Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

7/1989

Издается ежемесячно с 1971 г.

Ю. И. Гришин

ИСКУССТВЕННЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭКОСИСТЕМЫ


В приложении этого номера:

КОСМИЧЕСКИЙ ТУРИЗМ
ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ
НОВОСТИ АСТРОНОМИИ



Издательство «Знание» Москва 1989

ББК 39.67
Г 82

Редактор И. Г. ВИРКО

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	3
Человек в естественной экосистеме	5
Космический корабль с экипажем – искусственная экосистема	11
Эстафета веществ в биологическом круговороте	21
Есть ли КПД у экосистем?	26
Искусственные и естественные биосферные экосистемы: сходство и отличия	32
О биологических системах жизнеобеспечения космических экипажей	36
Зеленые растения как основное звено биологических систем жизнеобеспечения	39
Достижения и перспективы	44
Заключение	53
Литература	54
ПРИЛОЖЕНИЕ
Космический туризм	55
Хроника космонавтики	57
Новости астрономии	60

Гришин Ю. И.

Г 82

Искусственные космические экосистемы. – М.: Знание, 1989. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 7).

ISBN 5-07-000519-7

15 к.

Брошюра посвящена проблемам жизнеобеспечения экипажей космических кораблей и будущих длительно функционирующих космических сооружений. Рассматриваются различные модели искусственных экологических систем, включающих человека и другие биологические звенья. Брошюра рассчитана на широкий круг читателей.

3500000000ББК 39.67

ISBN 5-07-000519-7© Издательство «Знание», 1989 г.

ВВЕДЕНИЕ

Начало XXI века может войти в историю развития земной цивилизации как качественно новая ступень освоения околосолнечного космического пространства: непосредственное заселение естественных и искусственно созданных космических объектов с продолжительным пребыванием людей на этих объектах.

Кажется, еще совсем недавно был выведен на околоземную космическую орбиту первый искусственный спутник Земли (1957), совершен первый облет и фотографирование обратной стороны Луны (1959), побывал в космосе первый человек (Ю. А. Гагарин, 1961), показан по телевидению захватывающий момент выхода человека в открытый космос (А. А. Леонов, 1965) и продемонстрированы первые шаги космонавтов по поверхности Луны (Н. Армстронг и Э. Олдрин, 1969). Но с каждым годом уходят в прошлое и становятся достоянием истории эти и многие другие выдающиеся события космической эры. Они, по сути, лишь начало воплощения идей, сформулированных великим К. Э. Циолковским, который рассматривал космос не только как астрономическое пространство, но и как среду обитания и жизни человека в будущем. Он полагал, что «если бы жизнь не распространялась по всей Вселенной, если бы она была привязана к планете, то эта жизнь была бы часто несовершенной и подверженной печальному концу» (1928).

Сегодня уже прогнозируются возможные варианты биологической эволюции человека в связи с расселением значительной части популяции вне Земли, разрабатываются возможные модели освоения космоса, оценивается преобразующее влияние космических программ на природу, экономику и общественные отношения. Рассматриваются и решаются также проблемы частичного или полного самообеспечения поселений в космосе с помощью замкнутых биотехнических систем жизнеобеспечения, вопросы создания лунных и планетных баз, космической индустрии и строительства, использования внеземных источников энергии и материалов.

Начинают сбываться слова К. Э. Циолковского о том, что «человечество не останется вечно на Земле, а в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а потом завоюет все околосолнечное пространство» (1911).

На проведенных в последнее время международных встречах и форумах по сотрудничеству в космосе в интересах дальнейшего расширения научных исследований околоземного и околосолнечного космического пространства, изучения Марса, Луны, других планет Солнечной системы выражались надежды на то, что выполнение крупных космических программ, требующих огромных материально-технических и финансовых затрат, будет осуществлено общими усилиями многих стран в рамках интернационального сотрудничества. «Только коллективному разуму человечества под силу движение в высоты околоземного пространства и дальше – в околосолнечный и звездный космос», – сказал М. С. Горбачев в своем обращении к зарубежным представителям коммунистического движения – участникам празднования 70-летия Великого Октября.

Одно из важнейших условий дальнейшего освоения человеком космического пространства – обеспечение жизни и безопасной деятельности людей при продолжительном их пребывании и работе на удаленных от Земли космических станциях, космических кораблях, планетных и лунных базах.

Наиболее целесообразный путь решения этой важнейшей проблемы, как считают сегодня многие отечественные и зарубежные исследователи, – это создание в длительно функционирующих обитаемых космических сооружениях замкнутых биотехнических систем жизнеобеспечения, т. е. искусственных космических экологических систем, включающих человека и другие биологические звенья.

В этой брошюре мы попытаемся изложить основные принципы построения таких систем, приведем сведения о результатах крупных наземных экспериментов, выполненных в плане подготовки к созданию космических биотехнических систем жизнеобеспечения, укажем проблемы, которые еще предстоит решить на Земле и в космосе, чтобы обеспечить требуемую надежность функционирования этих систем в космических условиях.

ЧЕЛОВЕК В ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭКОСИСТЕМЕ

Прежде чем отправлять человека в длительное космическое путешествие, попытаемся сначала ответить на вопросы: что необходимо ему, чтобы нормально жить и плодотворно трудиться на Земле, и как решается проблема жизнеобеспечения человека на нашей планете?

Ответы на эти вопросы нужны для создания систем жизнеобеспечения экипажей на обитаемых космических кораблях, орбитальных станциях и инопланетных сооружениях и базах. Нашу Землю мы с полным правом можем рассматривать как огромный космический корабль естественного происхождения, совершающий на протяжении вот уже 4,6 млрд. лет свой бесконечный орбитальный космический полет вокруг Солнца. Экипаж этого корабля состоит сегодня из 5 млрд. человек. Быстро возрастающая численность населения Земли, которая к началу XX в. составляла 1,63 млрд. человек, а на пороге XXI в. должна достигнуть уже 6 млрд., лучше всего свидетельствует о наличии достаточно эффективного и надежного механизма жизнеобеспечения человека на Земле.

Итак, что необходимо человеку на Земле для обеспечения его нормальной жизни и деятельности? Вряд ли можно дать краткий, но исчерпывающий ответ: слишком обширны и многогранны все стороны жизни, деятельности и интересов человека. Восстановите подробно хотя бы один свой прожитый день, и вы убедитесь, что нужно человеку не так уж мало.

Удовлетворение потребностей человека в пище, воде и воздухе, относящихся к основным физиологическим потребностям, является главным условием его нормальной жизни и деятельности. Однако это условие неразрывно связано с другим: организм человека, как и любой другой живой организм, активно существует благодаря обмену веществ внутри организма и с внешней средой.

Потребляя из окружающей среды кислород, воду, питательные вещества, витамины, минеральные соли, человеческий организм использует их для построения и обновления своих органов и тканей, получая при этом всю необходимую для жизни энергию из белков, жиров и углеводов пищи. Продукты жизнедеятельности выводятся из организма в окружающую среду.

Как известно, интенсивность обмена веществ и энергии в организме человека такова, что без кислорода взрослый человек может существовать лишь несколько минут, без воды – около 10 сут, а без пищи – до 2 мес. Внешнее впечатление о том, что организм человека не претерпевает изменений, обманчиво и неверно. Изменения в организме происходят непрерывно. По данным А. П. Мясникова (1962), в течение суток в организме взрослого человека массой 70 кг заменяются и гибнут 450 млрд. эритроцитов, от 22 до 30 млрд. лейкоцитов, от 270 до 430 млрд. тромбоцитов, расщепляется примерно 125 г белков, 70 г жиров и 450 г углеводов с выделением более 3000 ккал тепла, восстанавливается и гибнет 50% эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта, 1/75 часть костных клеток скелета и 1/20 часть всех покровных кожных клеток тела (т. е. через каждые 20 сут человек полностью «меняет кожу»), выпадает и заменяется новыми приблизительно около 140 волос на голове и 1/150 часть всех ресниц и т. д. При этом в среднем совершается 23 040 вдохов и выдохов, через легкие проходит 11 520 л воздуха, поглощается 460 л кислорода, выводится из организма 403 л углекислоты и 1,2–1,5 л мочи, содержащей до 30 г плотных веществ, испаряется через легкие 0,4 л и выводится с потом около 0,6 л воды, содержащей 10 г плотных веществ, образуется 20 г кожного сала.

Такова интенсивность обмена веществ у человека всего за одни сутки!

Таким образом, человек постоянно, в течение всей своей жизни выделяет продукты обмена веществ и тепловую энергию, образующиеся в организме вследствие расщепления и окисления пищи, освобождения и трансформации химической энергии, запасенной в пище. Выделяющиеся продукты обмена веществ и тепло должны -постоянно или периодически отводиться от организма, сохраняя количественный уровень обмена в полном соответствии со степенью его физиологической, физической и умственной активности и обеспечивая баланс обмена организма с окружающей средой по веществу и энергии.

Всем известно, как реализуются эти основные физиологические потребности человека в повседневной реальной жизни: пятимиллиардный экипаж космического корабля «планета Земля» получает или производит все необходимое для своей жизни на основе запасов и продукции планеты, которая кормит, поит и одевает его, способствует увеличению его численности, защищает своей атмосферой все живое от неблагоприятного действия космических лучей. Приведем несколько цифр, наглядно характеризующих масштабы основного «товарообмена» человека с природой.

Первейшая постоянная потребность человека – дышать воздухом. «В запас воздухом не надышишься» – гласит русская пословица. Если каждому человеку ежесуточно требуется в среднем 800 г кислорода, то все население Земли должно потреблять 1,5 млрд. т кислорода в год. Атмосфера Земли располагает огромными возобновляемыми запасами кислорода: при общем весе земной атмосферы около 5 ∙ 10¹⁵ т кислород составляет приблизительно ¹/₅, что почти в 700 тыс. раз больше годового потребления кислорода всем населением Земли. Конечно, кроме людей, кислород атмосферы используется животным миром, а также расходуется на другие окислительные процессы, масштабы которых на планете огромны. Однако не менее интенсивны и обратные восстановительные процессы: благодаря фотосинтезу за счет лучистой энергии Солнца в растениях суши, морей и океанов осуществляется постоянное связывание углекислоты, выделяющейся живыми организмами в окислительных процессах, в многообразные органические соединения с одновременным выделением молекулярного кислорода. По подсчетам геохимиков, все растения Земли выделяют ежегодно 400 млрд. т кислорода, связывая при этом 150 млрд. т углерода (из углекислоты) с 25 млрд. т водорода (из воды). Девять десятых этой продукции вырабатывают водные растения.

Следовательно, вопрос обеспечения человека кислородом воздуха успешно решается на Земле преимущественно с помощью процессов фотосинтеза в растениях.

Следующая важнейшая потребность человека – вода.

В организме человека она является той средой, в которой осуществляются многочисленные биохимические реакции обменных процессов. Составляя ²/₃ массы тела человека, вода играет огромную роль в обеспечении его жизнедеятельности. С водой связано не только поступление питательных веществ в организм, их всасывание, распределение и усвоение, но и выделение конечных продуктов обмена веществ.

Вода поступает в организм человека в виде питья и с пищевыми продуктами. Количество воды, требующейся организму взрослого человека, колеблется от 1,5 – 2 до 10 – 15 л в сутки и зависит от его физической активности и условий окружающей среды. Обезвоживание организма или чрезмерное ограничение в приеме воды ведет к резкому расстройству его функций и к отравлению продуктами обмена, в частности азотистого.

Дополнительное количество воды необходимо человеку для обеспечения санитарно-бытовых и хозяйственных нужд (мытье, стирка, производство, животноводство и др.). Это количество существенно превышает физиологическую норму.

