При выполнении межпланетных полётов, в первую очередь к Марсу, или долговременном пребывании космонавтов на планетных базах, когда доставка грузов с Земли будет нецелесообразна по экономическим соображениям, потребуется автономное воспроизводство продуктов питания, кислорода, воды, создание биологически полноценной среды обитания. Для обеспечения искусственного кругооборота в обитаемых отсеках планетной станции или межпланетного экспедиционного комплекса возможно применение биотехнических систем жизнеобеспечения (БТ СЖО).

Впервые обоснование предложений по использованию биологических элементов в системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов (ПКА) было изложено К. Э. Циолковским в 1895 году в повести «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения» [ 1 ]. В его последующих работах, а также работах Ф. А. Цандера неоднократно рассматривались вопросы жизнеобеспечения в космосе и роли биотехнических элементов СЖО в этом процессе.

Хронологически начальный этап разработки БТ СЖО можно оценивать периодом с 1895 по 1935 год, который охватывает все годы творческой деятельности и К. Э. Циолковского, и Ф. А. Цандера в данной области.

Появлению значительного интереса к исследованиям БТ СЖО послужили успешные пуски животных на высотных ракетах, начатые в СССР в 1951 году, а также публикации (1953 г.) по одноклеточным водорослям [ 20 ] для использования в космосе. Этими датами завершился второй этап исследований БТ СЖО.

Наибольший вклад в изучение проблем БТ СЖО в период с 1953 по 1962 год (третий этап) внесли С. Адамс (C. Adams), З. Бамбенек (Z. Bambenek), В. Хокинс (W. Hawkins), С. Хансон (S. Hanson), А. Билек (A. Bialecky), Г. Мелешко, В. Пиневич, А. Ничипорович, В. Яздовский, А. Штоль, Е. Мельников и др. [ 2-4 ]. В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ), и в том же году на борту второго ИСЗ появилось животное – собака Лайка. На корабле «Спутник-5» (1960 г.) в орбитальном полёте вместе с собаками Белкой и Стрелкой находились семена некоторых сельскохозяйственных и декоративных растений. Таким образом, начиная с 1957 года в космосе стали проводиться исследования влияния микрогравитации на биообъекты.

Рис. 1. Эволюция посадочных площадей бортовых научно-исследовательских оранжерей

По инициативе С. П. Королёва в 1965–1970 годах в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) был построен наземный экспериментальный комплекс (НЭК), ставший одной из ключевых баз по исследованиям БТ СЖО.

После этого в нашей стране стали интенсивно проводиться экспериментальные исследования, в рамках которых ставились натурные эксперименты в замкнутых отсеках с различными моделями БТ СЖО и участием человека, которые получили название изоляционных экспериментов [ 2, 4 ].

Рост, развитие и метаболизм растений в условиях космического полёта не отличаются от таковых в наземных контрольных экспериментах.

Период с 1962 по 1988 год (четвёртый этап) был знаковым в истории биотехнических СЖО, поскольку он характеризовался развитием мощной экспериментальной базы и проведением фундаментальных исследований с участием человека в контуре БТ СЖО. Изоляционные эксперименты, связанные с длительным пребыванием добровольцев-испытателей в герметически замкнутом объёме в НЭК, интенсивно велись до 1988 года.

Особый этап в развитии БТ СЖО связан с проведением космических экспериментов (КЭ) на борту ПКА (рис. 1). В результате была подтверждена возможность нормального онтогенетического развития и репродукции высших растений, что даёт основания для их применения в пищу космонавтам в качестве свежих витаминных добавок [ 14 ].

На орбитальном комплексе «Мир» также выполнялись исследования с гетеротрофными организмами с целью введения их в состав перспективных БТ СЖО [ 2 ], в частности КЭ с японскими перепелами (с 1990 по 1999 год), в расчёте на включение их в будущем в рацион питания космонавтов как источника животных белков. Однако на этом пути ожидается ещё множество проблем из-за негативного влияния невесомости (рис. 2).

Рис. 2. Птенцы японского перепела на ОКС «Мир»

Рассмотренный выше пятый этап формирования системы базовых исследований элементов БТ СЖО в рамках КЭ на борту ПКА охватывает 1988–1999 годы.

Эксперименты, связанные с перспективой развития БТ СЖО, продолжились на российском сегменте Международной космической станции (МКС) в оранжерее «Лада» с 2003 года (разработана совместно специалистами РФ и США). В их рамках были изучены биохимические и морфологические показатели ряда высших растений, стадийность их роста, способы культивации и др. [ 6, 7, 8 ].

