Более 200 тысяч человек заявило о своем желании участвовать в проекте Mars One — колонизации красной планеты в 2023 году. Экспедиция будет безвозвратной, поэтому для ее успеха особенно важна разработка функционирующей замкнутой экосистемы. И если технологии путешествия до Марса примерно понятны, то создание искусственных устойчивых биосфер пока вызывает вопросы. Проект «Новый век» вспоминает историю ключевых экспериментов в области замкнутых биосистем и разбирается, почему внеземной цивилизации необходимы деревья.

Серьезные эксперименты по организации автономных экосистем начались в 70-х годах XX века. После высадки экипажа Аполлон-11 на Луну стало понятно, что перспективы космической колонизации реальны, а опыт создания живых замкнутых пространств стал необходим для потенциальных длительных перелетов и построения инопланетных баз. Первым за проблему взялся СССР. В 1972 году в подвале красноярского Института биофизики на основе профессор Борис Ковров построил первую функционирующую замкнутую экосистему БИОС-3. Комплекс состоял из герметичного помещения размером 14×9 х 2,5 м и был разделен на четыре отсека: жилую каюту для экипажа, две теплицы для выращивания съедобных растений и генератор кислорода, где находился бак с микроводорослевыми культурами. Водоросли и теплицы, где росли карликовая пшеница, соя, чуфа, морковь, редис, свекла, картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп и лук освещались УФ-лампами.

В БИОС-3 были проведены 10 экспериментов с экипажами от 1 до 3 человек, а самая продолжительная экспедиция проходила 180 дней. Комплекс оказался на 100% автономен по кислороду и воде и на 80% по пище. Помимо продуктов собственного огородничества потенциальным космонавтам была положена стратегическая тушенка. Большим недостатком красноярской биосферы оказалось отсутствие энергетической автономности — она использовала 400 кВт внешней электроэнергии ежедневно. Эту задачу планировалось решить, но во время перестройки финансирование эксперимента прекратилось и БИОС-3 оставили ржаветь в подвале института.

Самый масштабный эксперимент по организации замкнутой экосистемы был проведен в 90-х годах в США. Он финансировался на средства Эда Басса, нью-эйдж миллионера, мечтавшего о создании счастливой коммуны визионеров-биологов. Биосфера-2 располагалась в аризонской пустыне и представляла собой систему воздухонепроницаемых стеклянных куполов. Внутри были установлены пять ландшафтных модулей: джунгли, саванна, болото, маленький океан с пляжем и пустыня. Географическое разнообразие дополнял сельскохозяйственный блок, оснащенный по последнему слову техники, а также жилой дом, построенный в авангардном стиле. Восемь бионавтов и около 4 тысяч разнообразных представителей фаун, включая коз, свиней и кур, должны были прожить под куполом 2 года на полном самообеспечении, за исключением потребления электроэнергии, которая использовалась в основном для охлаждения гигантского парника. Строительство комплекса обошлось в 150 миллионов долларов. По уверению проектировщиков, Биосфера могла просуществовать в автономном режиме не менее 100 лет.

26 сентября 1991 года при огромном скоплении журналистов четверо мужчин и четыре женщины зашли внутрь купола и эксперимент начался. Примерно через неделю выяснилось, что проектировщики «Биосферы» допустили роковой просчет — количество кислорода в атмосфере экосистемы постепенно, но неумолимо сокращалось. Участники эксперимента почему-то решили скрыть этот факт. Вскоре перед бионавтами встала еще одна проблема: выяснилось, что их сельскохозяйственные угодья способны обеспечить около 80% их потребности в пище. Этот просчет был намеренным. Cами того не подозревая, они оказались участниками еще одного эксперимента, который проводил в куполе «бортовой» доктор Валфорд, сторонник теории лечебного голодания.

