ОТ ЖИВОЙ КЛЕТКИ
ДО КОСМИЧЕСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ

Е.Максимова,
кандидат биологических наук,
ученый секретарь ИБФ СО РАН

На протяжении многих лет в Институте биофизики СО РАН ведутся исследования процессов, протекающих в живых замкнутых системах. Их результат — целостное научное представление, открывающее возможности постижения внутренних механизмов существования такой крупной замкнутой системы, как биосфера Земли.

Самыми первыми работами, положившими начало становлению биофизической науки в Красноярске, стали работы И.Терскова и И.Гительзона по изучению закономерностей функционирования популяций клеток крови. Примененный популяционный подход был распространен далее на одноклеточные организмы и послужил основой для развития теории и техники непрерывного культивирования микроводорослей и бактерий в управляемых условиях. Красноярскими биофизиками, таким образом, было сформировано получившее дальнейшее развитие новое направление в биофизике надорганизменных систем, обосновавшее возможность интегрального подхода к диагностике состояния биологических систем различного уровня организации и сложности.

Теоретические и экспериментальные исследования показали возможность создания устойчиво функционирующих биофизических систем непрерывного биосинтеза. В таких биосистемах рабочим телом служили живые организмы, а управление режимом их функционирования осуществлялось автоматизировано по показаниям датчиков состояния организмов и среды обитания. 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.

На основе проточных экпериментальных систем была создана теория устойчивости и управляемости составом микробных сообществ, доказаны теоремы о связи числа сосуществующих популяций и числа контролирующих рост биохимических факторов, сформулированы оригинальные критерии оценки межпопуляционных метаболических взаимодействий, выведен энергетический принцип микроэволюции микробных популяций. Эти результаты составили фундамент экологической биофизики.

Полученные результаты исследований продемонстрировали возможность реализации 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). Основная цель экспериментов с использованием таких систем — изучение закономерностей функционирования биосферы. В практическом же отношении СЖО позволяют обеспечить высокое качество жизни для человека за пределами границы биосферы в космосе, а также в экстремальных условиях полярных широт, пустынь, высокогорья, подводных работ и исследований.

Институт биофизики является пионером в исследованиях с использованием замкнутых экологических систем. Созданный более 30 лет назад прототип биосферы "БИОС-3", основная идея которого заключалась в возможности поддержания длительного существования человека за счет биологически замкнутого круговорота веществ, послужил родоначальником экспериментов, проводимых с целью выяснения механизмов функционирования природных экосистем.

Система "БИОС" является гордостью не только института, но и отечественной науки. 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". 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 двух-трех человек достигли полугодовой длительности при полном замыкании системы по газу и воде и при воспроизводстве пищи до 80% от потребностей экипажа.

В период перестройки "БИОС-3" был законсервирован, и эксперименты в нем на время были прекращены. Однако в настоящее время институт по теме замкнутых экосистем получил поддержку европейского сообщества и намерен существенно усилить это направление, в частности, приблизить коэффициент замкнутости круговорота к ста процентам.

Основная фундаментальная цель и задача системы — изучение механизмов устойчивости биологического круговорота веществ в биосфероподобных экспериментальных системах и разработка методов управления интенсивностью и коэффициентом замкнутости круговорота. Наиболее интенсивно в этот период развивалась теория замкнутых экосистем, включая создание оригинальных методов оптимизации функциональной структуры ЗЭС в зависимости от цели "полета" (максимизация времени существования, минимум энергозатрат или общей массы и т.п.) Можно ожидать, что прагматический интерес к созданию замкнутых экосистем, включающих человека, будет нарастать в связи с освоением океана, расширением поселений, освоением космоса и вообще созданием автономных жилищ.