Академик Андрей Дегерменджи — о создании биосферы будущего

Люди пока не строят поселений в космосе и на других планетах, но на Земле вот уже полвека идет эксперимент БИОС. Что это такое, с чего начиналось, какие результаты получены и почему важно эту работу продолжать, рассказывает академик РАН Андрей Дегерменджи, директор Института биофизики ФИЦ Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук.

Все начиналось еще в середине прошлого века. БИОС — это биологическая система жизнеобеспечения, большой эксперимент в замкнутой системе. Это очень яркая идея, в то же время имеющая огромные перспективы. Тогда, 70 лет назад, еще не было Сибирского отделения, но уже появился Институт физики в Красноярске благодаря усилиям академика Леонида Киренского, который занимался магнитными явлениями.

Там образовалась группа интеллектуалов, которые увлекались биофизикой. По образованию они были физиками, но ударились в биологию. Так родилась биофизика.

Метаболический противовес человеку

— Сначала были опыты с кровью, эксперименты с простейшими, дрожжами, бактериями, водорослями. Система, в которой растут эти организмы, оттуда вымываются. Похоже на озерную систему с протоком. Они и называются проточными. Возникал вопрос: удержатся ли эти виды, если есть проток, хватит ли у них скорости роста?

Очень много было тогда выяснено: как работают обратные связи, как разные виды выживают в этих системах, каковы механизмы сосуществования и управления составом сообществ. Потом появились высшие растения, применяемые для сельского хозяйства, бактериальные популяции для получения биохимических продуктов, биотехнологии. Началось культивирование водорослей — спирулина, хлорелла. Водоросли, как и другие растения, поглощают углекислый газ, выделяют кислород. Работали огромные культиваторы — они и сейчас хранятся в институте.

А потом появилась дерзкая мысль эту философию поддержания проточных сообществ применить к созданию систем не с клетками, а с экипажем. Стали думать, как соединить культиваторы с человеком. Придумали так: шланг от маски идет к культиватору, человек дышит, углекислый газ «загоняют» в культиватор, водоросли растут, выделяют кислород. Система работает, и человек дышит за счет производства кислорода водорослями. Эти опыты показали, что никаких химических реутилизаторов не надо. Но важно было понять, с какой скоростью происходит утилизация: вдруг человек начнет задыхаться? Оказалось, что можно регулировать скорость поглощения углерода у водорослей — пригодились прошлые опыты в регуляции их активности в проточных культурах.

— Но ведь человек выделяет не только углекислый газ, у него бывают и другие выделения. С ними что делать?

— Это был следующий вопрос. Например, жидкие выделения. Смогут ли водоросли их потреблять? Оказалось, смогут! Так рождались новые идеи: а давайте сделаем систему, в которой водоросли будут метаболическим противовесом человеку! Но биомасса водорослей нарастает, а это биомасса, полная углеводов. И ее выбрасывали. Подумали: а давайте будем ими кормить человека. Первой водорослью была хлорелла. Я до сих пор считаю ее несъедобной. Что только с ней не вытворяли! Какие-то пирожки, соусы делали…

Но ничего не получилось. Экипаж не хотел питаться водорослями. Это был для нас тупик — вещество, которое в данной системе данными технологиями не перерабатывается. Не возвращается в круговорот. Конечно, знали отцы-создатели, что биосфера на Земле поддерживается только за счет круговорота. Это еще академик Вернадский говорил. Главное — сохранить машину круговорота.

— Как же вы решили проблему с хлореллой?

— Профессор Лисовский, аграрий, говорит: «А почему только водоросли? Я вот растения выращиваю, занимаюсь их культивированием в фитотронах». Ему говорят: «Они же медленно растут». Он: «А какая разница? Система фотосинтеза в обоих случаях примерно одинаковая. Что-то не так с условиями культивирования, значит». И предложил сделать по-настоящему тепличные условия — максимальное количество света, минеральное питание. Болезнетворные микроорганизмы и корневые гнили были исключены.

— И все равно ведь скорость водорослей не обогнать?

