История биологии с начала XX века до наших дней - [294]

Экология замкнутых систем.

Жизнеобеспечение космонавтов в длительных полетах, по-видимому, возможно лишь при условии создания замкнутого кругооборота веществ в кабине корабля, при котором необходимые продукты питания, вода и кислород образовывались бы за счет полной переработки продуктов жизнедеятельности. В принципе осуществить практически полностью замкнутый кругооборот веществ, вероятно, возможно на физико-химической основе; более реальным считается, однако, использование для этой цели биологических процессов, т. е. создание замкнутых экологических систем.

Теоретической базой научной разработки закрытых биологических систем служат данные комплекса биологических наук и, прежде всего, общей экологии (точнее, биогеоценологии). Создание микробиосферы космического корабля требует учета огромного числа данных, которые не могут быть получены при исследовании конкретных земных биоценозов. В равной мере это относится и к некоторым более частным вопросам физиологии растений, животных и человека. Дело в том, что многие проблемы, имеющие большое значение для создания закрытой системы кругооборота веществ, до недавнего времени не изучались, поскольку наука, направляемая запросами земной практики, имела дело с организмами, их популяциями и ценозами как открытыми системами.

В настоящее время решение задачи создания искусственных закрытых биоценозов ведется по трем основным направлениям: поиск и оценка биологических и физиологических характеристик таких растений и животных, которые позволяли бы в небольшом объеме кабин космических кораблей создать достаточно надежную и высокопродуктивную экологическую систему; исследование комплекса факторов среды обитания, обеспечивающих оптимальную продуктивность и устойчивость популяций; моделирование экспериментальных биоценозов и исследование их функциональных характеристик.

Исследования в рамках первых двух направлений уже ведутся. Что касается третьего направления — непосредственного моделирования закрытых биологических систем, по которому какой бы то ни было опыт отсутствует, то оно по существу находится еще в стадии разработки ого элементов. Имеющиеся по этому поводу теоретические предпосылки, основанные на изучении открытых земных биоценозов, слишком общи и недостаточны для решения столь конкретной и качественно своеобразной задачи. Все это значительно обличает условия работы по экспериментальной экологии закрытых систем от исследований в других областях биологии.

В настоящее время идея создания замкнутого цикла круговорота веществ стала предметом не только экспериментальных исследований, но и конструкторских разработок, ведущихся на основе экспериментально-экологических и биотехнологических исследований. Историю развития этой области космической биологии можно проследить на примере разработки биотехнологии культивирования одноклеточных водорослей — одного из возможных компонентов закрытых экологических систем. Изучение культуры одноклеточных водорослей для практического использования в системах регенерации воздуха проводится в СССР Н.С. Гаевской, В.В. Пиневичем, В.А. Чесноковым, Н.Н. Верзилиным, Г.Г. Винбергом; в США — X. Спеером, Г. Бурлоу, Н. Боуменом, Г. Майерсом; в Японии — X. Тамией и X. Накамурой.

Первые эксперименты по обеспечению газообмена животных за счет фотосинтеза хлореллы были проведены в США в 1957–1960 гг. Е. Баумом, Р. Гаффордом, К. Крафтом и др. Первые попытки обеспечения кислородом человека за счет фотосинтеза хлореллы в замкнутых системах были осуществлены в СССР в 1960–1961 гг. Е.Я. Шепелевым и Г.И. Мелешко с сотрудниками, затем в США X. Бови и другими. В 1967 г. в нашей стране И.И. Гительзону с сотрудниками удалось значительно увеличить продолжительность таких экспериментов (до 90 суток).

Уже первые опыты с обеспечением газообмена животных позволили сделать вывод о том, что успешное экспериментальное моделирование экологических систем требует возможно более точного знания материально-энергетических потребностей, условий функционирования и материальных выходов каждого элемента системы. Для получения этих данных были проведены комплексные исследования материального баланса хлореллы, культивируемой в фотосинтетических реакторах высокой производительности с замкнутым воздушным контуром (объемом). Были исследованы также условия для наиболее высокой продуктивности водорослей, что необходимо для разработки оптимальной конструкции фотосинтетических реакторов. Достигнутые успехи были во многом связаны с селекцией высокопродуктивных штаммов хлореллы, осуществленной в ЧССР Р. Праттом и в США К. Сорокиным. Большой цикл исследований, выяснивших особенности культивирования одноклеточных водорослей на продуктах жизнедеятельности человека, был проведен в Японии X. Накамурой и в СССР И.И. Гительзоном с сотрудниками. Одновременно было предпринято изучение вопросов автоматического регулирования в установках биологической регенерации воздуха (Е.А. Иванов, И.В.Александров, И.И. Гительзон). Результаты исследований показали практическую приемлемость и высокую эффективность одноклеточных водорослей в качестве одного из звеньев экологической системы космического корабля.