Год в «Звездолете» - Андрей Божко

Деятельность человека, который занимается добычей торфа, угля, нефти, а затем сжигает или перерабатывает их, также приводит к возврату углерода в биологический круговорот.

Аналогично осуществляется изъятие из этого круговорота и других элементов, накопление их в недоступной для живых организмов форме и последующий их возврат в него.

Таким образом, собственно биологический круговорот веществ на Земле не замыкается полностью, а смыкается с геологическим; геологический же, включающий в себя огромные массы вещества, не может быть воспроизведен в миниатюре.

Как же тогда воспроизвести в микромасштабе круговорот веществ, основываясь на природном оригинале? Очевидно, что построить модель естественного круговорота в искусственной системе невозможно даже со значительными упрощениями. И остается один путь: сузить в этом круговороте до предела геохимический цикл, а из биологических звеньев оставить наиболее важные с их природными экологическими связями.

Если в естественных условиях временная стабилизация круговорота обеспечена громадной массой веществ и сравнительно малой скоростью их движения, то в искусственных системах круговорота с их ограниченным количеством веществ мы столкнемся с большей скоростью их обмена, с большей подвижностью процессов. Кроме того, в искусственных системах будут отсутствовать полициклические процессы, включающие суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы.

Следовательно, при моделировании природных процессов в искусственных системах можно пользоваться лишь методами приближенного подобия.

При создании экологической системы в изолированном пространстве ученым приходится иметь дело с различными объектами живой природы. Эти живые объекты становятся как бы «звеньями» единой цепи вещества и энергии в такой системе. Предполагается, что подобная система может обеспечить все потребности человека, который при этом будет одним из ее функциональных составляющих. Он будет потребителем кислорода, воды и пищи и одновременно поставщиком отходов жизнедеятельности в системе.

Создание модели природного круговорота веществ в ограниченном замкнутом пространстве было бы невозможно без теоретических работ русских ученых, основоположников учения о биосфере и биогеоценологии JI. Берга, А. Григорьева, В. Вернадского, В. Вильямса, В. Докучаева, В. Сукачева и других.

Источником энергии для экологической системы будет излучаемый Солнцем световой поток. Поэтому с точки зрения термодинамики (раздела физики, изучающего характер обмена энергии и вещества через границы систем) такая экосистема представляет собой открытую систему, то есть такую, которая обменивается с внешней средой энергией и массой веществ. А обмен такой неизбежен, так как в искусственных экологических системах, так же как в природе, ряд веществ обязательно будет выпадать из круговорота в так называемые «тупики».

Теоретический максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах определяется в 90–95 процентов. Следовательно, даже в идеальном случае около 5-10 процентов веществ будут выпадать из круговорота и должны восполняться из запасов. Вот почему создание полностью автономных систем, которые были бы термодинамически изолированными, то есть не обменивались бы с внешней средой ни энергией, ни массой, а также систем «закрытых» – не обменивающихся со средой веществом, – невозможно.

Я представил себе огромную оранжерею К. Циолковского с растениями. Микроклимат в ней не вполне подходящ для человека, и поэтому она изолирована от жилого помещения. Необыкновенная сила солнечного света, благоприятные климатические условия оранжереи и специальные вещества, воздействующие на растения, «сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматными плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение искусственно». Так описывал К. Циолковский космический цветущий сад в своем научно– фантастическом труде «Вне Земли». Не только фантастика, но и пророческое предвидение сроднило его с Г. Уэллсом, который в романе «Пища богов» также мечтал о волшебном веществе, способном безгранично увеличивать рост всего живого.

Еще Ч. Дарвин, изучая способность растений к росту, предположил, что в растениях вырабатывается какое-то особое вещество, локализующееся в верхушках стеблей. Именно оно управляет ростом. Полвека спустя советский ученый Н. Холодный экспериментально подтвердил смелую гипотезу Ч. Дарвина. В кончиках корней и верхушках проростков ему удалось обнаружить вещество, сильно активизирующее рост. Распространяясь по стеблю, оно ускоряет деление растительных клеток и способствует их растяжению. А из этих двух процессов складывается рост. Ученым удалось извлечь из растений это чудесное вещество. Из двух миллиардов проростков было получено всего четверть грамма ауксина – так был назван этот ускоритель роста.

Долгое время его состав оставался загадкой. Разгадать ее помогли химики. Оказалось, что таинственный ауксин – это давно известная химикам индолил-уксусная кислота.

Был открыт еще один чудесный препарат – гиббереллин, также выделяемый из растений. Обработанный гиббереллином табак вырастал до небывалой, шестиметровой высоты – почти вдесятеро выше обычного.

На грядках «космического огорода» я представил себе картофель, томаты, свеклу, фасоль, арахис, капусту, лук, редис, укроп, петрушку и другие овощные растения, богатые белками, жирами, углеводами, витаминами. А рядом фруктовые растения. Оранжерея обеспечивает экипаж пищей, водой и воздухом. Калорийность растений достаточна для нормальной жизнедеятельности людей – обитателей космической станции.

Однако создать двухкомпонентную систему «человек – растения» оказалось невозможным: в ней не будет протекать круговорот веществ. Кроме того, высшие растения не могут полностью обеспечить пищевые потребности человека, так же как и низшие – одноклеточные микроскопические водоросли, в частности хлорелла. Причина этого заключается в том, что полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения; растительные же белки скомпенсировать их не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот, а человеческий организм не способен их синтезировать и обычно получает их в готовом виде с пищей животного происхождения. Имеются и другие трудности. Так половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а твердые отходы жизнедеятельности человека без предварительной обработки не могут быть непосредственнно использованы для растений в качестве удобрений.

Однако если скармливать непищевые отходы животным и ввести другие биологические звенья, которые смогут провести минерализацию отходов жизнедеятельности человека, то есть перевести органические отходы в минеральные соли, то сочлененность звеньев такой экологической системы улучшится, а степень ее замкнутости возрастет. При этом будет решена проблема обеспечения человека белками животного происхождения, а также будут использованы различные отходы человека для питания растений. Это хорошо, но это значительно усложняет систему в целом.

В изолированной экологической системе, удовлетворительно обеспечивающей человека всем необходимым для жизни и поддержания его нормальной работоспособности, чрезвычайно трудно сбалансировать «вход» и «выход» отдельных компонентов (ее звеньев), количество которых неизбежно увеличивается при возрастании степени ее замкнутости, сложности. Однако независимо от степени ее сложности растения благодаря фотосинтезу обеспечивают «вход» лучистой энергии в систему и превращение ее в потенциальную энергию химических связей. Это позволяет занимать им особую ведущую роль в экологических системах, даже если сбросить со счетов их значение как регенераторов атмосферы и воды, а также возможного источника пищи для человека в космосе. Вот почему даже небольшая оранжерея на космических объектах будет иметь большое значение как источник свежих витаминов и оказывать положительное психологическое воздействие на экипаж.

Построение экологической системы для обеспечения длительного автономного существования человека вне Земли – задача необыкновенно трудная. Предстоит решить попутно множество проблем, прежде чем будет создан искусственный микромир, в котором непрерывно совершался бы круговорот ограниченного количества веществ…

А пока на нашу «космическую» оранжерею возложена лишь часть тех функций, которые будут выполнять растения в искусственных экологических системах: она обеспечивает нас свежими витаминами, позволяет изучать сложные отношения между растениями, человеком и микроорганизмами в искусственном сообществе герметичного помещения, а также имеет для нас огромное психологическое значение.