— Чтобы это выяснить, поставили специальные опыты с этими растениями — пшеница, овощные культуры, масличные. Оказалось, что скорость у них при оптимальных условиях не меньше, а примерно такая же. Скорее всего, выше, но точности не хватало. Они могут стать более полным метаболическим противовесом человеку, потреблять все газовые составляющие и, как бонус, производить пищу.

И вот тут началась эйфория: если получится, можно сделать маленькую искусственную биосферу с круговоротом веществ! Академик Киренский был тогда депутатом Верховного совета, у него была возможность связаться с теми, кто занимался космосом. Он обратился к академику Сергею Королеву, рассказал, что есть такая идея и что можно создать автономную систему с экипажем.

Миллион рублей и 180 дней взаперти

— А ведь тогда, как и сейчас, доминирующим в обеспечении медицинского сопровождения космонавтов был Институт медико-биологических проблем. У вас с ними были какие-то пересечения?

— Директор ИМБП академик Газенко тоже был на той встрече в подмосковных Подлипках. Королев прослушал наших лидеров и спросил: «Хватит вам миллиона рублей?» По тем временам это были сумасшедшие деньги. Они опешили, говорят: «Да, да…» Сибиряки отличаются повышенной скромностью, что часто бывает в ущерб делу. Медики говорят: «А нам?» Королев: «А вам — ничего, я и так вас не обижаю». И, видимо, осадок с тех пор остался.

— И вы приступили к созданию такой системы?

— Да, началась работа. Контракт был секретный, под землей стала рождаться эта система, которую мы называем «Бункер», 300 м2, ее специально строили под этот проект. Гора нержавейки, никакого пластика решили не брать, потому что может быть выделение токсических веществ. Огромный корпус был разделен на четыре части. Один зал отдали под водорослевые культиваторы, от них боялись отказаться, так как еще надеялись, что удастся использовать биомассу хлореллы в пищу человеку. Стояли огромные прозрачные стойки, и мощные лампы все освещали. Водоросли крутились в потоке и синтезировали органическое вещество и кислород, поглощали СО2, который сначала подавался отдельно из баллонов. Таких стоек был десяток, и все это выглядело как машинный зал. По сути, это был маленький биосинтетический завод.

Два модуля были отданы под высшие растения. Сразу пошли по пути отказа от почвы под растения — у нее свои особенности, в том числе возможность заражения гнилью. Начались разные вопросы. Вот пшеница. Человек съест зерна, а куда остальное? Давайте сделаем пшеницу, у которой очень короткий стебель и толстый колос. Характеристики вроде простые, но к ним нужно было прийти и сделать. Фактически шла селекция специальных растений для замкнутой системы. Эти растения совершенно не были приспособлены для полевого сельского хозяйства, хотя, казалось, создавались для него.

— Почему?

— Детально в причинах не разбирались, но полевые эксперименты показали, что у такой пшеницы ослаблен иммунитет к вредителям, к которым обычная пшеница была устойчива. Сделать ничего не могли. Но для замкнутой системы такая короткостебельная высокоурожайная пшеница была благо, потому что отходов было меньше. Уже знали, что никуда эти отходы не «пристроить». Тупик-2 после биомассы хлореллы. У овощных культур тоже есть тупики — например, корневые системы. Но селекция была проведена, сорта получили названия.

Работа велась под грифом «Секретно», никаких публикаций не допускалось. О наших работах мало кто знал. Между тем человек уже жил в этих кабинах, дышал нормально, никаких масок. Главное — происходила частично утилизация жидких выделений человека. Там это получилось, но наполовину: концентрация была высокая. В общем, было несколько этапов: БИОС-1, БИОС-2, а к БИОС-3 пришли с тем, что научились культивировать все необходимые растения, включая знаменитую чуфу, масличную культуру, которую еще зовут земляной миндаль. Не знаю, как отчеты представлялись Королеву, но финансирование шло как положено, поэтому быстрыми темпами мы подошли к эксперименту с экипажем.

— БИОС-3 — это когда люди участвовали?

