Привет, Хабр! Сегодня поговорим о колонизации Марса, точнее, о подготовке к развитию самодостаточной колонии на Красной планете. Один из основных вопросов, которые нужно для этого решить, — создание экосистемы, причём замкнутой, которая позволяла бы более-менее комфортно существовать всем — как самим колонистам, так и «кирпичикам» этой экосистемы.

Чисто в теории здесь нет ничего невозможного. Впервые человек создал замкнутую экосистему, хотя и очень маленькую, в 1829 году. Это был врач из Лондона, который закинул несколько семян травы и спор папоротника в бутылку, предварительно засыпав в неё увлажнённую почву. Бутылку врач запечатал, но с жизнью всё было хорошо — растения взошли и продолжительное время нормально существовали, используя в качестве источника энергии солнечный свет. Теперь пришло время создать примерно такую же бутылку, только большего размера и с большим количеством участников. Но нужно всё это не на Земле, а на других планетах — например, Марсе, который тот же Маск собирается колонизировать в ближайшие пару десятилетий. Как это сделать? [b]История экосистем и космических полётов[/b] Идея о создании замкнутой системы, которая бы поддерживала жизнь космонавтов или колонистов, не новая. Сначала появилась концепция биосферы. Это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности, а также совокупность её свойств как планеты, где создаются условия для развития биологических систем. Биосфера — глобальная экосистема нашей планеты. Концепцию в 1926 году предложил академик Владимир Иванович Вернадский. Затем другой известный учёный, Константин Эдуардович Циолковский, предложил создать небольшие замкнутые биосферы, т. е. экосистемы для поддержания жизни на кораблях во время длительных и не очень перелётов. Эта идея затем была растиражирована писателями-фантастами, причём в самых разных формах. Впервые реализовать идею решили советские учёные, сотрудники Красноярского института биофизики во главе с профессором Борисом Ковровым. В 1964 году была испытана система «БИОС-1», в которой осуществлялось восстановление кислорода с помощью одноклеточной водоросли хлореллы. При этом практически сразу установили, что хлорелла малопригодна для питания. Через год в эксперименте «БИОС-2» кроме водорослей использовались и высшие растения — пшеница, овощи. К сожалению, оказалось, что хлорелла не особенно хорошо усваивается организмом человека. Чуть позже, с ноября 1967 по ноябрь 1968 года, проводился ещё один эксперимент, который получил название «Год в земном звездолёте». О нём рассказывали не раз и не два. Если кратко, то продолжительное время в замкнутом пространстве находились три добровольца, которые проводили испытания систем жизнеобеспечения. Они включали, например, гидропонную оранжерею. Ну и ещё один известный эксперимент из ранних — это «БИОС-3», который был проведён в подвале Института биофизики. В «БИОС-3» были проведены десять экспериментов с экипажами от одного до трёх человек. Самый продолжительный эксперимент проходил 180 дней. Удалось достичь воспроизводства кислорода, воды и до 80 процентов потребностей экипажа в питании. В оранжереях при искусственном освещении выращивались пшеница, соя, салат, чуфа. К сожалению, в 90-х годах ХХ века эксперимент пришлось прекратить из-за проблем с финансированием. Ну а после похожие эксперименты проводили и американцы, которые создали, например, самую крупную замкнутую экосистему в истории. Эксперимент получил название Biosphere 2. Восемь человек (четыре женщины и четверо мужчин) пробыли в Biosphere 2 два года (с 26 сентября 1991 года по 26 сентября 1993 года). Но здесь что-то пошло не так, и экосистема стала неуправляемой, из-за чего начало страдать здоровье участников эксперимента. Его пришлось прекратить. Тем не менее все эти и последующие эксперименты показали, что, в общем-то, ничего невозможного в создании замкнутой, пусть и небольшой, экосистемы нет. И на другой планете при определённых условиях всё это можно реализовать. Кроме того, учёные решили проверить ещё одну концепцию. [b]Проект MELiSSA[/b] Так называется проект Micro-Ecological Life Support System Alternative. В его рамках вместо растений используются бактерии, которые и являются основным потребителем и продуцентом биомассы и других ресурсов. Учёные разработали биореакторы, в которых и «работали» бактерии. Причём управлять процессом можно было при помощи цифрового интерфейса. Так, если нужно изменить состав атмосферы, выбираем один режим работы биореактора. Потребуется больше еды — используем другой режим. Понятно, что разработать всё это с нуля за пару месяцев невозможно, требовались годы и даже десятилетия труда. Европейское космическое агентство решило дать зелёный свет этому проекту, к которому присоединились команды учёных из 50 университетов 14 стран, а также представители разных компаний. «Несколько научных команд начали вместе работать над этой концепцией, предоставляя необходимые ноу-хау в области биологии и техники. Мы все согласились с тем, что нам необходимо полагаться на фундаментальные знания о том, как функционируют наши организмы, как работает их метаболизм, как они усваивают питательные вещества, как они реагируют на различные условия освещения или изменения в составе атмосферы и т. д.», — заявил Франческо Годиа Касабланка, руководитель опытного завода MELiSSA, расположенного в Барселоне, Испания. [b]Как всё это работает?