Норман Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе

• Название: Поиски жизни в Солнечной системе
• Автор: Норман Хоровиц
• Издательство: Мир
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1988
• ISBN: 5-03-001356-3

Как зародилась жизнь на Земле? Существует ли она на других планетах Солнечной системы или еще где-нибудь во Вселенной? Этим вопросам, издавна волновавшим человека, посвящена книга известного американского ученого Нормана Хоровица, крупного экзобиолога, одного из научных руководителей программы "Викинг", целью которой был поиск следов жизни на Марсе.

Адресована читателям, интересующимся достижениями современной науки, желающим глубже понять окружающий нас мир.

---

Рис. 16. Выделение углекислого газа (квадратики) и кислорода (кружочки) в первом эксперименте по газообмену, проведенном на Равнине Хриса. Время отсчитывается с момента увлажнения камеры. Кривая, отражающая выделения кислорода в зависимости от времени, смещена вправо на 20 ч, чтобы кривые не накладывались друг на друга. После 175 ч инкубации в условиях влажности образец грунта смачивался питательной средой. Последующее снижение концентрации кислорода вызвано его взаимодействием с аскорбиновой кислотой среды

После семи солов увлажнения парами воды первая проба марсианского грунта смачивалась путем введения в камеру большего количества водного питательного раствора. Теперь эксперимент по газообмену проходил в том виде, как был задуман первоначально. Влажный грунт инкубировали в течение 196 солов (6,7 месяца); как полагали исследователи, марсианские организмы должны были обнаружить свое присутствие, выделяя или поглощая газы. Ничего подобного не произошло. Единственным значительным изменением, которое удалось зарегистрировать за эти месяцы, была убыль кислорода; это объяснялось тем, что он вступал в реакцию с аскорбиновой кислотой (витамином С) питательного раствора.

Во втором эксперименте камера была освобождена от газа и среды, высушена, после чего в нее загрузили новую порцию поверхностного материала. Образец нагревали на протяжении 3,5 ч при температуре 145 °C, охлаждали и затем опять увлажняли. Снова наблюдалось выделение кислорода, в количестве, примерно вдвое меньшем, чем в первом эксперименте, но этого было достаточно, чтобы подтвердилась необиологическая природа процесса. Эксперименты по газообмену, проведенные спускаемым аппаратом "Викинга-2" на Равнине Утопия, дали сходные результаты, хотя и меньшие по масштабам. Таким образом, эксперименты по газообмену показали, что марсианская поверхность является химически активной вследствие присутствия в грунте разных районов планеты соединений типа пероксидов.

Эксперимент по выделению радиоактивной метки. Джилберт Левайн, разрабатывая эксперимент с выделением радиоактивной метки (ВРМ), исходил из предположения, что марсианские микроорганизмы, находясь в водном растворе питательных веществ, будут выделять газ. Однако этот эксперимент отличался от описанного ранее эксперимента по газообмену некоторыми существенными деталями. Прежде всего, использовавшаяся в нем питательная смесь состояла всего из семи более простых и универсальных соединений. Это растворенные в воде муравьиная, гликолевая и молочная кислоты (в виде их натриевых или кальциевых солей), а также аминокислоты глицин и аланин; аланин и молочная кислота присутствовали в форме оптических изомеров. Все эти молекулы могут образоваться абиогенно в реакции Миллера с искровым разрядом; все они были обнаружены в метеоритах или в межзвездных газово-пылевых облаках, что позволяло предположить, что организмы, где бы они ни существовали, смогут усвоить в процессе обмена веществ хотя бы одно из этих соединений. Эксперимент ВРМ отличался также тем, что в питательном растворе использовались вещества, меченные радиоактивным углеродом. Поэтому образование любого газа, содержащего углерод (преимущественно СО2), можно было зарегистрировать, измеряя уровень радиоактивности. Это существенно повышало чувствительность измерения. Сочетая в себе универсальность и высокую чувствительность, данный эксперимент был почти идеальным для выявления признаков жизни на планете, имеющей воду.

Эксперимент начинался с добавления приблизительно 0,1 см3 радиоактивной среды к 0,5 см3 марсианского грунта. Чтобы предотвратить кипение среды при температуре камеры (около 10 °C), в камеру продували гелий. Объем введенной среды был рассчитан так, чтобы увлажнялась только какая-то часть образца марсианского грунта. Почти сразу после инъекции среды началось сильное выделение радиоактивного газа. Постепенно уменьшаясь, оно в конце концов достигало уровня, при котором в радиоактивную кислоту превращалось только 1/2 часть атомов углерода из смеси органических веществ. Наиболее вероятно, что источником радиоактивного газа была муравьиная кислота — соединение с одним атомом углерода в молекуле, которое легко окисляется пероксидами до СО2.