— Они и раньше участвовали, в первом и втором, но там пребывание человека, как правило, ограничивалось от одной недели до месяца. В целом условия должны быть как на подводной лодке: изолированная атмосфера, никакого выхода раньше срока. Когда до БИОС-3 дошли, то сказали: «Все, двери закрываем, ставим датчики давления». У нас позже уже были контракты с Европейским космическим агентством, и они очень интересовались, нет ли где «дырочки» в системе.

— Секретный подземный ход, который выводит наверх?

— Они думали, что у нас есть подпитка воздухом «сбоку». Китай потом в основном скопировал у нас эту систему, назвали ее «Лунный дворец-1». Проводил эту работу Пекинский университет космических исследований, руководила профессор Лю Хунь, которая заканчивала МГУ, русский знает прекрасно. Это было уже в 1990-е. Когда мы у нее были, я увидел, что там огромная труба шла к этой системе. Я спрашиваю: «Зачем труба? Какая у нее функция?» Отвечает: «А это на случай, если вдруг авария». Какая авария? Не сказала. Так вопрос и повис в воздухе.

— Как вела себя кабина при изменении давления снаружи?

— Кабина в тестовых опытах себя вела специфически: когда давление снаружи менялось, это было как взрывы. Нержавейка при сварке деформирована, и когда давление возрастает, весь модуль сжимается. Он же не был сделан как космический корабль. И когда он сжимался, кабина будто бы стреляла. И когда давление возвращалось к прежнему значению, так же. Я сказал, что надо эти «взрывы» записывать, потому что это симптом того, что у нас герметичная система. Поэтому для компенсации изменения давления кабина была соединена с небольшой камерой из резинового материала, которая выравнивала перепады давления, меняя свой объем. В 1970-е годы произошел знаменитый шестимесячный эксперимент «180 дней».

— Люди, которые жили там, питались только растениями?

— В основном их рацион был вегетарианский, хотя у них находились с собой тюбики с мясной пищей, как у космонавтов. Они ухаживали за оранжереей, собирали урожай, перерабатывали, сами пекли хлеб. Вода за счет транспирации растений попадала в атмосферу, охлаждалась и конденсировалась на стенках бункера, стекала практически дистиллированной водой. Главное было — замкнуть газ, чтобы не было никаких проблем. Газ и вода циркулировали между растениями и человеком. Системы водорослей сначала помогали растениям, а потом их отключили. А несъедобные растения, твердые выделения человека, часть жидких, которые не получилось ввести в круговорот,— сначала вода оттуда отделялась, а потом они в сухом виде складировались и удалялись из системы.

Звезды взаперти

— Но разве это не тупик?

— Явный тупик. Биомассу водорослей пытались сжигать, довести до минеральных солей. Но там, как и на садовом участке: мы же не видим газовой составляющей при сжигании. А тут кабина одна, газовую составляющую надо как-то убирать химически. Целая проблема.

— В фантастическом кинофильме «Марсианин» главный герой умудрился превратить свои жидкие выделения в воду, а твердые выделения — в удобрения для картошки, которую он там выращивал. Насколько это реально?

— Абсолютно реально. Но не на тот момент. Не было технологии, которая могла бы это все переработать и вернуть растениям. От почвы мы отказались, у нас была гидропоника, аэропоника — корни во влажной, в водно-воздушной среде, минеральное снабжение шло не через почву. Поэтому полностью замкнуть цикл тогда мы не смогли.

В этом году у меня как у руководителя проекта начался новый грант Российского научного фонда совместно с китайским научным фондом на тему «Устойчивость и управляемость экспериментальных замкнутых экологических систем жизнеобеспечения человека: анализ данных и математическое моделирование». В этом проекте будут созданы и проверены на адекватность математические модели или, как сейчас говорят, «цифровые двойники» БИОС-3 и «Лунного дворца-1» по результатам прошлых экспериментов. Будет также теоретически исследована устойчивость следующего поколения высокозамкнутой системы БИОС-4.

