Текст уведомления здесь

Дышать поглубже

В марсианской воде, если верить новым расчетам планетологов, вполне достаточно кислорода для жизни бактерий

Исследователи из Калтеха оценили содержание кислорода в приповерхностной воде на Марсе. Выяснилось, что, несмотря на бедность атмосферы Марса кислородом, там вполне может процветать аэробная жизнь. Воды на площади десятков миллионов квадратных километров достаточно, чтобы там жили многоклеточные организмы. Кроме того, кислорода в марсианских водах может быть даже больше, чем в водах Земли 2,4 миллиарда лет назад. Из этого следует, что на Красной планете потенциально может выжить не только простейшая жизнь.
Добавить в закладки
Комментарии

Летом этого года низкочастотный радар европейского зонда «Марс Экспресс» показал, что в 1,5 километра под южной полярной шапкой этой планеты лежит озеро диаметром в 20 километров — первый водоем, открытый на другой планете Солнечной системы. Planum Australe, Южная равнина, под которой оно лежит, покрыто отметинами, напоминающими следы извержения гейзеров — то ли жидкой воды, то ли углекислого газа.

Карта Южного полушария Марса, на которую наложены данные съемки Planum Australe. Цвета соответствуют силе отраженного сигнала, где синим отмечены места, отражавшие сигнал сильнее всего, что позволило ученым предположить наличие воды в этих регионах. Изображение: USGS Astrogeology Science Center, Arizona State University, ESA, INAF. Графическая обработка Davide Coero Borga — Media INAF

Карта Южного полушария Марса, на которую наложены данные съемки Planum Australe. Цвета соответствуют силе отраженного сигнала, где синим отмечены места, отражавшие сигнал сильнее всего, что позволило ученым предположить наличие воды в этих регионах. Изображение: USGS Astrogeology Science Center, Arizona State University, ESA, INAF. Графическая обработка Davide Coero Borga — Media INAF

Возможно, новое открытие, хотя и сделанное «на кончике пера», имеет не меньшее значение, чем обнаружение первого водоема на Красной планете. Ученые из Калифорнийского технологического института поставили перед собой простую задачу — рассчитать, каким будет содержание кислорода в марсианских грунтовых рассолах, соприкасающихся с местной атмосферой. Да, именно рассолах — судя по пробам марсианского грунта, взятых посадочными аппаратами, там очень высоко содержание солей.

Из-за этого фактора температура замерзания рассолов на Марсе может колебаться от -75 до -20 по Цельсию. А растворимость кислорода в воде крайне сильно связана с ее температурой: скажем, в земной морской воде при +45 по Цельсию растворяется всего 20 миллиграммов кислорода на литр, а при +5 — уже 40 миллиграммов. Оказалось, что особо переохлажденная марсианская вода настолько склонна «высасывать» кислород из атмосферы, с которой контактирует, что содержаться его в ней должно немало. Несмотря на то что в газовой оболочке четвертой планеты всего 0,14%, холодная и очень соленая вода из верхних слоев грунта должна содержать не менее одной миллионной моля кислорода на кубометр. Хотя это может показаться очень небольшим в сравнении с тем, что встречается в морях Земли: именно эта величина — порог, отделяющий аэробную среду от анаэробной. До Великого кислородного события (или Кислородной катастрофы), произошедшего на Земле 2,4 миллиарда лет назад, содержание кислорода в морях не превышало этой критически важной величины.

Самое интересное: согласно расчетам новой работы, на 6,5% территории Марса достаточно холодно, чтобы в воде из верхних слоев грунта содержание кислорода было выше 0,002 моля на кубометр. Этого уже достаточно для поддержания жизни наиболее нетребовательных многоклеточных организмов — таких, как губки.

С учетом площади Марса аэробные «оазисы», где содержание кислорода достаточно велико, могут занимать десять миллионов квадратных километров.

Может показаться, что это чересчур оптимистично. В самом деле, переохлажденные соленые воды, может, и не замерзнут при десятках градусах ниже нуля. Но сможет ли там кто-то выжить? Ведь метаболизм живых существ прямо зависит от температуры. Какие многоклеточные будут жить там, где холоднее, чем в Антарктиде зимой?

Однако наименее требовательные к кислороду многоклеточные заодно и самые склонные к медленному росту. Те же губки в холодных антарктических водах имеют жизненный цикл до десятков тысяч лет. Да, в марсианских условиях метаболизм может быть еще медленнее, и «плавный» жизненный цикл местных организмов — еще неспешнее. В любом случае, он возможен, по крайней мере, кислорода там для этого достаточно, и именно в этом основная соль работы.

Что это значит?

