Наша оранжерея

Наша оранжерея

Первые эксперименты

22 января. Сегодня должна состояться «стыковка» с оранжереей. С утра мы нетерпеливо заглядываем в иллюминатор. Мощные ультрафиолетовые лампы озаряют оранжерейный отсек как бы лунным светом. Открыть дверь в него мои коллеги доверили мне. Я очень взволнован. Начинается второй этап эксперимента, новый этап нашей жизни в «Земном звездолете».

Стою около двери, ведущей в оранжерею, и жду команды. Когда дежурный сообщил, что давление в отсеках выравнялось, а главный инженер подал команду: «Разгерметизировать дверь в оранжерейный отсек!» — я с силой повернул ручку. Через несколько секунд мы все уже были в оранжерее. Радость была неописуемой. Нам казалось, что мы попали в другой мир. Жадно вдыхали какие-то новые запахи и с любопытством разглядывали новое помещение. На его «грядках» заметили первые всходы. В оранжерее нас ждал сюрприз: плюшевый медвежонок и три маленьких игрушечных космонавта. Значит, нас стало больше. Медвежонок смешно покачивал головой и крутил лапами. Рядом с ним мы увидели металлического соловья, который издавал трели. Игрушки! Но как приятно было еще раз ощутить заботу и внимание тех, кто рядом с нами, кто обеспечивает успех нашего общего дела…

Мы прыгали в узком проходе, бегали, подтягивались на перекладине и не могли нарадоваться растениям, которые были посеяны за несколько дней до подключения оранжереи. Их тонкие росточки — вестники живой природы, оставшейся за пределами нашего «дома», — вызывали в нас приятные воспоминания…

Прошло несколько дней, как появилась дополнительная площадь-оранжерея, наш огород. С его подключением прибавилось и работы и забот.

До обеда еще около часа. Захожу в оранжерею — и невольно зажмуриваюсь. Здесь пылает двенадцатью ксеноновыми светильниками наше «солнце». Поднимаюсь на невысокую складную платформу и смотрю на зеленеющие растения. Капли воды на хрупких листочках напоминают росу на зеленом лугу. Закрываю глаза и, кажется, чувствую запахи земли, леса, слышу пение птиц. До чего же хочется увидеть солнце, выкупаться в реке, побродить по лесу, по лугам! Как много значит для человека природа, общение с ней!..

Зеленые растения создают хорошее настроение, отвлекают от однообразных и утомительных текущих дел, успокаивают. Я теперь убежденный сторонник тех, кто считает, что плантация зеленых растений доставит большую радость экипажам космических кораблей и станций. И, не боясь преувеличения, могу предположить, что «ветка сирени» в космосе для человека будет значить гораздо больше, чем на Земле.

Но растения не только предмет эстетического наслаждения и источник питания для людей. Они итог длительного процесса эволюции живого на Земле и необходимое звено в круговороте веществ и энергии в природе. Они вместе с другими живыми организмами обеспечивают этот круговорот благодаря присущей им способности к обмену веществ и энергии с окружающей средой. Растения обладают такой способностью, поскольку в их клетках на свету происходят поистине чудесные превращения воды, углекислоты и неорганических веществ в белки, жиры, углеводы — составные части любой полноценной пищи. Эту тайну превращения в зеленом листе в процессе фотосинтеза разгадал великий русский ученый К. Тимирязев.

Фотосинтез осуществляется в огромном масштабе. Ежегодно растения Земли образуют 380 миллиардов тонн биомассы в пересчете на сухое вещество. При этом усваивается из воздуха 650 миллиардов тонн углекислого газа, а из почвы — около 5 миллиардов тонн фосфора и 10–15 миллиардов тонн других минеральных элементов. А в атмосферу выделяется 350 миллиардов тонн свободного кислорода.

Используя лучистую энергию Солнца, зеленые растения обеспечивают питанием всех потребителей планеты, которые сами не способны к синтезу органических соединений. К ним относятся человек, животные, а также микроорганизмы, разрушающие органическое вещество мертвых тел растений и животных до минеральных соединений. Так они участвуют в круговороте веществ в природе…

Впервые в герметичном помещении мы будем жить вместе с высшими растениями столь долгий срок. Предстоит изучить особенности роста и развития растений, а также их способность синтезировать биомассу в специфических условиях обитаемого герметичного помещения и расти не на почве, а на ее заменителе — субстрате из ионообменных смол.

Через этот субстрат растения получают воду, в том числе и конденсационную влагу атмосферы, содержащую продукты жизнедеятельности человека, микроорганизмов субстрата и самих растений. Благодаря испарению растений и с поверхности субстрата вода поступает в атмосферу оранжереи и, конденсируясь в теплообменнике, опять возвращается через субстрат к растениям, а затем вновь испаряется. Такое многократное использование растениями одной и той же воды с накапливающимися в ней продуктами обмена веществ биокомплекса — метаболитами — возможно благодаря способности ионитного субстрата собирать их на себе, как говорят ученые — сорбировать. Метаболиты могут тормозить рост и развитие растений, что нежелательно.

Я стою около слегка поникших пожелтевших растений, которые согласно графику получат воду только завтра. Почему они пожелтели? Может быть, чего-нибудь не хватает? Недостает каких-либо элементов минерального питания?