Летом 1992-го разразился кризис. Из-за рекордно сильного эль-ниньо небо над Биосферой-2 почти всю зиму было затянуто облаками. Это привело к тому, что фотосинтез джунглей ослаб, выработка драгоценного кислорода уменьшилась, так же как и без того скудный органический урожай. Неожиданно огромные пятиметровые деревья в джунглях стали хрупкими. Некоторые упали, сломав все вокруг. Впоследствии, исследуя этот феномен, ученые пришли к выводу, что его причина крылась в отсутствии ветра под куполом, который укрепляет стволы деревьев в природе. Эд Басс, финансировавший эксперимент, продолжал скрывать катастрофическое состояние Биосферы-2.

К осени содержание кислорода в атмосфере купола снизилось до 14%, что сравнимо с разреженностью воздуха на 5000 метров над уровнем моря. По ночам его жители постоянно просыпались, так как активный фотосинтез растений прекращался, уровень кислорода резко падал и они начинали задыхаться. К этому моменту все позвоночные животные «Биосферы» погибли. Истощенные скудным рационом и кислородным голоданием бионавты разделились на два лагеря — половина хотела, чтобы их немедленно выпустили наружу, а другие настаивали, что нужно высидеть 2 года, чего бы это ни стоило. В итоге Басс принял решение разгерметизировать капсулу и закачать туда кислород. Также он разрешил бионавтам использовать неприкосновенные запасы зерна и овощей из семенного хранилища. Таким образом, эксперимент удалось довести до конца, но после выхода колонистов Биосферу-2 признали провалом.

В это же время в NASA разработало менее экстравагантный, но более успешный проект. Космическое агентство придумало экосистему, которая, в отличие от всех предыдущих, принесла своим создателям вполне внушительный коммерческий доход. Это была Ecosphere — герметичный стеклянный шар-аквариум, диаметром 10-20 сантиметров, где находилось несколько креветок Halocaridina rubra, кусочек коралла, немного зеленых водорослей, бактерии, расщепляющие продукты жизнедеятельности креветок, песок, морская вода и прослойка воздуха. По уверениям производителей весь этот мир был абсолютно автономным: он нуждался только в солнечном свете и поддержании регулярной температуры — и тогда мог просуществовать «вечность». Креветки размножались и умирали, не выходя, однако, за рамки разумного числа, которое могли обеспечить существующие ресурсы. Ecosphere сразу приобрела невероятную популярность. Однако вскоре выяснилось, что вечность представляет собой 2-3 года, после чего биологический баланс внутри аквариума неотвратимо нарушался и его обитатели погибали. Тем не менее герметические аквариумы до сих пор пользуются популярностью — в конце концов, каждая цивилизация имеет свой срок годности и 2-3 года по креветочным меркам не так уж и плохо.

Успешными примерами создания замкнутых систем также можно считать МКС, медико-технический комплекс «Марс-500» РАН и несколько других подобных проектов. Однако их сложно назвать «биосферой». Вся пища космонавтов доставляется с Земли, а в главных системах жизнеобеспечения никак не участвуют растения. Регенерация кислорода на МКС происходит с использованием постоянно пополняемых с Земли запасов воды. «Марс-500» также забирает воду и частично воздух извне. Впрочем для регенерации кислорода и восстановления запасов воды можно использовать реакцию Сабатье. Потребуется только небольшое количество водорода извне, а этот газ является наиболее распространенным не только на Земле, но и в космосе. Так что, например, деревья на гипотетических инопланетных станциях совсем не нужны.

Но если бы для успешного функционирования нам хватало ежедневного поступления четкой суммы питательных веществ и кислорода все было бы слишком просто. Внутри ставшей музеем Биофсферы-2 до сих пор сохранилась надпись на стене одного из участников эксперимента: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить». Эта обретенная мудрость ставит перед Mars One несколько важных задач, которые предстоит решить для комфортной жизни колонистов в 2023 году. Из нашей генетической памяти не так легко стереть миллион лет проживания внутри биосферы, недаром третьим пунктом человеческих жизненных планов после биологического размножения и дома значится «посадить дерево».