещё во второй половине XX века исследователи, занимавшиеся вопросами длительного пребывания человека в космосе, пришли к выводу, что будущие межпланетные экспедиции потребуют не только новых двигателей и кораблей, но и принципиально нового понимания среды обитания человека вне Земли. Космическая экология ищет ответ на важный вопрос: возможно ли создать устойчивые условия для жизни там, где их никогда не существовало?

Ко Дню эколога, который отмечается 5 июня, профессор института № 6 «Аэрокосмический» Московского авиационного института, участник проекта по созданию системы жизнеобеспечения космонавтов Александр Белявский рассказал, почему космическая экология становится одной из ключевых наук будущего и какие задачи предстоит решить человечеству, прежде чем говорить о колонизации других планет.

Биосфера как самая совершенная система жизнеобеспечения

Для человека естественно что он может дышать, пить воду, выращивать пищу и жить в относительно стабильной среде. Однако всё 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 её 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 её.

Как отмечает Александр Белявский, именно поэтому 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.

— Когда говорят об экологии, многие представляют себе охрану природы или переработку отходов. Но в научном смысле экология — это, прежде всего, наука о взаимодействии живых организмов и среды их обитания. Поэтому вопрос экологии становится одним из ключевых для космонавтики, — говорит профессор МАИ.

Именно поэтому специалисты по космической экологии рассматривают будущие внеземные базы не как совокупность отдельных модулей, а как искусственные экосистемы, в которых должны быть взаимосвязаны процессы дыхания, питания, водообеспечения, переработки отходов и защиты человека от внешних воздействий.

Освоение космоса: куда дальше и как?

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 серьёзное достижение, которое ещё 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 всё 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 учёного, 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, введённый в эксплуатацию в начале 1970-х годов. Учёные исследовали возможность длительного проживания людей в герметичной среде, где часть воздуха и пищи обеспечивалась за счёт выращивания растений. В отдельных экспериментах участники находились внутри комплекса до нескольких месяцев. Александр Белявский напомнил, что 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 исследователям удалось добиться практически полного замыкания газообмена за счёт 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 её долгосрочную устойчивость, даже если удаётся наладить отдельные процессы — производство кислорода, очистку воды или выращивание растений. Малейшие изменения в одном из её элементов способны привести к цепочке последствий, затрагивающих работу всей искусственной экосистемы.

Урок «Биосферы-2»

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 объём продовольствия для экипажа. В результате участникам эксперимента приходилось жить в условиях постоянного дефицита калорий и искать способы адаптироваться к нему. 

Для космической экологии этот проект оказался чрезвычайно ценным. По словам Александра Белявского, именно опыт «Биосферы-2» подтвердил, что жизнеспособность системы определяется не отдельными элементами, а связями между ними.

— Важнейшим свойством земной биосферы является её 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 серьёзных 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.

От искусственной биосферы к Луне и дальше

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 остаётся 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. Учёные 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 надёжной 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.

По словам Александра Белявского, именно подобные проекты позволяют постепенно приближаться к решению главной задачи космической экологии — созданию среды, в которой человек сможет существовать вдали от Земли не дни и недели, а годы.

Говоря же о потенциальном расселении человечества за пределами Земли, учёные 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 является наиболее похожим на Землю объектом Солнечной системы: здесь есть запасы водяного льда, циклы дня и ночи близки к земным, а в прошлом на планете существовали реки, озёра и более плотная атмосфера. Однако даже в этом случае речь идёт не о переселении в привычном смысле слова, а о создании искусственной среды, которая должна будет компенсировать отсутствие большинства условий, обеспечиваемых земной биосферой. 

— Сегодня мы много говорим о полётах к другим планетам, но главный вопрос заключается не в том, как туда добраться, а в том, как там жить. Космическая экология как раз и занимается поиском ответа на этот вопрос. Любой биологический вид либо развивается, либо исчезает. Поэтому освоение космоса — это не вопрос престижа, а один из возможных этапов дальнейшего развития жизни, — подчёркивает Александр Белявский.