Анализы потом покажут. А сейчас я мысленно представляю оранжерею будущего, растения которой снабжены специальными датчиками и приборами. Они будут не только сообщать о своем состоянии, но с помощью автоматики обеспечивать поступление воды и питательных веществ в необходимых для себя количествах. Они сами смогут регулировать микроклимат всего помещения оранжереи, подбирая наилучшие условия для своего роста. И это вполне реально, так как установлено, что все растения отвечают на изменения окружающих условий токами электрической природы — биотоками. Опыты, проведенные в лаборатории профессора Тимирязевской сельскохозяйственной академии И. Гунара, показали, что изменение температуры в зоне корней растений, а также некоторые химические вещества, воздействующие на корни, вызывают появление слабых биотоков, которые зарегистрированы чувствительными самописцами.

Для отведения биотоков использовались электроды, не травмирующие растения. Было установлено, что здоровые растения тотчас же реагировали на раздражения, на изменение условий, а больные — с задержкой, вяло. Интересно, что при воздействии на корни, например, насыщенным раствором питательных солей ответную реакцию растений в этих же опытах удавалось регистрировать на листьях. Выходит, информация об изменении условий в зоне корня была передана листьям. Значит, растения чувствуют? Вероятно.

В сырых местах, на болотах, часто можно увидеть невзрачное на вид растение росянку. Блестящие капельки на ее поверхности напоминают росу и привлекают насекомых. Едва прикоснувшись к ним, насекомое прилипает, постепенно реснички растения смыкаются, и жертва оказывается в плену. С давних пор удивляет людей и другое растение: венерина мухоловка. Лишь только насекомое коснется чувствительных волосков ее листа, как они, эти зеленые «челюсти», смыкаются. Не правда ли, повадки этих растений напоминают поведение животного?

А всем знакомый луговой василек? Достаточно лапке шмеля прикоснуться к пыльнику, и из него, словно из тюбика, выталкивается пыльца. Такой же интересный механизм заключен и в цветах люцерны. Он всегда надежно срабатывает, когда насекомое погружает свой хоботок в нектарники. И подобных примеров немало.

Усики огурцов кажутся неподвижными, но если заснять их замедленной киносъемкой, а затем при обычной скорости пленки просмотреть на экране, то можно увидеть, как они, вырастая, тянутся и ищут, за что бы зацепиться. Причем они настолько прочны, что удерживают на весу все растение. Это очень похоже на осязание у животных.

А как растения тянутся к солнцу! Солнечный свет им всегда необходим — он источник их жизни. Вероятно, поэтому в процессе эволюции у них выработалась особая чувствительность к свету, к теплу. Вот грозовые тучи заслонили небо. И цветы одуванчика начинают складывать свои лепестки. Закрываются и водяные лилии. Некоторые цветы на ночь складывают лепестки в бутоны. Приближается ночь, и складывает свои лепестки сон-трава. Готовятся ко сну не только цветы, но и листья некоторых растений. А с рассветом цветы снова раскрываются навстречу лучам утреннего солнца.

Тонко реагируя на изменения освещенности и температуры, растения, словно живые барометры, предсказывают наступление дождя.

Но можно наблюдать и другую картину, когда некоторые южные растения, защищаясь от палящего солнца, закрывают свои листья. В данном случае исключительная чувствительность растений предохраняет их от излишнего перегрева.

Я видел, как и наши растения четко реагируют на источник света. Стоило немного измениться направлению лучистого потока, как стебли и листья молодых проростков изгибались в сторону источника света. Для этого им требовалось буквально несколько часов.

И еще одна замечательная реакция растений. Как бы семена ни легли в землю, в какую бы сторону ни были направлены их зародыши, корни проростков всегда будут расти вниз, а стебли устремятся вверх. Это явление связано с действием на растения силы земного тяготения через ростовые вещества, которые в данном случае помогают растению ориентироваться в пространстве.

Ботаники насчитывают на Земле около 250 тысяч видов высших цветковых растений и около 40 тысяч видов низших растений — водорослей. Какие же из них следует брать в космос? Из высших растений человек, очевидно, предпочтет те, которые он использует в пищу. Их много — около 25 тысяч видов. В Советском Союзе возделывается примерно 450 видов.

Низшие растения также весьма разнообразны и сильно отличаются друг от друга особенностями обитания и размерами: от океанских бурых водорослей, имеющих длину около 60 метров, до микроскопических одноклеточных — таков диапазон их размеров. Кажется, выбрать из этого множества легко. Но так только кажется. Если учесть пищевую значимость растений, учесть особенности их культивирования и их требования к среде, принять также во внимание технологию приготовления из них пищи и количество отходов, то растений — претендентов на космические путешествия останется значительно меньше.

В нашей оранжерее растут скороспелые овощные растения. Это однолетние растения — листовая капуста, кресс-салат, огуречная трава, укроп. Эти растения содержат значительное количество витаминов A, B₁, В₂, PP. В огуречной траве содержится меньше витаминов, чем в других растениях, но зато она обладает целебными свойствами, приятным запахом и вкусом свежих огурцов, что делает ее очень привлекательной для введения в рацион.

Так как в обычных условиях препараты витаминов плохо сохраняются, поэтому целесообразно их постоянно иметь в свежем виде. Вот мы и изучаем возможности оранжереи обеспечивать потребности экипажа в витаминах в специфических условиях гермообъекта.

