Эксперименты по созданию замкнутой экологической системы «Биосфера-2» и «БИОС-3»

В начале 90-х годов прошлого столетия мир стал свидетелем весьма странного научного эксперимента под названием “Биосфера-2″. Восемь человек, одетых в форменные футуристические комбинезоны, помахали огромной толпе журналистов и вошли в герметический шлюз, который располагался в аризонской пустыне. Воздухонепроницаемые стеклянные купола вмещали в себе пять ландшафтных модулей: джунгли, саванна, болото, пустыня и даже маленький океан с пляжем и коралловым рифом. Среди этой красоты располагался сельскохозяйственный блок, оснащенный по последнему слову техники, а также жилой дом, построенный в авангардном стиле. Также кроме людей внутрь были запущены около 4 тысяч разнообразных представителей фауны, включая коз, свиней и кур на ферме.

Весь этот ковчег должен был автономно просуществовать два года, питаясь тем, что росло под куполом, дыша кислородом, который выделяли растения, очищая и бесконечно используя одну и ту же воду. Этакая планета в миниатюре, нетронутая технической революцией, где восемь интеллигентных, просвещенных людей планировали заниматься простым физическим трудом, собираться за одним обеденным столом, музицировать в часы досуга и, наконец, работать ради великой цели, на благо науки. Чем не рай? Оказалось, не всё так просто…


Поначалу все было именно так, как они мечтали. Колонисты с энтузиазмом работали на полях фермы, проверяли работу всех систем, следили за бурной жизнью джунглей, ловили рыбу, сидели на своем маленьком пляже, а по вечерам ели великолепно приготовленный ужин из самых свежих продуктов на балкончике с видом на созревающий урожай. За зелеными грядками и стеклянной стеной фермы начиналась пустыня и горная гряда, за которой садилось солнце. Этот балкон колонисты прозвали «Визионерским кафе» – отсюда будущее казалось особенно радужным. После ужина устраивали философские дискуссии или импровизированные джем-сейшены. Многие взяли с собой музыкальные инструменты, и, хоть профессиональных музыкантов среди них не было, то, что получалось, на волне всеобщего энтузиазма казалось авангардной музыкой будущего.


Примерно через неделю главный техник «Биосферы» Ван Тилло пришел на завтрак очень взволнованным. Он объявил, что у него есть странные и неприятные новости. Ежедневные измерения состояния воздуха показали, что проектировщики купола ошиблись в расчетах. В атмосфере постепенно сокращается количество кислорода и увеличивается процент углекислого газа. Пока это совершенно незаметно, однако, если тенденция продолжится, примерно через год существование на станции станет невозможным. С этого дня райская жизнь бионавтов закончилась, началась напряженная борьба за воздух, которым они дышали.

Во-первых, было решено как можно интенсивнее наращивать зеленую биомассу. Все свободное время колонисты посвящали посадкам и уходу за растениями. Во-вторых, они запустили на полную мощность резервный поглотитель углекислого газа, с которого постоянно нужно было соскребать осадок. В-третьих, неожиданным помощником стал океан, где оседало некоторое количество CO2, превращаясь в уксусную кислоту. Правда, кислотность океана от этого постоянно росла, и приходилось использовать добавки, понижающие ее. Ничто не помогало. Воздух под куполом становился все более разреженным.


Вскоре перед бионавтами возникла еще одна глобальная проблема. Выяснилось, что ферма в 20 соток при всех современных технологиях обработки земли способна обеспечить лишь 80% потребностей колонистов в пище. Их ежедневный рацион (одинаковый для женщин и мужчин) составлял 1700 калорий, что нормально для сидячей офисной жизни, но катастрофически мало при том количестве физической работы, которую должен был выполнять каждый житель «Биосферы». Поначалу ужин сервировали в виде шведского стола, однако вскоре из-за этого начали возникать серьезные конфликты, и еду стали накладывать каждому в тарелку, отмеряя буквально до грамма. Люди вставали из-за стола голодными и постоянно мечтали о лакомствах большого мира. Вечерние философские дискуссии заменили фантазии о том, что они съедят, когда выйдут на свободу. Кладовую, где хранилось главное лакомство бионавтов – бананы, после отвратительного эпизода с анонимным разграблением пришлось запирать на ключ. Перед тем как отдавать очистки свиньям, люди тщательно выбирали все, что можно было съесть самим. Банановые шкурки и ореховая шелуха шли за деликатес.


Однажды вечером Джейн Пойнтер, ответственная за ферму, призналась, что ей было известно о будущем продовольственном кризисе. За несколько месяцев до заселения она просчитала, что бионавтам будет не хватать еды, однако под влиянием доктора Валфорда с его представлениями о здоровой диете было решено, что эта нехватка пойдет только на пользу. Доктор, кстати, был единственным, кто не жаловался на голод. Он же продолжал настаивать на справедливости своей теории: уже через полгода «голодной» диеты состояние крови бионавтов значительно улучшилось, понизился уровень холестерола, улучшился метаболизм. Люди потеряли от 10 до 18 процентов массы тела и выглядели удивительно молодо. Они улыбались из-за стекла журналистам и любопытным туристам, делая вид, что ничего не происходит. Однако бионавты чувствовали себя все хуже и хуже.

