От Красноярска до Марса: почему люди за семьдесят лет попыток так и не смогли построить замкнутую экосистему для жизни за пределами Земли
В 1961 году в московском Институте медико-биологических проблем Евгений Шепелев стал первым человеком, который провёл сутки в замкнутой экосистеме. Его жизнь зависела от тридцати литров зелёной водоросли хлореллы в стеклянной ёмкости. Водоросли поглощали углекислый газ, который он выдыхал, и возвращали кислород. Двадцать четыре часа — и Шепелев вышел из камеры под аплодисменты коллег. Несколько минут спустя он импульсивно вернулся — и едва не задохнулся от зловония.
Хлорелла исправно перерабатывала углекислоту в кислород. Но сотни других газов — от метана до аммиака — накапливались в воздухе. Внутри камеры Шепелев привык к запаху, как лягушка в медленно нагревающейся воде. Снаружи его нос мгновенно почувствовал правду: замкнутая экосистема — это не только химия дыхания. Это тысячи взаимодействий, которые невозможно предсказать.
Семь десятилетий спустя мы всё ещё учимся этому уроку. От секретных сибирских лабораторий холодной войны до стеклянного дворца в аризонской пустыне, от барселонских биореакторов до пекинских «лунных дворцов» — история замкнутых экосистем читается как хроника амбиций, провалов и упрямого прогресса. И сейчас, когда человечество всерьёз обсуждает колонизацию Марса, эта история становится практическим руководством.
Секретный бункер в Красноярске.
В академгородке Красноярска, куда иностранцам въезд был запрещён до 1991 года, советские учёные строили будущее космических колоний. BIOS-3 — подземная стальная конструкция объёмом 315 кубических метров — стала самой успешной закрытой экосистемой XX века. Строительство началось в 1965 году, а в 1972-м Иосиф Гительзон и его команда провели первые пилотируемые эксперименты.
Установка делилась на четыре отсека: жилой модуль с тремя каютами, кухней и санузлом; два фитотрона для выращивания пшеницы и овощей; и культиватор хлореллы. Двадцать ксеноновых ламп по 6 киловатт каждая имитировали солнечный свет. Электричество поступало от соседней гидроэлектростанции — единственная связь с внешним миром.
С 1972 по 1984 год BIOS-3 принял десять экспериментов с экипажами от одного до трёх человек. Самый длительный продолжался 180 дней — полгода трое учёных жили внутри стальной капсулы, питаясь выращенной пшеницей, овощами и привезёнными мясными консервами. Система достигала 95 процентов замкнутости по воде. Один человек требовал восемь квадратных метров водорослей для дыхания. Во время одного из экспериментов случайно попавшее в систему семя проросло и превратилось в крепкий берёзовый саженец под искусственным солнцем — позже его ствол разрезали на сувениры.
Гительзон сформулировал правило, которое десятилетия спустя повторяли создатели Biosphere 2: «Помните золотое правило закрытых систем: жизнь надёжна, а на технологии можно полагаться только в том, что они сломаются».
Схема биос-3.
Стеклянный дворец в пустыне.
Biosphere 2 задумывался как советский BIOS-3, увеличенный в сотни раз. В 1991 году в аризонской пустыне завершилось строительство крупнейшей закрытой экосистемы в истории — 1,27 гектара под стеклом, пять биомов от тропического леса до пустыни, собственный океан с коралловым рифом. Восемь добровольцев вошли внутрь 26 сентября 1991 года, чтобы провести там два года.
Проблемы начались почти сразу. Необычно облачная зима 1991-92 годов ограничила фотосинтез, и урожаи оказались меньше запланированных. Экипаж голодал, потеряв в среднем по 16 процентов веса. Но главная катастрофа развивалась незаметно. Через год после начала эксперимента содержание кислорода упало с 21 до 14 процентов — как на вершине четырёхтысячника. Люди едва могли подняться по лестнице. Врач экипажа Рой Уолфорд не мог выполнить простые арифметические действия.
Управляющие приняли решение закачать кислород извне. Пресса объявила эксперимент провалом. Но настоящее открытие пришло позже, когда геохимики из Колумбийского университета выяснили, куда исчез кислород. Микробы в почве — богатой компостом и торфом для ускорения роста растений — перерабатывали органику с огромной скоростью, выделяя углекислый газ. Растения должны были поглощать его и возвращать кислород. Но углекислота находила другой путь: она реагировала с бетоном стен, превращая его в карбонат кальция и необратимо связывая кислород. Внутренняя поверхность бетона содержала в десять раз больше карбоната, чем внешняя.