Наличие кислорода в близких к поверхности марсианских грунтовых водах — очень важный фактор. Следует понимать, что изначально простейшая жизнь весьма чувствительна к кислороду, причем в негативном смысле: он ее убивает. Выжить могут те организмы, которые используют ферменты типа супероксиддисмутазы, каталазы или цитохрома (последний умудряется еще и извлекать энергетическую выгоду из борьбы с активными формами кислорода). Чтобы выжить и размножиться в кислородной среде, одноклеточный организм должен либо содержать одну-две разновидности цитохрома (и тогда это факультативный анаэроб), либо три его разновидности (и тогда он аэробный).

Тем не менее все сложные организмы мирятся с окислительным стрессом от кислорода. Причина — в куда большей эффективности аэробного дыхания в сравнении с анаэробным. Любое дыхание — это процесс окисления «топлива» (например, сахаров) окислителем. Анаэробные механизмы используют для этого NO3-, NO2- или Fe3+ и иные акцепторы электронов. Кислород намного эффективнее. Например, мышцы человека могут использовать как анаэробное дыхание — и тогда разложением одной молекулы глюкозы получают две молекулы АТФ, так и аэробное, при котором, разложив одну молекулы глюкозы, получают 38 молекул АТФ.

Разница говорит сама за себя: в кислородной среде жизнь испытывает настоящий энергетический бум. Именно на этом буме и могут существовать сложные организмы: у тех их клеток, что разлагают питательные вещества, появится достаточно «прибавочного продукта», чтобы прокормить «нахлебников» в виде специализированных тканей, например нервной. Кислород в марсианской воде означает, что там может быть существо с дифференциацией тканей. Возможность найти многоклеточных на Марсе — вот что означает новая работа.

Можно ли проверить эту гипотезу?

О воде в верхних слоях марсианского грунта заговорили в 2015 году, хотя через два года после этого все то же NASA сообщило, что «потоки воды» могут оказаться и песком и без более пристального и близкого наблюдения тут не обойтись.

Потоки воды\песка на склоне кратера Ньютона. Источник: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

Более того, в этом году Curiosity наконец отчитался о следах органики в пробах грунта, которые он собрал. Это, правда, были следы органики далекого прошлого. 

Напрашивается вопрос: если вода бывает там так близко к поверхности, то почему же марсоходы еще не обнаружили никаких следов ассоциирующейся именно с жизнью. сложной органики в местном грунте? Да, были находки ароматических и алифатических углеводородов и тиофен - но такие соединения вполне могут образоваться и неорганическим путем и присутствуют не только в составе живых организмов (тот же тиофен), но и в заведомо безжизненных средах. А вот несомненных «кирпичиков» жизни ни один аппарат пока и близко не нашел.

Правильный ответ на этот вопрос очень печален: все до сих пор опробованные марсоходы в принципе не могут это сделать. Вопреки усиленной рекламе достижений автоматов на других планетах, возможности их, как и на Земле, очень и очень скромны в сравнении с возможностями человека. Даже такой продвинутой марсоход, как Curiosity, хотя и весит как легковой автомобиль, но бурить глубже нескольких сантиметров не способен. Проблема в том, что верхние десятки сантиметров на Марсе — самое опасное место для любой жизни. Туда сравнительно просто попасть ионизирующей радиации, благо ее на неприкрытом магнитным полем Марсе немало.

Curiosity может бурить лунки лишь подобной глубины. Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS

Автомат может иметь более глубокий бур, как, например, марсоход «Экзомарс», который будет оснащен раскладным буром, способным добраться до глубины в два метра. Но для этого ему надо поставить такую задачу. Когда планировали миссию Curiosity, никто, честно говоря, особо не думал над тем, что близко к поверхности Марса вообще может быть жидкая вода — ее следы были замечены только в 2011 году. К счастью, теперь есть понимание и того, что она там присутствует, и того, что в ней может быть достаточно кислорода для аэробной жизни. Теоретически «Экзомарс» вполне может добиться нужных результатов. Но на практике мы бы не торопились на это надеяться.

Бур «Экзомарса». Фото: ESA

Бур «Экзомарса». Фото: ESA

Во-первых, на относительно небольшом марсоходе трудно разместить большой и многоразовый бур. Двухметровый инструмент «Экзомарса» рассчитан лишь на два раза и, только если повезет, сможет работать после этого. Во-вторых, гипотетическая вода близко к поверхности на Марсе далеко не везде. Склоны, на которых потоки воды в 2011 году заметил непальский школьник Лухендро Ойха, конечно, могли иметь жидкую воду, потому что материал крутого склона часто представляет более глубокие слои, чем обычная поверхность. Вот только загнать марсоход на крутой склон — не самая лучшая идея. Он может с него просто свалиться вверх тормашками или застрять (в таких местах часты скопления рыхлых материалов, скорых на осыпание). И тот и другой случай — конец научной работы для планетохода. Поэтому «Экзомарс» будет бурить на плоскости, где до жидкой воды может быть и больше пары метров. Чего греха таить, не только на Марсе, но и на Земле есть немало мест, где вода в грунте куда глубже двух метров.