Было выявлено, что рост, развитие и метаболизм растений в условиях космического полёта не отличаются от таковых в наземных контрольных экспериментах [ 9-12, 15 ].

Эксперименты, проведённые в рамках работы В. Н. Сычева, М. А. Левинских, И. Г. Подольского, О. М. Стругова, С. А. Гостимского, Т. Е. Саматадзе, А. В. Зеленина, М. Сугимото, Е. Шагимарданова, О. А. Гусева, Н. Д. Новиковой, Л. Н. Мухамедиевой, Г. Е. Бингхем по исследованиям свойств семян растений при развитии в условиях космического полёта по плану «от семени до семени», показали, что факторы космического полёта не внесли изменений в морфологические и физиологические характеристики полученных семян и выращенных из них растений [ 10, 16, 21 ]. Многими авторами отмечалось, что космическое излучение, состав атмосферы орбитальной станции и другие факторы космического полёта при длительном воздействии могут вызывать изменения в геноме растений [ 13, 15, 17 ].

Рис. 3. Оранжерейный модуль

Российскими учёными были проведены исследования по выявлению генетических последствий при выращивании растений в ряду поколений на борту российского сегмента (РС) МКС. В космической оранжерее «Лада» было проведено пять экспериментов по культивированию генетически маркированных растений карликового гороха.

Было показано, что у растений, прошедших четыре полных цикла развития в условиях космического полёта, не выявлен генетический полиморфизм, что позволяет говорить об отсутствии влияния факторов космического полёта на генетический аппарат растений в первом – четвёртом «космических» поколениях [ 11, 18, 19 ].

Первым шагом введения в системы жизнеобеспечения космонавтов биологических компонентов должны стать оранжереи.

Успешные бортовые эксперименты с высшими растениями свидетельствуют о том, что первым шагом введения в СЖО биологических систем должны стать оранжереи, обеспечивающие биологическую добавку к пище (витаминный компонент, пищевые волокна). Однако, как справедливо отмечено в работе [ 3 ], ни одна из побывавших в космосе экспериментальных оранжерей не способна обеспечить экипажи ПКА необходимым количеством биопродуктов из-за низкой производительности.

Выходом из положения могут стать только производственные специализированные оранжерейные модули – функциональные бортовые или напланетные комплексы с высокой производительностью, автоматизацией процессов культивирования растений и разнообразным их составом (рис. 3).

Исследования Луны с помощью автоматических аппаратов показали, что в её недрах имеется достаточно ресурсов для обеспечения функционирования физико-химических СЖО [ 22 ]. Поэтому задача создания высокозамкнутых БТ СЖО для обеспечения жизнедеятельности космонавтов лунных баз (ЛБ) уходит на второй план. Однако использование в ЛБ отдельных биологических звеньев будет, видимо, вполне обоснованным.

Возможности использования природных ресурсов на Марсе для жизнеобеспечения космонавтов пока не столь очевидны, как для Луны , учитывая, что на их добычу и создание технологий использования уйдёт достаточно много времени. Кроме того, Луна значительно ближе к Земле, чем Марс, и возможность относительно быстрой доставки на неё при необходимости каких-то элементов СЖО всё-таки имеется. Можно предполагать, что на Марсе без БТ СЖО обойтись будет невозможно.

Рис. 4. Оранжерейный комплекс на Марсе

Несмотря на то, что время освоения Луны и Марса в режиме систематических кратковременных полётов на них ещё не наступило, интерес к их колонизации не ослабевает, с каждым годом появляется всё больше и больше исследовательских проектов. Предполагаемая колонизация планет подразумевает создание на них больших поселений с биологически полноценной средой обитания в герметичных жилых и служебных помещениях. В перспективе такая полноценная среда будет включать автотрофные и гетеротрофные комплексы БТ СЖО, а также подсистемы биологической минерализации отходов.

Специализированные бортовые или напланетные оранжерейные модули смогут обеспечить экипажи необходимым количеством биопродуктов.

Выводы:

1. БТ СЖО экипажей ПКА за 125-летний путь своего развития прошли несколько последовательных этапов. К концу первой четверти XXI века учёными и конструкторами наибольшие успехи достигнуты в создании автотрофного звена БТ СЖО. В отношении гетеротрофных подсистем БТ СЖО к настоящему времени не получено результатов, позволяющих надеяться на их применение в обозримой перспективе на ПКА.

