В идеале системы для переработки отходов должны устанавливаться прямо в обитаемых блоках и не допускать существенного загрязнения. Поначалу биотехнологические установки будут применяться в качестве резервных, но с их освоением именно биотехнология превратится в основное средство синтеза и возобновления ресурсов.
Провиант издалека
Производство пищи – одна из самых естественных и жизненно важных областей применения биотехнологии на других планетах. В долгосрочной перспективе от производства пищи будут зависеть все экспедиции. В фантастических романах астронавты часто питаются «кашицей», содержащей все жизненно важные аминокислоты и питательные вещества. Это месиво якобы выглядит, пахнет и ощущается одинаково – что до попадания в кишечник, что после. В XXI в. пища космонавтов куда ароматнее, однако, хотя космическое питание разрабатывается с прицелом на максимальную эффективность, ему далеко до идеала. Но в длительных и далеких экспедициях рацион космонавтов должен быть разнообразным, приятным, питательным и вкусным, чтобы психологически людям было комфортнее. Возможность ухаживать за цветущими растениями и ощущать их запах поможет поддерживать дух экипажа в течение долгого путешествия.
На корабле мало места и важен каждый кубический сантиметр. Примерно с такими же ограничениями сталкиваются городские любители, которым приходится выращивать некрупные растения на стеллажах с небольшими лотками. Недостаток места компенсируется урожайностью. Плантации в закрытом помещении функционируют круглый год при оптимально подобранной влажности, освещении и температуре, поэтому и плодоносят растения гораздо лучше, чем в традиционном сельском хозяйстве. Как показывает опыт, чем короче интервал между сборами урожая, тем больше продукции можно получить. Эти уроки имеют прямое отношение к культивированию сельхозкультур на космических кораблях и на других планетах.
Подобные варианты оптимизации уже описаны в литературе. В частности, изучением этих проблем занимается Закари Липпман из лаборатории Колд-Спринг-Харбор и Майкл Шатц из Университета Джонса Хопкинса. В 2015 г. Липпман и его группа вывели новый сорт томатов с повышенной урожайностью и ускоренным созреванием, откорректировав работу трех генов (SP, SP5G и SIER) – они регулируют репродуктивный рост, время цветения и длину стебля. Редактирование этих генов при помощи технологии CRISPR позволило повысить скороспелость растений. Кроме того, у томатов укоротился стебель, они стали компактнее.
Наряду с генно-модифицированными оптимизированными растениями, как те, что получились у Липпмана, можно задействовать в качестве пищевых добавок полезные микроорганизмы и определенную микрофлору. Например, в XXI в. широко распространилась практика ферментативного производства вкусовых добавок и продуктов неживотного происхождения. Такие разработки помогут значительно улучшить качество пищи, в частности ее вкус. Для успешного развертывания таких производств на других планетах необходимо совместно выводить на целевой планете как пищевые культуры, так и ферментирующие их организмы. Например, при акклиматизации на Марсе единственными доступными источниками углерода для микроорганизмов будут CO2 и CH3OH, а всей системе придется функционировать в условиях жесткого излучения и загрязнения.
Как бактерии, расцепляющие метанол, так и литоавтотрофы, использующие углекислый газ для ферментации, разнообразят рацион экипажа, на них можно будет опробовать производство пищи на Марсе. Как известно из опыта на Земле, ферментация может происходить в биореакторах, где генетически модифицированные организмы будут синтезировать сложные углеводы и белки. Уже охарактеризован геном некоторых метилотрофных организмов, в частности Methylophilus methylotrophus и Pichia pastoris. Их можно оптимизировать для промышленного культивирования и задействовать в крупномасштабном производстве. Кроме того, если встроить метилотрофные гены в E. coli, это позволило бы улучшить вкус, текстуру и питательные свойства получаемых продуктов, как продемонстрировал Йенс Шрадер из Института Карла Виннакера. Биореакторы с такими организмами показывают очень высокую эффективность. В одном аппарате объемом 50 м3 можно получить столько белка, сколько дают 10 га посадок сои, а урожай созревает за считаные дни. Таким же образом можно модифицировать литоавфтотрофы, чтобы они одновременно окисляли водород и связывали углекислый газ, генерируя таким образом олигосахариды, белки и жирные кислоты для питания.
На Земле уже существуют технологии промышленного выращивания водорослей, в частности Arthrospira platensis, для производства продуктов питания и биотоплива. Но они плохо поддаются коммерциализации из-за высоких капитальных затрат на реакторы и обеспечение высокой концентрации углекислого газа, необходимой для оптимизации производства. Марсианская атмосфера богата CO2, поэтому там эта проблема превращается в преимущество. При сочетании клеточной инженерии и эффективной технологии освещения, подобной квантовым точкам, которые мы обсуждали выше, фотоавтотрофы на других планетах вполне могут синтезировать пищу, богатую углеводами, белками и жирными кислотами.