Растения нашей оранжереи неприхотливы, устойчивы к заболеваниям и хорошо изучены в обычных условиях. «День» в нашей оранжерее продолжается четырнадцать земных суток. Затем наступает «ночь», которая длится столько же.

Такая продолжительность смены дня и ночи выбрана не случайно. Дело в том, что мы культивируем растения применительно к лунным суткам, а они имеют как раз такую продолжительность и цикличность. Растения за сравнительно короткий период вегетации должны обеспечить нас богатой витаминами зеленью. Чтобы они успели накопить биомассу, мы проводим посев ночью, так как прорастающие семена не нуждаются в свете. Когда же наше «солнце» вспыхивает, растения встречают его уже развернувшимися листочками. Посев семян и сбор урожая проводим в разные сроки периодически, «по конвейеру», чтобы к столу всегда была свежая зелень. Так появился у нас «зеленый конвейер», постоянно имеющий растения различных возрастов.

Термин «зеленый конвейер» возник впервые в животноводстве, когда на фермах стали выращивать быстрорастущие культуры для того, чтобы постоянно иметь свежий корм для скота. Позже, используя этот прием, животноводы смогли обеспечить животных витаминной подкормкой зимой за счет 7–10-дневных проростков злаковых культур.

В космическом корабле или планетной станции, по-видимому, придется прибегать именно к этому способу культивирования растений, так как обычный способ одновременных посевов и сбора урожая в оранжерее не обеспечит равномерности и непрерывности накопления кислорода растениями, удаления ими углекислоты, воспроизводства пищи и воды для экипажа. Вот почему мы проводим посев и собираем растения «по конвейеру».

На реальной космической плантации, так же как у нас, будут, видимо, различные растения. Это позволит разнообразить пищу и повысить ее ценность.

В молодых растениях нашей оранжереи, снимаемых на 4–8-е земные сутки, очень нежных и хороших на вкус, витаминов больше, чем в более зрелых и уже несколько огрубевших. Огуречная трава из всех растений самая урожайная. К концу вегетации мы получаем ее около четырех килограммов с одного квадратного метра посева. Капуста листовая, кресс-салат и укроп дают в этом же возрасте зелени вполовину меньше.

Наша оранжерея — это не только растения, но также большое и сложное инженерное сооружение. Системы кондиционирования воздуха, водообеспечения, освещения, контроля и управления обеспечивают растениям подходящий климат, доставляют им свет и воду, контролируют и управляют их ростом и развитием.

Собственно, оранжерейный отсек довольно большой — около двадцати квадратных метров, но почти все его пространство занято специальными кюветами с растениями и лишь посередине имеется узкий проход. Посевная площадь нашего «космического» огорода — семь с половиной квадратных метров.

Выращиваем мы свои растения методом гидропоники. Этот термин в переводе с греческого означает «работа с водой». Возникшая как водная культура растений, гидропоника вскоре стала также и субстратным методом культивирования растений.

Еще в 1876 году К. Тимирязев показал, что вместо почвы можно использовать заменители из песка, толченой пемзы, стеклянных бус и других материалов. Вводя в заменитель необходимые вещества, можно культивировать растения в водном растворе. Впервые было выращено растение от семени до семени на водном растворе химически чистых солей в 1895 году немецким ученым Кнопом. В следующем году К. Тимирязев на Нижегородской промышленной выставке продемонстрировал растения, полученные в стеклянных сосудах на водных питательных растворах. А в 1929 году профессор Калифорнийского университета Герике таким же способом вырастил и собрал урожай помидоров, который оказался в четыре раза большим, чем на почве. После этого ученые многих стран стали культивировать растения на водных растворах и почвозаменителях.

В Европе лучшие результаты были получены при культивировании растений на гравии и крупнозернистом песке.

В СССР опыты по выращиванию овощей на искусственной почве проводились в Ленинграде профессором В. Чесноковым, в Ереване — академиком Г. Давтяном, в Москве — профессором З. Журбицким. К числу преимуществ гидропоники относятся: значительно большая урожайность растений, чем в почве, и небольшой расход воды, так как влага, стекающая с корней, используется многократно. Качество и количество урожая в гидропонике, по свидетельству специалистов, выше, чем в открытом грунте. Объясняется это тем, что растения развиваются в оптимальных условиях, которые постоянно контролируются и приводятся в соответствие с их потребностями. В этом случае планировать урожай легче.

С появлением в 60-х годах большого количества органических смол в ряде стран в качестве субстрата для гидропоники стали применять некоторые ионообменные смолы, обладающие высокой сорбционной способностью. Появилась возможность запасать необходимые для растений соли на смолах и тем самым исключить весьма трудоемкую операцию приготовления питательных растворов и их последующую коррекцию.

Из такого субстрата, насыщенного солями, состоят наши «грядки». Внешне он похож на песок. На самом же деле — это смесь смол, которые снабжают растения элементами минерального питания, и поэтому нет нужды готовить для них питательный раствор, а достаточно лишь время от времени увлажнять субстрат водой. Он потом постепенно, по мере потребности растений, отдает запасенные воду и соли. Кроме того, он сорбирует корневые выделения растений и тем самым предохраняет посев от отравления собственными метаболитами, выделяющимися через корни.