В Китае был годовой эксперимент, а у нас — шесть месяцев. И нам удалось замкнуть цикл по газу и по воде. Там есть тонкости замыкания, которые подлежат теоретическому анализу. Если в двух словах, каждый организм содержит биогенные вещества — почти всю таблицу Менделеева, но есть основные вещества: углерод, азот, кислород, фосфор, водород. И у каждого организма состав этих веществ отличается. Причину можно обсуждать отдельно. Можно привести такую аналогию: каждому автомобилю положены один мотор, один руль, четыре колеса. И подрядчики завода, которые делают детали, должны поставить на десять автомобилей десять рулей, 40 колес, 10 двигателей. Больше или меньше нельзя, иначе машина не соберется.

Тут то же самое. Если растение имеет другой состав, то может получиться, как будто на одну машину поставляют пять колес и два руля. И мы задумались: а как в биосфере множеству видов удается так состыковаться друг с другом, что круговорот получается 100%? В биосфере тупиков практически не образуется. Как ей удается согласовать потоки, которые идут внутри нее? Если бы это было одно вещество, разговоров бы не было, но их много и они разные. Грант, который мы выиграли, работает на объяснение и этого вопроса.

— Но давайте вернемся немного назад, к эксперименту БИОС-3. Как себя чувствовали люди, которые участвовали в длительном эксперименте? Проводилось ли медицинское обследование после окончания эксперимента?

— Их было трое — двое мужчин и одна женщина. Да, они медицинские анализы сдавали регулярно, у них был люк, через который можно было все это передать. На них находились датчики. Даже был поставлен контроль кишечной микрофлоры. Старались выяснить, как устроена микробиота в таких условиях. Исписаны целые тома результатов. Если коротко — микробиота сильно изменилась, и по ее состоянию можно оценить, насколько диета сбалансирована или нет. Эти исследования потом легли в основу важных трудов по диетологии. Я считаю, что медицинская часть была поставлена очень хорошо.

— Они чем-нибудь болели?

— Слава богу, нет, все были здоровы и чувствовали себя хорошо. Но все сценарии были прописаны заранее. В случае чего опыт мог быть остановлен. По просьбе любого члена экипажа все прекращается, двое не остаются.

— Это были специально подготовленные люди, как космонавты, или ваши обычные сотрудники?

— У них была минимальная подготовка, в основном технологического свойства. Но проблемы и неожиданности все равно случались. В какой-то момент что-то произошло с фитотронами. Вероятно, сбой в минеральном питании или что-то с лампами. Все началось с пожухлости растений. Продукция уменьшилась. А их консультировали дистанционно. И вот в какой-то день туда запустили агронома, даму. Оказалось, они там неправильно протокол полива делали.

— Она разобралась?

— Да, и довольно быстро. Она все починила, система заработала, через положенные шесть месяцев эксперимент успешно закончили.

— А психологически как все проходило? Как они выносили друг друга в замкнутом пространстве?

— Вы знаете, они были настолько заняты работой, что у них не было времени ссориться. Это как у жителей деревни во время посевной. Правда, был казусный случай: какой-то таракан там завелся, и они его оберегали, кормили, чуть ли не на руках носили. Однажды кто-то случайно его раздавил, так и не установили, кто именно. По этому поводу разыгралась настоящая трагедия, как будто потеряли члена экипажа. Когда они вышли из кабины, за ними наблюдение велось очень долго, лет десять, если память не изменяет. В живых сейчас только один из троих. Остальные уже умерли.

— Вы не связываете это с участием в эксперименте?

— Нет. Все-таки шесть месяцев — это немного. У них развилась другая «болезнь» — «лжезвездность». Некоторые из них посчитали, что раз они провели полгода в этой системе, то они и есть создатели этой системы. Они так персонифицировали свое экспериментальное пребывание там. Понятно, что если ты каждую гайку и зерно пшеницы пропустил через свои руки, то может возникнуть такое. Посмеивались над ними, но не «ставили на вид».

Одна тридцатая часть человека

— А почему опыты закончились?

— В 1990-е финансирование прекратилось. Когда началась перестройка, я как раз стал директором. И решили: давайте не будем закрывать проект полностью, будем двигаться к большему замыканию. Для этого надо то, что раньше шло в тупик, как-то вернуть в круговорот. Это из серии «Построим коммунизм» — хороший лозунг. Но как сделать?