76 процентов видов животных вымерли. Тараканы и муравьи размножились неконтролируемо. Все опылители погибли, и растения пришлось опылять вручную. Но провал Biosphere 2 дал больше знаний о закрытых экосистемах, чем успех мог бы дать. Главный урок: в замкнутой системе нет мелочей.
Biosphere 2.
Лунные дворцы и барселонские биореакторы.
После распада СССР BIOS-3 вошёл в Международный центр закрытых экосистем и начал сотрудничать с западными агентствами. Европейское космическое агентство запустило проект MELiSSA в 1989 году — амбициозную попытку создать полностью замкнутую систему жизнеобеспечения для полётов к Марсу. Тридцать организаций из дести стран работают над пятью связанными биореакторами: микробные камеры перерабатывают отходы, цианобактерии регенерируют воздух, высшие растения производят пищу и кислород. Пилотная установка открылась в Барселоне в 2009 году. Пока экипаж заменяют крысы.
Китай пошёл дальше всех. В 2014 году в Пекинском университете аэронавтики и астронавтики заработал «Лунный дворец» — Yuegong-1. Первый эксперимент длился 105 дней: три человека жили в 160 квадратных метрах, выращивая пшеницу, кукурузу, сою и пятнадцать видов овощей. Главным источником белка служили жёлтые мучные черви — те самые, которых в Европе продают как корм для рептилий.
В мае 2017 года начался эксперимент Yuegong-365. Восемь добровольцев сменяли друг друга в течение 370 дней — мировой рекорд продолжительности жизни в замкнутой экосистеме. Система достигла 98 процентов замкнутости — против 82 процентов у советского BIOS-3 и 78 процентов у американских аналогов. В 2018 году добровольцы вышли с охапками выращенных овощей под камеры китайского телевидения.
То самое фото.
Люцерна как пионер.
В августе 2022 года журнал PLOS ONE опубликовал исследование, которое началось с проекта старшеклассницы из Айовы. Пуджа Касивишванатан задалась вопросом: можно ли вырастить пищу в марсианском грунте без удобрений с Земли? Её научные руководители из Университета штата Айова превратили школьный проект в полноценное исследование.
Марсианский реголит — это базальтовая пыль, выветренные остатки древних вулканов. На Земле вулканические почвы богаты питательными веществами. На Марсе — нет: реголит не содержит органического углерода, не удерживает воду и лишён азота, необходимого для роста растений. Вдобавок марсианская вода перенасыщена солью, а почва содержит перхлораты — токсичные соединения, смертельные для человека.
Типичная люцерна - а сколько потенциала!
Решение оказалось в растении, которое тысячелетиями служило кормом для скота. Люцерна — азотфиксатор: бактерии в её корнях захватывают азот из воздуха и превращают в органические соединения. Команда посадила люцерну в чистый базальтовый реголит без каких-либо добавок — и она выросла. Затем высушенную люцерну измельчили в порошок и использовали как удобрение. В обогащённом реголите выросли редис, репа и салат.
Воду опреснили цианобактерии — морская разновидность Synechococcus, та самая группа организмов, которая 2,4 миллиарда лет назад создала кислородную атмосферу Земли. Дополнительная фильтрация через базальтовые породы довела солёность до приемлемого уровня. Цикл замкнулся: цианобактерии опресняют воду, люцерна создаёт почву, овощи кормят астронавтов.
Типичная цианобактерия - а кто мы без нее?
Почему это важно.
От двадцати четырёх часов Шепелева до трёхсот семидесяти дней китайских добровольцев прошло пятьдесят семь лет. За это время мы научились многому: что бетон крадёт кислород, что тараканы переживут любую катастрофу, что мучные черви — приемлемый источник белка, что люцерна растёт в мёртвой пыли. Но главный урок остаётся тем же, который Шепелев получил, вернувшись в свою камеру: замкнутая экосистема — это не сумма отдельных процессов, а сеть связей, которую невозможно полностью просчитать.
Biosphere 2 провалился не потому, что его создатели были некомпетентны. Они просто не могли предвидеть, что бетон станет ловушкой для кислорода. BIOS-3 работал, но его масштаб — три человека на полгода — далёк от марсианской колонии. Lunar Palace 1 достиг рекордной замкнутости, но так и не решил проблему перхлоратов. MELiSSA разрабатывается тридцать пять лет и до сих пор не готов принять человека.
Колонизация Марса потребует системы, которая проработает годы без поставок с Земли. Мы до сих пор не построили ничего подобного. Но каждый эксперимент — от сибирского бункера до аризонского дворца — добавляет строчку в инструкцию, которую однажды прочтут первые марсианские фермеры. Они будут сажать люцерну в мёртвый реголит, опреснять воду цианобактериями и помнить золотое правило Гительзона: жизнь надёжна, а технологии ломаются.