Количество воды на поверхности Земли огромно, оно составляет по объему свыше 13,7 ∙ 10⁸ км³. Однако запасы пресной воды, пригодной для питьевых целей, все же ограниченны. Сумма осадков (пресная вода), выпадающих в среднем за год на поверхность материков в результате круговорота воды на Земле, составляет всего около 100 тыс. км³ (¹/₅ общей суммы осадков на Земле). И лишь небольшая часть этого количества эффективно используется человеком.

Таким образом, на космическом корабле «Земля» запасы воды можно считать неограниченными, однако расход чистой пресной воды требует экономного подхода.

Пища служит человеческому организму источником энергии и веществ, участвующих в синтезе составных частей тканей, в обновлении клеток и их структурных элементов. В организме непрерывно осуществляются процессы биологического окисления белков, жиров и углеводов, поступающих с пищей. Полноценная пища должна включать необходимые количества аминокислот, витаминов и минеральных веществ. Вещества пищи, как правило, расщепленные с помощью ферментов в пищеварительном тракте до более простых, низкомолекулярных соединений (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и многие другие), всасываются и разносятся кровью по всему организму. Конечными продуктами окисления пищи чаще всего бывают углекислота и вода, которые выводятся из организма как отходы жизнедеятельности. Выделяющаяся при окислении пищи энергия частично запасается в организме в виде энергетически обогащенных соединений, а частично превращается в тепло и рассеивается в окружающей среде.

Количество пищи, необходимое организму, зависит преимущественно от интенсивности его физической нагрузки. Энергия основного обмена, т. е. такого обмена веществ, когда человек находится в полном покое, составляет в среднем 1700 ккал в сутки (для мужчин в возрасте до 30 лет массой до 70 кг). В этом случае она расходуется только на осуществление физиологических процессов (дыхание, работа сердца, перистальтика кишечника и т. п.) и обеспечение постоянства нормальной температуры тела (36,6°С).

Физическая и умственная деятельность человека требует увеличения расхода энергии организмом и потребления большего количества пищи. Установлено, что суточный расход энергии человеком при умственной и физической работе средней тяжести составляет около 3000 ккал. Такой же калорийности должен быть и суточный рацион человека. Калорийность рациона ориентировочно рассчитывается исходя из известных значений теплоты, выделяющейся при полном окислении каждого грамма белков (4,1 ккал), жиров (9,3 ккал) и углеводов (4,1 ккал). Целесообразное соотношение белков, жиров и углеводов в рационе питания установлено медициной в соответствии с физиологическими потребностями человека и включает от 70 до 105 г белков, от 50 до 150 г жиров и от 300 до 600 г углеводов в пределах одного значения калорийности рациона. Вариации состава рациона по белкам, жирам и углеводам возникают, как правило, вследствие изменения физической нагрузки организма, но зависят также от привычек человека, национальных традиций в питании, доступности того или иного продукта питания и, конечно, конкретных социальных возможностей удовлетворения пищевых потребностей.

Каждое из пищевых веществ выполняет в организме особые функции. Особенно это относится к белкам, которые содержат азот, не входящий в состав других пищевых веществ, но необходимый для восстановления в организме человека собственных белков. Подсчитано, что в организме взрослого человека разрушается в сутки не менее 17 г собственных белков, которые должны быть восстановлены за счет пищи. Следовательно, это количество белков является минимально необходимым в пищевом рационе каждого человека.

Жиры и углеводы могут в значительной степени заменяться друг другом, но до известных пределов.

Обычная пища человека полностью покрывает потребность организма в белках, жирах и углеводах, а также доставляет ему необходимые минеральные вещества и витамины.

Однако в отличие от неограниченных запасов кислорода (воздуха) и питьевой воды, которой на планете пока достаточно и потребление которой жестко нормировано лишь в отдельных, как правило, засушливых регионах, количество пищевой продукции ограничено низкой производительностью природного трофического (пищевого) цикла, состоящего из трех основных уровней: растения – животные – человек. Действительно, растения образуют биомассу, используя лишь 0,2% приходящей на Землю энергии солнечного света. Потребляя растительную биомассу в пищу, животные расходуют на собственные нужды не более 10 – 12% ассимилированной ими энергии. В конечном итоге человек, употребляя пищу животного происхождения, обеспечивает энергетические потребности своего организма с весьма низким коэффициентом использования первоначальной солнечной энергии.

Удовлетворение пищевых потребностей всегда было наиболее сложной задачей человека. Пассивное использование возможностей природы в этом направлении ограничено, так как большая часть земного шара покрыта океанами и пустынями с низкой биологической продуктивностью. Лишь отдельные регионы Земли, отличающиеся устойчивыми благоприятными климатическими условиями, обеспечивают высокую первичную продуктивность веществ, кстати, далеко не всегда приемлемых с позиций пищевых потребностей человека. Рост населения Земли, рассредоточение его по всем континентам и географическим зонам планеты, включая зоны с неблагоприятными климатическими условиями, а также постепенное истощение природных источников пищи привели к такому состоянию, когда удовлетворение пищевых потребностей на Земле переросло в общечеловеческую проблему. Сегодня считается, что мировой дефицит только пищевого белка составляет 15 млн. т в год. Это означает, что по меньшей мере 700 млн. человек в мире систематически недоедают. И это несмотря на то, что человечество конца XX в. отличается в целом достаточно высокой общественной организованностью, крупными достижениями в развитии науки, техники, промышленности и сельскохозяйственного производства, глубоким пониманием своего единства в составе, биосферы планеты.

Пища – важный экологический фактор не только для человека, но и для всех животных. В зависимости от наличия пищи, ее разнообразия, качества и количества существенно могут изменяться характеристики популяции живых организмов (плодовитость и смертность, продолжительность жизни, скорость развития и др.). Пищевые (трофические) связи между живыми организмами, как будет показано ниже, лежат в основе как биосферного (земного) биологического круговорота веществ, так и искусственных экологических систем, включающих человека.

Земля еще длительное время в состоянии обеспечить живущих на ней всем необходимым, если человечество более рационально и бережно будет расходовать ресурсы планеты, экологически грамотно решать вопросы преобразования природы, исключит гонку вооружений и покончит с ядерным оружием.

Научная основа решения проблемы жизнеобеспечения человечества на Земле, сформулированная В. И. Вернадским, заключается в переходе биосферы Земли в ноосферу, т. е. в такую биосферу, которая изменена научной мыслью и преобразована для удовлетворения всех потребностей численно растущего человечества (сфера разума). В. И. Вернадский предполагал, что, зародившись на Земле, ноосфера по мере освоения человеком околозвездного космического пространства должна превратиться в особый структурный элемент космоса.

КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ С ЭКИПАЖЕМ – ИСКУССТВЕННАЯ ЭКОСИСТЕМА

Как же решить задачи обеспечения экипажа космического корабля свежей разнообразной пищей, чистой водой и живительным воздухом? Естественно, наиболее простой ответ – взять все необходимое с собой. Так и поступают в случаях кратковременных пилотируемых полетов.

По мере возрастания продолжительности полета запасов требуется все больше. Поэтому приходится осуществлять регенерацию некоторых расходуемых веществ (например, воды), переработку отходов жизнедеятельности человека и отходов технологических процессов некоторых систем корабля (например, регенерируемых сорбентов углекислого газа) для повторного использования этих веществ и уменьшения исходных запасов.

Идеальным решением представляется осуществление внутри ограниченного объема обитаемого космического «дома» полного (или почти полного) круговорота веществ. Однако такое сложное решение может быть выгодно и практически осуществимо лишь для крупных космических экспедиций длительностью более 1,5 – 3 лет (А. М. Генин, Д. Тальбот, 1975). Решающая роль в создании круговорота веществ в таких экспедициях отводится, как правило, процессам биосинтеза. Функции снабжения экипажа пищей, водой и кислородом, а также удаления и переработки продуктов обмена веществ и поддержания требуемых параметров среды обитания экипажа на корабле, станции и т. п. возлагаются на так называемые системы жизнеобеспечения (СЖО). Схематическое изображение основных типов СЖО космических экипажей приведено на рис. 1.

Рис. 1. Схемы основных типов систем жизнеобеспечения космических экипажей: 1 – система на запасах (все отходы удаляются); 2 – система на запасах с частичной физико-химической регенерацией веществ (ФХР) (часть отходов удаляется, часть запасов может возобновляться); 3 – система с частичной ФХР и частичной биологической регенерацией веществ растениями (БР) с блоком коррекции отходов (БК); 4 – система с полной замкнутой регенерацией веществ (запасы ограничены микродобавками). Обозначения: Э – лучистая или тепловая энергия, ИЭ – источник энергии, О – отходы, ББ – биоблок с животными, пунктир – необязательность процесса

СЖО космических экипажей представляют собой сложнейшие комплексы. Три десятилетия космической эры подтвердили достаточную эффективность и надежность созданных СЖО, успешно отработавших на советских космических кораблях «Восток» и «Союз», американских «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон», а также на орбитальных станциях «Салют» и «Скайлэб». Продолжается работа научно-исследовательского комплекса «Мир» с усовершенствованной системой жизнеобеспечения на борту. Все эти системы обеспечили полеты уже более 200 космонавтов различных стран.

Принципы построения и работы СЖО, использовавшихся и использующихся в настоящее время для осуществления космических полетов, широко известны. Они основаны на применении физико-химических процессов регенерации. Вместе с тем проблема применения процессов биосинтеза в космических СЖО, а тем более проблема построения замкнутых биотехнических СЖО для космических полетов пока остаются открытыми.

Существуют различные, иногда прямо противоположные точки зрения на возможность и целесообразность практической реализации подобных систем вообще и в космических аппаратах в частности. В качестве доводов против приводятся следующие: сложность, неизученность, энергоемкость, ненадежность, неприспособленность и т. д. Однако подавляющее большинство специалистов считают все эти вопросы решаемыми, а применение биотехнических СЖО в составе будущих крупных космических поселений, лунных, планетных и межпланетных баз и других удаленных внеземных сооружений – неизбежным.

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.

XXI век ставит перед человечеством новые, еще более грандиозные задачи в деле дальнейшего освоения космического пространства. (По-видимому, более точно будет сказать, что человечество ставит эти задачи перед XXI в.) Конкретный облик будущей космической экосистемы может быть определен в зависимости от назначения и орбиты космического сооружения (межпланетный пилотируемый корабль, околоземная орбитальная станция, лунная база, марсианская база, строительная космическая платформа, комплекс жилых сооружений на астероидах и т. д.), численности экипажа, длительности функционирования, энерговооруженности и технической оснащенности и, конечно, от степени готовности тех или иных технологических процессов, включая процессы управляемого биосинтеза и процессы контролируемой трансформации вещества и энергии в биологических звеньях экосистем.

Сегодня можно сказать, что задачи и программы перспективных космических исследований определены в СССР и США на государственном уровне приблизительно до 2000 г. В отношении задач следующего столетия ученые высказываются пока в форме прогнозов. Так, результаты исследования, опубликованного в 1984 г. (и выполненного еще в 1979 г. сотрудником фирмы «Рэнд корпорейшн» путем анкетного опроса 15 ведущих специалистов США и Великобритании), выявили картину, отраженную в следующей таблице:

Годы	Содержание этапа
2020 –2030	Колонизация Луны и космического пространства большими контингентами людей (более 1000 человек).
2020 – 2071	Разработка искусственного интеллекта человека.
2024 – 2037	Первый пилотируемый полет к Юпитеру.
2030 – 2050	Полеты в пределах Солнечной системы, использование естественных ресурсов Солнечной системы, включая Луну.
2045 – 2060	Первый полет беспилотного зонда за пределы Солнечной системы.
2045 – 2070	Первый пилотируемый полет к границам Солнечной системы.
2050 – 2100	Установление контактов с внеземным интеллектом.