Лето 1992 года стало для колонистов особенно сложным. Посевы риса были уничтожены вредителями, так что их рацион на протяжении нескольких месяцев почти полностью состоял из фасоли, батата и моркови. Из-за избытка бета-каротина их кожа стала оранжевой.

К этой беде добавился особенно сильный эль-ниньо, из-за которого небо над «Биосферой-2» почти всю зиму было затянуто облаками. Это ослабило фотосинтез джунглей (значит, и выработку драгоценного кислорода), а также снизило и без того скудные урожаи.

Мир вокруг них терял свою красоту и гармоничность. В «пустыне» из-за конденсации на потолке регулярно выпадали дожди, так что многие растения сгнили. Огромные пятиметровые де­ревья в джунглях неожиданно стали хрупкими, некоторые упали, сломав все вокруг. (Впоследствии, исследуя этот феномен, ученые пришли к выводу, что его причина крылась в отсутствии ветра под куполом, который укрепляет стволы деревьев в природе.) Стоки в рыбных прудах забились, и рыбы становилось все меньше. Все труднее было бороться с кислотностью океана, из-за которой гибли кораллы. Животный мир джунг­лей и саванны тоже неумолимо сокращался. Прекрасно себя чувствовали только тараканы и муравьи, которые заполнили все биологические ниши. Биосфера постепенно умирала.

Хозяева рая чувствовали себя ничуть не лучше. Количество кислорода в атмосфере постоянно снижалось и достигло 16% (при норме в 20%). Это сравнимо с разреженным воздухом гор, и обыкновенно человеческий организм быстро приспосабливается к этому состоянию. Однако из-за общего истощения колонистов горная болезнь не отпускала их. Бионавты начали быстро уставать, постоянно кружилась голова, они не могли уже выполнять работу в прежнем объеме. Но самым радикальным образом кислородное голодание сказалось на их моральном состоянии. Все чувствовали себя угнетенными, грустными, раздраженными. Каждый день под куполом происходили скандалы.

Главной причиной конфликта было то, что Аллен не разрешал бионавтам обнародовать их проблемы. Он продолжал делать вид, что эксперимент идет по плану. Половина колонистов (оба капитана, пиар-директор и начальница по научным исследованиям, то есть руководство) были абсолютно согласны с этой позицией. Они считали, что нужно пробыть под куполом запланированные два года любой ценой. Еще четверо бионавтов утверждали, что надо срочно запросить помощь международных ученых, чтобы понять, почему исчезает кислород. Также неплохо было бы заказать немного воздуха и еды извне.

Джейн Пойнтер, лидер группы, которая хотела просить помощи, так описывает начало конфликта: «Я убирала в загонах для животных на ферме. Голова ужасно кружилась, и приходилось поминутно отдыхать. С утра мы говорили о нашем положении, и я сказала, что оставаться тут и задыхаться – это какое-то сектантство. Я думала про все это, потом обернулась и увидела Абигайль, которая стояла у меня за спиной. У нее что-то было во рту… В следующую секунду она плюнула мне в лицо! Я растерялась и спросила: «За что?» «Сама подумай», – ответила та, развернулась и ушла».

Тем временем обычные зрители, которые каждый день приезжали целыми автобусами, чтобы посмотреть, что творится в гигантском человеческом аквариуме, и не подозревали, какие страсти там кипят. Они выстраивались вдоль стены, потягивая колу, жуя хот-доги, и люди в футуристических костюмах за стеклом казались им удивительно одухотворенными, настоящими героями фантастических книг и визионерами. Хотя, по большому счету, «визионеры» просто были очень уставшими и голодными.

Осенью 1992 года содержание кислорода под куполом опустилось до 14%. Доктор Валфорд объявил, что снимает с себя свои обязанности, поскольку более не в состоянии сложить в уме даже двухзначные числа. По ночам бионавты постоянно просыпались, так как активный фотосинтез растений прекращался, уровень кислорода резко падал и они начинали задыхаться. К этому моменту все позвоночные животные биосферы погибли.

Спустя год после начала эксперимента Аллен и Басс приняли решение разгерметизировать капсулу и добавить в атмосферу «Биосферы» кислород. Также они разрешили бионавтам использовать неприкосновенные запасы зерна и овощей из семенного хранилища. Это значительно улучшило общее состояние колонистов. Однако две враждующие группы так и остались в состоянии перманентной вой­ны, стараясь даже не разговаривать друг с другом.


26 сентября 1993 года, когда шлюз был торжественно разгерметизирован и люди вышли наружу, по их лицам можно было понять, что эксперимент провалился – изгнание из рая произошло в полной мере и навсегда. Биосфера оказалась непригодной для жизни.

