За стеклом космического аквариума
Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года — событие уникальное и неповторимое, положившее начало космической эре в истории человечества. Космический старт — результат многолетнего труда ученых, инженеров, конструкторов. Заметный вклад в развитие отечественной космонавтики внесли и днепропетровские гидробиологи, занимавшиеся разработкой систем жизнеобеспечения космических полетов.
На рубеже 50—60 годов ХХ века выдающийся представитель днепропетровской гидробиологической школы Георгий Борисович Мельников заложил основы нового комплексного научного направления — космической гидробиологии, задачей которой стала разработка замкнутых водных экологических систем для обеспечения космических полетов.
В первые послевоенные годы в Днепропетровске строится закрытый суперзавод по производству мощных баллистических ракет, позднее получивший название Южный машиностроительный завод (ЮМЗ). Именно «Южмаш» имел в виду Н.С.Хрущев, заявивший, что в СССР ядерные ракеты производятся, как сосиски на конвейере. Для подготовки кадров высококвалифицированных специалистов-ракетчиков для ЮМЗ в Днепропетровском госуниверситете открывается физико-технический факультет. Участие в решении проблем «секретных ракетчиков» дало возможность ректору Мельникову понять, что разработка боевых ракет для защиты Родины создает также и уникальную возможность осуществить вековую мечту человечества о полетах в космос. Гидробиолог Г.Б.Мельников подошел к проблеме реализации дальних космических полетов с точки зрения разработки систем жизнеобеспечения человека в космосе. Становление и дальнейшее развитие космической гидробиологии прочно базировалось на теории К.Э. Циолковского, еще в 1891 году выдвинувшего идею «о предохранении слабых вещей и организмов от ударов и толчков и усиленной тяжести посредством погружения их в жидкость равной их плотности». В дальнейшем эта идея трансформируется в разработку замкнутой экологической системы (ЗЭС) — герметически замкнутого пространства космического корабля с продуктами питания, водой и атмосферой для дыхания. Первая попытка экспериментального создания модели ЗЭС была осуществлена в 1912 году Ф.А. Цандером. Продукты жизнедеятельности человека утилизировались в искусственной среде для выращивания высших растений. В качестве такой среды Цандер использовал древесный уголь.
После запуска в 1957 году первого искусственного спутника Земли, в преддверии полетов человека в космос, срочно требовалась надежная система жизнеобеспечения космонавтов. Было очевидным, что главным ее компонентом должна стать система поддержания дыхания космонавтов (регенерация кислорода и очистка от вредной для организма выдыхаемой углекислоты). К. Э. Циолковский считал, что в непродолжительных космических полетах космонавты могут использовать запасы кислорода с Земли, а углекислоту удалять при помощи химических веществ-поглотителей, например щелочей. Однако в грядущих длительных перелетах нормальное дыхание космонавтов оптимально обеспечивали бы зеленые растения (автотрофное звено замкнутой экологической системы). Калужский мечтатель писал: «Как земная атмосфера очищается растениями при помощи солнца, так может возобновляться и наша искусственная. Она должна будет, так же, как и земная, поддерживать круговорот необходимых для жизни человека веществ — кислорода и воды и очищать воздух от углекислого газа».