Известный американский физик Дж. О'Нейл, занимающийся проблемами будущих космических поселений человечества, еще в 1974 г. опубликовал свой прогноз, в котором в 1988 г. предполагалась работа в космосе 10 тыс. человек. Этот прогноз не сбылся, однако сегодня уже многие специалисты полагают, что к 1990 г. в космосе будут непрерывно работать 50 – 100 человек.

Известный специалист доктор Путткамер (ФРГ) считает, что период с 1990 до 2000 г. будет характеризоваться началом заселения околоземного космоса, а после 2000 г. должна быть обеспечена автономия космических жителей и создана экологически замкнутая система обитания.

Расчеты показывают, что с увеличением продолжительности пребывания человека в космосе (до нескольких лет), с ростом численности экипажа и с возрастающей удаленностью космического корабля от Земли возникает необходимость в осуществлении биологической регенерации расходуемых веществ, и прежде всего пищи, непосредственно на борту космического корабля. При этом в пользу биологической СЖО свидетельствуют не только технико-экономические (массово-энергетические) показатели, но и, что не менее важно, показатели биологической надежности человека как определяющего звена искусственной космической экосистемы. Последнее поясним подробнее.

Существует ряд изученных (и пока неизученных) связей организма человека с живой природой, без которых невозможна его успешная продолжительная жизнедеятельность. К их числу относятся, например, его естественные трофические связи, которые не могут быть полностью заменены пищей из запасов, хранимых на корабле. Так, некоторые витамины, необходимые человеку в обязательном порядке (каротиноиды пищи, аскорбиновая кислота и др.), нестойки при хранении: в земных условиях срок хранения, например, витаминов C и P составляет 5 – 6 мес. Под влиянием космических условий с течением времени происходит химическая перестройка витаминов, в результате чего они теряют свою физиологическую активность. По этой причине они должны либо постоянно воспроизводиться биологическим путем (в виде свежей пищи, например овощей), либо регулярно доставляться с Земли, как это было в процессе осуществления рекордного по длительности годового космического полета на станции «Мир». К тому же медико-биологические исследования показали, что в условиях космического полета требуется повышенное потребление витаминов космонавтами. Так, при выполнении полетов по программе «Скайлэб» потребление астронавтами витаминов группы B и витамина C (аскорбиновая кислота) возросло приблизительно в 10 раз, витамина A (аксерофтол) – в 2 раза, витамина D (кальциферол) – несколько выше земной нормы. В настоящее время также установлено, что витамины биологического происхождения имеют явные преимущества перед очищенными препаратами этих же витаминов, полученных химическим путем. Это связано с тем, что в составе биомассы витамины находятся в сочетании с рядом других веществ, включая стимуляторы, а при употреблении в пищу они оказывают более эффективное действие на обмен веществ живого организма.

Известно, что натуральные растительные пищевые продукты содержат все необходимые человеку растительные белки (аминокислоты), липиды (незаменимые жирные кислоты), весь комплекс водорастворимых и частично жирорастворимых витаминов, углеводы, биологически активные вещества и клетчатку. Роль этих пищевых компонентов в обмене веществ огромна (В. И. Яздовский, 1988). Естественно, что существующий процесс приготовления космических рационов, предполагающий жесткие режимы обработки (механической, термической, химической), не может не снизить эффективность отдельных важных компонентов пищи в обмене веществ человека.

Следует, по-видимому, учитывать и возможное кумулятивное действие космических радиоактивных излучений на длительно хранящиеся на корабле пищевые продукты.

Следовательно, одного соответствия калорийности пищи установленной норме недостаточно, необходимо, чтобы пища космонавта была максимально разнообразной и свежей.

Открытие французскими биологами способности чистой воды «запоминать» некоторые свойства биологически активных молекул и передавать затем эту информацию живым клеткам, похоже, начинает прояснять древнюю народную сказочную мудрость о «живой» и «мертвой» воде. Если это открытие подтвердится, то возникает принципиальная проблема регенерации воды на космических кораблях длительного функционирования: способна ли вода, очищаемая или получаемая физико-химическими методами в многократных изолированных циклах, заменить биологически активную «живую» воду?

Можно предположить также, что длительное пребывание в изолированном объеме космического корабля с искусственной газовой средой обитания, полученной химическим путем, небезразлично для организма человека, все поколения которого существовали в атмосфере биогенного происхождения, состав которой более многообразен. Вряд ли случаен тот факт, что живые организмы обладают способностью различать изотопы некоторых химических элементов (включая устойчивые изотопы кислорода О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸), а также улавливать небольшую разницу в прочности химических связей изотопов в молекулах Н₂О, СО₂ и др. Известно, что атомный вес кислорода зависит от источника его получения: кислород из воздуха чуть тяжелее кислорода из воды. Живые организмы «чувствуют» эту разницу, хотя количественно определить ее под силу только специальным приборам масс-спектрометрам. Длительное дыхание химически чистым кислородом в условиях космического полета может привести к интенсификации окислительных процессов в организме человека и к патологическим изменениям в легочной ткани.

Следует отметить особую роль для человека воздуха, имеющего биогенное происхождение и обогащенного фитонцидами растений. Фитонциды – это постоянно образуемые растениями биологически активные вещества, убивающие или подавляющие бактерии, микроскопические грибы, простейшие. Наличие фитонцидов в окружающем воздухе, как правило, благоприятно для человеческого организма и вызывает ощущение свежести воздуха. Так, например, командир третьего американского экипажа станции «Скайлэб» подчеркивал, что его экипаж с удовольствием вдыхал воздух, обогащенный фитонцидами лимона.

В известных случаях заражения людей бактериями, поселяющимися в воздушных кондиционерах («болезнь легионеров»), фитонциды явились бы сильным дезинфицирующим средством, а применительно к системам кондиционирования воздуха в замкнутых экосистемах могли бы исключить такую вероятность. Как показали исследования М. Т. Дмитриева, фитонциды могут действовать не только непосредственно, но и косвенно, повышая бактерицидность воздуха и увеличивая содержание легких отрицательных ионов, благоприятно влияющих на организм человека. Число нежелательных тяжелых положительных ионов в воздухе при этом снижается. Фитонциды, являющиеся своеобразными носителями защитной функции растений от микрофлоры окружающей среды, не только выделяются в окружающий растение воздух, но и содержатся в биомассе самих растений. Наиболее богаты фитонцидами чеснок, лук, горчица и многие другие растения. Употребляя их в пищу, человек осуществляет незаметную, но весьма эффективную борьбу с инфекционной микрофлорой, попадающей внутрь организма.

Говоря о значении для человека биологических звеньев в искусственной космической экосистеме, нельзя не отметить особой положительной роли высших растений как фактора снижения эмоционального напряжения космонавтов и улучшения психологического комфорта. Все космонавты, которым приходилось выполнять эксперименты с высшими растениями на борту космических станций, были единодушны в своих оценках. Так, Л. Попов и В. Рюмин на орбитальной станции «Салют-6» с удовольствием ухаживали за растениями в экспериментальных оранжереях «Малахит» (интерьерно-витражная оранжерея с тропическими орхидеями) и «Оазис» (экспериментальная оранжерея с овощевитаминными культурами растений). Они производили полив, осуществляли контроль за ростом и развитием растений, проводили профилактические осмотры и работы с технической частью оранжерей да и просто любовались живым интерьером из орхидей в редкие минуты отдыха. «Много удовольствия нам доставили биологические исследования. У нас была, например, установка «Малахит» с орхидеями, и когда мы ее отправили на Землю, то почувствовали какую-то потерю, на станции стало менее уютно». Так заявил после приземления Л. Попов. «Работа с «Малахитом» па борту космического комплекса доставляла нам всегда особое удовлетворение», – дополнил Л. Попова В. Рюмин.

На пресс-конференции 14 октября 1985 г., посвященной итогам работы на орбите космонавтов В. Джанибекова и Г. Гречко на борту орбитальной станции «Салют-7», бортинженер (Г. Гречко) сказал: «Ко всему живому, ко всякому ростку в космосе отношение особенное, бережное: они напоминают о Земле, поднимают настроение».

Таким образом, высшие растения нужны космонавтам не только как звено искусственной экологической системы или объект научных исследований, но и как эстетический элемент привычной земной обстановки, живой спутник космонавта в его продолжительной трудной и напряженной миссии. И разве не эту эстетическую сторону и психологическую роль оранжереи на борту космического аппарата имел в виду С. П. Королев, когда в порядке подготовки к предстоящим космическим полетам сформулировал в качестве очередного следующий вопрос: «Что можно иметь на борту тяжелого межпланетного корабля или тяжелой орбитальной станции (либо в оранжерее) из декоративных растений, требующих минимума затрат и ухода?» И первый ответ на этот вопрос сегодня уже получен: это тропические орхидеи, которым, кажется, по вкусу пришлась атмосфера космической станции.

Обсуждая проблему обеспечения надежности и безопасности длительных космических полетов, академик О. Г. Газенко с соавторами (1987) справедливо указывает, что «порой неосознанная духовная потребность в контакте с живой природой становится реальной силой, которая подкрепляется строгими научными фактами, свидетельствующими об экономической эффективности и технической целесообразности максимального приближения искусственных биосфер к природной среде, взрастившей человечество. С этой точки зрения очень правильным представляется стратегическое направление на создание биологических СЖО». И далее: «Попытки изолировать человека от природы крайне неэкономичны. Биологические системы лучше, чем какие-либо другие, обеспечат круговорот веществ в больших космических поселениях».

Одно из принципиальных преимуществ биологических систем в сравнении с небиологическими – потенциальная возможность их устойчивого функционирования при минимальном объеме функции контроля и управления (Е. Я. Шепелев, 1975). Это преимущество обусловлено природной способностью живых систем, находящихся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, осуществлять коррекцию процессов на выживание на всех биологических уровнях – от единичной клетки одного организма до популяций и биогеоценозов – независимо от степени понимания этих процессов в каждый данный момент человеком и его способности или неспособности (вернее, его готовности) вносить необходимые коррективы в процесс круговорота веществ в искусственной экосистеме.

Степень сложности искусственных космических экосистем может быть различной: от простейших систем на запасах, систем с физико-химической регенерацией веществ и использованием отдельных биологических звеньев до систем с практически замкнутым биологическим круговоротом веществ. Число биологических звеньев и трофических цепочек, а также количество особей в каждом звене, как уже было сказано, зависят от назначения и технических характеристик космического аппарата.

Эффективность и основные параметры искусственной космической экосистемы, включающей биологические звенья, могут быть заранее определены и рассчитаны на основе количественного анализа процессов биологического круговорота веществ в природе и оценки энергетической эффективности локальных природных экосистем. Этому вопросу посвящен следующий раздел.

ЭСТАФЕТА ВЕЩЕСТВ В БИОЛОГИЧЕСКОМ КРУГОВОРОТЕ

Замкнутая экологическая система, сформированная на основе биологических звеньев, должна рассматриваться в качестве идеальной СЖО будущих крупных космических поселений. Создание таких систем сегодня находится пока на стадии расчетов, теоретических построений и наземной отработки по сопряжению отдельных биологических звеньев с экипажем испытателей.

Основная цель отработки экспериментальных биотехнических СЖО заключается в достижении устойчивого практически замкнутого круговорота веществ в экосистеме с экипажем и относительно самостоятельного существования искусственно сформированного биоценоза в режиме длительного динамического равновесия на основе преимущественно внутренних механизмов управления. Поэтому требуется тщательное изучение процессов биологического круговорота веществ в биосфере Земли для использования наиболее эффективных из них в биотехнических СЖО.