Тем временем журналисты, прознавшие о добавке кислорода в атмосферу, раздули из этого огромный скандал и окрестили «Биосферу» грандиозным провалом столетия.

Так в чем же состояла эта таинственная проб­лема с кислородом? Когда ученые внимательно осмотрели плачевное состояние разоренных куполов, они пришли к выводу, что роковую роль сыграли цементные перекрытия. Кислород вступал в реакцию с цементом и оседал в виде окислов на стенах. Еще одним активным потребителем кислорода оказались бактерии в почве. Для «Биосферы» выбрали самый плодородный чернозем, чтобы естественных микроэлементов в нем хватило на долгие годы, однако в такой земле было очень много микроорганизмов, которые точно так же дышат кислородом, как и позвоночные животные. Научные журналы признали эти открытия главными и единственными достижениями «Биосферы».

На одной из внутренних стен «планеты» до сих пор сохранилось несколько строк, написанных одной из женщин: «Только здесь мы почувствовали, насколько зависим от окружающей природы. Если не будет деревьев — нам нечем будет дышать, если вода загрязнится — нам нечего будет пить».

http://vsevolod30.livejournal.com/636594.html

http://www.perunica.ru/uploads/posts/2016-11/1479248334_575039_original.jpgВо времена Советского Союза в красноярском Академгородке был создан аналог американской «Биосферы-2» — комплекс (БИОС-3), моделирующий замкнутую экосистему, который оказался более успешным. Конечно по масштабам он был значительно меньше, чем американский аналог. Напомним, что «Биосфера-2» представляла собой комплекс из 7 биомов-оранжерей (тропический лес, саванна, пустыня и т.д.), изолированных от окружающей среды, общей площадью 1,5 гектаров. Эти изолированные биомы были заселены 3000 видами организмов, не считая Homo sapiens и многочисленных видов бактерий, обитающих в почве. Создатели этой амбициозной «копии биосферы», по-видимому, плохо изучили биологию и физиологию всех организмов, помещённых в Биосферу-2, так как люди, живущие в этой замкнутой среде, стали ощущать нехватку кислорода. В результате чего кислород пришлось подкачивать. В Советской «биосфере» БИОС-3 удалось более полно достигнуть замкнутости круговорота веществ по воде и газам.


Возведение БИОС-3 было завершено в далёком 1972 году. Площадь герметичного помещения составила 315 м2. Оно состояло из 4 отсеков.

1 отсек — бытовой. В нём прошивал экипаж из трёх человек.

2 отсек — водорослевый. В нём находились культиваторы хлореллы, основная функция которых была переработка CO2 в O2.

3 отсек — фитотрон с сортом карликовой пшеницы, имеющим укороченные стебли (для уменьшения количества отходов). Пшеница выращивалась конвейерным способом (единовременно в фитотроне присутствовало 14 возрастов пшеницы). Из пшеницы выпекался хлеб, который и подавался на стол «подопытным». На долю каждого «колониста» приходилось около 200 грамм зерна.

4 отсек — фитотрон с овощами (конвейер 6 возрастов). В этом фитотроне выращивались морковь, редис, свёкла, картофель, капуста, огурцы, щавель, салат, укроп, лук и чуфа (для получения растительного масла). В результате на каждого «подопытного колониста» приходилось около 400 грамм свежих овощей.

Продукты жизнедеятельности человека подвергались минерализации и частично поступали в культиваторы с хлореллой. Бытовые стоки, образующиеся в результате мытья и стирки, шли на полив пшеницы и овощей. В качестве питьевой воды использовался конденсат, образующийся в фитотронах и культиваторах. Эта вода предварительно пропускалась через фильтры, содержащие ионообменные смолы и активированный уголь. В таких условиях одному из «подопытных» — инженеру Николаю Бугрееву удалось прожить 13 месяцев.


В результате применённых технологий создателям БИОС-3 удалось замкнуть круговорот газов и воды почти на 100%. С пищей обстояли дела хуже. Около 40% продовольствия (в первую очередь продукты животного происхождения) «подопытные» получали из запасённых ранее консервов.


Советский союз распался и работа проекта БИОС-3 была приостановлена. Тем не менее в 2005 коду работа над этой замкнутой биосистемой была возобновлена. Если зайти на официальный сайт нового Международного центра замкнутых экологических систем, то можно увидеть последний отчёт, датированный 2010-ым годом. Согласно скупой информации, содержащейся в этом отчёте, 2010 год был «подготовительным этапом для дальнейших международных исследований по замкнутым экосистемам как с европейскими, так и китайскими партнерами».


Интересно было бы узнать о дальнейшей судьбе этого проекта. Хотелось бы верить в то, что богатый опыт, накопленный советской наукой, не пойдёт прахом. Тем более, что, ввиду последних заявлений о намерениях колонизации Марса, научное направление, занимающееся изучением замкнутых экосистем, становится всё более актуальным.