[/b] Главное здесь, как и было указано выше, — биореактор, в котором поддерживается постоянная температура 55 °C. В нём и происходит вся «магия». Он перерабатывает отходы, образующиеся в результате работы экипажа, такие как человеческие фекалии, моча, туалетная бумага, несъедобные части растений, биоразлагаемые полимеры — всё то, что экипаж волей-неволей «производит» каждый день. Он постоянно контролируется датчиками и управляется программным обеспечением, которое может регулировать всё — от температуры до pH. Жидкость подаётся во второй отсек — освещённый фотобиореактор с культурами Rhodospirillum rubrum — бактериями розового цвета, которые могут либо участвовать в фотосинтезе, либо питаться жирными кислотами. Интенсивность освещения контролируется автоматически и используется для регулирования роста бактерий. Основными продуктами второго отсека являются водосодержащие минералы, аммоний и биомасса, которые потенциально могут быть использованы в качестве источника белка. Крысы, которых кормили им в течение нескольких недель во время исследования пищевой приемлемости, оказались в порядке, никаких проблем с ними не возникло. [b]Превращаем отходы в воздух и еду[/b] Раствор солей переходит в третий отсек, где со всем этим работают две другие культуры бактерий — Nitrosomonas europea и Nitrobacter winogradsky. Сначала N. europea окисляют аммиак в нитрит. Далее N. winogradsky окисляют нитрит в нитрат, который является важнейшим питательным веществом для всех живых организмов. Вместе эти две стадии образуют важный этап (называемый нитрификацией) азотного цикла, действующего на Земле. Поскольку это аэробный процесс, необходимый кислород возвращается к нему из следующих двух отсеков, которые, в свою очередь, питаются оттоком, богатым нитратами. «Задача отсеков 4a и 4b — производство кислорода и большей части биомассы, которая используется в пищу», — объяснил Годиа. 4а базируется на культурах Limnospira indica, цианобактерий, известных как спирулина, которые производят кислород и пищу. Выбор не был случайным — спирулина используется в качестве пищевой добавки, предотвращает потерю костной массы, что является одной из самых серьёзных опасностей в космических путешествиях. Отсек 4b представляет собой камеру для гидропонных растений. Углекислый газ для установок подаётся из первого отсека и боевого отделения. При своей нынешней мощности проект «Мелисса» может производить достаточно атмосферы для поддержания жизни одного человека. Ну а о том, что происходит дальше, а также как всё это связано с Марсом, поговорим в следующей части. [b]Колония на Марсе — всему голова[/b] Точнее, основная причина того, почему за последние пару десятков лет стали активно развиваться космические технологии и всё, что к ним относится. Путешествие на Марс и основание колонии там часто упоминались в научно-фантастических произведениях. В научно-популярной литературе США и СССР об этом тоже говорили, предполагая, что вот-вот кто-то полетит на Марс. Но как известно, не только не полетели, но ещё и Луну забросили на несколько десятков лет. Соответственно, биореакторы обращали на себя внимание, но считалось, что они невыгодны экономически. Дело в том, что такая система очень тяжёлая, смысла отправлять её на орбиту или куда-либо ещё на короткое время просто нет. А вот в случае колонии он сразу появляется, поскольку картошку на Красной планете, как в одном НФ-фильме, вероятно, можно выращивать, но только это потребует ещё больших усилий и вложений. Как известно, один из наиболее активных сторонников полёта на Марс — Илон Маск. Он предлагает основать колонию, отправляя межпланетных путешественников в один конец. Возможно, её жители, развивая инфраструктуру и промышленность по мере возможности, смогут в итоге начать производить топливо для ракет. И тогда начнутся и «челночные» полёты Земля-Марс-Земля. Но до тех пор все эти люди будут зависеть только от себя и того, что они построят. Так что идея биореакторов здесь как раз может показаться весьма полезной. [b]CUBES может всё. Ну или почти[/b] NASA в 2017 году основало Center for Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES). Членами этого центра являются государственные организации, представители промышленности и научные организации. Все они работают над созданием биосистемы, способной обеспечить колонистов Марса если не всем, то многим. Система биореакторов, предложенная CUBES, выходит за рамки традиционного жизнеобеспечения и больше ориентирована на производство и использование ресурсов на месте (ISRU). Это уже не просто переработка отходов жизнедеятельности и производство