Чтобы наладить производство пищи, прежде всего нужно научиться культивировать растения и получать нужные вещества на новой планете, в идеале (почти) без обработки. Далее можно перейти к выращиванию фотоавтотрофов на гидропонных фермах в контролируемых условиях, а также культивировать в грунте земные растения с высокой энергетической ценностью, для начала – сою, картофель и арахис. Для Марса с его слабой инсоляцией, пыльными бурями, отличным от земного профилем питательных микроэлементов и потенциально токсичным грунтом, нужны модифицированные растения, способные развиваться как на Земле. При помощи генно-модифицированных бактерий можно подготовить грунт к высаживанию растений. Благодаря этим мерам марсианские колонисты смогут добиться самообеспечения и протестировать технологии для полета к Титану и жизни на поколенческих кораблях. В дальнейшем, когда генно-инженерными методами удастся создать прототрофных людей, такие «усовершенствованные» астронавты смогут обходиться меньшим количеством питательных веществ.
Сырье
Для обустройства инфраструктуры на других планетах потребуются разнообразные материалы. Сначала они будут завозиться с Земли, но рано или поздно их придется синтезировать в обживаемом мире. В идеале большинство веществ нужно научиться добывать из того сырья, которым изобилует новый мир: на Марсе это CO2, а на Титане – CH4 или N2. Реголит, скорее всего, станет основным строительным материалом, из которого будут возводиться здания и все остальное (в частности, подземные жилища, лаборатории, реакторы, инструменты и транспорт).
Значительную часть материалов для экспедиции будут составлять пластмассы, так как они исключительно универсальны. Некоторые виды пластика можно производить химическими методами, наладив производственные цепочки, например превращать этилен в полиэтилен, этанол – в олефины и прозрачный полиметилметакрилат. Правда, для переработки этих материалов потребуется энергия, помещения и специальная аппаратура, подобная полуавтоматическому рециркулятору пластика, ныне работающему на МКС (этот прибор собран компанией Made In Space). Он может подавать материал прямо в 3D-принтер. Важным классом сырья станут материалы на биооснове, нам придется освоить их переработку для будущих экспедиций, поскольку такие вещества поддаются регенерации при помощи биологических механизмов (в частности, катализа и метаболической обработки). Марсианские пластики могут производиться из местного CO2 и идти на изготовление жизнеобеспечивающей инфраструктуры. Для ускорения процессов и оптимизации выращивания можно подключить к делу приспособленные для Марса организмы, в том числе модифицированные по технологии CRISPR.
На Земле материалы, получаемые микробиологическим путем, в целом сложно внедрять из-за низкой эффективности таких технологий и высокой стоимости по сравнению с петрохимическим и животным сырьем. Но на поколенческом корабле или Марсе выбора просто не будет. При отсутствии минералов, животных, а также в условиях дефицита энергии придется использовать материалы на биооснове. В конечном итоге инопланетные товары, например «марсианский шелк», станут поставляться на Землю и будут способствовать экономическому росту внеземных колоний.
Некоторыми первопроходческими работами в области проектирования новых материалов на биооснове занимается доктор Нери Оксман, дизайнер, профессор Media Lab в Массачусетском технологическом институте. Среди ее работ есть Aguahoja pavilion – структура, напоминающая по форме отлитый из меда кокон. Она состоит из самых распространенных биоматериалов на Земле, в том числе из целлюлозы, хитозана, пектина, прутиков, кусков дерева, коралловых остовов и костей. Оксман продемонстрировала, что эти материалы можно автоматически печатать, сочетать, отливать из них фигуры, придавать им форму при помощи воды, а затем собирать из них крупные устойчивые структуры. Такие обработанные восстановленные биоматериалы легко найдут применение как в обычном строительстве, так и в самом взыскательном искусстве. Некоторые творения Оксман уже сегодня выглядят как марсианские.
По мере роста потребности в повышении объемов производства будет развиваться промышленная инфраструктура, опирающаяся на ресурсы нового мира. Начнется добыча полезных ископаемых, выплавка металлов, разработка новых технологий. На этом этапе развития некоторые планеты будут окультурены до полной самодостаточности, что резко снизит вероятность полного вымирания человечества и всего нашего метавида. Техническое развитие, обеспечивающее самодостаточное существование на других планетах и спутниках в Солнечной системе, поможет заполнить пробелы, пока отделяющие нас от запуска поколенческих кораблей.