2. Комплексы обеспечения жизнедеятельности космонавтов в длительных экспедициях за пределами земных орбит до 2040 года, в том числе на Луне и Марсе, будут строиться на принципах оптимального сочетания физико-химических и биологических звеньев. Создание производственных бортовых оранжерейных комплексов (модулей) возможно уже в настоящее время.

Литература

1. Циолковский К. Э. Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения. М., 1895. 56 с.
2. Григорьев А. И., Сычев В. Н. Системы жизнеобеспечения космонавтов на основе биосферных механизмов // Вестник РАН. 2004. Т. 74. № 8. С. 675-689.
3. Беркович Ю. А. и др. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М., 2005. 367 с.
4. Лисовский Г. М., Гительзон И. И., Терсков И. А. Автотрофные организмы как компоненты замкнутых экологических систем // Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., 1967. 44 с.
5. Беркович Ю. А., Смолянина С. О., Железняков А. Г., Гузенберг А. С. К вопросу о компоновке космической оранжереи для пилотируемых космических кораблей // Пилотируемые полёты в космос. 2018. № 4. С. 53‑66.
6. Беркович Ю. А., Кривобок Н. М., Смолянина С. О., Урохин А. Н. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М.: Слово, 2005. 367 с.
7. Беркович Ю. А. Разработка оранжерей для космических систем жизнеобеспечения // Космическая биология и медицина: сборник научных статей / под ред. А. И. Григорьева, И. Б. Ушакова. Воронеж: Научная книга, 2013. С. 599-610.
8. Сычев В. Н., Левинских М. А., Гурьева Т. С., Подольский И. Г., Мелешко Г. И., Шепелев Е. Я., Дадашева О. А. Исследования замкнутых экологических систем жизнеобеспечения // Орбитальная станция «Мир». Космическая биология и медицина. Т. 2. Медико-биологические эксперименты. М.: ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2002. С. 306-365.
9. Левинских М. А., Сычев В. Н., Дерендяева Т. А и др. Выращивание пшеницы «от семени до семени» в условиях космического полёта // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2000. Т. 34. № 4. С. 37‑43.
10. Сычев В. Н., Левинских М. А., Гурьева Т. С., Подольский И. Г., Мелешко Г. И., Шепелев Е. Я., Дадашева О. А. Исследования замкнутых экологических систем жизнеобеспечения // Орбитальная станция «Мир». Космическая биология и медицина. Т. 2. Медико-биологические эксперименты. М.: ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2002. С. 306-365.
11. Souza K. A., Ilyin E. A., Sychev V. N., Jahns G. C. Biological Research in Space // Space biology and medicine. Vol. 5. Reston, Virginia, 2009. Pр. 1‑43.
12. Sychev V. N., Shepelev E. Ya., Meleshko G. I., Gurieva T. S., Levinskikh M. A., Podolsky I. G., Dadasheva O. A., Popov V. V. Biological life support systems: investigation aboard orbital complex Mir // Folia Veterinaria. 2001. Vol. 45. No. 1. Supplementum, pp. 60-65.
13. Левинских М. А., Сычев В. Н., Сигналова О. Б. и др. Рост и развитие растений в ряду поколений в условиях космического полёта в эксперименте «Оранжерея-3» // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35. № 3. С. 43‑48.
14. Левинских М. А., Сычев В. Н., Дерендяева Т. А. и др. Рост и развитие растений в ряду поколений в условиях космического полёта в эксперименте «Оранжерея-5» // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35. № 4. С.45‑50.
15. Меркис А. И., Лауринавичус Р. С. Полный цикл индивидуального развития растений арабидопсиса на борту орбитальной станции «Салют-7» // Доклады АН СССР. 1983. Т. 271. № 2. С. 509‑512.
16. Левинских М. А., Сычев В. Н., Сигналова О. Б., Дерендяева Т. А., Нефедова Е. Л., Масгрейв М. ., Кэмпбелл У. ., Конлин Д., Бингхейм Г. Е. Некоторые характеристики сформировавшихся в условиях микрогравитации семян растений // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002. Т. 36. № 6. С. 32‑35.
17. Ваулина Э. Н. Исследование мутагенных факторов космического полета. / Мутагенез при действии физических факторов / под ред. Н. П. Дубинина. М.: Наука, 1980. 211 с.
18. Сычев В. Н., Левинских М. А., Подольский И. Г., Новикова Н. Д., Гостимский С. А., Алексеев В. А., Бингхем Г. Основные результаты экспериментов по изучению высших растений и покоящихся форм организмов на борту российского сегмента Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. 2007. № 4. С. 54‑64.
19. Sychev Vladimir N., Levinskikh Margarita A., Gostimsky Sergey A. et al. Spaceflight effects on consecutive generations of peas grown onboard the Russian segment of the International Space Station // Acta Astronautica. 2007. No. 60. Pp. 426‑432.
20. Bowman N. J. The food and atmosphere control problems in space vessels. Part 2. The use of algae for food and atmosphere control // Journal British Interplanetary Society. 1953. Vol. 12. № 4. Рp. 159‑167.
21. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Derendyaeva T. A., Signalova O. B., Salisbury F. B., Campbell W. F., Bingham G. E., Bubenheim D. L., Jahns G. Analysis of The Spaceflight Effects on Growth And Development of Super Dwarf Wheat Grown on the Space Station "Mir" // Journal of Plant Physiology. 2000. Vol. 156. Pp. 522‑529.
22. Bingham G. E., Topham T. S., Taylor A., Podolsky I. G., Levinskikh M. A., Sytchev V. N. Lada: ISS Plant growth technology checkout. SAE Technical Paper 2003-01-2613, 2003, https://doi.org/10.4271/2003-01-2613
23. Тихомиров А. А., Ушакова С. А. Научные и технологические основы формирования фототрофного звена биолого-технических систем жизнеобеспечения: учебное пособие. Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет, 2016. 200 с.
24. Учёные выяснили, сколько человек сможет прожить на Марсе и Меркурии [Электронный ресурс] // SLOVARSLOV.RU, 2020. URL: slovarslov.ru (Дата обращения: 11.08.2020).

