БИОСФЕРНЫЕ МОДЕЛИ --
ПУТЬ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ПОИСКОВ
Институт биофизики СО РАН -- один из уникальнейших
исследовательских полигонов не только в рамках Сибирского
отделения, но и мирового научного сообщества. Соединение методов
исследований физической и биологической наук открыло в свое время
ученым возможность подойти к изучению и пониманию сложнейших
процессов планетарной значимости. Специфика здесь заключается в
том, что его исследования охватывают всю иерархию организации
биологических систем: от молекулярно-генетического уровня до
биосферного. От космоса до глубин мирового океана. При этом
теоретические работы сочетаются с экспериментальными и полевыми
исследованиями, аппаратура для которых во многих случаях
разрабатывается и изготавливается в самом институте. Исследования
экологических систем, включая замкнутые системы жизнеобеспечения
человека, много лет ведущиеся в институте, открывают возможности
мониторинга, моделирования и прогноза состояния искусственных и
природных экосистем с целью их рационального использования.
Сегодня, несмотря на сложные финансовые условия и невозможность
ставить объемные дорогие эксперименты, в институте сумели не
только сохранить набранный опыт, но и начать новый этап
исследований.
На вопросы "НВС" отвечает директор Института биофизики СО РАН
доктор физико-математических наук Андрей ДЕГЕРМЕНДЖИ
Интервью взяла Ольга УШАКОВА.
-- Андрей Георгиевич, Институт биофизики СО РАН всегда был
институтом весьма приоритетным, где велись исследования очень
высокого уровня, выходившие на космические программы. Скажите,
насколько сохранились эти приоритеты?
-- Фактически в институте сегодня сложилось одно общее
направление, называемое биофизикой экосистем. В том числе --
системы жизнеобеспечения человека (СЖО), как модели при
моделировании реальных природных систем. Собственно, имеется
ввиду круговорот в замкнутой системе, направленный на поддержание
физиологии человека, всех проявлений его жизнедеятельности... Это
в свое время начинали И.А.Терсков, Б.Г.Ковров, И.И.Гительзон,
Г.М.Лисовский, и всем известно, что испытания красноярской СЖО --
"Биос" (фото)
с разными схемами эксперимента -- прошли успешно
в 1973-1985 гг. Это вызвало бум во всем мире. В свое время,
состоялась целая серия американских визитов в Красноярск... Стало
известно, что в то время все работы нашего Института биофизики по
космической биологии переводились американцами в НАСА на
английский язык для служебного пользования.
-- Именно по эксперименту "Биос?"
-- Да, их прицельно переводили, потому что существовала
конкуренция между исследованиями в области физико-химических и
биологических систем замыкания. Биологическую систему американцы
в НАСА считали капризной, ненадежной для дальних полетов. У
другой группы американцев был свой эксперимент в Аризоне в 90-х
годах -- "Биосфера-2". Считается, что земная биосфера -- это как
бы Биосфера-1, как природная модель полнозамкнутой системы, в
которой мы живем. А то, что делалось у нас в институте -- это уже
модели в различных вариантах, хотя хронологически "второй" должна
считаться наша красноярская модель. В Аризоне американцы собрали
как бы экологический Ноев ковчег в замкнутом пространстве.
-- Каждой твари по паре? Настолько громадный комплекс?
-- Да, изо всех типов сообществ переносили "куски" ценозов --
растительные, почвенные, морские системы... Комплекс совершенно
фантастический -- стеклянные купола под ярким аризонским солнцем
(фото).
Под зданием мощные коммуникации. Отличные системы
управления, системы контроля... Фактически же -- большая камера в
виде здания с большим числом взаимодействующих видов. Практичные
американцы сумели даже туристический аспект вписать... Там
ставились эксперименты, которые экспериментами в чистом виде не
назовешь. Потому что обоснованных расчетов, насколько эта система
будет устойчивой, как она станет развиваться, какой она будет
выглядеть через несколько месяцев, не делалось...
-- А в чем заключалась уникальность того, что изучалось в
Красноярске?
-- Идея была такая: повторить земную биосферу невозможно, значит,
имеет смысл сделать минимальную биосферу, из трех-четырех
звеньев. С растениями: пшеницей, водорослями как регенераторами
газообразных и жидких выделений человека... И какие-то компоненты
замкнуть: газовые, водные. По питанию систему замыкали от 40 до
80 процентов, а остальное, как космонавтам привозят на орбиту,
так бионавтам подавали извне леофилизированные (специальным
способом высушенные) продукты питания. Систему компоновали из
разных звеньев, чтобы определить перспективные. Так обнаружилось
много тупиков -- хлорелла, солома, твердые продукты человеческого
метаболизма. Сейчас перешли на эксперименты по изучению
газообменных и других свойств перспективной водоросли --
спирулины.