продуктов питания. Это ещё и производство материалов, таких как биопластики, и терапевтических средств. Эти задачи, что логично, интегрированы с переработкой отходов. При желании комплекс может производить воздух, пригодный для дыхания, хотя об этом, скорее всего, позаботятся физико-химические системы, подобные тем, которые сейчас работают на МКС. Представители центра выбирают наиболее эффективные и практичные решения для реализации проекта самодостаточного биокомплекса. В основе — идеи MELiSSA, но должным образом доработанные и модифицированные. Так, учёные не планируют просто брать штаммы микроорганизмов и использовать их как есть. Нет, здесь вступает в дело уже и генная инженерия. Совместно с некоторыми стартапами, специализирующимися как раз на этом направлении, центр собирается создать специализированные штаммы. Например, те, что будут производить сахар, жиры или что-то ещё. Помимо производства питательных веществ, продукция системы может быть использована для приготовления блюд с различной текстурой, ароматом и вкусом. Это большой шаг вперёд. Спирулина в биореакторах MELiSSA имеет вкус болотной ряски (если вы её пробовали, конечно). «То, что едят астронавты, оказывает глубокое влияние на их самочувствие и мотивацию, — сказал Нэнгл. — На первых этапах исследования Марса мы, вероятно, выбрали бы наиболее калорийные продукты, потому что они занимают меньше всего места. Позже мы могли бы перейти к менее калорийным вариантам, которые обеспечивают вкус, свежесть и все те психологические улучшения, которые нужны людям на местах». В рамках этого направления работы в 2020 году был реализован тестовый проект, в ходе которого учёные использовали бактерию (Cupriavidus necato) для производства сахара (сахарозы), полимеров для пластмасс (полиэфиров) и липохито олигосахаридов. Всё, что было нужно бактериям, — смесь водорода и углекислого газа. В целом всё получилось, а донорами генов штамма, о котором идёт речь выше, стали такие бактерии, как E. coli, B. japonicum и другие. Сейчас эксперименты продолжаются. CUBES занимается разработкой новых бактерий для эффективного производства полезных вещей, таких как еда, материалы или лекарства. Микроорганизмы можно даже модифицировать, чтобы извлекать различные соединения и металлы из реголита или изменять марсианскую почву, делая её пригодной для выращивания растений. К сожалению, есть и проблемы. Так, «специализированный» штамм будет эволюционировать, видоизменяться, и в итоге может произойти снижение продуктивности бактерий, которые «захотят» снова стать дикими. Поэтому вариант действий для колонистов — уничтожение «ленивого штамма», а потом забор нового, замороженного штамма Cupriavidus necato для возвращения цикла в рабочее состояние. Один портативный холодильник может хранить такое количество штаммов, что их хватит на пару сотен лет, так что это не проблема. [b]Ну хорошо, давайте приступим к конкретике[/b] Так вот, система, разработанная CUBES, предназначена для колонии на Марсе. При этом создан и план развития этой системы, которую можно совершенствовать и масштабировать. Команда проекта создала план, исходя из возможного прогноза роста колонии на Марсе. Первый этап рассчитан на количество колонистов менее 100 человек. Экипаж будет есть в основном еду, привезённую с Земли. Биореакторы дополнят всё это микроэлементами, а также будут поставлять биопластик в небольшом количестве. Аналогичным образом бактерии будут производить небольшой объём лекарств. Этот этап будет чем-то вроде «МКС на стероидах», когда колония ещё не сможет обеспечивать себя сама всем необходимым, но что-то производить уже будет. Второй этап рассчитан на население свыше 100 человек. Тогда колонисты добавят в систему фотобиореакторы, которые будут поглощать углекислоту, извлечённую из атмосферы Марса, а также получать солнечную энергию. Реакторы будут производить продукты питания, материалы для строительства и т. п. Также колонисты «запустят» бактерии, отвечающие за массовое производство лекарственных препаратов. Активно станут перерабатывать все отходы колонии, а объём отходов будет уже большим. Ну а третий этап — это уже когда население превысит 10 000 человек, что произойдёт явно нескоро. Вероятно, нас от этого момента отделяет много десятков, а то и сотня лет. Здесь уже будет существовать сельское хозяйство с культурами, модифицированными для выживания в марсианских условиях. Марсианские породы станут перерабатываться бактериями, а уже в эту среду́ колонисты будут высаживать растения. Лекарства по-прежнему планируется производить при помощи бактерий. Планов, конечно, громадьё, но здесь нужно знать конкретику: энергетические ресурсы колонии в самом начале, объём воды, продуктов питания, количество колонистов и т. п. Как только сам план по созданию колонии на Марсе начнёт реализовываться практически, то и систему CUBES можно будет модифицировать соответствующим образом. Предварительные тесты планируется провести через 3-4 года на земном объекте с участием добровольцев.