References

1. Tsiolkovskiy K. E. Grezy o Zemle i nebe i effekty vsemirnogo tyagoteniya. Moscow, 1895. 56 p.
2. Grigor'ev A. I., Sychev V. N. Sistemy zhizneobespecheniya kosmonavtov na osnove biosfernykh mekhanizmov. Vestnik RAN, 2004, vol. 74, no. 8, pp. 675-689.
3. Berkovich Yu. A. et al. Kosmicheskie oranzherei: nastoyashchee i budushchee. Moscow, 2005. 367 p.
4. Lisovskiy G. M., Gitel'zon I.I., Terskov I. A. Avtotrofnye organizmy kak komponenty zamknutykh ekologicheskikh system. Problemy sozdaniya zamknutykh ekologicheskikh system. Moscow, 1967. 44 p.
5. Berkovich Yu. A., Smolyanina S. O., Zheleznyakov A. G., Guzenberg A. S. K voprosu o komponovke kosmicheskoy oranzherei dlya pilotiruemykh kosmicheskikh korabley. Pilotiruemye polety v kosmos, 2018, no. 4, pp. 53‑66.
6. Berkovich Yu. A., Krivobok N. M., Smolyanina S. O., Urokhin A. N. Kosmicheskie oranzherei: nastoyashchee i budushchee. Moscow, Slovo, 2005. 367 p.
7. Berkovich Yu. A. Razrabotka oranzherey dlya kosmicheskikh sistem zhizneobespecheniya. Kosmicheskaya biologiya i meditsina: sbornik nauchnykh statey. Eds. A.I.Grigor'ev, I.B.Ushakov. Voronezh, Nauchnaya kniga, 2013, pp. 599-610.
8. Sychev V. N., Levinskikh M. A., Gur'eva T. S., Podol'skiy I. G., Meleshko G. I., Shepelev E. Ya., Dadasheva O. A. Issledovaniya zamknutykh ekologicheskikh sistem zhizneobespecheniya. Orbital'naya stantsiya "Mir". Kosmicheskaya biologiya i meditsina, vol. 2, Mediko-biologicheskie eksperimenty. Moscow, GNTs RF IMBP RAN, 2002, pp. 306-365.
9. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Derendyaeva T. A et al. Vyrashchivanie pshenitsy "ot semeni do semeni" v usloviyakh kosmicheskogo poleta. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2000, vol. 34, no. 4, pp 37‑43.
10. Sychev V. N., Levinskikh M. A., Gur'eva T. S., Podol'skiy I. G., Meleshko G. I., Shepelev E. Ya., Dadasheva O. A. Issledovaniya zamknutykh ekologicheskikh sistem zhizneobespecheniya. Orbital'naya stantsiya "Mir". Kosmicheskaya biologiya i meditsina. T. 2. Mediko-biologicheskie eksperimenty. Moscow, GNTs RF IMBP RAN, 2002, pp. 306-365.
11. Souza K. A., Ilyin E. A., Sychev V. N., Jahns G. C. Biological Research in Space. Space biology and medicine. Vol. 5. Reston, Virginia, 2009. Pp. 1‑43.
12. Sychev V. N., Shepelev E. Ya., Meleshko G. I., Gurieva T. S., Levinskikh M. A., Podolsky I. G., Dadasheva O. A., Popov V. V. Biological life support systems: investigation aboard orbital complex "Mir". Folia Veterinaria, 2001, vol. 45, no. 1, Supplementum, pp. 60-65.
13. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Signalova O. B. et al. Rost i razvitie rasteniy v ryadu pokoleniy v usloviyakh kosmicheskogo poleta v eksperimente "Oranzhereya-3". Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2001, vol. 35, no. 3, pp. 43‑48.
14. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Derendyaeva T. A. et al. Rost i razvitie rasteniy v ryadu pokoleniy v usloviyakh kosmicheskogo poleta v eksperimente "Oranzhereya-5". Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2001, vol. 35, no. 4, pp.45‑50.
