Вот что Константин Циолковский писал по этому поводу в своей научно-фантастической повести «Вне Земли» (1918): «Выделения легких, кожи, почек и т. д. поглощались особыми сосудами и составляли прекрасную пищу для растений. Семена их были посажены в ящики с почвой, удобренной этими выделениями. Когда семена пустили ростки, сосуды с ними были выставлены на свет <…>. Необыкновенная сила солнечного света, не ослабленного толстым слоем земной атмосферы, непрерывное его действие, вертикальные лучи, отсутствие вредителей, наиболее благоприятные условия влажности и атмосферы сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматическими плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение – искусственно. Тяжести не было, веточки свободно распространялись, и плоды их не отягчали и не гнули. <…> Клубника, земляника, разнообразные овощи и фрукты росли не по дням, а по часам. Множество плодов давало урожай через каждые десять, пятнадцать дней. Сажали карликовые яблони, груши и другие небольшие плодовые кусты и деревья. Эти без перерыва цвели и давали изумительно большие и вкусные плоды. Одни деревья зацветали, другие имели уже спелые ягоды. Особенно удавались арбузы, дыни, ананасы, вишни, сливы. Но приходилось постоянно подрезывать подрастающие кусты и деревца. Плоды всякого сорта собирались непрерывно во всякое время, так как времен года не было: был один непрерывный, неизменный климат. <…> Вот почему можно было разводить растения всех стран…»

Пневмовакуумный костюм «Чибис»

Несмотря на явную утопичность этих идей, создатели практической космонавтики всегда признавали необходимость конструирования автономной биосферы в качестве одного из обязательных условий обеспечения космической экспансии. Первые серьезные эксперименты в данном направлении предприняли сотрудники Красноярского института биофизики Сибирского отделения Академии наук СССР. В 1964 году в системе «БИОС-1» была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек – хлорелла». Одноклеточные водоросли очень хорошо поглощали углекислый газ и вырабатывали кислород, однако оказалось, что хлорелла малопригодна для питания человека. В 1965 году в эксперименте «БИОС-2», кроме водорослей, использовались и высшие растения – пшеница, овощи. Добровольцы пытались есть хлореллу, добавляя в нее различные пищевые добавки, жарили ее, пекли пироги с хлореллой. Однако результат был тот же – эти водоросли в принципе не усваиваются человеческим организмом, вызывая отрыжку, метеоризм, тошноту и даже острую аллергическую реакцию. Дело в том, что гемицеллюлоза, из которой построена оболочка клетки хлореллы, практически не разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому водоросль не может быть использована для питания человека.

Примерно в то же время к разработкам замкнутой системы жизнеобеспечения подключился московский Институт медико-биологических проблем Академии наук СССР (ИМБП Академии наук). Наибольшую известность получил эксперимент, проведенный в период с ноября 1967 по ноябрь 1968 года и вошедший в историю как «Год в земном звездолете». В изолированном объеме три добровольца проводили испытания систем жизнеобеспечения. Была там и гидропонная оранжерея, которая действительно демонстрировала неплохую урожайность, обеспечивая экипаж свежей зеленью. В ходе этого эксперимента было отмечено, что оранжерея требует особого ухода, но не способна обеспечить полноценного снабжения экипажа продуктами питания. В теории максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах составляет 90–95 %. Следовательно, даже в идеальном случае около 5-10 % компонентов должны восполняться из запасов. Кроме того, полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения – растительные белки скомпенсировать их отсутствие не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот. Есть и другие трудности: половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а без специальной обработки ее нельзя использовать даже в качестве удобрения.

Широкий резонанс получили исследования в большом комплексе «БИОС-3» объемом 315 м3, построенном в подвале Института биофизики. Понимая, что воспроизвести весь земной цикл невозможно, ученые поставили целью сделать минимальную биосферу из трех звеньев: «человек – хлорелла – растения». Строительство комплекса завершилось в 1972 году. В «БИОС-3» были проведены десять экспериментов с экипажами от одного до трех человек. Самый продолжительный эксперимент проходил 180 дней (1972–1973 годы). Удалось достичь полного замыкания системы по газу и воде, но главное – до 80 % потребностей экипажа в пище. В оранжереях при искусственном освещении выращивались пшеница, соя, салат, чуфа. Растения имели укороченные стебли, что позволяло снизить количество отходов. Продукты животного происхождения поставлялись в виде консервов. Дольше всех в «БИОС-3» прожил инженер Николай Бугреев – в общей сложности тринадцать месяцев. В начале 1990-х годов комплекс был законсервирован, а эксперименты в нем прекращены.

Если на Земле высшие растения удалось сравнительно легко включить в состав искусственной биосферы, то в космосе с этим возникли затруднения. Основоположники предполагали, что факторы космического полета окажутся, скорее, благоприятными для развития растений, причем прогнозировалась фантастическая урожайность. Первые исследования, проведенные на «Союзе-9», «Зонде-8» и «Союзе-12» с ростками пшеницы, картофеля, гороха, подтверждали предвидения теоретиков. Освободившись от тяжести, растения и вправду росли подчас быстрее, чем на Земле. Весьма обнадеживающими поначалу выглядели и результаты, полученные на орбитальной станции «Салют-4» в миниатюрной оранжерее «Оазис-1». Горох и лук, высаженные в ней, выросли до нормальных размеров.

Комплекс «БИОС-3»

Однако попытки получить растения из семян оказались неудачными. У опытных образцов, по сравнению с контрольными, медленнее росли стебли и образовывались первые настоящие листочки; затем многие из них захирели и увяли, не дав плодов. Космонавт Валерий Рюмин, который провел 175 дней на орбитальной станции «Салют-6», показывая перед бортовой телекамерой увядшие ростки огуречной рассады, комментировал: «Второй раз сажаем семена, и опять та же история: как только кончается то, что заложено природой в семени, рост прекращается и растение погибает».

Позднее на «Салюте-6» побывала установка «Лютик» с тюльпанами – луковицы были пророщены на Земле, им оставалось только распуститься. Но делать этого они категорически не захотели. Тогда ученые предприняли попытку обмануть суровый космос, послав на орбиту блок «Малахит-2» с уже распустившимися орхидеями. Цветы опали почти сразу, но сами растения дали прирост, у них образовались не только новые листья, но и воздушные корни. Примечательно, что, вернувшись на Землю, орхидеи обильно зацвели.

Эксперименты с растениями были продолжены на станции «Салют-7» в оранжерее «Фитон-3». 2 августа 1982 года космонавт Валентин Лебедев сообщил, что невзрачный сорняк арабидопсис (родственник горчицы и капусты) наконец-то зацвел. Прибывшей на станцию Светлане Савицкой экипаж вручил небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его. На рисунке запечатлены семь растений высотой до 10 см; при подсчетах на Земле в их стручках обнаружили 200 семян. Этот опыт опроверг крепнувшее в научном мире мнение о невозможности полноценного развития растений (от семени до семени) в условиях космического полета. Правда, арабидопсис – самоопылитель, оплодотворение у него происходит еще до раскрытия бутона.