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.

---

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.

На Марсе этот эксперимент был осуществлен по запланированной программе, за исключением двух пунктов. Во-первых, из-за наличия в спускаемых аппаратах источников тепла температура в камерах, где проводился анализ, была выше температуры марсианского грунта в обоих районах посадки. Температура в камере колебалась в пределах 8 — 26 °C, тогда как температура грунта снаружи оставалась ниже 0 °C в ходе всего эксперимента. Поскольку на экваторе Марса температура может достигать 25 °C, нельзя сказать, что температурные условия в камерах сильно отличались от марсианских.

Во-вторых, в качестве источника освещения в эксперименте использовался не солнечный свет на Марсе — это было технически трудно осуществить, — а ксеноновая лампа со спектром, похожим на спектр солнечного света у поверхности Марса (в котором отфильтрованы длины волн короче 320 нм). Свет требовался для обеспечения энергией фотосинтеза организмов, если бы таковые обнаружились. Так как лабораторные эксперименты показали, что на минеральной поверхности, облученной ультрафиолетовым светом с длиной волны короче 300 нм, в присутствии СО и паров воды идет абиогенный синтез простых органических соединений, мы решили исключить этот диапазон волн, чтобы избежать путаницы при выяснении природы источников органического вещества. Хотя указанная область присутствует в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Марса, мы оправдывали ее исключение тем, что свет этих длин волн настолько разрушителен для сложных органических молекул, что у марсианских организмов должны были выработаться защитные механизмы, позволяющие либо отфильтровывать, либо нейтрализовать ее действие.

Лабораторные испытания показали, что течение эксперимента не зависит от фотосинтеза в пробах грунта. Фиксация СО и СО2 в органическое вещество в живых клетках происходит и в ходе темновых процессов. В самом деле, при лабораторных испытаниях приборы регистрировали фиксацию как в темноте, так и при фотосинтезе.

На Марсе было проведено девять экспериментов по выделению продуктов пиролиза: шесть — на Равнине Хриса и три — на Равнине Утопия. Самый первый анализ (сделанный на Равнине Хриса, С1 — на рис. 18) дал положительный результат. Количество связавшегося углерода было невелико по сравнению с тем, что наблюдалось при анализах образцов земного грунта, но значительно выше фонового уровня, установленного в предполетных лабораторных анализах стерильных проб грунта. Учитывая меры, принятые для устранения помех небиологической природы, получение даже слабого сигнала с Марса было поразительным. Поэтому было решено провести новый контрольный эксперимент (С2): вторая проба марсианского грунта нагревалась при температуре 175 °C в течение трех часов перед инкубацией с радиоактивными газами. Количество связавшегося углерода при этом снизилось на 88 %. Казалось, мы обнаружили на Марсе синтез органического вещества, чувствительный к температуре, но то обстоятельство, что и после нагрева 12 % реакции продолжалось, ставило под сомнение биологическую природу процесса.

Рис. 18. Результаты экспериментов по выделению продуктов пиролиза, проведенных на Равнине Хриса (С1 — С6) и Равнине Утопия (U1 — U3), а также при имитации условий Марса с использованием магемита в лаборатории (МЗ — М6). Пик 1 соответствует количеству радиоактивного газа, поглощенного в образце грунта, но не вступившего в дальнейшие реакции. Пик 2 соответствует такой же части поглощенного газа, которая превратилась в органическое вещество. Точки, лежащие выше сплошной наклонной линии (внизу графика), соответствуют достоверному превышению фона, установленного в ходе лабораторных анализов стерильных образцов грунта или без него. Пробы с магемитом высушивали, подвергали дегазации и выдерживали в течение 5 сут в условиях, имитирующих состав и давление атмосферы Марса, а также интенсивность ультрафиолетового излучения на планете; далее образцы анализировали с помощью такого же прибора, который использовался для исследования продуктов пиролиза в спускаемых аппаратах "Викинг". (Дополнительные подробности см. в работе.)