Биологический круговорот в природе – это круговая эстафета (циркуляция) веществ и химических элементов между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Суть ее заключается в следующем. Растения (автотрофные организмы) поглощают энергетически бедные минеральные вещества неживой природы и углекислый газ атмосферы. Эти вещества включаются в состав органической биомассы растительных организмов, обладающей большим запасом энергии, полученной за счет преобразования лучистой энергии Солнца в процессе фотосинтеза. Растительная биомасса трансформируется через пищевые цепи в организмах животных и человека (гетеротрофные организмы) с использованием части этих веществ и энергии для собственного роста, развития и размножения. Организмы-разрушители (деструкторы, или редуценты), включающие бактерии, грибы, простейшие и организмы, питающиеся мертвым органическим веществом, минерализуют отходы. Наконец, вещества и химические элементы обратно возвращаются в почву, атмосферу или водную среду. В итоге происходит многоцикловая миграция веществ и химических элементов через разветвленную цепь живых организмов. Эта миграция, постоянно поддерживаемая энергией Солнца, и составляет биологический круговорот.

Степень воспроизводства отдельных циклов общего биологического круговорота достигает 90 – 98%, поэтому о полной его замкнутости можно говорить лишь условно. Основными циклами биосферы являются круговороты углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других биогенных элементов.

В природном биологическом круговороте участвуют как живые, так и неживые вещества.

Живое вещество является биогенным, так как оно образуется только путем размножения уже существующих на Земле живых организмов. Присутствующее в биосфере неживое вещество может быть как биогенного происхождения (опавшие кора и листья деревьев, созревшие и отделившиеся от растения плоды, хитиновые покровы членистоногих, рога, зубы и волосы животных, перья птиц, экскременты животных и т. п.), так и абиогенным (продукты выбросов из действующих вулканов, выделяющиеся из земных недр газы).

Живое вещество планеты по своей массе составляет незначительную часть биосферы: вся биомасса Земли в сухом весе составляет лишь одну стотысячную процента от массы земной коры (2 ∙ 10¹⁹ т). Однако именно живому веществу принадлежит определяющая роль в формировании «культурного» слоя земной коры, в осуществлении масштабной эстафеты веществ и химических элементов между огромным числом живых организмов. Это обусловлено рядом специфических особенностей живого вещества.

Обмен веществ (метаболизм). Обмен веществ в живом организме – это совокупность всех превращений вещества и энергии в процессе непрерывно протекающих в организме биохимических реакций.

Непрерывный обмен веществ между живым организмом и окружающей его средой – наиболее существенная черта жизни.

Основные показатели обмена веществ организма с внешней средой – это количество, состав и калорийность нищи, количество воды и кислорода, потребленное живым организмом, а также степень использования организмом этих веществ и энергии нищи. Обмен веществ основан на процессах ассимиляции (трансформация веществ, поступивших в организм извне) и диссимиляции (распад органических веществ, вызванный необходимостью освобождения энергии для жизнедеятельности организма).

Термодинамическая неравновесная устойчивость. В соответствии со вторым законом (началом) термодинамики для совершения работы недостаточно одного наличия энергии, а необходимо также наличие разности потенциалов, или энергетических уровней. Мерой «утраты» разности потенциалов какой-либо энергетической системой и соответственно мерой утраты способности произвести работу этой системой служит энтропия.

В процессах, происходящих в неживой природе, совершение работы приводит к росту энтропии системы. Так, для передачи тепла направленность процесса однозначно определяет второе начало термодинамики: от более нагретого тела к менее нагретому. В системе с нулевой разностью температур (при одинаковой температуре тел) наблюдается максимальная энтропия.

Живое вещество, живые организмы в отличие от неживой природы противодействуют этому закону. Никогда не находясь в равновесии, они постоянно выполняют работу против его установления, которое, казалось бы, законно должно наступить как соответствие существующим внешним условиям. Живые организмы постоянно затрачивают энергию на поддержание специфического состояния живой системы. Эта важнейшая особенность известна в литературе как принцип Бауэра, или принцип устойчивого неравновесия живых систем. Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционируют в направлении понижения энтропии.

Указанная особенность характерна для биосферы в целом, которая также представляет собой неравновесную динамическую систему. Живое вещество системы является носителем огромной потенциальной энергии,

Способность к самовоспроизводству и высокая интенсивность накопления биомассы. Для живого вещества характерно постоянное стремление к увеличению числа своих особей, к размножению. Живое вещество, включая человека, стремится заполнить собой все пространство, приемлемое для жизни. Интенсивность размножения живых организмов, их роста и накопления биомассы достаточно высока. Скорость размножения живых организмов, как правило, обратно пропорциональна их размерам. Многообразие размеров живых организмов – еще одна особенность живой природы.

Высокие скорости обменных реакций в живых организмах, па три-четыре порядка превышающие скорости реакций в неживой природе, обусловлены участием в обменных процессах биологических ускорителей – ферментов. Однако для прироста каждой единицы биомассы или накопления единицы энергии живому организму требуется переработать исходную массу в количествах, на один-два порядка выше накопленной.

Способность к многообразию, обновлению и эволюции. Живое вещество биосферы характеризуется различными, по весьма короткими (в космических масштабах) жизненными циклами. Продолжительность жизни живых существ колеблется от нескольких часов (и даже минут) до сотен лет. В процессе своей жизнедеятельности организмы пропускают через себя атомы химических элементов литосферы, гидросферы и атмосферы, осуществляя их сортировку и связывая химические элементы в виде конкретных веществ биомассы данного вида организма. При этом даже в рамках биохимического единообразия и единства органического мира (все современные живые организмы построены в основном из белков) живая природа отличается огромным морфологическим разнообразием и многообразием форм вещества. В общей сложности насчитывается более 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества. Для сравнения заметим, что количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет всего около 2 тыс. Морфологическое разнообразие живой природы также велико: царство растений на Земле включает почти 500 тыс. видов, а животных – 1 млн. 500 тыс.

Сформировавшийся живой организм в пределах одного жизненного цикла располагает ограниченными приспособительными возможностями к изменениям условий внешней среды. Однако сравнительно короткий жизненный цикл живых организмов способствует постоянному их обновлению из поколения в поколение путем передачи через генетический наследственный аппарат информации, накопленной каждым поколением, и учета этой информации последующим поколением. С этой точки зрения короткая продолжительность жизни организмов одного поколения есть та цена, которую они платят за необходимость выживания вида в целом в условиях постоянно изменяющейся внешней среды.

Эволюционный процесс характерен главным образом для высших организмов.

Коллективность существования. Живое вещество реально существует па Земле в форме биоценозов, а не отдельных изолированных видов (популяций). Взаимосвязь популяций обусловлена их трофическими (пищевыми) зависимостями друг от друга, без которых невозможно само существование этих видов.

Таковы основные качественные особенности живого вещества, участвующего в биосферном биологическом круговороте веществ. В количественном отношении интенсивность накопления биомассы в биосфере такова, что в среднем каждые восемь лет осуществляется обновление всего живого вещества биосферы Земли. Завершив свой жизненный цикл, организмы возвращают природе все, что взяли от нее в течение своей жизни.

Основные функции живого вещества биосферы, сформулированные отечественным геологом А. В. Лапо (1979), включают энергетическую (биосинтез с накоплением энергии и трансформации энергии в трофических цепях), концентрационную (избирательное накопление вещества), деструктивную (минерализация и подготовка веществ к вовлечению в круговорот), средообразующую (изменение физико-химических параметров среды) и транспортную (перенос вещества) функции.

ЕСТЬ ЛИ КПД У ЭКОСИСТЕМ?

Попытаемся теперь ответить на вопрос: можно ли оценить эффективность биологического круговорота веществ с позиций удовлетворения пищевых потребностей человека как вершинного трофического звена этого круговорота?

Ориентировочный ответ на поставленный вопрос может быть получен на основе энергетического подхода к анализу процессов биологического круговорота и изучения переноса энергии и продуктивности естественных экосистем. Действительно, если вещества круговорота подвержены непрерывному качественному изменению, то энергия этих веществ не исчезает, а распределяется направленными потоками. Передаваясь с одного трофического уровня биологического круговорота на другой, биохимическая энергия постепенно трансформируется и рассеивается. Трансформация энергии вещества в трофических уровнях происходит не произвольно, а в соответствии с известными закономерностями, и поэтому она контролируема в пределах конкретного биогеоценоза.

Понятие «биогеоценоз» сходно с понятием «экосистема», однако первое несет более строгую смысловую нагрузку. Если экосистемой называют практически любой автономно существующий природный или искусственный биокомплекс (муравейник, аквариум, болото, ствол погибшего дерева, лес, озеро, океан, биосфера Земли, кабина космического корабля и т. п.), то биогеоценоз, будучи одним из качественных уровней экосистемы, конкретизирован границами своего обязательного растительного сообщества (фитоценоза). Экосистема, как всякое устойчивое множество взаимодействующих между собой живых организмов, является категорией, применимой к любой биологической системе только надорганизменного уровня, т. е. отдельный организм экосистемой быть не может.

Биологический круговорот веществ – неотъемлемая принадлежность земного биогеоценоза. В составе конкретных локальных биогеоценозов биологический круговорот веществ возможен, но не обязателен.

Энергетические связи всегда сопутствуют трофическим связям в биогеоценозе. Вместе взятые они составляют основу любого биогеоценоза. В общем случае можно выделить пять трофических уровней биогеоценоза (см. таблицу и рис. 2), через которые последовательно по цепи осуществляется распределение всех его компонентов. Обычно в биогеоценозах формируется несколько таких цепей, которые, многократно разветвляясь и перекрещиваясь, образуют сложные пищевые (трофические) сети.

Рис. 2. Общая схема трофических связей в искусственной космической экосистеме (I – V – трофические уровни)

Организмы первого трофического уровня – первичные продуценты, называемые автотрофами (самопитающиеся) и включающие микроорганизмы и высшие растения, осуществляют процессы синтеза органических веществ из неорганических. В качестве источника энергии для осуществления этого процесса автотрофы используют либо световую солнечную энергию (фототрофы), либо энергию окисления определенных минеральных соединений (хемотрофы). Необходимый для синтеза углерод фототрофы получают из углекислого газа.

Условно процесс фотосинтеза в зеленых растениях (низших и высших) может быть описан в виде следующей химической реакции:

В конечном итоге из энергетически бедных неорганических веществ (углекислый газ, вода, минеральные соли, микроэлементы) синтезируется органическое вещество (преимущественно углеводы), являющееся носителем энергии, запасенной в химических связях образованного вещества. В указанной реакции для образования одной грамм-молекулы вещества (180 г глюкозы) необходимо 673 ккал солнечной энергии.

Эффективность фотосинтеза прямо зависит от интенсивности светового облучения растений. В среднем величина лучистой солнечной энергии на поверхности Земли составляет около 130 Вт/м². При этом фотосинтетически активна лишь часть радиации, заключенная в пределах длин волн от 0,38 до 0,71 мкм. Значительная часть радиации, попадающей на лист растения или слой воды с микроводорослями, отражается или проходит через лист или слой бесполезно, а поглощенная радиация в большей части расходуется на испарение воды при транспирации растений.

В результате средний энергетический КПД процесса фотосинтеза всего растительного покрова земного шара составляет около 0,3% энергии солнечного света, поступающего на Землю. В благоприятных для роста зеленых растений условиях и при содействии человека отдельные плантации растений могут связывать энергию света с КПД, равным 5 – 10%.