Использование такого активного почвозаменителя значительно облегчает уход за плантацией. Он обеспечивает круговорот воды в оранжерее, что существенно упрощает схему жизнеобеспечения. Однако полного круговорота веществ при этом все-таки не получается, и в будущих космических путешествиях придется брать в запас минеральные вещества на ионитных смолах. Так будет до тех пор, пока ученые не разработают методы регенерации почвозаменителя, обеспечивающие бесконечно долгое его использование при многократном обогащении элементами минерального питания, необходимого растениям.

На иных планетах при создании оранжерей высших растений можно будет, по-видимому, использовать местный грунт, так как брать с собой даже такой перспективный почвозаменитель, как ионообменные смолы, будет трудно из-за его веса. Впрочем, местный грунт может оказаться близким к нашей земной почве. Так, по сообщению американских ученых, лунные породы оказались пригодными для культивирования высших растений.

В невесомости предпочтение, вероятно, будет отдано бессубстратным вариантам гидропоники. Среди них, по-видимому, наиболее перспективна так называемая «воздушная культура», или «аэропоника», примененная более пятидесяти лет назад русским ученым В. Арциховским. Он сконструировал первые аэропонные установки и на практике показал их пригодность для культивирования растений. При таком методе питательный раствор набрызгивается на корни растений, а затем так же, как в гидропонике с почвозаменителем, возвращается в бак для повторного использования.

Основой таких аэропонных установок является культивационная ванна, внутри которой размещены трубы для подачи питательного раствора. Форсунки, расположенные в ванне, обеспечивают его тонкое распыление. Сверху ванны имеется крышка с отверстиями для растений, которые закрепляются на ней как в почве, при этом корни находятся в зоне действия форсунок.

Некоторые специалисты считают метод воздушной культуры наиболее подходящим для невесомости, однако при применении аэропонного способа обычно повышают концентрацию солей в питательном растворе в два-три раза против обычных норм. Одно из несомненных преимуществ аэропоники перед способами культивирования с почвозаменителями заключается в том, что в первом случае растения не закреплены субстратом и их можно легко передвигать, а это позволяет рациональнее использовать освещаемую площадь оранжереи.

Выращивание растений может быть основано на использовании еще одних сил — капиллярных, — которые не зависят от гравитации и действие которых будет в невесомости сохранено в полной мере. Эти силы лежат в основе нескольких способов гидропонного культивирования растений: метод фитильной культуры, пленочный метод, непрерывного и неполного насыщения субстрата и другие.

Так как питательный раствор при всех этих методах не может быть полностью поглощен корнями растений, то соли, принесенные водой, постепенно накапливаются и засоряют пленку или субстрат. Периодически их надо промывать либо заменять. В космической же оранжерее такая процедура может оказаться весьма трудоемкой…

На исходе 14-х светлых суток наше «солнце» постепенно затухает. Но нас это не тревожит. Благодаря рациональному использованию посевной площади мы сняли хороший урожай и в течение последующих 14 темных суток будем с зеленью, которой заполнен наш холодильник. Сейчас мы стоим на специальной платформе около кювета с растениями, последними в этом цикле, и заканчиваем их уборку. Скоро совсем погаснет свет. Это похоже на заход солнца.

Борис первым закончил работу и ушел в жилой отсек готовить ужин. Через несколько минут до нас уже доносился приятный запах разогретой пищи. Что он там готовит? Ушел и Герман, захватив всю зелень с кюветы. Я сегодня собираю капусту и салат с двух кювет. До ужина надо успеть все взвесить, учесть, корни упаковать и все данные занести в журнал. Но, кажется, не успеваю: Борис приглашает к столу. Придется продолжить после ужина.

Обитатели оранжереи

Человеку, растениям, микроорганизмам подолгу придется жить в одном герметичном помещении. Как складываются взаимоотношения в такой искусственно созданной обитаемой среде? Проявится ли так называемая «биологическая совместимость» растений между собой и с другими организмами, в первую очередь с человеком? Эти вопросы мы и призваны решить в нашем эксперименте.

Вокруг каждого растения, точно так же, как и вокруг человека, создается своеобразный микромир. В космических оранжереях нельзя допустить, чтобы представители флоры оказывали неблагоприятное действие на человека или друг на друга. Известно, что все растения в процессе жизнедеятельности неизбежно выделяют через корни и листья различные вещества — продукты обмена, — которые смогут оказывать то или иное воздействие на своих соседей. Это свойственно не только растениям, но и всему живому. Любой организм, осуществляя обмен веществ с окружающей средой, получает необходимые ему вещества и выделяет ненужные метаболиты, изменяя окружающую среду и оказывая воздействие на другие организмы. Оно может быть положительным, приводящим к улучшению их роста и развития или, по крайней мере, не оказывающим неблагоприятного влияния. В этих случаях принято говорить о биологической совместимости. В случаях угнетающего воздействия одних организмов на другие говорят о биологической несовместимости.

В практике земледелия и лесоводства приходится считаться с этими понятиями. Например, известно, что вика с овсом в совместных посевах дают больший урожай, горох с викой плохо уживаются, а посевы гороха с кукурузой оказывают друг на друга неблагоприятное воздействие. Из ели и лиственницы, дуба и липы можно создать хорошие лесные насаждения, а дуб и ясень, дуб и белая акация, сосна и бузина взаимно угнетаются.

