1.1 Обзор внутреннего устройства и назначения замкнутой системы жизнеобеспечения БИОС-3

видеонаблюдение система программная сеть

Все началось в шестидесятых годах. Тогда Гагарин только побывал в космосе, а ученые уже думали о дальних полетах. Инициатором начать работы в этом направлении выступил Сергей Павлович Королев. Суть проблемы буднична: собираясь в дальний полет, даже к Марсу, что протянется примерно полтора года, космонавты вынуждены брать с собой тонны и тонны запасов кислорода, воды, пищи. С пищей вопрос решается проще. В сутки на человека требуется всего 0, 5 килограмма сухого вещества. А где взять уйму воды и кислорода? Химия и физика, то есть восстановление воды и воздуха с помощью специальных процессов, - не решение проблемы. И вода, и воздух там, в космосе, должны быть такими, какими используем их мы - облагороженными, живыми. Сделать их земными может только биологический круговорот веществ в космическом корабле. Цепочка давно известна ученым. Человек выделяет углекислоту, ее должны поглощать растения и в свою очередь выделять кислород. Таким образом, круговорот газа в небольшой системе будет идти сколько угодно долго. Не нужно никаких фильтров, озонаторов и прочей химии. Все это при условии, что круговорот будет работать безотказно, как на Земле. По расчетам профессора Лисовского, для обеспечения кислородом и растительной пищей человека требуется не менее 13-18 квадратных метров зелени. То же самое с водой. Человек пьет воду, выделяет ее уже смешанную с солями, другими отходами. Растения должны все это переработать и впитать в себя нужную концентрацию. Человек съест тот же огурец или получит сок из овощей. Или выпьет воду, обеззараженную растениями. Искусственно подобраны условия, с помощью которых вегетационный период созревания пшеницы резко ускоряется: два с небольшим месяца вместо трех-четырех в полевых условиях. По существу выведены новые сорта - короткостебельные, с большим колосом, но изнеженные. В условиях поля они моментально приобретают тысячи болезней и умирают. Такая пшеница способна жить только в замкнутых системах. Едва обеспечили человека растительными белками, как встал вопрос жиров. Тут выручила чуфа. В свое время очень известное в Средней Азии растение. В клубеньках корней оно накапливает повышенное количество растительных жиров. Их хватит, чтобы полностью обеспечить астронавтов. Но эксперименты подсказали, если у астронавтов один за одним пойдут дни, с большой физической нагрузкой, им обязательно нужны продукты животного происхождения.

Человек - дитя природа. Однако ему не даны миллионы лет осмотреться, приучить растение к условиям космического корабля. Но и остановиться нельзя. Теперь ясно, без круговорота ряда важных для человека веществ на корабле никуда лететь нельзя.

В Институте биофизики СО РАН сформировано и развивается новое направление в биофизике надорганизменных систем, обосновавшее возможность интегрального подхода к диагностике состояния биологических систем различного уровня организации и сложности.

Широкий диапазон объектов исследования - от бактерий и простейших до высших организмов, включая человека, до природных экосистем -, объединенный общим методологическим подходом, заключающемся в анализе механизмов управления биосинтезом в биологических множествах, успешно развивается, а полученные результаты общепризнанны.

Биофизический подход, первоначально примененный к анализу состояния и динамике эритроидных популяций, использован для исследования системы красной крови в организме животных и человека. На основе изученных закономерностей в лаборатории биофизики разработаны методы дисперсионного анализа системы кроветворения по кинетике гемолиза (метод эритрограмм) и выявлены основные закономерности управления данной системой.

Возможности биофизического подхода, примененного изначально при изучении системы красной крови, далее стали успешно развиваться в новом направлении работ - параметрическом управлении биосинтезом продуцирующих клеточных популяций. Теоретические и экспериментальные исследования показали возможность создания устойчиво функционирующих биофизических систем непрерывного биосинтеза. В таких биосистемах рабочим телом служат живые организмы, а управление режимом их функционирования осуществляется автоматизировано по показаниям датчиков состояния организмов и среды обитания. Экспериментально доказано, что в данных управляемых биотехнических системах возможно управление скоростью и биохимической направленностью синтеза организмов в пределах их генотипа. Это позволило за сравнительно короткий срок создать автоматизированные биотехнические системы параметрически управляемого биосинтеза организмов различного уровня сложности - низших и высших фототрофов, литоавтотрофных и гетеротрофных бактерий, дрожжей, простейших, высших растений, изолированных органов и тканей, а также искусственных биоценозов и микроэкосистем.

Полученными результатами продемонстрировано, что в созданных управляемых системах биосинтеза возможна реализация огромного потенциала генетически обусловленной программы роста и биосинтеза организмов при максимальной интенсивности, без каких-либо ограничений роста и развития. Реализованная идея параметрического управления биосинтезом позволила обосновать возможность создания реально действующей замкнутой системы жизнеобеспечения человека (СЖО).

Такие замкнутые системы, моделируя уникальное свойство биосферы - замкнутость круговорота веществ, представляют большой фундаментальный интерес для экспериментального изучения закономерностей существования биосферы.

В практическом отношении СЖО позволяют обеспечить высокое качество жизни для человека за пределами границы биосферы в космосе, а также в экстремальных условиях полярных широт, пустынь, высокогорья, под водой.

В 1964 году впервые осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения "человек-хлорелла", в 1965 - реализовано замыкание по воде, а в 1968 - проведены первые эксперименты в трехзвенной системе "человек - микроводоросли - высшие растения".

Рисунок 1.1 - Комплекс БИОС-3

На основе этих результатов был спроектирован и создан экспериментальный комплекс "БИОС-3", представляющий собой замкнутую экологическую систему жизнеобеспечения человека с автономным управлением.

Эксперименты в "БИОС-3" при участии экипажа из 2-3-х человек достигли полугодовой длительности при полном замыкании системы по газу и воде и при воспроизводстве пищи до 80% от потребностей экипажа.

Непрерывные культуры микроорганизмов оказались удобной моделью для количественного изучения экологических и эволюционных процессов. Теоретико-экспериментальные исследования позволили уточнить общую картину и найти ряд количественных закономерностей микроэволюции в микробных популяциях, описать явление автоселекции и использовать его для получения быстрорастущих микроорганизмов и сверхсинтетиков целевых продуктов.

Открытые в 50-е годы и малоизученные микроорганизмы с уникальным типом метаболизма (хемолитоавтотрофные водород-, СО- и железоокисляющие бактерии) в 70-е годы стали объектом активного изучения; на основе этих микроорганизмов в Институте биофизики СО РАН исследованы, разработаны и реализованы уникальные эффективные биосистемы получения белка одноклеточных, разрушаемых термопластичных биополимеров; биогидрометаллургические процессы извлечения цветных металлов из руд, концентратов и горных пород.