-- Спирулина сегодня широко используется в пищевых добавках. Она
так подошла для ваших целей?
-- Мы изучали ее двадцать лет. Технологию культивирования,
необходимые параметры для введения в кабину. Все было отработано.
А потом у нас прекратилось финансирование. Затем вообще
изменилась стратегия СЖО. В российской космической программе --
мягко говоря, места для нее не находилось. Даже не планировались
полеты такие, которые бы требовали биологической системы
поддержания. Все было на привозном обеспечении "Шаттлами" и
нашими "Прогрессами". Вообще-то, между СЖО и полетным вариантом
-- дистанция огромная. Потому что надо было бы еще и орбитальные
испытания проводить... То есть, это такое далекое будущее...
-- А все-таки можно считать какой-то этап эксперимента с "Биосом"
достаточно законченным, чтобы, скажем, после него уже можно было
переходить к орбитальным испытаниям?
-- Вообще, тут должен быть еще один важный этап. Это показали
испытания в "Биосфере-2". Там фактически произошла катастрофа. У
них начались серьезные изменения в газовом составе этой большой
системы. Очень низко упал уровень кислорода в атмосфере (до 14%
при норме в 22%), поднялся уровень СО2, проявились
психологически неадекватные состояния членов экипажа с попыткой
разгерметизации. Там, по-моему, было 8 человек, женщины и
мужчины... Публикации появились в немногих изданиях. А потом был
сделан их собственный анализ на качественном уровне -- почему
произошла катастрофа?
Мы специального количественного анализа -- почему у них
развалилась система -- пока еще не делали, но обязательно
займемся. Начать с того, что взяты были части ценозов --
почвенных, водных, растительных -- из реальных природных систем.
Там свои сложившиеся потоки вещества, энергии... Когда вынимались
"куски" из естественных ценозов, весь уровень активности биомасс,
активности ферментов этих частей был настроен на те природные
потоки. Но в системе "Биосфера-2" на эти компоненты поступали уже
другие величины потоков, хотя по списку компонентов, возможно, и
сохранившие естественность. Пошло подстраивание этих частей друг
к другу, каждая субъединица стала приспосабливаться к новым
условиям -- это уже было как бы естественное развитие, но
итоговый состав атмосферы -- газовых компонентов и других --
оказался несовместимым с жизнью человека в этой системе... В
итоге сама идея, что такую громоздкую систему можно создать
искусственно, была дискредитирована.
А наши опыты оказались плодотворными, мы сделали работу -- у нас
есть замкнутая система с биологическим круговоротом вещества.
-- Может быть, то, что она у вас была такая компактная, это и
имело значение? Наверно, все процессы шли активнее, интенсивнее,
потому что обмен веществ все-таки быстрее происходит в малом
объеме?
-- Нет, тут скорее расчет был на то, что число звеньев
минимальное, а управление состоянием каждого звена --
максимальное. На минимуме звеньев легче моделировать основные
звенья биосферы. Круговорот был, он контролировался,
самоподдерживался и корректировался человеком "изнутри" за счет
управления. Американская же система сейчас законсервирована.
Что-то пробуют делать во Франции и Японии. Японцы к нам приезжали
посмотреть СЖО. Они создали свою систему и могут компоновать ее
из разных составляющих очень быстро. Нам, например, перестроить
систему -- целая история, нет средств. То звено убрать, это
ввести... У них -- система мультизвенная, легко меняющая
конфигурацию. Они все-таки отличные технологи. Система с
разделенными звеньями -- так это называется. Можно формировать
разные биологические среды, проводить множество принципиально
разных экспериментов. Но и они "наступили на те же грабли" --
предполагают, что физико-химические системы более надежны.
Сейчас наш Международный центр замкнутых экологических систем как
бы стоит на распутье, поскольку нет программ, в которых можно
было бы использовать СЖО на основе биорегенерации. И вот возникла
такая идея: перестроить идеологию СЖО на биосферные цели. В
реальной биосфере ощущается кризис, это видно по меняющимся
параметрам: углекислый газ, парниковый эффект, рост загрязнений и
др. С точки зрения физики биосфера не является экспериментальным
физическим объектом, с ней нельзя поэкспериментировать -- она
уникальна. В биосфере невозможно вернуться "назад" и что-то
выключить, скажем, выброс СО2, чтобы посмотреть на изменения...
