В "Дорожной карте глобальных исследований", выпущенной Международной координационной группой по исследованию космоса - форумом, объединяющим более 20 космических агентств, - в качестве общей движущей цели указаны полеты экипажей на Марс.
Это отражено в планах отдельных агентств: например, NASA при поддержке таких организаций, как CSA, ESA, Роскосмос и JAXA, планирует вернуться на Луну к 2024 году и обеспечить там устойчивое присутствие к 2028 году. Это начинание является важной вехой в более масштабной программе, ведущей к полетам с экипажем на Марс, предварительно запланированным на 2030-е годы. Частные компании заявили о соответствующих целях; в частности, SpaceX намерена осуществить посадку на Марс уже в 2020-х годах. Хотя сроки, скорее всего, будут пересмотрены, полеты на Марс с экипажем могут состояться в ближайшие десятилетия.
Среди сопутствующих проблем - необходимость обеспечения экипажей расходными материалами для жизнеобеспечения. Расходные материалы для первой миссии могут быть отправлены с Земли, но стоимость запуска, время в пути и риск неудачи таковы, что жизнеспособность стабильной программы будет зависеть от нашей способности производить расходные материалы на месте. Биологические науки могут содействовать этой способности: биологические системы производства и переработки необходимых ресурсов, называемые биорегенеративными системами жизнеобеспечения (BLSS), были предложены для космических полетов и планетарных аванпостов.
Некоторые из них предполагают использование цианобактерий. Например, Limnospira indica рассматривается для регенерации воздуха, удаления нитратов и производства съедобной биомассы в Альтернативной микроэкологической системе жизнеобеспечения (MELiSSA) - проекте BLSS, направленном на регенерацию атмосферных газов, рециркуляцию воды, переработку отходов и производство продуктов питания для космических полетов с экипажем. Также было предложено использовать изоляты микроорганизмов пустынного происхождения, исходя из предположения, что экстремофильные свойства могут быть преимуществом в случае воздействия суровых условий окружающей среды.
Зависимость исключительно от материалов, импортируемых с Земли, ограничила бы автономность BLSS: без пополнения запасов количество элементов в системе может только уменьшаться со временем. Хотя на низкой околоземной орбите это не является серьезным препятствием, для длительного пребывания на Марсе это было бы неприемлемо. Там главную роль могут сыграть диазотрофные, устойчивые к воздействию горных пород цианобактерии: утверждается, что их можно использовать в качестве основы для BLSS, которая будет полагаться на местные ресурсы, тем самым значительно снижая зависимость экипажа от Земли.
Во-первых, цианобактерии будут питаться материалами, имеющимися на месте: вода может добываться из грунта и атмосферы; углерод и азот (доступные в виде CO2 и N2) могут питать их фотосинтетический и диазотрофный метаболизм; а все остальные необходимые питательные вещества присутствуют в реголите и, похоже, могут быть использованы видами, наделенными способностью перерабатывать базальтовые субстраты.
Культивируемые цианобактерии могут производить различные расходные материалы напрямую (например, O2 и пищевые белки), а также поддерживать рост других организмов. Вторичные продуценты могут затем синтезировать дальнейшие ресурсы, а генная инженерия может повысить как эффективность, так и спектр их применения. Эффективность во многом будет зависеть от поведения цианобактерий в искусственной атмосфере: необходим компромисс между условиями, которые были бы желательны с чисто инженерной и логистической точки зрения (приближенными к условиям, существующим на марсианской поверхности), и условиями, оптимизирующими продуктивность цианобактерий.
Чтобы изучить этот компромисс, мы разработали фотобиореактор низкого давления, получивший название Atmos, который может обеспечить жестко регулируемые атмосферные условия в девяти камерах культивирования. Мы использовали его для изучения влияния газовой смеси 96% N2, 4% CO2 при общем давлении 100 гПа на Anabaena sp. PCC 7938.
Мы показали, что эти атмосферные условия (называемые MDA-1) могут поддерживать энергичный автотрофный и диазотрофный рост цианобактерий. Мы обнаружили, что MDA-1 не мешает Anabaena sp. использовать аналог марсианского реголита (MGS-1) в качестве источника питательных веществ. Наконец, мы продемонстрировали, что биомасса цианобактерий, выращенная в условиях MDA-1, может использоваться для питания вторичных потребителей (в данном случае гетеротрофной бактерии E. coli W).
В целом, наши результаты позволяют предположить, что смесь газов, извлеченных из марсианской атмосферы, доведенная до давления, составляющего примерно одну десятую от земного на уровне моря, подойдет для фотобиореакторных модулей систем жизнеобеспечения на основе цианобактерий. Этот результат может значительно повысить жизнеспособность таких систем на Марсе.