15. Merkis A. I., Laurinavichus R. S. Polnyy tsikl individual'nogo razvitiya rasteniy arabidopsisa na bortu orbital'noy stantsii "Salyut-7". Doklady AN SSSR, 1983, vol. 271, no. 2, pp. 509‑512.
16. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Signalova O. B., Derendyaeva T. A., Nefedova E. L., Masgreyv M. E., Kempbell U. F., Konlin D., Bingkheym G. E. Nekotorye kharakteristiki sformirovavshikhsya v usloviyakh mikrogravitatsii semyan rasteniy. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2002, vol. 36, no. 6, pp. 32‑35.
17. Vaulina E. N. Issledovanie mutagennykh faktorov kosmicheskogo poleta. Mutagenez pri deystvii fizicheskikh faktorov. Ed. N. P. Dubinin. Moscow, Nauka, 1980. 211 p.
18. Sychev V. N., Levinskikh M. A., Podol'skiy I. G., Novikova N. D., Gostimskiy S. A., Alekseev V. A., Bingkhem G. Osnovnye rezul'taty eksperimentov po izucheniyu vysshikh rasteniy i pokoyashchikhsya form organizmov na bortu rossiyskogo segmenta Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii. Kosmonavtika i raketostroenie, 2007, no. 4, pp. 54‑64.
19. Sychev Vladimir N., Levinskikh Margarita A., Gostimsky Sergey A. et al. Spaceflight effects on consecutive generations of peas grown onboard the Russian segment of the International Space Station. Acta Astronautica, 2007, no. 60, pp. 426‑432.
20. Bowman N. J. The food and atmosphere control problems in space vessels. Part 2. The use of algae for food and atmosphere control. Journal British Interplanetary Society, 1953, vol. 12,. no. 4, pp. 159‑167.
21. Levinskikh M. A., Sychev V. N., Derendyaeva T. A., Signalova O. B., Salisbury F. B., Campbell W. F., Bingham G. E., Bubenheim D. L., Jahns G. Analysis of The Spaceflight Effects on Growth And Development of Super Dwarf Wheat Grown on the Space Station "Mir". Journal of Plant Physiology, 2000, vol. 156, pp. 522‑529.
22. Bingham G. E., Topham T. S., Taylor A., Podolsky I. G., Levinskikh M. A., Sytchev V. N. Lada: ISS Plant growth technology checkout. SAE Technical Paper 2003-01-2613, 2003, https://doi.org/10.4271/2003-01-2613
23. Tikhomirov A. A., Ushakova S. A. Nauchnye i tekhnologicheskie osnovy formirovaniya fototrofnogo zvena biologo-tekhnicheskikh sistem zhizneobespecheniya. Krasnoyarsk, Sibirskiy gosudarstvennyy aerokosmicheskiy universitet, 2016. 200 p.
24. Uchenye vyyasnili, skol'ko chelovek smozhet prozhit' na Marse i Merkurii. SLOVARSLOV.RU, 2020. Available at: slovarslov.ru (Retrieval date: 11.08.2020).

© Крючков Б. И., Усов В. М., Попова Е. В., 2020

История статьи:

Поступила в редакцию: 21.06.2020
Принята к публикации: 30.07.2020

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Крючков Б. И., Усов В. М., Попова Е. В. Биотехнические системы жизнеобеспечения для экипажей пилотируемых космических комплексов // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 3. С. 82-89.

Скачать статью в формате PDF >>