Или, скажем, на время приостановить эмиссию парниковых газов
болотами. В природе возможны только натурные наблюдения. На самом
деле объекты, с которыми можно экспериментировать, должны бы
иметь условия, как в физике -- начальные и граничные условия,
точно измеренные параметры, контролируемые последствия. Чтобы
было ясно -- вот эксперимент, вот контроль.
-- Но это уже другие системы. А с "Биосом" как?
-- Сейчас мы можем заниматься звеньями, которые составляли
"Биос," и обобщить опыт лабораторий, занимавшихся той же пшеницей
или водорослями...
-- То есть, работы продолжаются? Как это лучше назвать?
-- Да, направление некоторым образом меняется. И название иное --
экспериментальные модели биосфероподобных систем. По сути, в них
будут контролироваться атмосферные, газовые компоненты, вещество,
которое там "крутится". Если бы нам, допустим, сказали, что нужна
СЖО с почти 100-процентным замыканием по веществу, то сейчас есть
звенья, готовые к такому замыканию. Звенья развивались
независимо. Скажем, ввели мы новое звено -- грибы-утилизаторы,
пшеницу -- раньше ее солома сжигалась, но оказывается ее можно
биологически трансформировать; калифорнийских червей ввели. И
система не очень усложняется...
-- Значит, вы уже накопили какое-то количество звеньев, которые в
замкнутом варианте прошли каждое само по себе через испытания и
готовы к следующему этапу?
-- В маленьком варианте. Но не каждое само по себе. Они
взаимосвязывались в цепочку. Скажем, на той же соломе далее
размножались грибы. Потом это был уже почвоподобный субстрат,
куда подключали червей, и далее все возвращалось в виде подкормки
для пшеницы.
-- В лабораторных условиях, не на плантациях, не в "Биосе?"
-- У нас есть специальные маленькие, компактные системы.
Гриботроны, например. Но все эти системы готовились для более
глубокого замыкания СЖО. Если бы мы сейчас ввели эти новые звенья
в новый опыт, то было бы уже почти 100-процентное замыкание,
система была бы почти полностью автономной. Вот в чем ее сила. Но
СЖО сегодня "спроса" не имеют. Хотя, их можно было бы
использовать как специальные экодома на подводных станциях, в
высокогорных условиях, где сама биосфера отличается своими
составляющими. Там, где условия для существования человека
экстремальны. Надо пробовать контакты с арктическими институтами,
с подводниками. Если, конечно, и там -- не надо, то отодвинем все
эти СЖО на время, но к ним все равно потом вернутся.
Нам хотелось бы развернуть новое направление с земными
приложениями. Взять эти экспериментальные модели-звенья и
соединить их в том же самом "Биосе," в той же самой системе, но
уже под углом исследования некоторых характерных явлений
биосферного порядка. Там, конечно, не будет океанов, не будет
стратификации атмосферы. Многого не будет. Но там будет самое
главное, что поддерживает биосферу. Там будет биологический
круговорот. Далее стоит вопрос -- вводить туда человека или не
вводить. Этот вопрос еще будет обсуждаться. Потому что на самом
деле СЖО является моделью не сегодняшней биосферы. Она может быть
моделью той испорченной биосферы, которая, возможно, ожидает нас
в будущем. У нас биосфера вообще-то работает независимо от
человека. Человек только часть вещества забирает на себя -- очень
много при этом травит, подавляет, но забирает очень небольшую
часть. То есть, биосфера не направлена прямо на него, а в системе
СЖО весь круговорот был направлен строго на потребности
человека...
-- Вот Земля окажется перенаселена... ваши системы из рук рвать
будут.
-- Да, при перенаселенности она очень бы подошла. Модель вот
такого варианта будущего.
-- А каковы перспективы ваших исследований?
-- Для массы прикладных экспериментов необходимо иметь
экспериментальную систему, как, скажем, физики имеют. И вот если
в бывшую коробку СЖО поместить эти звенья, накопленные нами
небольшие подмодели, устроить 100-процентное замыкание в такой
системе, и экспериментировать с ней -- она тогда окажется
физическим экспериментальным объектом. Можно новые начальные
условия поставить. Допустим, создавать разные уровни СО2 и
моделировать биологическую реакцию всей системы круговорота,
наблюдать изменение состава атмосферы и многое другое. Или --
устойчивость круговорота в ответ на изменение светового режима,
температуры. И, естественно, -- параллельное развитие
математических моделей устойчивости круговорота.
-- То есть, смысл всех этих экспериментов в том, что вы ставите
задачу сохранить весь наработанный опыт и развить дальше
эксперимент?
-- Нам хотелось бы продолжить его в биосферном приложении.
-- Значит, вы надеетесь, что кто-то вас все-таки будет
финансировать?
-- Да, потому что здесь виден выход на изучение процессов,
происходящих в биосфере сегодня. И в довольно быстром
эксперименте. Накопление СО2, отклик на СО2, миграция
загрязнителей, судьба генномодифицированных организмов...
-- Давайте все же уточним. Потеряв возможность продолжать
эксперименты, выходящие на космические программы, и работать с
моделью в виде замкнутой камеры, вы, тем не менее, расширили круг
исследований, создавая в лабораториях эти маленькие замкнутые
системы. И похоже, эти работы, может быть, даже неожиданно, дают
более интересные результаты и для фундаментальной науки, и для
будущего физического эксперимента, и даже для каких-то прикладных
выходов в сегодняшний день?
-- Да, именно так и получилось. А по результатам, например, речь
идет, прежде всего, о накачке СО2 и отклике системы в целом...
Не отдельного растения, а в целом. Начинают меняться почва,
микрофлора; цикл азота, углерода деформируются. И все это видно в
эксперименте... С такой моделью можно уже работать, как с
физическим явлением.
-- То есть, сейчас у вас масса таких небольших биологических
моделей?
-- В лабораториях есть еще меньшие модели. Например, продолжается
работа с хлореллой, уже не как с источником питания человека и
газообменником. Наращивается число трофических звеньев, возникает
разветвленная система. А цель -- выяснить, увеличивается или нет
устойчивость системы при добавлении каждого звена. И тут же
создаются математические модели, которые объясняют или не
объясняют эти эффекты. Если объясняют, то экспериментаторы
получают возможность дальнейшего поиска, где и какой механизм
сработал раньше. И эти модели должны как бы вкладываться друг в
друга -- от "маленькой" экосистемы в лаборатории на столе до
более и более крупных.
Здесь становится очевидными образовательные компоненты. Их
необходимость тоже видна на моделях. Вот, например, учащимся,
студентам преподают экологию. И они вроде бы изучают законы
экологии, но эти законы, в отличие от законов физики, должны быть
усвоены не только на уровне разума, но и как бы пройти через
душу. Понятие экологической этики, представление об этических
нормах. И вот эти будущие специалисты и слышат вроде бы, и сдают
экзамены, и все как будто понимают. И практика у них есть. А вот
эффекта как-то нет. Те же самые люди, став инженерами на заводах,
работают так, словно и не изучали экологии.
Но если обратиться к экспериментальным моделям, то очень зримо
можно убедиться, что если убирается, исчезает одно звено, то
круговорот деформируется, появляются тупики, и система
разваливается буквально на глазах. При этом резко меняются
условия для жизни человека. И вот этому инженеру можно пояснить,
показать на реальной модели, что вот такими-то конкретными
промышленными стоками его завода губятся живые активные элементы
озерного или речного биоценоза, потому что эти стоки не
вписываются в круговорот!
-- В каждую бы школу поставить по такой вашей системе! В детском
возрасте это глубже бы воспринималось.
-- Возможно, со временем так и будет... Сейчас ценно другое --
можно делать мониторинг миграций тех же радионуклидов. Это же
проблема из проблем. Интеграционный проект по Енисею именно с
этим и связан. Можно наблюдать, где они накапливаются, где и
какое звено биоценоза больше всего пострадает. Будет полное
экспериментальное представление. В природе столько различных
составляющих -- и физических, и разных других, что там просто не
разберешься. Роль биологического круговорота-то в чем заключается
-- где накапливается, с какими скоростями, какое действие
производит, и как круговорот "расшивает" тупики. Эти системы
потом, после доработки, можно использовать в качестве идей для
биотехнологий в реальных системах очистки.
-- А как мировое научное сообщество воспринимает поворот ваших
исследований?
-- В США выпускается международный научный журнал "Life Support &
Biosphere Science". Сдвоенный летний выпуск будет составлен из
публикаций последних работ Института биофизики. Нашими
сотрудниками уже отправлено туда около 20 статей на разные темы
-- от методологии до конкретных экспериментальных работ.
-- Самое ценное -- это то, что эксперименты на замкнутых системах
продолжаются. Вы сумели обойти тупиковый путь развития.
стр.
|