Контакты растений могут осуществляться через окружающую среду, а также непосредственно. Борьба их за основные факторы внешней среды, например, за свет, элементы корневого питания, влагу, углекислоту, может быть значительно ослаблена путем создания для них наилучших условий. Поэтому на первый план выступает взаимное влияние растений, осуществляемое ими через метаболиты, выделяемые всей поверхностью растений. Среди выделений обнаруживаются минеральные соли, аминокислоты, органические кислоты и другие высокомолекулярные соединения.

Венский физиолог Г. Молиш провел следующий опыт. Он поместил вместе ветки яблони и желтой акации, и через несколько дней листья акации опали. Горох, помещенный в «яблочный воздух», сначала перестал расти, а затем пожелтел и погиб. Позже ученые исследовали этот «яблочный воздух», и оказалось, что он содержит ненасыщенный углеводород — этилен, действующий на некоторые растения угнетающе. Впрочем, тот же этилен ускоряет созревание яблок, томатов и цитрусовых.

Хорошо знакомые всем запахи цветов, хвойного леса, цитрусовых растений, картофеля или томатов есть не что иное, как летучие выделения растений. Они делятся на колины и фитонциды. Колины оказывают положительное или отрицательное воздействие на растения. А фитонциды угнетают или усиливают рост микроорганизмов.

Между колинами и фитонцидами нельзя провести резкой границы, так как многие колины действуют губительно и на микроорганизмы, и на высшие растения, часто доводя их до гибели. Сирень и ландыш в одной вазе увянут гораздо быстрее, чем стоящие отдельно друг от друга.

Лук и чеснок обладают уникальными бактерицидными свойствами. Практически нет одноклеточных организмов, на которые они не действовали бы губительно. Через 24 часа зеленоватая плесень гриба аспергиллюса гибнет под воздействием фитонцидов, выделяемых чесноком.

Химический состав растительных выделений широко исследуется в наши дни. Ученые открывают все новые классы соединений. Однако до сих пор имеются неизвестные еще вещества, входящие в эти выделения.

Учение о растительных выделениях, их роли как физиологически активных веществ, их влиянии на окружающую среду и все сообщество растений оформилось в самостоятельное направление научных исследований, которое получило название «аллелопатия».

При изучении аллелопатического воздействия растений на среду в герметичных помещениях космических объектов необходимо учитывать их возможное воздействие на человека, на его работоспособность. В обычных земных условиях мы часто не замечаем, не чувствуем разнообразных растительных выделений. Непрерывная циркуляция атмосферы быстро их уносит. Однако особое значение они приобретают для человека, помещенного в герметичное помещение космического корабля или межпланетной станции.

А микроорганизмы? Ведь они тоже воздействуют на растения! Известно, что в присутствии некоторых из них семена прорастают быстрее, растения развиваются лучше, нежели в стерильных условиях. Значит, в этом случае микроорганизмы приносят пользу растениям. Они выделяют в почву витамины, ростовые и другие биологически активные вещества, и поэтому их роль нельзя сводить лишь к минерализации органических остатков.

В герметических оранжереях роль микроорганизмов, сопутствующих растениям, нисколько не меньше, чем в обычных, естественных условиях. Но она почти не изучена. Известно, что и сам человек имеет собственные микроорганизмы. Они постоянно находятся на кожных покровах, на слизистых оболочках и непрерывно выделяются в окружающую его среду. Их тоже нельзя упускать из вида. Тем более что некоторые постоянные обитатели кишечника человека, например кишечная палочка и энтерококк, могут жить и на растениях, находя на их поверхности все необходимое для питания и размножения. Эти микроорганизмы и некоторые другие, обитающие обычно на растениях и неопасные для человека, могут при известных обстоятельствах стать патогенными, то есть болезнетворными, и явиться причиной серьезных заболеваний. В таких случаях бактерии из группы кишечной палочки, вызывая гнилостный распад белков, могут отравлять организм вредными продуктами, а одна из форм кишечного энтерококка способна быстро разрушать зубы. Встречаются также на растениях и такие микроорганизмы, которые обладают близким генетическим родством с болезнетворными микробами.

Известно, что при продолжительном пребывании людей в герметичных помещениях наблюдается увеличение небезопасных для человека микроорганизмов при уменьшении числа их видов. Здесь нарушается бактериальное равновесие, которое защищает человека от инфекций. При наличии же в гермообъектах оранжерей микрофлора, сопутствующая растениям, по-видимому, будет способствовать поддержанию этого равновесия. В длительных полетах это поможет избавить человека от приема специальных, пока не разработанных микробных пилюль, которые должны уберечь экипаж от так называемого микробного шока, возникающего при контакте человека с обычной микрофлорой после окончания продолжительной космической экспедиции.

Итак, при разведении растений нельзя не учитывать сопутствующего им микробного населения. Вот почему оранжерея сейчас для меня, биолога, не только огород, но и лаборатория — место наблюдений и научных исследований.

Герман и Борис охотно помогают мне, когда наступает время сбора зелени. Это довольно кропотливый труд: мало просто выдернуть растеньица, срезать корни и освободить их от субстрата, необходимо строго учесть и взвесить отдельно съедобную часть, корни и отходы. Нужно также отобрать пробы для изучения витаминного состава растений, для определения сухого веса и для других анализов и исследований.

Вооруженные ножницами, мы опять стоим перед очередной «грядкой» и отделяем корни растений от съедобной части. Работа утомляет однообразием. Приходится многократно повторять одно и то же движение. А зелень надо убирать сразу с четырех кювет с интервалом в сутки.

Взаимопомощь в нашей жизни совершенно необходима. Товарищи помогают мне по оранжерее; мы с Борисом помогаем Герману в медицинских исследованиях. И если кто-нибудь из нас заболеет, его работу должны будут выполнять остальные. Пока, к счастью, все здоровы. Строгий режим труда, отдыха и питания, физические упражнения, нормальный сон и, в известной мере, оранжерея помогают нам сохранить здоровье, бодрость, душевное равновесие.

Взгляд в будущее

В начале нынешнего столетия основоположник космонавтики К. Циолковский предложил использовать зеленые растения для обеспечения человека в дальнем космическом путешествии всем необходимым. Он мечтал создать на космическом корабле подобие земного круговорота веществ, что позволило бы людям надолго покидать свою «колыбель» — Землю.

В одной из своих статей в 1911 году он писал: «Как земная атмосфера очищается растениями при помощи Солнца, так может возобновляться и наша искусственная атмосфера. Как на Земле растения своими листьями и корнями поглощают нечистоты и дают взамен пищу, так могут непрерывно работать для нас и захваченные нами в путешествие растения. Как все существующее на Земле живет одним и тем же количеством газов, жидкостей и твердых тел, которых никогда не убывает и не прибывает (не считая падения аэролитов), так и мы можем вечно жить взятым нами запасом материи».

Земля породила человека, здесь он имеет все необходимое для жизни. А космос ему пока чужд, в космосе для него ничего нет, и почти все он должен брать с собой.

Первый космонавт земли Ю. Гагарин пробыл в космосе 108 минут. Последующие космические полеты продолжались много суток. Сейчас время пребывания в космосе исчисляется неделями и непрерывно увеличивается. Пока системы жизнеобеспечения, основанные на запасах и с успехом используемые на советских космических кораблях типа «Восток», «Восход», «Союз», а также на американских типа «Джемини» и «Аполлон», удовлетворяют исследователей космоса. Но они будут непригодны для продолжительных полетов, рассчитанных на несколько лет. Вот почему необходимо превратить космический корабль в «уголок Земли», создав на нем круговорот веществ.

Общая продолжительность рейса Земля—Марс—Земля продлится, по-видимому, около двух лет. Человек потребляет в сутки 800 граммов кислорода, 700 граммов сухой пищи, нуждается в 8 литрах воды, из которых 2,5 должны быть питьевой. Для годовой космической экспедиции из 3 человек общий вес запасов самого необходимого составит более 11 тонн. На каждый килограмм полезного груза необходимая мощность ракет должна составлять 4 тысячи лошадиных сил. Как бы успешно ни развивалась техника ракетостроения, элементарные расчеты показывают, что, если основываться на запасах всего необходимого и не заниматься воспроизводством его на борту, полеты к дальним планетам будут неосуществимы. И К. Циолковский ясно представлял, что полеты к планетам, даже в самой совершенной ракете, возможны лишь при снабжении людей всем необходимым с помощью системы жизнеобеспечения, основанной на круговороте веществ. «Как на земной поверхности совершается нескончаемый механический и химический круговорот веществ, так и в нашем маленьком мирке он должен совершаться… Есть полная возможность еще на Земле практически выработать и испытать средства дыхания и питания человека в изолированном пространстве» — так писал он в самом начале XX века.

Первые попытки использовать зеленые растения для этой цели предпринял один из основоположников советского ракетостроения, А. Цандер. В 1915–1919 годах он выращивал овощи на древесном угле, который выполнял роль облегченного заменителя почвы, а для питания растений использовал отходы жизнедеятельности человека.

В наши дни мечта К. Циолковского о создании круговорота веществ в отрыве от Земли принимает реальные очертания благодаря интенсивным исследованиям по созданию так называемой «экологической системы», которая позволила бы осуществить искусственный круговорот веществ, подобный земному.

Как известно, «экология» (от греч. oikos — дом) — обширная часть биологии, изучающая взаимные связи между живыми организмами в природе.

Совокупность всего живого на Земле вместе со средой обитания образует своеобразную оболочку Земли — биосферу.

Живые организмы, ассимилируя вещества, накапливаясь и размножаясь в процессе роста и развития, активно воздействуют на окружающую среду, изменяют ее. Без них невозможно формирование, существование и развитие почвенного покрова, где развивается жизнь в ее многообразном проявлении.

По мнению многих ученых, современная атмосфера Земли, являясь средой существования живых организмов, возникла также в результате их жизнедеятельности. В формировании структуры, состава и энергетики биосферы живые организмы играют ведущую роль благодаря их способности к обмену веществ и энергии с окружающей средой.

Подсчеты показывают, что общий вес живого на нашей планете составляет около 0,01 процента от веса планеты. Однако если суммировать всю массу живых организмов, когда либо появлявшихся на Земле, то получается величина, намного превышающая массу земного шара. Вот почему так велика роль живого на Земле.

На первый взгляд кажется, что между живой и неживой природой существуют непреодолимые различия. Однако, несмотря на отличия, между ними имеется неразрывное единство: в их основе находятся химические элементы и соединения — общие для всего живого и неживого. Их взаимосвязь и взаимообусловленность заключаются в том, что живые организмы не могут существовать без окружающей неживой природы, ибо она дает им энергию и простейшие соединения для построения их клеток и тканей.

Взаимовлияние и взаимозависимость всего живого и окружающей неживой природы были подмечены давно. В 1898 году выдающийся русский ученый-натуралист В. Докучаев впервые высказал мысль о необходимости изучения комплекса явлений и предметов земной поверхности в целом, в их взаимодействии и взаимообусловленности. Идея о единстве природных компонентов: поверхностных горных пород с присущим им рельефом, почвами, животными и растениями и т. д. — привела к делению всей биосферы Земли на элементарные, однородные внутри себя участки, территории или акватории с прилегающими к поверхности слоями воздуха, с водой и грунтом, населенных группировками живых организмов. Такие участки советский академик В. Сукачев в 1942 году назвал биогеоценозами (от греческого bios — жизнь, ge — земля, koinos — сообщество). Они стали объектом изучения новой науки — биогеоценологии.

Установлено, что биогеоценоз — это не простая совокупность растений, животных и других природных тел, каждое из которых существует самостоятельно, независимо от других, это не простая сумма, а особая сложно организованная форма существования организмов и их среды. В результате взаимного воздействия отдельных частей друг на друга постоянно и непрерывно совершается обмен веществом и энергией.

На любом участке земной поверхности все живые организмы образуют единое целостное сообщество — биоценоз, — являющееся составной частью биогеоценоза. Оно включает в себя фитоценозы — сообщества, образованные растениями, зооценозы — совокупность животных и микробоценозы — сообщества микроорганизмов.

Фитоценоз — единственный из компонентов биоценоза, способный использовать энергию Солнца. Поэтому ему принадлежит ведущее значение.

Неживая природа, среда поставляет живому первичный материал — минеральные вещества и энергию, то есть создает условия, необходимые для жизнедеятельности. Живые организмы (биоценоз) аккумулируют энергию и строят из простых минеральных элементов сложные органические вещества своего тела, а затем вновь возвращают первичные элементы, прошедшие сложный цикл, окружающей среде.

Экосистема — понятие, близкое к понятию биогеоценоза. Однако оно употребляется учеными-специалистами применительно к таким понятиям, как лес, озеро, луг, болото и даже биосфера Земли в целом.

При рассмотрении биосферы Земли в качестве единой экологической системы можно обнаружить, что масса вещества Земли не уменьшается и не увеличивается, а лишь трансформируется, переходя из одного состояния в другое.

Известно, что наряду с биологическим (малым) круговоротом веществ в природе существует геологический (большой) круговорот веществ. Если отмирающие растения и животные оказываются, например, под водой без доступа воздуха и при огромном внешнем давлении, то они не будут разлагаться и вовлекаться, как обычно, в круговорот веществ. А переходя в инертное состояние: в торф, уголь, горные породы, — вовлекаются в геологический круговорот веществ, выпадая из биологического. Большая часть углерода — одного из важнейших элементов — находится в горных породах, например, в виде известняка и мрамора. Геологические процессы, и в частности вулканическая деятельность, возвращают этот углерод в сферу действия биологического круговорота веществ. Этому способствуют также физико-химические условия среды, в течение многих тысячелетий разрушающие горные породы.

Деятельность человека, который занимается добычей торфа, угля, нефти, а затем сжигает или перерабатывает их, также приводит к возврату углерода в биологический круговорот.

Аналогично осуществляется изъятие из этого круговорота и других элементов, накопление их в недоступной для живых организмов форме и последующий их возврат в него.

Таким образом, собственно биологический круговорот веществ на Земле не замыкается полностью, а смыкается с геологическим; геологический же, включающий в себя огромные массы вещества, не может быть воспроизведен в миниатюре.

Как же тогда воспроизвести в микромасштабе круговорот веществ, основываясь на природном оригинале? Очевидно, что построить модель естественного круговорота в искусственной системе невозможно даже со значительными упрощениями. И остается один путь: сузить в этом круговороте до предела геохимический цикл, а из биологических звеньев оставить наиболее важные с их природными экологическими связями.

Если в естественных условиях временная стабилизация круговорота обеспечена громадной массой веществ и сравнительно малой скоростью их движения, то в искусственных системах круговорота с их ограниченным количеством веществ мы столкнемся с большей скоростью их обмена, с большей подвижностью процессов. Кроме того, в искусственных системах будут отсутствовать полициклические процессы, включающие суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы.

Следовательно, при моделировании природных процессов в искусственных системах можно пользоваться лишь методами приближенного подобия.

При создании экологической системы в изолированном пространстве ученым приходится иметь дело с различными объектами живой природы. Эти живые объекты становятся как бы «звеньями» единой цепи вещества и энергии в такой системе. Предполагается, что подобная система может обеспечить все потребности человека, который при этом будет одним из ее функциональных составляющих. Он будет потребителем кислорода, воды и пищи и одновременно поставщиком отходов жизнедеятельности в системе.

Создание модели природного круговорота веществ в ограниченном замкнутом пространстве было бы невозможно без теоретических работ русских ученых, основоположников учения о биосфере и биогеоценологии Л. Берга, А. Григорьева, В. Вернадского, В. Вильямса, В. Докучаева, В. Сукачева и других.

Источником энергии для экологической системы будет излучаемый Солнцем световой поток. Поэтому с точки зрения термодинамики (раздела физики, изучающего характер обмена энергии и вещества через границы систем) такая экосистема представляет собой открытую систему, то есть такую, которая обменивается с внешней средой энергией и массой веществ. А обмен такой неизбежен, так как в искусственных экологических системах, так же как в природе, ряд веществ обязательно будет выпадать из круговорота в так называемые «тупики».

Теоретический максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах определяется в 90–95 процентов. Следовательно, даже в идеальном случае около 5–10 процентов веществ будут выпадать из круговорота и должны восполняться из запасов. Вот почему создание полностью автономных систем, которые были бы термодинамически изолированными, то есть не обменивались бы с внешней средой ни энергией, ни массой, а также систем «закрытых» — не обменивающихся со средой веществом, — невозможно.

Я представил себе огромную оранжерею К. Циолковского с растениями. Микроклимат в ней не вполне подходящ для человека, и поэтому она изолирована от жилого помещения. Необыкновенная сила солнечного света, благоприятные климатические условия оранжереи и специальные вещества, воздействующие на растения, «сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматными плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение искусственно». Так описывал К. Циолковский космический цветущий сад в своем научно-фантастическом труде «Вне Земли». Не только фантастика, но и пророческое предвидение сроднило его с Г. Уэллсом, который в романе «Пища богов» также мечтал о волшебном веществе, способном безгранично увеличивать рост всего живого.

Еще Ч. Дарвин, изучая способность растений к росту, предположил, что в растениях вырабатывается какое-то особое вещество, локализующееся в верхушках стеблей. Именно оно управляет ростом. Полвека спустя советский ученый Н. Холодный экспериментально подтвердил смелую гипотезу Ч. Дарвина. В кончиках корней и верхушках проростков ему удалось обнаружить вещество, сильно активизирующее рост. Распространяясь по стеблю, оно ускоряет деление растительных клеток и способствует их растяжению. А из этих двух процессов складывается рост. Ученым удалось извлечь из растений это чудесное вещество. Из двух миллиардов проростков было получено всего четверть грамма ауксина — так был назван этот ускоритель роста.

Долгое время его состав оставался загадкой. Разгадать ее помогли химики. Оказалось, что таинственный ауксин — это давно известная химикам индолил-уксусная кислота.

Был открыт еще один чудесный препарат — гиббереллин, также выделяемый из растений. Обработанный гиббереллином табак вырастал до небывалой, шестиметровой высоты — почти вдесятеро выше обычного.

На грядках «космического огорода» я представил себе картофель, томаты, свеклу, фасоль, арахис, капусту, лук, редис, укроп, петрушку и другие овощные растения, богатые белками, жирами, углеводами, витаминами. А рядом фруктовые растения. Оранжерея обеспечивает экипаж пищей, водой и воздухом. Калорийность растений достаточна для нормальной жизнедеятельности людей — обитателей космической станции.

Однако создать двухкомпонентную систему «человек — растения» оказалось невозможным: в ней не будет протекать круговорот веществ. Кроме того, высшие растения не могут полностью обеспечить пищевые потребности человека, так же как и низшие — одноклеточные микроскопические водоросли, в частности хлорелла. Причина этого заключается в том, что полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения; растительные же белки скомпенсировать их не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот, а человеческий организм не способен их синтезировать и обычно получает их в готовом виде с пищей животного происхождения. Имеются и другие трудности. Так половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а твердые отходы жизнедеятельности человека без предварительной обработки не могут быть непосредственно использованы для растений в качестве удобрений.

Однако если скармливать непищевые отходы животным и ввести другие биологические звенья, которые смогут провести минерализацию отходов жизнедеятельности человека, то есть перевести органические отходы в минеральные соли, то сочлененность звеньев такой экологической системы улучшится, а степень ее замкнутости возрастет. При этом будет решена проблема обеспечения человека белками животного происхождения, а также будут использованы различные отходы человека для питания растений. Это хорошо, но это значительно усложняет систему в целом.

В изолированной экологической системе, удовлетворительно обеспечивающей человека всем необходимым для жизни и поддержания его нормальной работоспособности, чрезвычайно трудно сбалансировать «вход» и «выход» отдельных компонентов (ее звеньев), количество которых неизбежно увеличивается при возрастании степени ее замкнутости, сложности. Однако независимо от степени ее сложности растения благодаря фотосинтезу обеспечивают «вход» лучистой энергии в систему и превращение ее в потенциальную энергию химических связей. Это позволяет занимать им особую ведущую роль в экологических системах, даже если сбросить со счетов их значение как регенераторов атмосферы и воды, а также возможного источника пищи для человека в космосе. Вот почему даже небольшая оранжерея на космических объектах будет иметь большое значение как источник свежих витаминов и оказывать положительное психологическое воздействие на экипаж.

Построение экологической системы для обеспечения длительного автономного существования человека вне Земли — задача необыкновенно трудная. Предстоит решить попутно множество проблем, прежде чем будет создан искусственный микромир, в котором непрерывно совершался бы круговорот ограниченного количества веществ…