Организмы последующих трофических уровней (консументы), состоящие из гетеротрофных (животных) организмов, обеспечивают свою жизнедеятельность в конечном итоге за счет растительной биомассы, накопленной в первом трофическом уровне. Запасенная в растительной биомассе химическая энергия может быть выделена, переведена в тепловую и рассеяна в окружающую среду в процессе обратного соединения углеводов с кислородом. Используя растительную биомассу в качестве пищи, животные подвергают ее окислению при дыхании. При этом происходит обратный фотосинтезу процесс, при котором энергия пищи освобождается и с определенным КПД расходуется на рост и жизненную деятельность гетеротрофного организма.

В количественном отношении в биогеоценозе растительная биомасса должна «опережать» биомассу животных обычно не менее чем на два порядка. Так, суммарная биомасса животных земной суши не превышает 1 – 3% ее растительной биомассы.

Интенсивность энергетического обмена гетеротрофного организма зависит от его массы. С увеличением размеров организма интенсивность обмена, рассчитанная на единицу веса и выраженная в количестве поглощаемого кислорода в единицу времени, заметно снижается. При этом в состоянии относительного покоя (стандартный обмен) зависимость интенсивности обмена животного от его массы, имеющая вид функции у = Ах^k (х – вес животного, А и k – коэффициенты), оказывается справедливой как для организмов одного вида, изменяющих свои размеры в процессе роста, так и животных различного веса, но представляющих определенную группу или класс.

Вместе с тем показатели уровня обмена различных трупп животных уже существенно различаются между собой. Особенно значительны эти отличия для животных с активным обменом, для которых характерны энергетические затраты на мышечную работу, в частности на двигательные функции.

Баланс энергии животного организма (консумента любого уровня) за определенный период времени в общем случае может быть выражен следующим равенством:

Пища является единственным источником нормального поступления в организм животного и человека энергии, которая обеспечивает его жизнедеятельность. Понятие «пища» имеет различное качественное содержание для разных животных организмов и включает только те вещества, которые потребляются и утилизируются данным живым организмом и. являются для него необходимыми.

Величина Э для человека составляет в среднем 2500 ккал в сутки. Энергия основного обмена Э₁ представляет собой энергию обмена веществ в состоянии полного покоя организма и при отсутствии пищеварительных процессов. Расходуется она на поддержание жизни в организме, является функцией величины поверхности тела и трансформируется в тепло, отдаваемое организмом в окружающую среду. Количественные показатели Э₁ принято выражать в удельных единицах, отнесенных к 1 кг массы или 1 м² поверхности организма. Так, для человека Э₁ составляет 32,1 ккал в сутки на 1 кг массы тела. В расчете на единицу поверхности величины Э₁ различных организмов (млекопитающих) практически одинаковы.

Составляющая Э₂ включает энергозатраты организма на теплорегуляцию при изменении температуры окружающей среды, а также на различные виды деятельности и работу организма: пережевывание, переваривание и усвоение пищи, мышечную работу при передвижении организма и т. д. На величину Э₂ существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При повышении и понижении температуры от оптимального для организма уровня требуются дополнительные энергозатраты, необходимые для ее регулирования. Особенно развит процесс регулирования постоянной температуры тела у теплокровных животных и человека.

Составляющая Э₃ включает две части: энергию прироста собственной биомассы организма (или популяции) и энергию дополнительной продукции.

Прирост собственной биомассы имеет место, как правило, у молодого растущего организма, постоянно прибавляющего в весе, а также у организма, образующего резервные питательные вещества. Эта часть составляющей Э₃ может быть равна нулю, а также принимать отрицательные значения при недостатке пищи (организм худеет).

Энергия дополнительной продукции заключена в веществах, производимых организмом для размножения, зашиты от врагов и т. д.

Каждая особь ограничивается минимальным количеством продукции, создаваемой в процессе своей жизнедеятельности. Сравнительно высоким показателем создания вторичной продукции может считаться показатель 10 – 15% (от потребленного корма), характерный, например, для саранчи. Этот же показатель для млекопитающих, расходующих значительное количество энергии на терморегуляцию, находится на уровне 1 – 2%.

Составляющая Э₄ – это энергия, заключенная в веществах пищи, не использованной организмом и не попавшей по тем или иным причинам внутрь организма.

Энергия Э₅, заключенная в выделениях организма как следствие неполной перевариваемости и усвоения пиши, составляет от 30 – 60% потребленной пищи (у крупных копытных животных) до 1 – 20% (у грызунов).

Эффективность преобразования энергии животным организмом количественно определяется отношением чистой (вторичной) продукции к общему количеству потребленной пищи или отношением чистой продукции к количеству усвоенной пищи. В пищевой цепи эффективность (КПД) каждого трофического звена (уровня) составляет в среднем около 10%. Это означает, что на каждом последующем трофическом уровне пищевой цели образуется продукция, не превышающая по калорийности (или в пересчете по массе) 10% энергии предыдущей. При таких показателях общий КПД использования первичной солнечной энергии в пищевой цепи экосистемы из четырех уровней составит малую долю процента: в среднем всего 0,001%.

Несмотря на кажущуюся низкую величину общего КПД воспроизводства продукции, основная численность населения Земли полностью обеспечивает себя сбалансированным пищевым рационом не только за счет первичных, но и вторичных продуцентов. Что касается живого организма в отдельности, то эффективность использования пищи (энергии) в некоторых из них достаточно высока и превышает показатели КПД многих технических средств. Например, свинья 20% потребленной энергии пищи превращает в высококалорийное мясо.

Эффективность использования консументами поступающей с пищей энергии принято оценивать в экологии с помощью экологических пирамид энергий. Сущность таких пирамид заключается в наглядном изображении звеньев пищевой цепи в виде соподчиненного расположения друг на друге прямоугольников, длина или площадь которых соответствует энергетическому эквиваленту соответствующего трофического уровня в единицу времени. Для характеристики пищевых цепей применяются также пирамиды чисел (площади прямоугольников соответствуют числу особей на каждом уровне пищевой цепи) и пирамиды биомасс (то же в отношении количества суммарной биомассы организмов каждого уровня).

Однако пирамида энергий дает наиболее полное представление о функциональной организации биологических сообществ в рамках конкретной пищевой цепи, так как позволяет учитывать динамику прохождения пищевой биомассы по этой цепи.

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.

В последующие годы по мере расширения и углубления этих работ большинство исследователей могли убедиться в том, что поставленная проблема оказалась гораздо более сложной, чем предполагалось первоначально. Она требовала проведения не только наземных, но и космических исследований, что, в свою очередь, вызывало необходимость в значительных материальных и финансовых затратах и сдерживалось отсутствием крупных космических кораблей или станций исследовательского назначения. Тем не менее в СССР в этот период были созданы отдельные наземные экспериментальные образцы экосистем с включением в действующий цикл круговорота веществ этих систем некоторых биологических звеньев и человека. Выполнен также комплекс научных исследований по отработке технологий культивирования биообъектов в невесомости на борту космических спутников, кораблей и станций: «Космос-92», «Космос-605», «Космос-782», «Космос-936», «Салют-6» и др. Результаты исследований позволяют сегодня сформулировать некоторые положения, принимаемые за основу при построении будущих замкнутых космических экосистем и биологических систем жизнеобеспечения космонавтов.

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.

О БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭКИПАЖЕЙ

Биологическая СЖО – это искусственная совокупность определенным образом подобранных, взаимосвязанных и взаимозависимых биологических объектов (микроорганизмы, высшие растения, животные), расходуемых веществ и технических средств, обеспечивающая в ограниченном замкнутом пространстве основные физиологические потребности человека в пище, воде и кислороде преимущественно на основе устойчивого биологического круговорота веществ.

Необходимое сочетание в биологических СЖО живых организмов (биообъектов) и технических средств позволяет называть эти системы также биотехническими. При этом под техническими средствами понимаются подсистемы, блоки и устройства, обеспечивающие требуемые условия для нормальной жизнедеятельности биологических объектов, входящих в биокомплекс (состав, давление, температура и влажность газовой среды, освещенность жилого пространства, санитарно-гигиенические показатели качества воды, оперативный сбор, переработка или удаление отходов жизнедеятельности и т. п.). К основным техническим средствам биологической СЖО можно отнести подсистемы энергообеспечения и преобразования энергии в световую, регулирования и поддержания газового состава атмосферы в ограниченном замкнутом пространстве, терморегулирования, блоки космической оранжереи, кухни и средства физико-химической регенерации воды и воздуха, устройства обработки, транспортировки и минерализации отходов к др. Ряд процессов регенерации веществ а системе может эффективно осуществляться также физико-химическими методами (см. рис. на стр. 52).

Биологические объекты СЖО вместе с человеком образуют биокомплекс. Видовой и численный состав живых организмов, включаемых в биокомплекс, определяется так, чтобы он смог обеспечить в течение всего заданного периода устойчивый сбалансированный и контролируемый обмен веществ между экипажем и живыми организмами биокомплекса. Размеры (масштабы) биокомплекса и количество видов живых организмов, представленных в биокомплексе, зависят от требуемой производительности, степени замкнутости СЖО и устанавливаются в связи с конкретными техническими и энергетическими возможностями космического сооружения, продолжительностью его функционирования, количеством членов экипажа. Принципы подбора живых организмов в состав биокомплекса могут быть заимствованы из экологии природных земных сообществ и управляемых биогеоценозов, исходя из сложившихся трофических связей биообъектов.

Подбор биологических видов для формирования трофических циклов биологической СЖО является наиболее сложной задачей.

Каждый биологический объект, участвующий в биологической СЖО, требует для своей жизнедеятельности определенного жизненного пространства (экологической ниши), включающего не только чисто физическое пространство, но также комплекс необходимых условий обитания данного биологического вида: обеспечение образа его жизни, способа питания, условий среды обитания. Поэтому для успешного функционирования живых организмов в качестве звена биологической СЖО объем занимаемого ими пространства не должен быть слишком ограниченным. Иными словами, должны существовать предельные минимальные величины габаритов обитаемого космического корабля, ниже которых исключена возможность использования в нем звеньев биологической СЖО.

В идеальном случае вся первоначально запасенная масса веществ, предназначенная для жизнеобеспечения экипажа и включающая всех живых обитателей, должна участвовать в круговороте веществ внутри этого космического объекта без введения в него дополнительных масс. Вместе с тем такая замкнутая биологическая СЖО с регенерацией всех необходимых человеку веществ и неограниченным временем функционирования является сегодня скорее теоретической, чем практически реальной системой, если иметь в виду те ее варианты, которые рассматриваются для космических экспедиций ближайшего будущего.

В термодинамическом смысле (по энергии) любая экосистема замкнутой быть не может, так как постоянный энергообмен живых звеньев экосистемы с окружающим пространством – необходимое условие ее существования. Источником бесплатной энергии для биологических СЖО космических кораблей в околосолнечном пространстве может служить Солнце, Однако необходимость значительного количества энергии для функционирования крупномасштабных биологических СЖО требует эффективных технических решений проблемы непрерывного сбора, концентрирования и ввода солнечной энергии в космический аппарат, а также последующего сброса в космическое пространство низкопотенциальной тепловой энергии.

Особый вопрос, возникающий в связи с использованием живых организмов в космических полетах, – как влияет на них продолжительная невесомость? В отличие от других факторов космического полета и космического пространства, действие которых на живые организмы может быть имитировано и изучено на Земле, влияние невесомости можно установить только непосредственно в космическом полете.

ЗЕЛЕНЫЕ РАСТЕНИЯ КАК ОСНОВНОЕ ЗВЕНО БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Высшие наземные растения считаются основными и наиболее вероятными элементами биологической системы жизнеобеспечения. Они способны не только производить полноценную по большинству критериев пищу для человека, но и осуществлять при этом регенерацию воды и атмосферы. В отличие от животных растения способны синтезировать витамины из простых соединений. В листьях и других зеленых частях растений образуются почти все витамины.