Для создания надежной системы жизнеобеспечения космонавтов в ведущих странах мира в конце 50-х годов XX в. проводились масштабные исследования по подбору растений, максимально выделяющих кислород и поглощающих углекислоту. Внимание ученых привлекли водоросли. Довольно перспективным представлялось культивирование на борту космического корабля одноклеточной протококковой водоросли — хлореллы. Первые эксперименты по обеспечению газообмена животных за счет фотосинтеза хлореллы были проведены в 1957—1960 гг. в США Е. Баумом, Р Гаффордом, К. Крафтом, в СССР в 1960—1961 гг. этим занимались Е.Я. Шепелев и Г.И.Мелешко. К тому же оказалось, что хлорелла пригодна в пищу, поэтому планировалось использовать ее во время полетов и для питания. Однако как продукт растительного происхождения хлорелла низкокалорийна. Базировать питание космонавтов только на употреблении водорослей было нельзя. Для полноценного сбалансированного питания космонавтов, особенно во время длительных космических полетов, необходимы свежие мясные продукты. То есть замкнутая экологическая система, кроме автотрофного звена, должна содержать также и гетеротрофное звено. В качестве источников питания предполагалось включать в ЗЭС различные виды животных. Но для этого на космическом корабле пришлось бы выделить площади для животноводческих ферм, что значительно повысило бы стоимость полетов и снизило их эффективность…
Днепропетровский профессор Мельников выдвинул и научно обосновал оригинальную идею, кардинально изменившую подходы к подготовке космических полетов, — об объединении в едином производственном комплексе автотрофного и гетеротрофного звеньев ЗЭС, причем этот комплекс должен быть водным. В этом случае космонавты получали бы и кислород для дыхания (автотрофное звено), и полноценное питание, употребляя в пищу рыбопродукты (гетеротрофное звено). Реализация этой идеи требовала слияния в единый комплекс весьма разных отраслей науки и техники, никогда ранее не взаимодействовавших.
В 1961 году в Днепропетровском университете начинает функционировать первая в Украине лаборатория космической гидробиологии. Ее основным заданием стала комплексная разработка замкнутой экологической системы на космическом корабле, причем системы гидробиологической. В 1965 году на I съезде Всесоюзного гидробиологического общества профессор Мельников сформулировал проблематику, методологию, задачи и пути развития космической гидробиологии. Исследования проводились по трем направлениям.
Первое — биологическое обоснование включения в водное гетеротрофное звено ЗЭС рыб и зоопланктеров. Это представлялось перспективным, так как в условиях космического полета их можно было выращивать вместе с одноклеточными микроскопическими водорослями, составляющими основу автотрофного звена ЗЭС. Был разработан метод выращивания рыб и зоопланктеров с максимальным использованием хлореллы.
На первом этапе отрабатывалась методика экспериментов; определялись оптимальные параметры кормовых рационов для рыб (на примере карася серебристого) и условия их содержания. Доказана возможность использования живой культуры хлореллы как для биологической регенерации кислорода, так и в качестве корма для рыб в замкнутых аквариальных установках, имитирующих условия герметической кабины космического корабля.
На втором этапе объектом исследований была выбрана тропическая теплолюбивая всеядная рыба тиляпия, растущая и размножающаяся в условиях с ограниченным объемом воды. Благодаря этому свойству ее можно было включить в водное гетеротрофное звено ЗЭС. Ученые изучали влияние различных кормов на комплекс показателей, характеризующих жизнедеятельность тиляпии. Исследования показали высокую пищевую ценность хлореллы при использовании гранулированных кормов и содержании рыб в аквариальных условиях. Этот вывод стал частью биологического обоснования включения тиляпий в водное гетеротрофное звено ЗЭС, в которой хлорелла является частью автотрофного звена.
Теоретическое и практическое значение и в настоящее время имеют результаты исследований лаборатории по длительному кормлению зоопланктера дафнии живой культурой хлореллы. Была получена популяция дафний, темпы размножения которой при содержании на указанном монокорме не снижались более семи лет. По ряду биохимических показателей, например по содержанию жира, эта популяция оказалась даже более ценной в пищевом отношении, чем дафнии, обитающие в естественных условиях. В ряде экспериментов дафний содержали совместно с живой культурой хлореллы в условиях, имитирующих герметический объем. Была показана биологическая совместимость хлореллы и дафний и возможность использования хлореллы как биологического регенератора кислорода для дыхания дафний.
Второе направление исследований — утилизация отходов и продуктов метаболизма растительных и животных организмов, образующих ЗЭС, — и сейчас представляет особую трудность при проведении длительных космических полетов. Эксперименты, проведенные в Днепропетровске, показали, что центрифугат культуры хлореллы, содержащий продукты ее жизнедеятельности, может быть использован для выращивания на его основе кормовых дрожжей. Продуктивность дрожжей при этом оказывалась значительно выше, чем выход биомассы самой хлореллы. Биохимический состав центрифужных дрожжей позволил использовать их как кормовую добавку в рационах рыб. Таким образом, утилизация отходов культуры хлореллы путем выращивания на них кормовых дрожжей дает возможность существенно повысить эффективность ЗЭС.