В двух последующих экспериментах (С3 и С4) были предприняты безуспешные попытки повторить результат эксперимента С1. Если исходить из критериев, установленных на основании предполетных анализов, то результаты экспериментов можно лишь с большой натяжкой признать положительными, хотя ни один из них по количеству связанного углерода даже не приблизился к эксперименту С1. Была проведена еще одна проверка (С5) термостабильности слабых реакций, зарегистрированных в СЗ и С4. На этот раз образец грунта инкубировали при 12 °C в течение примерно 2 мин, после чего температура понижалась до 9 °C и грунт инкубировался еще около 2 ч. На этот раз никаких изменений в реакции не произошло, что опять же свидетельствовало о ее небиологической природе. В последнем эксперименте на Равнине Хриса (С6) изучалось влияние на реакцию паров воды. Никаких изменений не было обнаружено и в этом случае.

Из трех экспериментов, проведенных на Равнине Утопия, первый (U1) по слабому положительному ответу был сходен с экспериментами С2 — С6. На основании выработанных еще на Земле критериев результаты U2 и U3 следовало признать отрицательными. Дальнейшие анализы на Равнине Утопия пришлось прекратить из-за появления течи в аппарате.

Хотя положительные результаты экспериментов по выделению продуктов пиролиза еще не получили полного истолкования, вероятность того, что они связаны с биологическими процессами, ничтожна. Такой вывод объясняется следующими причинами.

1. Поскольку не удалось воспроизвести обнадеживающий результат эксперимента С1, следует рассматривать полученные в нем высокие показания как аномалию, обусловленную, видимо, сбоем в работе прибора. Если это действительно так, то 88 %-ная потеря активности в эксперименте С2 неоправданно высока и реакция более устойчива к высокой температуре, чем это следует из результатов первого анализа. Термостабильная, небиологическая по своей природе реакция четко выражена в эксперименте С5.

2. Хотя вода должна быть фактором, ограничивающим возможность жизни на Марсе (см. гл. 6), введение в экспериментальную камеру ее паров в концентрации, создающей влажность, близкую к насыщению, не влияло на реакцию либо оказывало угнетающее воздействие. (Воду впрыскивали в экспериментах С5, С6 и U2. Подробности приведены в работах [4, 5].)

3. Хотя данных на этот счет недостаточно, по-видимому, можно считать, что наблюдаемая реакция протекает примерно одинаково как в темноте, так и на свету. (Эксперименты U1 и U3 проводились в темноте, а все другие — на свету.) Образцы грунта, взятые с поверхности Земли, как правило, связывают гораздо больше углерода на свету, что объясняется присутствием там фотосинтезирующих организмов.

4. Лабораторные опыты, проведенные после полета "Викингов", показали, что, за исключением сомнительной чувствительности реакции к высоким температурам, все отмеченные выше ее особенности характерны для небиологических реакций между смесью радиоактивных газов и богатыми железом минералами. К их числу относится магемит (у-Fe2О3) — магнитная форма оксида железа, которая сравнительно редко встречается на Земле, но, как позволяют думать результаты, полученные "Викингами", широко распространена на Марсе.

Таким образом, на основании полученных результатов фиксацию углерода, зарегистрированную в эксперименте по выделению продуктов пиролиза (ВПП), вероятно, можно объяснить тем, что на поверхности Марса присутствуют один или несколько железосодержащих минералов, которые реагируют с СО из газовой смеси. Содержание железа в грунте поверхности Марса составляет 13 %. Хотя специалисты все еще обсуждают вопрос, какие именно минералы имеются на поверхности планеты, вероятно, в данном эксперименте были зарегистрированы продукты реакции, катализируемой железом. Природа образовавшегося продукта, независимо от того, органический он (т. е. содержащий атомы углерода, соединенные с атомами водорода) или нет, не известна. Если предположить первое, то, судя по результатам эксперимента ВПП, количество синтезированного органического вещества должно быть близко к пределу чувствительности газового хроматографа с масс-спектрометром (эксперимент ГХМС) при условии, что углерод перешел в состав какого-то одного соединения. Если бы образовалось более одного соединения, то газовый хроматограф не смог бы их обнаружить. В любом случае результаты этих двух экспериментов не противоречат друг другу.