Эффективность биосинтеза высших растений определяется прежде всего световым режимом: с увеличением мощности светового потока интенсивность фотосинтеза возрастает до определенного уровня, после чего наступает световое насыщение фотосинтеза. Максимальный (теоретический) КПД фотосинтеза при солнечном свете равен 28%. В реальных условиях для плотных посевов с хорошими условиями культивирования он может достигать: 15%.

Оптимальная интенсивность физиологической (фотосинтетически активной) радиации (ФАР), обеспечивавшая в искусственных условиях максимальный фотосинтез, составляла 150 – 200 Вт/м² (Ничипорович, 1966). Продуктивность растений (яровая пшеница, ячмень) достигала при этом 50 г биомассы в сутки с 1 м² (до 17 г зерна с 1 м² в сутки). В других экспериментах, выполненных с целью выбора световых режимов культивирования редиса в замкнутых системах, урожай корнеплодов составлял до 6 кг с 1м² за 22 – 24 сут при биологической продуктивности до 30 г биомассы (в сухом весе) с 1 м² в сутки (Лисовский, Шиленко, 1970). Для сравнения отметим, что в полевых условиях средняя суточная продуктивность посевов составляет 10 г с 1 м².

Биоцикл: «высшие растения – человек» был бы идеальным для жизнеобеспечения человека, если бы в длительном: космическом полете можно было удовлетвориться в питании белками и жирами только растительного происхождения и если бы растения могли успешно минерализовать и утилизировать все отходы человека.

Космическая оранжерея, однако, не сможет решить весь комплекс вопросов, возлагаемых на биологическую СЖО. Известно, например, что высшие растения не способны обеспечить участие в круговороте ряда веществ и элементов. Так, натрий не потребляется растениями, оставляя открытой проблему круговорота NaCl (поваренной соли). Фиксация молекулярного азота растениями невозможна без помощи клубеньковых почвенных бактерий. Известно также, что в соответствии с физиологическими нормами питания человека, утвержденными в СССР, не менее половины суточной нормы белков пищевого рациона должны составлять белки животного происхождения, а животные жиры – до 75% общей нормы жиров в рационе.

Если калорийность растительной части рациона в соответствии с упомянутыми нормами составит 65% от общей калорийности рациона (средняя величина калорийности суточного пищевого рациона космонавта на станции «Салют-6» составляла 3150 ккал), то для получения необходимого количества растительной биомассы потребуется оранжерея с расчетной площадью на одного человека не менее 15 – 20 м². С учетом растительных отходов, не употребляемых в пищу (около 50%), а также необходимости пищевого конвейера для непрерывного ежесуточного воспроизводства биомассы действительная площадь оранжереи должна быть увеличена не менее чем в 2 – 3 раза.

Эффективность оранжереи может быть существенно увеличена при дополнительном использовании несъедобной части получаемой биомассы. Имеются различные способы утилизации биомассы: получение пищевых веществ экстракцией или гидролизом, физико-химическая или биологическая минерализация, прямое использование после соответствующей кулинарной обработки, использование в виде корма для животных. Реализация этих способов требует разработки соответствующих дополнительных технических средств и затрат энергии, поэтому оптимальное решение может быть получено только с учетом суммарных технико-энергетических показателей экосистемы в целом.

На первоначальных этапах создания и использования биологической СЖО пока еще не решены отдельные вопросы полного круговорота веществ, часть расходуемых веществ будет браться из запасов, предусмотренных на борту космического корабля. На оранжерею в этих случаях возлагается функция воспроизводства минимально необходимого количества свежей зелени, содержащей витамины. Оранжерея с площадью для посадок 3 – 4 м² может полностью обеспечить потребности одного человека в витаминах. В таких экосистемах, основанных на частичном использовании биоцикла высшие растения – человек, основную нагрузку по регенерации веществ и жизнеобеспечению экипажа выполняют системы с физико-химическими методами обработки.

Основоположник практической космонавтики С. П. Королев мечтал о космическом полете, не связанном никакими ограничениями. Только такой полет, по утверждению С. П. Королева, будет означать победу над стихией. В 1962 г. он так сформулировал комплекс первоочередных задач космической биотехнологии: «Надо бы начать разработку «оранжереи по Циолковскому», с наращиваемыми постепенно звеньями или блоками, и надо начинать работать над «космическими урожаями». Каков состав этих посевов, какие культуры? Их эффективность, полезность? Обратимость (повторяемость) посевов из своих же семян, из расчета длительного существования оранжереи? Какие организации будут вести эти работы: по линии растениеводства (и вопросов почвы, влаги и т. д.), по линии механизации и «свето-тепло-солнечной» техники и систем ее регулирования для оранжерей и т. д.?»

В этой формулировке отражены, по сути, основные научно-практические цели и задачи, достижение и решение которых необходимо обеспечить прежде, чем будет создана «оранжерея по Циолковскому», т. е. такая оранжерея, которая в длительном космическом полете будет снабжать человека необходимой свежей пищей растительного происхождения, а также очищать воду и воздух. Космическая оранжерея будущих межпланетных кораблей станет составной частью их конструкции. В такой оранжерее должны быть обеспечены оптимальные условия посева, роста, развития и сбора высших растений. Оранжерея должна быть снабжена также устройствами для распределения света и кондиционирования воздуха, блоками приготовления, распределения и подачи питательных растворов, сбора транспирационной влаги и т. д. Над созданием таких крупномасштабных оранжерей для космических кораблей теперь уже недалекого будущего успешно работают советские и зарубежные ученые.

Космическое растениеводство сегодня находится пока на начальном этапе своего развития и требует новых специальных исследований, так как до сих пор остаются невыясненными многие вопросы, связанные с реакцией высших растений на экстремальные условия космического полета, и прежде всего на условия невесомости. Состояние невесомости оказывает весьма существенное влияние на многие физические явления, на жизнедеятельность и поведение живых организмов и даже на работу бортового оборудования. Эффективность влияния динамической невесомости может быть оценена поэтому только в так называемых натурных экспериментах, осуществляемых непосредственно на борту орбитальных космических станций.

Эксперименты с растениями в натурных условиях проводились ранее на станциях «Салют» и спутниках серии «Космос» («Космос-92, 605, 782, 936, 1129» и др.). Особое внимание уделялось экспериментам по выращиванию высших растений. С этой целью использовались различные специальные устройства, каждому из которых присваивалось определенное название, например «Вазон», «Светоблок», «Фитон», «Биогравистат» и др. Каждое устройство, как правило, предназначалось для решения одной задачи. Так, небольшая центрифуга «Биогравистат» служила для сравнительной оценки процессов выращивания проростков в невесомости и в поле действия центробежных сил. В устройстве «Вазон» отрабатывались процессы выращивания репчатого лука на перо в качестве витаминной добавки к рациону космонавтов. В приборе «Светоблок» впервые в условиях невесомости зацвело растение арабидопсис, высаженное в изолированной камере на искусственной питательной среде, а в устройстве «Фитон» были получены семена арабидопсиса. Более широкий круг задач решался в исследовательских установках «Оазис», состоящих из блоков культивирования, освещения, водоподачи, принудительной вентиляции и системы телеметрического контроля температуры. В установке «Оазис» на растениях гороха и пшеницы отрабатывались режимы культивирования с электростимулированием как средством уменьшения действия неблагоприятных факторов, связанных с отсутствием силы тяжести.

Ряд экспериментов с высшими растениями в условиях космического полета был выполнен в США на станции «Скайлэб», «Спейслэб» и на борту «Колумбии» (Шаттл).

Многочисленные эксперименты показали, что задача выращивания растений на космических объектах в условиях, существенно отличающихся от обычных земных, пока не решена в полной мере. Еще нередки, например, случаи, когда на генеративной стадии развития растения прекращают свой рост. Предстоит еще выполнить значительный объем научных экспериментов по отработке технологии культивирования растений на всех стадиях их роста и развития. Потребуется также разработка и проверка конструкций культиваторов растений и отдельных технических средств, способствующих устранению отрицательного влияния различных факторов космического полета на растения.

Помимо высших наземных растений в качестве элементов автотрофного звена замкнутых экосистем рассматриваются также низшие растения. К ним относятся водные фототрофы – одноклеточные водоросли: зеленые, синезеленые, диатомовые и др. Они являются главными продуцентами первичной органики в морях и океанах. Наиболее широкую известность получила пресноводная микроскопическая водоросль хлорелла, которой многие ученые отдают предпочтение в качестве основного биообъекта продуцирующего звена замкнутой космической экосистемы.

Культура хлореллы характеризуется целым рядом положительных: особенностей. Усваивая углекислый газ, культура выделяет кислород. При интенсивном культивировании 30 – 40 л суспензии хлореллы могут полностью обеспечить газообмен одного человека. При этом образуется биомасса, которая по биохимическому составу приемлема для использования в качестве кормовой добавки, а при соответствующей обработке – в качестве добавки к пищевому рациону человека. Соотношение белков, жиров и углеводов в биомассе хлореллы может изменяться в зависимости от условий культивирования, что позволяет вести управляемый процесс биосинтеза. Продуктивность интенсивных культур хлореллы при лабораторном выращивании составляет от 30 до 60 г сухого вещества с 1 м² в сутки. В экспериментах на специальных лабораторных культиваторах при высокой освещенности урожайность хлореллы достигает 100 г сухого вещества с 1 м² в сутки. Хлорелла в наименьшей мере подвержена влиянию невесомости. Клетки ее имеют прочную целлюлозосодержащую оболочку и наиболее устойчивы к неблагоприятным условиям существования.

К недостаткам хлореллы как звена искусственной экосистемы можно отнести несоответствие коэффициента ассимиляции СО₂ коэффициенту дыхания человека, необходимость повышенных концентраций СО₂ в газовой фазе для эффективной работы звена биологической регенерации, некоторое расхождение в потребностях водорослей хлореллы по биогенным элементам с наличием этих элементов в выделениях человека, необходимость специальной обработки клеток хлореллы для достижения усвояемости биомассы. Одноклеточные водоросли вообще (в частности, хлорелла) в отличие от высших растений лишены регулирующих приспособлений и для надежного эффективного функционирования в культуре требуют автоматизированного управления процессом биосинтеза.

Максимальные значения КПД в опытах для всех видов водорослей находятся в интервале от 11 до 16% (теоретический КПД утилизации световой энергии микроводорослями равен 28%). Однако высокая продуктивность культуры и низкие энергозатраты являются обычно противоречивыми требованиями, так как максимальные значения КПД достигаются при сравнительно невысоких оптических плотностях культуры.

В настоящее время одноклеточная водоросль хлорелла, а также некоторые другие виды микроводорослей (сценедесмус, спирулина и др.) используются как модельные биообъекты автотрофного звена искусственных экосистем.

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.

Рис. 3. Внешний вид оранжереи

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).

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

КОСМИЧЕСКИЙ ТУРИЗМ

В условиях туристического бума, повсеместно начавшегося в 60-е годы, специалисты обратили внимание на возможность осуществления космических путешествий с туристическими целями.

Космический туризм развивается по двум направлениям. Один из них сугубо земной – без полетов в космос. Туристы посещают земные объекты – космодромы, пункты управления полетами, «звездные» городки, предприятия по разработке и изготовлению элементов космической техники, присутствуют и наблюдают за запуском летательных космических аппаратов и ракет-носителей.