Изучалась также утилизация продуктов жизнедеятельности рыб путем выращивания на них штаммов хлореллы.
Третьим направлением стало изучение влияния факторов космического полета и космического пространства на жизнедеятельность организмов — членов водного гетеротрофного звена ЗЭС. В лаборатории изучалось действие космического излучения, радиальных вибрационных перегрузок и кратковременной невесомости на жизнедеятельность рыб. Определялись границы параметров, при которых нарушения не имеют необратимого характера.
Поражающее действие космической радиации представляет главную опасность во время космического полета. Днепропетровские гидробиологи исследовали влияние облучения на состав крови у растительноядных рыб, которые (наряду с тиляпией) могли быть включены в состав водного гетеротрофного звена ЗЭС.
Также изучалось действие на живой организм радиальных перегрузок при ускорениях. Еще в 1820 году чешский биолог Ян Пуркине проводил экспериментальные исследования на животных физиологических механизмов действия радиальных ускорений — перегрузок и обнаружил, что в случае, когда вектор перегрузки совпадает с направлением продольной оси тела, у животных возникают резкие изменения мозгового кровообращения.
В лаборатории космической гидробиологии исследования действия радиальных ускорений на рыб показали, что при перегрузках необходимо учитывать степень заполнения водой емкости, в которой находятся рыбы, а также удельный вес рыб. В условиях кратковременной (до 25 сек.) невесомости наблюдались значительные изменения в поведении рыб. Они теряли ориентацию в пространстве, плавали в любом положении — на боку, головой вниз, брюшком вверх. В аквариумах, заполненных водой на 1/10 объема, в состоянии невесомости рыбы выпрыгивали в воздух, где теряли способность к нормальным плавательным движениям; а беспорядочно кувыркались с резко возрастающей скоростью перемещения.
Действие вибраций с частотами 20—40 гц было слабым или умеренным; частоты 80—90 гц оказывали наиболее сильное, доходящее до летального, действие, на рыб весом 40—130 г и длиной тела до 21 см. В этом диапазоне частот возможны резонансные явления. С дальнейшим повышением частот от 100 до 1000 гц степень вибрационного воздействия на организм рыб снижается от умеренной до слабой. Таким образом, на космическом корабле с рыбами на борту необходимо предусмотреть виброизоляцию аквариума, особенно для вибраций в диапазоне 50—100 гц.
Результаты исследований днепропетровских гидробиологов в области космической гидробиологии широко применялись и в «земных» отраслях гидробиологии. Исследования по выращиванию тиляпий на хлореллосодержащих гранулированных кормах получили высокую оценку у специалистов-рыбоводов в Казахстане и Средней Азии при проведении работ по акклиматизации этой ценной рыбы в местных условиях.
Обнаруженное явление стимулирования роста и размножения дафний на хлорелльном корме с добавкой отходов рыб стало основой для разработки рекомендаций по использованию протококковых водорослей в прудовых рыбных хозяйствах.
Среди единомышленников и соратников Георгия Борисовича Мельникова необходимо отметит: Л.М. Анцышкину, Н.С. Кириленко, В.Я. Мамонтова, Ф.П. Рябова, В.Т. Хлебаса.
В настоящее время космическая гидробиология развивается в направлении проведения мониторинговых исследований состояния водных экосистем с помощью космических аппаратов. Современное развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли позволяет систематически получать различную информацию о параметрах исследуемых водных объектов. С помощью космической техники осуществляется экспресс-контроль загрязнения водоемов, а также быстрое обнаружение аварийных ситуаций. Продолжая приоритетные работы своих предшественников в области космической гидробиологии, коллектив гидробиологов ДНУ широко использует в своих исследованиях информацию из космоса для наблюдения за антропогенным загрязнением водных экосистем юго-востока Украины, подверженных «цветению», сезонным изменениям уровня и зеркала воды, влиянию крупных промышленных объектов и др. Такие исследования необходимы для составления долгосрочных прогнозов развития этих процессов и разработки на их основе рекомендаций для оптимальных управленческих решений.