В это время уже построили систему физико-химической переработки органических веществ. Она специально создавалась, не по приказу. Столько тупиков было, и физики стали думать, как их ликвидировать. На почву особого расчета не было. Скорости маленькие, а нужно быстро. Так родилась физико-химическая система, где электромагнитное поле с перекисью «разбивает» все органические молекулы до минеральных веществ. Казалось бы, простое устройство, но надо было проверить, будет ли это работать. Шли опыты по доработке системы, по ее масштабированию. Эта система стала, по сути, заменой почвы. Сейчас она работает в реальных экспериментах.

Еще одна находка для замкнутой системы — конвейерный тип выращивания растений. В эксперименте была такая проблема. Если ту же пшеницу выращивать как одновозрастную культуру, можно засеять ее внутри замкнутой системы, собрать, в запас зерна сложить, но когда новые всходы будут расти, то в это время не будет вырабатываться достаточно кислорода и СО2 не будет поглощаться. Получается, что экипаж просто задохнется.

Тогда профессор Лисовский придумал конвейер. Одновозрастные сажать не враз, а со сдвигом возрастов. Посадил молодые — они начали расти. Чуть позже снова молодые посадил и т. д. Урожай собирается, подсаживаются следующие. И получилась, по сути, та самая «проточная система», с которой я начинал рассказ, а газовые потребности экипажа удовлетворяются постоянно и равномерно.

А потом, когда БИОС-3 закрылся, денег не стало, мы стали думать, что делать. Так не хотелось, чтобы идея исчезла, а сотрудники разбежались. И вот мы подумали: как бы сделать человека-лилипута, чтобы у него были все функции, но маленького, чтобы под него устроить такую мини-систему?

— Такие люди существуют, и среди них есть ученые. В фильме «Руслан и Людмила» Черномора играл доктор физико-математических наук. Он вполне мог бы участвовать в таком эксперименте.

— Это интересная идея, но мы решили по-другому. Почему человек целиком должен находиться в этой системе? Посчитали, что если человек отдает в систему 1/30 того, что выделяет, то тогда небольшая система будет перерабатывать и по воздуху, и по воде, и по твердым и жидким выделениям человека. А выделения человека уже можно пропускать через физико-химическую систему: масштаб-то другой, там уже не экипаж сидит, а 1/30 человека. Так и стала называться система: «1/30 человека». И она показала — все получается! Полный круговорот достижим!

Следующим шагом должен быть экипаж. Мы вынашивали БИОС-4 долго. Куда только не писали! Даже президенту Владимиру Путину: терпение, мол, наше лопнуло. Вы толкуете про лунные станции, а систему-то еще не довели до ума! В лунных космических станциях надо иметь высокоавтономную систему жизнеобеспечения с круговоротом 100%. Кроме того, сейчас актуальны арктические поселения нового типа, где витаминная продукция позарез нужна всем. По сути, это новое поколение жилья. А также поселения в пустынях и, как мы написали, новый тип бункеров с полностью замкнутым циклом. БИОС в этих задачах чрезвычайно полезен, тем более он первый в мире, уж про Россию и не говорю: здесь БИОС монополист!

— И что Путин вам ответил?

— Администрация президента переадресовала нас в Минобрнауки, где сказали: а где у вас полный текст проекта по БИОС-4? А у нас его не было. В общем, мы с ними договорились, что, если все будет хорошо, в 2024 году начнется финансирование нового государственного задания, как сейчас есть во всех институтах, новой большой темы. Хотя у нас в России «обещать — не значит жениться». Она очень дорогая. Тогда Королев миллион дал, а сейчас получается 100 млн в год с учетом новых приборов. Мы считаем, что за четыре года новая система родится. Это обнадеживает.

— Будет ли ваша система работать в условиях космической станции, в невесомости?