Земной космический туризм начал осуществляться с июля 1966 г., когда были организованы первые автобусные экскурсии по стартовым комплексам НАСА на мысе Кеннеди. В начале 70-х годов туристы на автобусах посещали площадку комплекса № 39, с которого стартовали астронавты при полете на Луну, здание вертикальной сборки (ангар свыше 100 м высотой), где собиралась и испытывалась ракета-носитель «Сатурн-V» и пристыковывался космический корабль «Аполлон», стоянку уникального гусеничного шасси, доставляющего ракету-носитель на стартовую площадку, и многое другое. В специальном кинозале они смотрели кинохронику космических событий. В то время подобную экскурсию ежедневно совершало в летнее время до 6 – 7 тыс. туристов, в мертвый сезон – около 2 тыс. Неорганизованные туристы увеличивали поток посетителей еще примерно на 20 – 25%.

С самого начала подобные экскурсии завоевали широкую популярность. Уже в 1971 г. был зафиксирован четырехмиллионный их участник. Во время некоторых запусков (например, на Луну) количество туристов составляло сотни тысяч.

Другое направление – непосредственный космический туризм. Хотя сегодня он находится в зачаточном состоянии, перспективы его широки. Кроме сугубо туристического аспекта, здесь надо иметь в виду стратегический и экономический аспекты.

Стратегический аспект заключается в возможном частичном расселении человечества в пределах Солнечной системы. Конечно, это дело отдаленного будущего. Расселение будет происходить в течение сотен лет и тысячелетий. Человек должен привыкнуть к обитанию в космическом пространстве, обустроиться в нем, накопить определенный опыт – если, конечно, не произойдут какие-либо земные или космические катаклизмы, когда этот процесс надо будет ускорить. И космический туризм – хорошая модель для отработки этого процесса. С другой стороны, опыт обеспечения человеческой жизни в космосе, накопленный при туристических путешествиях, знакомство с оборудованием, приборами жизнеобеспечения в космосе позволят человеку более успешно жить и работать на Земле в условиях ухудшения окружающей среды, пользоваться космическими «оземленными» техническими средствами и системами.

Экономический аспект космического туризма также очень важен для космонавтики. Некоторые эксперты видят в космическом туризме, ориентированном на использование личных средств космических туристов, существенный источник финансирования космических программ. По их мнению, увеличение грузопотока в космос в результате космического туризма по сравнению с ныне существующим в 100 раз (что реально) позволит снизить, в свою очередь, удельную стоимость вывода единицы полезного груза в 100 – 200 раз для всей космонавтики в целом без привлечения дополнительных государственных капиталовложений.

Как считают специалисты, ежегодные расходы человечества на туризм выражаются в сумме около 200 млрд. ф. ст. В ближайшие десятилетия космический туризм может составить 5% от этой цифры, т. е. 10 млрд. ф. ст. Считают, что если стоимость космического тура будет оптимально сбалансирована и при этом будет обеспечена достаточно высокая безопасность полета (сравнимая хотя бы с уровнем безопасности полета на современном пассажирском реактивном лайнере), то около 100 млн. людей высказали бы желание совершить космическое путешествие в ближайшие десятилетия. По другим оценкам, поток космических туристов составит к 2025 г. ежегодно 100 тыс. человек, а за следующие 50 лет число побывавших в космосе достигнет около 120 млн. человек.

Сколько же может стоить космический тур в наши дни? Прикинем верхний предел «турпутевки». В СССР подготовка космонавта составляет около 1 млн. руб., серийная ракета-носитель стоит 2 – 3 млн. руб., двухместный космический корабль – 7 – 8 млн. руб. Таким образом, «полет на двоих» составит приблизительно 11 – 13 млн. руб., не считая так называемого наземного обеспечения. Эту цифру можно было бы значительно уменьшить, если космический корабль выполнять в сугубо туристическом варианте: не начинять его сложной научной аппаратурой, увеличив за счет этого количество пассажиров, готовить их к полету не по программе космонавтов, а по более простой и т. д. Было бы интересно более точно определить стоимость турполета, однако это должны сделать. экономисты в области ракетно-космической техники.

Существуют и другие пути снижения стоимости туристического полета в космос. Один из них – создание специального туристического корабля многоразового использования. Оптимисты считают, что стоимость полета на космических транспортных кораблях второго и третьего поколения будет соизмерима со стоимостью полета на пассажирском реактивном самолете, что и предопределит массовый космический туризм. И все же эксперты предполагают, что стоимость тура для первых туристов составит около 1 млн. долл. В последующие десятилетия она будет быстро уменьшаться и дойдет до 100 тыс. долл. По мере достижения оптимально насыщенной инфраструктуры космического туризма, включающей в себя парк космических кораблей, гостиницы на орбитах Земли и на Луне, поточное изготовление туристической экипировки, обучение мерам безопасности и т. д., в условиях массового туризма стоимость тура снизится до 2 тыс. долл. Это значит, что стоимость вывода в космическое пространство полезного груза должна составлять не более 20 долл/кг. В настоящее время эта цифра равна 7 – 8 тыс.

На пути космического туризма еще много трудностей и нерешенных проблем. Однако космический туризм – реальность XXI веха. А пока 260 человек из десяти стран мира уже внесли в одну из американских организаций, начавшую работать в этом направлении, деньги на разработку и осуществление космического туристического полета. Некоторые американские бюро путешествий начали продавать билеты на первый туристический рейс Земля–Луна. Дата отлета открытая. Она будет проставлена в билете, как считают, через 20 – 30 лет.

И все же американцы здесь не первые. В 1927 г. в Москве на Тверской улице состоялась первая в мире международная выставка космических аппаратов. На ней составлялись списки желающих лететь на Луну или Марс. Желающих оказалось много. Может, кто-нибудь из них не потерял еще надежды отправиться в первое туристическое путешествие в космос.

ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ*

* Продолжение (см. № 3 за 1989 г.). По материалам различных информационных агентств и периодической печати приводятся данные о запуске некоторых искусственных спутников Земли (ИСЗ), начиная с 15 ноября 1989 г. Запуски ИСЗ «Космос» не регистрируются. О них регулярно сообщает, например, журнал «Природа», худа и отсылаем интересующихся читателей. Пилотируемым космическим полетам посвящается отдельное приложение.

15 НОЯБРЯ 1988 г. в Советском Союзе впервые осуществлен испытательный пуск универсальной ракетно-космической транспортной системы «Энергия» с кораблем многоразового использования «Буран». Выполнив двухвитковый беспилотный полет, орбитальный корабль «Буран» успешно приземлился в автоматическом режиме на посадочную полосу космодрома Байконур. Корабль «Буран» построен по схеме самолета типа «бесхвостка» с треугольным крылом переменной стреловидности. Способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым маневром до 2000 км. Длина корабля 36,4 м, размах крыла около 24 м, высота корабля, стоящего на шасси, более 16 м. Стартовая масса более 100 т, из которых 14 т приходится на топливо. В его грузовом отсеке может размещаться полезный груз массой до 30 т. В носовой отсек встроена герметичная кабина для экипажа и аппаратуры объемом более 70 м³. В хвостовой части корабля расположена основная двигательная установка, две группы двигателей для маневрирования размещены в конце хвостового отсека и в передней части корпуса. Теплозащитное покрытие, состоящее почти из 40 тыс. плиток индивидуального профиля, выполнено из специальных материалов – высокотемпературных кварцевых и органических волокон, а также материала на основе углерода. Первый полет многоразового корабля «Буран» открывает качественно новый этап в советской программе космических исследований.

10 ДЕКАБРЯ 1988 г. ракета-носитель «Протон» вывела на орбиту очередной (19-й) советский ИСЗ телевизионного вещания «Экран». Выводимые на геостационарную орбиту в точку стояния 99° в. д. (международный регистрационный индекс «Стационар Т»), эти ИСЗ используются для передачи в дециметровом диапазоне длин волн телевизионных программ в районы Приуралья и Сибири на абонентские приемные устройства коллективного пользования.

11 ДЕКАБРЯ 1988 г. с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью западноевропейской РН «Ариан-4» запущены на геостационарную орбиту два ИСЗ связи – английский «Скай-нет-4В» и принадлежащий люксембургскому консорциуму SES «Астра-1». ИСЗ «Астра-1» предназначен для ретрансляции телевизионных программ в местные распределительные центры западноевропейских стран. Спутник имеет 16 ретрансляторов средней мощности, бóльшую часть которых арендует английская организация «Бритиш Телеком». Расчетная точка стояния ИСЗ «Астра-1» 19,2° з. д. Первоначально английский спутник предполагалось вывести с помощью американского МТКК «Спейс Шаттл». Однако авария «Челленджера» в январе 1986 г. нарушила эти планы, и для запуска решили использовать РН «Ариан». Запуск двух спутников был осуществлен РН «Ариан-4», оснащенной двумя твердотопливными и двумя жидкостными ускорителями. Консорциум «Арианспейс» объявил потенциальным потребителям, что эта модель ракеты способна доставить на переходную орбиту с высотой апогея 36 тыс. км полезный груз массой 3,7 т. В этом варианте «Ариан-4» используется второй раз. Первый запуск РН в такой комплектации был испытательным. Тогда в 1988 г. с ее помощью на орбиту были выведены три спутника: западноевропейские метеорологический «Метеосат-3» и радиолюбительский «Амсат-3», а также американский связной «Панамсат-1».

22 ДЕКАБРЯ 1988 г. в СССР РН «Молния» на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея 39 042 км в Северном полушарии выведен очередной (32-й) ИСЗ «Молния-3» в целях обеспечения эксплуатации системы дальней телефонно-телеграфной радиосвязи и передачи телевизионных программ по системе «Орбита».

23 ДЕКАБРЯ 1988 г. в КНР с космодрома Сичан с помощью РН «Великий поход-3» запущен 24-й ИСЗ КНР. Это четвертый китайский связной спутник, выведенный на геостационарную орбиту. Вводом спутника в эксплуатацию завершится перевод всех программ национального телевидения на ретрансляцию через спутниковую систему. При запуске ИСЗ присутствовал премьер Госсовета КНР Ли Пэн.

25 ДЕКАБРЯ 1988 г. в СССР РН «Союз» выведен на орбиту автоматический грузовой космический корабль «Прогресс-39», предназначенный для снабжения советской орбитальной станции «Мир». Корабль состыковался со станцией 27 декабря, отстыковался от нее 7 февраля 1989 г. и в тот же день вошел в атмосферу и прекратил существование.

28 ДЕКАБРЯ 1988 г. в СССР РН «Молния» выведен на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея 38 870 км в Северном полушарии очередной (75-й) ИСЗ связи «Молиия-1». Этот ИСЗ эксплуатируется в составе спутниковой системы, используемой в Советском Союзе для телефонной и телеграфной радиосвязи, а также передачи телевизионных программ по системе «Орбита».

26 ЯНВАРЯ 1989 г. в СССР РН «Протон» запущен очередной (17-й) ИСЗ связи «Горизонт». Выведенный на геостационарную орбиту в точку стояния 53° в. д., он получил международный регистрационный индекс «Стационар-5». ИСЗ «Горизонт» используется для передачи телевизионных программ на сеть наземных станций «Орбита», «Москва» и «Интерспутник», а также для связи с судами и самолетами при помощи дополнительных ретрансляторов.

27 ЯНВАРЯ 1989 г. РН «Ариан-2» на переходную орбиту выведен ИСЗ «Интелсат-5А» (образец Ф-15) для использования в глобальной коммерческой спутниковой системе связи международного консорциума ИТСО. Переведенный в точку стояния на геостационарной орбите 60° в. д., спутник заменит находящийся там ИСЗ «Интелсат-5А» (образец Ф-12), запущенный в сентябре 1985 г.