Другая проблема: поиск такой жизни узким диапазоном приборов, доступным марсоходам, тоже сложное занятие. Разработчики американского «Викинга», который еще в 1976 году попробовал найти на поверхности Марса жизнь, уверены: из-за ошибок при проектировании «Викинг» эту жизнь в анализируемом образце сперва убил (если она там и была), а потом, ожидаемо, не нашел.

Конечно, группа астронавтов с простейшими ручными инструментами легко смогла бы и спуститься по склону, где ранее были выявлены водные потоки, и многократно взять пробы грунта с пары метров в самых разных точках планеты. Любой биолог с приличным микроскопом сможет найти аэробные организмы — как и факультативных анаэробов — в марсианской воде, если, конечно, они там есть.

Но на то это и люди — универсальные и гибкие инструменты, которым не страшны склоны или песок. На сегодня очевидно, что в обозримом будущем отправить туда человека мы не можем. Значит, нужен другой путь проверки гипотезы о марсианском кислороде.

К счастью, косвенные подтверждении гипотезы о насыщенной кислородом марсианской воде получить можно. Более того, авторы новой работы уже сделали это. Они заметили, что данные о составе оксидов в марсианском грунте предполагают очень интенсивный контакт с кислородом — много более интенсивный, чем стоит ожидать, опираясь на его ничтожное содержание в разреженной марсианской атмосфере. В частности, оксид марганца может образоваться при контакте с водой, в которой растворен кислород, но вот в контакте с газовой смесью, содержащей 0,14 процента кислорода, его образование весьма маловероятно.

Что насчет остальной воды?

Новая работа ограничивается именно приповерхностной водой. Но следует сказать прямо: это очень небольшая доля марсианской воды вообще. К сожалению, без исследований планеты на месте трудно точно понять, сколько конкретно воды там есть, ведь она лежит под поверхностью. Существующие оценки колеблются: минимальные утверждают, что ее достаточно, чтобы покрыть всю планету 500 метрами воды, более оптимистичные говорят о 1000 метров. Для сравнения: земные океаны в среднем менее четырех километров глубины, то есть воды на Марсе пусть и меньше, чем у нас, но не так уж и мало.

Другое дело, что почти вся она должна находиться в озерах типа того двадцатикилометрового под Южной равниной Марса, об открытии которого было объявлено летом этого года. Такие водоемы могут быть изолированы от марсианской атмосферы — так же, как и озеро Восток подо льдами Антарктиды. Значит ли это, что там нет кислорода, который в воде у марсианской поверхности берется именно из атмосферы этой планеты?

К счастью, это не так. В том же озере Восток много кислорода, и берется он из того самого льда, что отсекает подледный водоем от поверхности и от атмосферы. Лед когда-то образовался у поверхности, в контакте с газовой оболочкой, и газовые пузырьки вмерзли в него. В контакте с водой лед тает, и газы высвобождаются. Поэтому в Востоке кислород не просто есть — его там опасно много. Большинство бактерий на поверхности планеты в воде с таким содержанием кислорода погибли бы. Но, несмотря на это, озеро Восток все же обитаемо.

Водный лед южной полярной шапки Марса точно так же намерзал в контакте с атмосферой, и точно так же там, где полярная шапка соприкасается с глубокими озерами, лед будет снабжать их кислородом. Более сложный вопрос — сколько именно его будет растворено в местной воде. Дело в том, что соленость глубоких озер крайне трудно определить. Мы не знаем состава глубоко залегающих пород четвертой планеты. Может быть, соли там крайне немного. Скажем, в земном Востоке вода вообще пресная. Если пресна и вода марсианских озер, то температура их замерзания ниже, чем у соленой воды в верхних слоях грунта. А значит, кислорода в такой воде будет заметно меньше.

Более точные данные можно попробовать получить у гейзеров Южной равнины Марса. Они регулярно извергаются, и уже давно возникли предположения, что подледные озера могут быть связаны с такими извержениями. Если вода там насыщена кислородом и там есть аэробные организмы, их следы в воде, излившейся из гейзеров, должно быть, вполне реально найти. Увы, экспедиции к Южному полюсу Марса, да и к другим приполярным районам этой планеты, пока не планируется. А жаль. Как показывает новая работа, именно приполярные области с их переохлажденной грунтовой водой могут быть самым перспективным местом для поиска сложных организмов.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы