15 июля 1965 года космический аппарат НАСА «Маринер-4» вошел в историю космонавтики и исследования Солнечной системы. Это был первый в истории зонд, которыйпередал фотографии поверхности другой планеты — Марса, сделанные с близкого расстояния.
Это первая в истории фотография Марса крупным планом. (НАСА)
Пролетая мимо Красной планеты, аппарат сделал 22 снимка и отправил их на Землю. Это были первые изображения поверхности Марса, полученные из глубокого космоса. Они показали не фантастический пейзаж с каналами и вегетацией, как многие надеялись, а сухую, мертвую пустыню, усеянную кратерами — напоминая поверхность Луны.
«Маринер-4» был запущен 28 ноября 1964 года и преодолел почти восемь месяцев межпланетного полета. На момент сближения с Марсом аппарат находился на расстоянии примерно 220 миллионов километров от Земли — настолько далеко, что радиосигналы шли 12 минут в одну сторону.
«Маринер-4» сфотографировал сильно изрытый кратерами участок марсианской поверхности. (НАСА)
Разочарование и восторг от первых снимков
«Настал момент истины: действительно ли мы получили снимки? После шестичасовой задержки, необходимой для передачи 40 000 пикселей, первый снимок был показан. Но что это было прямо над лимбом? Облако? Невозможно. Все знали, что на Марсе нет облаков — должно быть, это трещина в объективе камеры. О нет, еще один сбой прибора. Конечно, как позже выяснилось, на Марсе действительно есть облака», — вспоминал инженер миссии Билл Момсен в 2002 году.
«А потом началось настоящее чудо — кадр за кадром показывали, что поверхность усеяна кратерами! Она выглядела поразительно похожей на поверхность нашей Луны, глубоко изрытой кратерами и не менявшейся с течением времени. Ни воды, ни каналов, ни жизни… Хотя поначалу команда испытала огромную радость от осознания того, что мы действительно это сделали, ее ликование было омрачено тем, что открылось», — рассказал Момсен.
Версия первого снимка Марса с улучшенным контрастом, на которой видно тонкое облако (вверху справа) в марсианской атмосфере. (NASA/JPL)
Первые 22 снимка покрывали лишь около 1% поверхности Марса, и, как оказалось, этот участок был одним из самых кратерированных. Только спустя десятилетия орбитальных наблюдений и исследований другими космическими аппаратами НАСА, включая миссии к планетам и роботизированные зонды, раскрыли сложность марсианского ландшафта: вулканические плато, древние речные дельты, пыльные бури, штормы, облака, голубые закаты и смерчи, оставляющие следы на поверхности.
Прежде чем приступить к описанию растительности на Марсе, напомним некоторые свойства климата этой планеты.
Климат на Марсе весьма суровый и сухой. При помощи очень чувствительных термоэлементов найдено, что средняя годовая температура на нем равна -23оС. Наиболее теплыми местами на Марсе являются «моря»1, здесь температура повышается до +20о, наиболее холодными – «полярные шапки», где температура понижается до -70о.
Какова же средняя годовая температура самого теплого места на Марсе? Сделаем небольшой расчет. Самая высокая годовая температура на Земле равна приблизительно +30 (Индия, Судан), т. е. на 15о выше средней для всей Земли. Если такое же различие примем для Марса, то самое теплое место на нем имеет годовую температуру -8о. На Земле это соответствует средней годовой температуре на западной берегу Новой Земли, в Туруханске и в Якутской области. Однако в самом Якутске и в Верхоянске еще холоднее, средняя годовая температура в этих пунктах равна соответственно – 11о и -17о.
На Марсе и летняя ночная температура, даже в самых теплых местах почти всегда опускается до -45о, так как атмосфера его весьма разрежена, а туманы и облака бывают редко. Таким образом на Марсе, в большинстве его мест, климат суровее, чем в Якутске и в Верхоянске.
Теперь перехожу к своим наблюдениям.
Я наблюдал планету Марс в Пулкове в 1909 г., фотографируя при помощи 30-дюймового рефрактора; в 1918 и 1920 гг. я изучал его визуально при помощи 15-дюймового рефрактора.
Снимки 1909 г. были обработаны, и результаты опубликованы. Что касается наблюдений 1918 и 2910 гг., то только в 1945 г. я смогу подвергнуть их внимательному изучению и обнаружил явления проливающие новый свет на природу Марса.
Свои наблюдения я производил визуально – как без светофильтра, так и через светофильтры, от темно-красного до голубого. Кроме того, при помощи окулярного спектроскопа наблюдался спектр отдельных образований. Наблюдения представлены на 120 рисунках, снабженных подробными примечаниями. Здесь воспроизведены 7 из этих рисунков.
Наблюдения 1918 и 1920 гг. вполне подтверждают выводы, сделанные мною по снимкам 1909 г., а именно: наилучшую видимость так называемых «морей» и «каналов» через красный фильтр, хорошую видимость деталей на краях диска планеты через красный фильтр, исчезновение их при наблюдения через зеленый фильтр и т.д. Но, кроме того, подмечены новые факты.
Через зеленый и голубой фильтры я почти всегда наблюдал на восточном и западном краях диска планеты яркие пятна, причем полярная шапка занимала по яркости второе место. Через весь диск тянутся светлые полосы, соединяющие восточные и западные пятна. Светлая полоса иногда соединяет полярную шапку с полосой, идущей в долготном направлении. Светлые полосы наблюдаются как в зимнем, так и в летнем полушарии. Замечательно, что в зимнем полушарии светлые полосы идут вдоль кромки «морей» и лишь редко проходят через сами «моря». Все это хорошо видно по рис. 1 и 6.
Эти явления без труда можно объяснить суровым климатом Марса и появлением инея утром и вечером даже в экваториальных областях планеты. Светлые полосы можно объяснить появлением высоких облаков; последнее подтверждается тем, что полосы эти иногда выступают в виде светлых язычков на темном фоне со стороны фазового ущерба, как это видно на рис. 7.
Почему же светлые полосы избегают «морей»? Это может происходить оттого, что с «морей» поднимаются потоки более теплого воздуха, в котором облака испаряются.
Марс очень беден водою, и «моря» правильнее называть растительным покровом, или, для сокращения, просто покровом. 13 мая 1920 г. мною записано, что через желтый фильтр южные покровы кажутся зеленоватыми, а северные коричневатыми. В южном полушарии Марса в это время была середина зимы, а в северном – середина лета? На первый взгляд кажется, что это противоречие. В самом деле, какая же может быть зелень в середине зимы и почему покровы коричневатые в середине лета? Однако это противоречие легко снимается, если допустить, что на покровах существуют вечнозеленые травы и деревья наряду с растениями, меняющими свою окраску к осени. Но почему же коричневатость наблюдается уже в середине лета? И это не трудно объяснить. Климат на Марсе очень сухой, и растения, буреющие в умеренных зонах Земли к осени, на Марсе буреют уже к середине лета. Подобное этому явление происходит, например, в среднеазиатских степях.
Наблюдения 13 мая 1920 г. без светофильтра и через зеленый фильтр подтвердили то, что наблюдалось через желтый фильтр.
Итак, есть основание считать, что на Марсе существует растительность — как теряющая свою зеленую окраску к середине лета, так и вечнозеленая, северного земного типа.
Есть, однако, одно явление, которое раньше казалось мне несовместимым с допущением существования на Марсе растительности земного типа; явление это заключается в следующем.
Известно, что земная зелень очень сильно рассеивает инфракрасные лучи. Казалось бы, что и растительность на Марсе должна обладать таким же свойством, а между тем фотографические наблюдения В. В. Шаронова в Ташкенте 1939 г. этого не обнаружили. После одного из моих докладов о Марсе в Алма-Ате агрометеорологом А. П. Кутыревой было высказано предположение, что в процессе приспособления к суровому и сухому климату Марса растения могли эволюционировать в направлении уменьшения способности отражать инфракрасные лучи. В самом деле, растению очень невыгодно в суровом климате сильно отражать инфракрасные лучи, обладающие еще значительной энергией. Соглашаясь с этим мнением, я пришел к мысли сравнить отражение инфракрасных лучей лиственными и хвойными растениями, пользуясь рукописными данными из наблюдений Е. Л. Кринова. Можно было ожидать, что отражательная способность в инфракрасных лучах для хвойных растений окажется значительно меньшей, чем для лиственных. Это ожидание полностью подтвердилось, что видно из кривых, приведенных на рис. 8 и 9.
Мы видим, что при одинаковых значениях для березы и ели в синих лучах (длина волны 450 миллимикрон) – по 0,06 – отражательная способность для березы в инфракрасных лучах (800 миллимикрон) достигает 0,54 против 0,16 для ели.
При одинаковых значениях для овса и тундрового можжевельника в зеленых лучах (550 миллимикрон) – 0,10 – отражательная способность овса в инфракрасных лучах (800 миллимикрон) достигает 0,82 против 0,32 для можжевельника. !
Оптические свойства разных мест на Марсе – вот то, что в настоящее время может изучать астроном для суждения о растительности на Марсе.
Если ботаник делает спиртовую вытяжку хлорофилла и изучает ее оптические свойства, то астроном изучает спектр света, рассеянного живыми листьями, и сравнивает его с тем, что наблюдается в спектре тех областей Марса, в которых можно предположить наличие растительности.
По изучению хлорофилла и его спектра очень много сделал Климент Аркадьевич Тимирязев. Его магистерская диссертация носит название «Спектральный анализ хлорофилла» (Петербург, 1871 г.). В диссертации рассматривается визуальное изучение спектра спиртовой вытяжки хлорофилла. Вот дословная выдержка из этой диссертации: «Совершенно сходные спектры получены при исследовании различных растений: злаков, шпината, ежевики, плюща. Свежие листья представляют спектры, соответствующие растворам слабой концентрации. Следовательно, не подлежит сомнению, что извлечение хлорофилла спиртом не подвергает его изменению, по крайней мере в оптическом отношении». В докторской диссертации «Об усвоении света растениями» (Петербург, 1871 г,) Тимирязев показывает, что наиболее сильное разложение углекислоты растениями происходит под влиянием тех длинноволновых лучей, которые всего обильнее поглощаются хлорофиллом. По рисунку, приведенному в этой диссертации, можно определить длины волны полос поглощения хлорофилла (Сочинения, том 1, 1937 г., стр. 403). Вот они: 664 миллимикрон (самая, темная), 607, 576 и 537 — с постепенно убывающим поглощением,
Впоследствии многими учеными было показано, что главная полоса поглощения в живом листе смещена по отношению к ее положению в растворе хлорофилла в сторону длинных волн.
Все это очень интересно, но не применимо в астрономических наблюдениях, так как астроном не может наблюдать поглощение в листьях, а тем более в растворах хлорофилла на других планетах.
В 1908 г, в английском журнале «Nature» в номера от 12 ноября (нов. ст.) появились спектрограммы планет, полученные в США на обсерватории Персиваля Лоуелла. Спектры Урана и Нептуна так поразили Тимирязева своим сходством со спектром хлорофилла, что он немедленно написал об этом статью в газету «Русские Ведомости». Вот выдержка из этой статьи: «...Мой привычный глаз был поражен присутствием в спектрах Урана и Нептуна абсорбционной полосы хлорофилла. При первой встрече с уважаемым товарищем Цесарским2 я сообщив свои подозрения: нас обоих, однако, смутило то, что сам профессор Лоуелл в своем подробном сообщении Парижской Академии, правда, еще не снабженном фотографией, ничего не говорил об этих замечательных полосах. Но вот, в последнем выпуске того же «Nature» (3 декабря) другой ботаник, голландский профессор Бейеринк, также опытный в этой области, приходит к тому же заключению. Согласное свидетельство двух экспертов, не сговорившихся между собой, живущих на противоположных концах Европы и даже незнакомых между собой, я полагаю, имеет некоторый вес». Увы, согласное свидетельство даже двух столь авторитетных экспертов оказалось несоответствующим действительности.
В настоящее время с несомненностью доказано, что полосы поглощения в спектрах Урана и Нептуна обязаны своим происхождением наличию в атмосферах этих планет аммиака и метана.
Как бы то ни было, Тимирязев написал письмо Лоуеллу с изложением своей мысли и спросил его, не наблюдается ли главная полоса поглощения хлорофилла в спектре зеленых областей Марса. В своем ответе Лоуелл пишет, между прочим, следующее: «Два года тому назад г. Слайфер делал снимки при помощи спектрографа с целью доказать присутствие хлорофилла. Он получил хорошие результаты для земных объектов, но для Марса дело гораздо труднее, частью вследствие малого количества света, частью вследствие особенного характера поставленной задачи. Растительность в сколько-нибудь значительных количествах встречается только в некоторых частях диска, и расположить в этих частях щель спектрографа почти невозможно, хотя со временем, может быть, мы с этой трудностью справимся. Вопрос этот занимает нас вот уже четырнадцать лет, и г. Слайфер уже много работал с отраженным светом.
Что касается Урана и Нептуна, то их физическое состояние заставляет предполагать, как я думаю, что там нет растительности»3.
Из этого письма видно, что Слайфер спектрографировал земную растительность, но нам неизвестны полученные им результаты.
В 1918 и 1920 гг, я неоднократно наблюдал в Пулкове спектр «морей» Марса в окулярный спектроскоп, привинченный к 15-дюймовому рефрактору. Особенное внимание я обращал на красные лучи, где лежит наиболее темная полоса хлорофилла. В моих записях неоднократно отмечено, что полоса поглощения в крайних красных лучах лучше локализована (т. е. круче обрывается в сторону коротких волн) на южных морях, где во время наблюдений была зима, чем на северных, где было лето. Причиной такого явления и могло быть присутствие полосы хлорофилла на южных морях. В этом можно видеть подтверждение существования на Марсе вечнозеленой растительности северного типа.
Второй интересной особенностью моих наблюдений можно считать то, что в спектре экваториальных морей наиболее сильное поглощение я обнаружил в зеленых лучах. Это должно давать морям голубоватый оттенок, что неоднократно и отмечалось разными наблюдателями.
Условия наблюдений спектра Марса в красных лучах были столь трудными, что я не могу полностью поручиться за них. Темная полоса в красных лучах находится уже в той области спектра, которая лежит, при общей слабости спектра, на границе чувствительности глаза.
Чем же объяснить, что до сих пор не получено решительных результатов относительно полос поглощения хлорофилла в зеленых площадях Марса? Как может быть, чтобы в течение целых 14 лет на обсерватории Лоуелла с ее мощными средствами не удалось решить такую сравнительно простую задачу?
Сделаем такое предположение: оптические свойства растительности Марса иные, чем у земной растительности, не только по отношению к инфракрасным, но и к видимым лучам, что можно объяснить действием сурового климата.
Как же должны были измениться оптические свойства хлорофилла в суровом климате? Ответ таков: в суровом климате листва растения должна поглощать не только отдельные, сравнительно узкие участки спектра, а возможно широкую область, именно ту часть спектра, в которой сосредоточено больше тепла, т. е. длинноволновую часть; в визуальном спектре – это красные, оранжевые, желтые и зеленые лучи. И вот, как уже сказано выше, особенно сильное поглощение мною как раз и наблюдалось в зеленых лучах.
Высказанное здесь мнение можно проверить на земной растительности таким образом: у хвойных растений полосы хлорофилла должны быть шире, чем у лиственных, и, быть может, они должны почти сливаться. Это подлежит изучению в новой науке – астроботанике, но и теперь уже можно указать на некоторые явления, как бы подтверждающие такую точку зрения. Так, например, некоторые хвойные деревья, как пихта, канадская ель, имеют иглы с ясно выраженным голубым оттенком. В августе этого года я был в Туюк-Су (близ Алма-Аты) на высоте 3400 метров. Там я сорвал очень интересное растение, носящее название остролодки (Oxytropis chionobia). Это целая подушечка зеленых листочков с голубым налетом и с голубыми цветочками.
Меня заинтересовал именно голубой налет на листочках. Не происходит ли он от расширения полос поглощения хлорофилла? Я сфотографировал спектр листьев этого растения для дальнейшего лабораторного изучения.
Из всего предыдущего ясно, что для понимания явлений, наблюдаемых на растительных покровах Марса, необходимо изучать изменение оптических свойств земных растений с переходом к суровым климатическим условиям на высоких горах и в Субарктике. Кроме того, необходимо изучать оптические свойства одного и того же вида растений в течение всего года для вечнозеленых растений северного типа и в течение периода зеленения и увядания – для лиственных.
Это и есть задача новой науки — астроботаники. В 1946 г. Академией Наук СССР была издана захватывающе интересная книга академика А. А. Григорьева о Субарктике. В этой книге говорится, что воздух в Субарктике очень чист и весьма прозрачен для ультрафиолетовых лучей Солнца, а избыток этих лучей вреден для растительности. Поэтому растительность Субарктики выработала приспособления, защищающие ее от избытка ультрафиолетовых лучей. В частности, листья имеют фиолетовый оттенок, цветы незабудки не голубые, а темноголубые, цветы тысячелистника не белые или розоватые, как в лесной полосе, а розовые с фиолетовым оттенком, дельфиниум (шпорник) не синий, в густо-темносиний и т. п.
«В настоящее время можно считать доказанным, – говорит академик Григорьев, – что изменения окраски являются приспособлением растений к облучению светом, изобилующим ультрафиолетовыми лучами». .