10 ФЕВРАЛЯ 1989 г. в СССР РН «Союз» произведен запуск автоматического грузового космического корабля «Прогресс-40», предназначенного для снабжения советской орбитальной станции «Мир». Корабль состыковался со станцией 12 февраля, а отстыковался от нее 3 марта. После расстыковки был выполнен эксперимент по развертыванию в условиях открытого космоса двух крупногабаритных многозвенных конструкций, находившихся в сложенном состоянии на внешней поверхности корабля «Прогресс-40». По команде бортовой автоматики эти конструкции поочередно были раскрыты. Их развертывание производилось за счет использования элементов из материала, обладающего эффектом памяти формы. 5 марта на корабле была включена двигательная установка. В результате торможения корабль вошел в атмосферу и прекратил существование.

15 ФЕВРАЛЯ 1989 г. СССР РН «Молния» выведен на высокоэллиптическую, орбиту с высотой апогея 38 937 км в Северном полушарии очередной (76-й) ИСЗ связи «Молния-1». Этот ИСЗ включен в спутниковую систему, используемую в Советском Союзе для телефонной и телеграфной радиосвязи, а также передачи телевизионных программ по системе «Орбита».

16 МАРТА в СССР РН «Союз» произведен запуск автоматического грузового космического корабля «Прогресс-41», предназначенного для снабжения советской орбитальной станции «Мир». Корабль состыковался со станцией 18 марта.

¹ Продолжение (см. № 3 за 1989 г.).

² В скобках указано число полетов в космос, включая последний.

³ Экспедиция на станцию «Мир».

⁴ Космонавты А. Волков и С. Крикалев остались в экипаже станции «Мир». 21 декабря 1988 г. вместе с Ж.-Л. Кретьеном со станции «Мир» па землю вернулись В. Титов и М. Манаров, совершившие самый длительный в истории космонавтики полет продолжительностью 1 год.

НОВОСТИ АСТРОНОМИИ

НИТИ В СТРАНЕ ЧУДЕС

Мы уже упоминали в наших небольших заметках об одном из космологических следствий некоторых моделей Великого объединения – предсказании существования космологических нитей. Это одномерные протяженные структуры с высокой линейной плотностью массы (~Ф₀², где Ф₀ – ненулевое вакуумное среднее) и толщиной ~1/Ф₀.

Среди многих реалистических моделей Великого объединения (поскольку есть и нереалистические) наиболее удачны те схемы,, которые включают зеркальные частицы, строго симметричные по своим свойствам соответствующим обычным частицам. Зеркальными двойниками обзаводятся не только частицы материи (электроны, кварки), но и частицы-переносчики взаимодействий (фотоны, W-бозоны, глюоны и т. д.). В схемах такого рода нарушение полной симметрии приводит к переходу от обычных частиц к зеркальным. Нити, появляющиеся в этих моделях, называют нитями Алисы. От «обычных» космологических нитей их отличает следующее дополнительное свойство: обход вокруг нити меняет зеркальность объекта.

Из этого «зазеркального» свойства следует, что само по себе определение зеркальности становится относительным: если макроскопический объект считается нами обычным при обходе нити слева, то он оказывается зеркальным, если нить обходится справа (или: наоборот). Кроме того, электромагнитное излучение, воспринимаемое нами как обычное слева от нити Алисы, справа от нее будет зеркальным. Наши обычные электромагнитные приемники зарегистрировать его не смогут.

Но это все в теории. Существуют ли какие-нибудь возможные наблюдательные проявления алисиных нитей? Все те свойства, которые имеются у обычных космологических нитей, имеются и у нитей Алисы. Но в отличие от первых нити Алисы в ходе своей эволюции должны менять относительную зеркальность частиц и лучей света. Существование зеркальных частиц приводит к тому, что звезды и, вероятно, шаровые скопления должны обладать одной зеркальностью, а галактики и более крупные неоднородности (скопления, сверхскопления) состоят из равного количества зеркальных и обычных частиц. При этом средние их характеристики (спектр, светимость, распределение по массам и скоростям и т. д.) одинаковы. Поэтому если мы не можем «разрешить» галактику на отдельные звезды, то не можем и заметить прохождение нити Алисы между ними и галактикой, ведь как зеркальная, так и обычная светимость и спектры галактики полностью симметричны.

Можно попытаться обнаружить проявление нити Алисы (как, впрочем, и космологической нити любой природы) по вызываемому ею эффекту свечения газа в ударной волне. Последняя формируется при возмущении вещества коническим гравитационным полем нити. Правда, светимость газа в ударной волне за нитью трудно отделить от фона общей светимости такого газа. Это же относится и к возмущению температуры реликтового излучения в направлении на нить. Поэтому наиболее перспективным, как считают теоретики, представляется поиск эффекта гравитационной линзы, обусловленного нитью Алисы.

ПОСТОЯННА ЛИ ПОСТОЯННАЯ?

Речь идет о ньютоновской гравитационной постоянной G. Существует масса теорий, предсказывающих необходимость ее изменения. Впрочем, не только ее, но и других фундаментальных констант – в некоторых моделях теории суперструн, например, эти константы должны меняться вместе с возрастом Вселенной (при расширении Вселенной G, к примеру, должна уменьшаться).

Ни один из экспериментов, проведенных к настоящему времени, не дал никаких свидетельств в пользу непостоянства G. Установлены лишь верхние границы такого изменения – порядка 10^–11 частей в год. Недавно американские ученые подтвердили эту оценку, наблюдая двойной радиопульсар.

Открытый в 1974 г. двойной пульсар PSR 1913 + 16 состоит из нейтронной звезды, которая вращается вокруг другого компактного объекта. Так удачно сложилось, что скорость изменения его орбитального периода известна с поразительно высокой точностью.

Общая теория относительности предсказывает, что такая двойная система излучает гравитационные волны. При этом орбитальный период двойного пульсара меняется. Скорость его изменения, предсказываемая в предположении постоянства G, прекрасно совпадает с наблюдаемой.

Наблюдения американских ученых позволяют оценить предел на переменность G по небольшой разнице между наблюдениями и предсказаниями общей теории относительности. Эта оценка, как уже сказано, дает величину порядка 10^–11 частей в год. Так что скорее всего G никогда не изменяется.

«СВЕТОВОЕ ЭХО» СВЕРХНОВОЙ-87

Австралийские и американские астрономы обнаружили довольно сильное увеличение инфракрасного излучения от Сверхновой из БМО. Сам по себе факт такого излучения ничего особенного не представляет. Непонятна и неожиданна его вспышка.

Предложено несколько гипотез. По одной из них «светит» пульсар, «засевший» в газе, выброшенном взорвавшейся звездой (правда, излучение пульсара должно быть более коротковолновым). Согласно второй гипотезе газы от взрыва конденсируются в твердые макропылинки, которые, будучи нагретыми, испускают инфракрасное излучение.

Третья гипотеза тоже «пылевая». За тысячи и тысячи лет до взрыва первоначальная звезда теряла газ, который собирался вокруг нее. Пылевая оболочка растянулась вокруг Сверхновой почти на световой год – столько времени понадобилось свету от взорвавшейся звезды, чтобы достичь пылевого облака. Нагретая пыль переизлучает в инфракрасном диапазоне, и излучению требуется еще год, чтобы добраться до земных наблюдателей. Этим и объясняется время, прошедшее от регистрации взрыва Сверхновой до обнаружения вспышки инфракрасного излучения.

НЕДОСТАЮЩАЯ МАССА

Если современная теория эволюции звезд верна (а в этом, похоже, нет никаких оснований сомневаться), то маломассивные звезды (с массой, меньшей массы Солнца) не «имеют нрава» заканчивать свою жизнь в виде планетарной туманности – светящегося облака газа, в центре которого остаток первоначальной звезды.

Однако довольно длительное время этот запрет загадочно нарушался – во многих случаях масса планетарной туманности оказывалась меньше массы Солнца. Английский и голландский астрономы исследовали три яркие планетарные туманности (вернее, их слабосветящиеся оболочки). С помощью полученных ими спектров была вычислена масса как оболочки, так и самой туманности. Проблема дефицита массы прояснилась – в оболочке находится значительно больше вещества, чем в самой туманности. Первоначально звезды – «организаторы» планетарных туманностей – должны быть более тяжелыми. Недостающая масса находится в оболочке.

Но тут же возникла новая загадка. Температуры газа, рассчитанные для туманности и оболочки, различаются – оболочка оказалась в 2 раза горячее туманности. Казалось бы, должно быть наоборот, ведь центральная звезда обязана нагревать газ оболочки. Одно из предположений, объясняющих этот парадокс: энергию для нагрева оболочки поставляет быстрый «ветер», дующий от центральной звезды.

ВНИМАНИЕ – ВСПЫШКА

Американский спутник SMM, предназначенный для исследования Солнца, предсказал свою преждевременную «кончину» – сход с орбиты. Данные, полученные с помощью этого спутника, говорят о том, что, как считают специалисты Национального управления по исследованию океанов и атмосферы, ближайшие четыре года мы проведем в обстановке повышенной солнечной активности. Со всеми вытекающими отсюда последствиями – магнитными бурями, затрудняющими радиосвязь и навигацию, мешающими работе радиолокаторов, представляющими вполне определенную опасность для: экипажей космических кораблей, повреждающими тонкие электронные детали спутников и т. д.

Солнечные вспышки выбрасывают жесткое ультрафиолетовое: излучение, нагревающее верхние слои атмосферы. В результате увеличивается высота ее верхней (условной) границы. Короче говоря, атмосфера «возмущается», что в первую очередь отражается на спутниках, находящихся на низких орбитах. Время их жизни сокращается. В свое время это произошло с американской станцией «Скайлэб», сошедшей с орбиты ранее срока. Эта же участь, как уже было сказано, ожидает и спутник SMM.

Циклы солнечной активности известны уже давно, но природа процессов, вызывающих эти явления, остается не до конца изученной.

НОВЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Гора Мауна-Кеа (4170 м, Гавайские острова, США) вскоре станет астрономической Меккой. В дополнение к телескопам, уже существующим на обсерватории, размещенной на этой горе, проектируются (и уже строятся) новые, более мощные оптические телескопы.

Калифорнийский университет строит 10-метровый телескоп, который должен быть закончен и установлен в 1992 г. Он будет состоять из 36 шестиугольных сопряженных зеркал, расположенных в виде трех концентрических колец. Электронные датчики, установленные на всех торцах сегментных зеркал, будут передавать данные о текущем их положении и ориентации друг относительно друга в ЭВМ, которая выдаст команды на активные приводы зеркал. В результате обеспечивается сплошность составной поверхности и ее формы при воздействии механических перемещении и ветровых нагрузок.

На той же Мауна-Кеа в 1995 г. предполагается установить 7,5 метровый телескоп, разработанный японскими учеными. Он будет расположен в ста с лишним метрах от американского. Эта «спаржа» будет представлять собой самую мощную оптико-интерферометрическую систему, которая позволит заглянуть на громадные расстояния, изучить квазары, открыть новые звезды и галактики.

Четыре раздельных телескопа (диаметром 8 м каждый), сведенных волоконной оптикой в единую фокальную плоскость, предполагают построить в Южной обсерватории (Чили) 8 западноевропейских стран – совладельцев этой обсерватории. Строительство первого зеркала (т. е. первого телескопа) намечено завершить к 1994 г., а остальные три – к 2000 г.

ЧТО ОТКУДА БЕРЕТСЯ

Как известно, марсианская атмосфера имеет довольно высокую концентрацию двуокиси углерода. Этот газ улетучивается в космос, так что постоянная его концентрация должна поддерживаться за счет какого-то источника.

Специалисты считают, что таким источником служит редкий на Земле минерал скаполит (на нашей планете – это полудрагоценный камень, содержащий, кроме углерода, кремния, кислорода, еще и натрий, кальций, хлор, серу, водород), который может хранить большое количество двуокиси углерода в составе своей кристаллической структуры (карбоната). На Марсе скаполита много.