Когда выделение радиоактивного газа почти полностью прекращалось, вновь вводился питательный раствор. Если бы выделение радиоактивного газа вызывалось действием на грунт пероксидов, то новая порция питательного раствора не приводила бы к его дальнейшему образованию, поскольку пары воды из первой порции раствора должны были бы разрушить пероксид даже в той части образца грунта, которая непосредственно не соприкасалась с питательным раствором. Но если бы радиоактивный газ выделяли микроорганизмы, содержащиеся в грунте, то добавление свежей питательной среды только усилило бы выделение газа. Подтвердилось первое предположение: газ больше не выделялся. Аналогичный результат был получен и с остальными исследованными образцами марсианского грунта.

На следующем этапе эксперимента по выделению радиоактивной метки повторялся тот же анализ, но с нагретой пробой грунта. В опыте по газообмену при нагревании образца грунта до 145 °C в течение 3,5 ч выделение кислорода уменьшалось примерно вдвое. Однако в экспериментах ВРМ при нагревании образца марсианского грунта до 16 °C в течение 3 ч активность полностью прекращалась. Различие в режимах инкубации по продолжительности времени и величине температуры в этих двух экспериментах несущественно. Наиболее важно, по-видимому, как позже отметил Ояма, различие в методике проведения эксперимента. Ведь в экспериментах по газообмену камера при нагревании была открыта, и через нее продувался гелий, тогда как в опыте по выделению радиоактивности камера была все время закрыта. Анализ, проведенный с использованием ГХМС, показал, что при нагревании образцов грунта до температуры 50 °C около 1 % их массы выделяется в виде воды, а какая-то часть воды выделяется даже при нагревании до 200 °C. Несомненно, что эта вода образуется из гидратированных минералов, а не в результате испарения ее свободной формы. Анализы ГХМС не проводились при температуре 16 °C, но длительное пребывание образца марсианского грунта при этой температуре в ходе эксперимента ВРМ вполне могло привести к образованию достаточного количества воды, которая и разрушила вещество — окислитель, ответственное за возникновение СО2. Возможно и другое объяснение. Быть может, на Марсе существуют термостабильные и термолабильные пероксиды, вызывающие окисление, и те из них, которые были обнаружены в эксперименте по выделению радиоактивности, принадлежали именно к последнему классу.

Рис. 17. Образование радиоактивного диоксида углерода в первом эксперименте по выделению радиоактивной метки, проведенном на Равнине Хриса (кривая А), и контрольный опыт с прогревом образца (кривая В). Падение радиоактивности после повторной инъекции питательной среды (кривая А) свидетельствует о том, что часть диоксида углерода растворилась в среде. (Из книги: Horowitz N. Н. The Search for Life on Mars, © by Scientific American, Inc., 1977.)

Эксперименты по выделению продуктов пиролиза (ВПП). Еще до полетов "Викингов" можно было с уверенностью сказать, что если жизнь и существует на Марсе, то она приспособлена к марсианским, а не к земным условиям. Поэтому мной вместе с сотрудниками Джорджем Хобби и Джерри Хаббардом были разработаны эксперименты по выделению продуктов пиролиза, называемые также экспериментами по ассимиляции углерода, которые предназначались специально для проведения биологического анализа марсианского грунта именно при существующих на Марсе условиях.

План эксперимента состоял в инкубации образца марсианского грунта в атмосфере Марса, обращенной небольшим количеством меченных радиоактивным углеродом газов СО и СО2 (они присутствуют в атмосфере планеты в количествах 0.1 и 95 % соответственно), и последующем измерении количества атомов радиоактивного углерода, включившихся в органическое вещество образца. Инкубация грунта должна была происходить в течение 120 ч при давлении, температуре, составе атмосферы и солнечном освещении, характерных для Марса. После удаления из камеры радиоактивной атмосферы проба должна была нагреваться в потоке гелия до температуры 625 °C, чтобы произошел пиролиз любых содержащихся в ней органических веществ и превращение их в летучие фрагменты. Ток гелия уносил их затем из камеры в колонку, заполненную сорбентом из кизельгура[21], поглощающим все органические вещества, но не СО и СО2. Как только молекулы органических соединений отделялись от непрореагировавших с кизельгуром газов, колонка нагревалась до температуры 64 °C, при которой газы высвобождались и затем окислялись до СО, под действием находившегося в этой же колонке оксида меди. И наконец, можно было измерить радиоактивность образовавшегося СО2.