— Это важный вопрос. Мы считаем, что наша система не будет жить в невесомости (кроме, возможно, микроводорослей), надо создавать какую-то гравитацию. Для растений нужно выстраивание роста вдоль градиента гравитации. Но дело в том, что, например, искусственная гравитация за счет вращения космической станции тоже не изучена. Это же не настоящая гравитация. Сколько ее надо? Получается, что опыты затянутся на десятилетия. Особенно меня волнует — мы сейчас обсуждаем 100-процентное замыкание, там сейчас добавлены новые звенья,— в частности, рыбное звено как аналог животной пищи. Отходы рыбы будут легко перерабатываться этой физико-химической системой. Ясно, что рыба — это не полноценная замена животному белку, но тем не менее. Чего только исследователи не пробовали! И перепелок, и коз, предлагались минипиги, мини-коровы…

— Мне кажется, что если экипаж страдал по таракану, то уж убить свинью или козу, которая с ними жила, они не смогут.

— Это отдельная проблема. Вы правы. Поэтому надо отделять «производство» от «потребления». Физически. Чтобы не видели, что происходит на кухне. Но это все — дело будущего. А сейчас есть другие проблемы.

Биосфера будущего

— Много лет назад вы планировали создать маленькую биосферу. Как считаете, получилось?

— Об этом у нас с академиком Гительзоном был спор до самого конца его жизни: эта маленькая система БИОС — модель биосферы или нет? Теоретики говорят: что такое модель? Если хоть одно свойство оригинала она воспроизводит, значит, это модель. Маленькая модель круговорот обеспечивает? Значит, она похожа на биосферу, моделирует ее. Это облегченное определение что есть модель или подобие.

Я говорю: есть два аргумента, что это не модель биосферы. В биосфере — тысячи видов, связанных сетью отношений. Кто-то кого-то ест, выделения, потребление. Эта сеть отношений совершенно не похожа на замкнутую систему, в которой почти линейная цепочка: растения производят, человек их съедает, выделяет, это разлагается и идет обратно к растениям.

Да, может быть, на уровне группы растений это и работает, но это точно не сеть в маленькой системе. А вдруг именно сеть является ключом к пониманию круговорота? Вдруг работа сети является таким ключом к замку, который открывает представления о круговороте?

И второе — скорость круговорота, роста растений, выделение углекислого газа и всего остального определяется в замкнутой маленькой системе потребностями экипажа. Экипаж называется «звено-задатчик», это не мой термин. Их потребности надо удовлетворить, вот они эту скорость и определяют. И тогда весь круговорот подстраивают под их скорость. Ни больше ни меньше.

Когда смотришь на биосферу, на человечество как на «звено-задатчик», я прикидывал то же самое по дыханию. Сколько углекислого газа выделяет человечество физиологически, как это соотносится с круговоротом, который происходит в биосфере? 120 гигатонн углекислого газа потребляют наземные экосистемы, еще океан потребляет около того. Тогда, когда прикидываешь поток, например, углекислого газа, который выделяет человек за счет дыхания, это получается в районе 2–3% от общебиосферного круговорота. В замкнутой же системе — 100%.

А цивилизационная составляющая тоже ведь есть? Вот мы выделяем парниковые газы, выбросы метана идут в атмосферу. Примерно 10–12 гигатонн в год. Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который образуется в процессе биосферного фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает. То, что биосфера не похожа по устройству на малую, это надо иметь в виду.

— И не будет похожа?

— Как ни странно, вполне возможно, что будет. Биоразнообразие на планете падает, а человечество растет по численности. И получается, что биосфера приближается к замкнутой системе. Человечество начинает доминировать. В будущем биосфера может превратиться в БИОС.

— То есть вы смоделировали вариант биосферы будущего?

— Возможно. Если это хоть немного правда, тогда эксперименты по управлению этим круговоротом архиважны, потому что основа управления — насколько я могу деформировать круговорот, где опасно, как рычаги управления устроены. Поэтому параллельно с сугубо прикладной задачей лунной или марсианской станции получается, что можно посмотреть далеко вперед и разработать фундаментальные варианты, принципы устройства будущей биосферы.

Беседовала Наталия Лескова