Восемь человек вошли в Biosphere 2 — и внутри начал исчезать кислород

Двухлетняя жизнь в искусственной Земле показала, насколько трудно воспроизвести систему жизнеобеспечения, которую планета поддерживает сама

Два года без возможности просто открыть окно

В конце сентября 1991 года в пустыне Аризоны начался один из самых необычных экспериментов XX века.

Biosphere 2 представляла собой комплекс площадью более трёх акров под стеклом. Внутри находились миниатюрный тропический лес, саванна, пустыня, болота, океан с коралловым рифом и сельскохозяйственная зона.

Название было намеренно амбициозным: Biosphere 1 — это Земля. Biosphere 2 должна была стать её маленькой искусственной моделью.

Проект создавали в том числе как испытательный полигон для технологий, которые когда-нибудь могли понадобиться при длительном пребывании людей вне Земли. Если экипаж способен годами получать пищу, воду и пригодный для дыхания воздух внутри почти замкнутой системы, подобный принцип теоретически можно использовать на Луне или Марсе.

26 сентября восемь участников вошли внутрь. Следующий запланированный выход должен был произойти через два года.

Главным ресурсом оказалась не техника и даже не пища.

Им стал воздух.

Кислород начал исчезать

После герметизации концентрация кислорода составляла обычные для земной атмосферы 20,9%.

Затем она стала медленно снижаться.

Примерно через 16 месяцев уровень кислорода приблизился к 14–14,4%. По физиологическому эффекту такая атмосфера соответствует пребыванию на большой высоте в горах.

Причём сначала никто не мог убедительно объяснить, куда именно исчезает кислород.

Ответ оказался прекрасной иллюстрацией сложности замкнутых биологических систем.

В богатых органикой почвах Biosphere 2 активно работали микроорганизмы. Разлагая органическое вещество, они потребляли кислород и выделяли углекислый газ.

Казалось бы, концентрация CO2 должна была резко вырасти и сделать происходящее очевидным.

Но вмешался ещё один элемент системы — бетон.

Часть углекислого газа вступала в химические реакции с незапечатанными бетонными поверхностями и связывалась в форме карбонатов. Поэтому углерод уходил из атмосферы, а использованный при дыхании микроорганизмов кислород не возвращался туда фотосинтезом в достаточном количестве.

В результате происходил почти незаметный процесс: экосистема потребляла кислород быстрее, чем восстанавливала его.

Чтобы продолжить миссию без неприемлемого риска для здоровья экипажа, в январе 1993 года в Biosphere 2 пришлось добавить кислород извне.

Именно здесь первоначальная идея «искусственной Земли» столкнулась с важным ограничением: создать набор растений, животных, почв и технических систем оказалось недостаточно. Нужно было ещё воспроизвести баланс огромного числа взаимодействующих процессов.

Второй дефицит оказался съедобным

Одновременно возникла другая проблема.

Выращивать достаточно пищи оказалось сложнее, чем предполагалось. Урожай зависел от освещённости, вредителей и производительности сельскохозяйственной зоны. В результате большую часть двухлетнего периода участники жили на низкокалорийном, но богатом питательными веществами рационе.

И здесь экологический эксперимент неожиданно превратился в медицинский.

Один из участников, врач и исследователь старения Рой Уолфорд, тщательно наблюдал за физиологическими показателями экипажа. Впоследствии результаты были опубликованы в нескольких научных работах.

У восьми участников отмечалась выраженная потеря массы тела. Более поздний анализ двухлетнего периода показал, что масса тела снизилась в среднем примерно на 17%.

Менялись и лабораторные показатели.

Исследование липидного обмена показало снижение общего холестерина примерно на 30%, а триглицеридов — примерно на 45%. В другой работе были описаны снижение артериального давления, уровня глюкозы натощак, инсулина и количества лейкоцитов.

Это не означает, что Biosphere 2 доказала пользу длительного ограничения калорий для продолжительности человеческой жизни. Выборка состояла всего из восьми человек, эксперимент не был рандомизированным клиническим исследованием, а условия жизни участников были совершенно необычными.

Но случайно возникшее длительное ограничение энергетической ценности рациона при сохранении достаточного количества питательных веществ позволило получить редкие физиологические данные, которые трудно было бы собрать в обычном эксперименте.

Эксперимент, который невозможно назвать просто успехом или провалом

История Biosphere 2 часто рассказывается как история неудачи: пищу пришлось ограничивать, кислород добавлять извне, а внутри экипажа возникали серьёзные конфликты.

Но такой взгляд упускает главное.

Для экспериментальной системы обнаружение непредвиденной проблемы само по себе является результатом.

Именно поэтому история исчезнувшего кислорода оказалась важнее первоначальной демонстрации автономности.

Она показала, насколько легко небольшие дисбалансы становятся большими, когда системе некуда сбрасывать последствия собственных процессов.

На Земле многие такие отклонения растворяются в гигантских океанах, атмосфере, почвах и биогеохимических циклах.

В Biosphere 2 эта страховка почти исчезла.

26 сентября двери открылись снова

Утром 26 сентября 1993 года, ровно через два года после начала миссии, шлюз открыли.

Четыре женщины и четыре мужчины вышли наружу.

Несмотря на все проблемы, они действительно прожили два года в системе с очень высокой степенью материальной замкнутости. Вода перерабатывалась, значительная часть пищи производилась внутри, а экипаж продолжал работать и проводить наблюдения.

Но эксперимент одновременно показал пределы автономии.

Люди могли починить насос. Могли изменить рацион. Могли бороться с вредителями.

Гораздо труднее оказалось управлять всей системой сразу.

Почему эта история важна сегодня

Через три десятилетия вопрос, поставленный Biosphere 2, стал ещё актуальнее.

Для длительного проживания людей на Луне или Марсе недостаточно доставить туда запас кислорода и еды. Чем дольше продолжается миссия и чем дальше она находится от Земли, тем важнее становятся регенеративные системы жизнеобеспечения: восстановление воды, управление атмосферой, переработка отходов и производство хотя бы части пищи.

Biosphere 2 показала, почему такие технологии нельзя рассматривать изолированно.

Изменение микробиологии почвы может изменить атмосферу. Материал строительной конструкции способен вмешаться в углеродный цикл. Ограничение урожая превращается в изменение человеческого метаболизма. А физиология экипажа становится частью работы всей технической и экологической системы.

Для медицины здесь тоже есть принципиальный урок.

Человек в замкнутой среде — не пассажир. Он одновременно потребитель кислорода, источник CO2, тепла и отходов, участник микробной экосистемы и организм, физиология которого меняется вместе со средой.

Поэтому медицина длительных космических миссий неизбежно становится системной наукой: питание, гипоксия, микробиом, сон, психология изоляции, физическая активность и работа систем жизнеобеспечения оказываются взаимосвязаны.

Есть здесь и параллель с фармацевтикой.

На этапе разработки препарата или технологии невозможно предусмотреть все последствия их использования в реальной сложной системе. Именно поэтому столь важны наблюдение после внедрения, сбор данных и способность менять решения, когда появляются эффекты, которых не было видно в исходной модели.

Biosphere 2 продемонстрировала тот же принцип в экстремально наглядной форме: модель может быть логичной, каждый отдельный компонент — работоспособным, а вся система при этом вести себя совершенно не так, как ожидалось.