Я понимаю это так: если растение имеет темносиний цвет или фиолетовый оттенок, то оно сильно отражает синие и фиолетовые лучи и, вероятно, соседние с последними ультрафиолетовые лучи.
Если растения в Субарктике должны бороться с избытком ультрафиолетовых лучей, то тем более это относится к растениям на Марсе, атмосфера которого весьма редка и, вероятно, очень проницаема для ультрафиолетовых лучей.
Таким образом, астроботаника должна изучать отражательную способность растений не только в инфракрасных и видимых лучах, но и в ультрафиолетовых.
В 1946 г. на Алма-Атинских горах уже работало под моим руководством несколько экспедиций с астроботаническими целями, а на 1947 г. запланированы экспедиции не только на горы, но и в восточно-европейскую Субарктику — от Архангельска до Югорского Шара.
Комментарии к статье
1 Темные пятна по поверхности планеты, изучавшиеся итальянским астрономом Скиапарелли и принятые им за морскую поверхность.
Рассматривая вопрос о существовании жизни на других планетах, мы будем говорить только о планетах нашей солнечной системы, так как нам ничего не известно о наличии у других солнц, каковыми являются звезды, собственных планетных систем, подобных нашей. По современным воззрениям на происхождение солнечной системы можно даже полагать, что образование планет, обращающихся вокруг центральной звезды, есть случай, вероятность которого ничтожно мала, и что поэтому огромное большинство звезд не имеет своих планетных систем.
Далее нужно оговориться, что вопрос о жизни на планетах мы поневоле рассматриваем с нашей, земной точки зрения, предполагая, что эта жизнь проявляется в таких же формах, как и на Земле, т. е. предполагая жизненные процессы и общее строение организмов подобными земным. В таком случае для развития жизни на поверхности какой-либо планеты должны существовать определенные физико-химические условия, должна быть не слишком высокая и не слишком низкая температура, необходимо наличие воды и кислорода, основой же органического вещества должны являться соединения углерода.
Атмосферы планет
Присутствие у планет атмосферы определяется напряжением силы тяжести на их поверхности. Большие планеты обладают достаточной силой притяжения, чтобы удерживать около себя газообразную оболочку. Действительно, молекулы газа находятся в постоянном быстром движении, скорость которого определяется химической природой этого газа и температурой.
Наибольшую скорость имеют легкие газы — водород и гелий; при повышении температуры скорость возрастает. При нормальных условиях, т. е. температуре в 0° и атмосферном давлении, средняя скорость молекулы водорода составляет 1840 м/сек, а кислорода 460 м/сек. Но под влиянием взаимных столкновений отдельные молекулы приобретают скорости, в несколько раз превосходящие указанные средние числа. Если в верхних слоях земной атмосферы появится молекула водорода со скоростью, превосходящей 11 км/сек, то такая молекула отлетит прочь от Земли в межпланетное пространство, так как сила земного притяжения окажется недостаточной для ее удержания.
Чем меньше планета, чем она менее массивна, тем меньше эта предельная или, как говорят, критическая скорость. Для Земли критическая скорость составляет 11 км/сек, для Меркурия она равна лишь 3,6 км/сек, для Марса 5 км/сек, для Юпитера же, самой большой и массивной из всех планет, — 60 км/сек. Отсюда следует, что Меркурий, а тем более еще меньшие тела, как спутники планет (в том числе и наша Луна) и все малые планеты (астероиды), не могут удержать своим слабым притяжением атмосферную оболочку у своей поверхности. Марс в состоянии, хотя и с трудом, удерживать атмосферу, значительно более разреженную, чем атмосфера Земли, что же касается Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то их притяжение достаточно сильно для того, чтобы удерживать мощные атмосферы, содержащие легкие газы, вроде аммиака и метана, а возможно также и свободный водород.
Отсутствие атмосферы неминуемо влечет за собою и отсутствие воды в жидком состоянии. В безвоздушном пространстве испарение воды происходит гораздо энергичнее, чем при атмосферном давлении; поэтому вода быстро обращается в пар, который представляет собою весьма легкий таз, подвергающийся той же участи, что и другие газы атмосферы, т. е. он более или менее быстро покидает поверхность планеты.
Понятно, что на планете, лишенной атмосферы и воды, условия для развития жизни совершенно неблагоприятны, и мы не можем ожидать на такой планете ни растительной ни животной жизни. Под эту категорию попадают все малые планеты, спутники планет, а из больших планет — Меркурий. Скажем немного подробнее о двух телах этой категории, именно о Луне и Меркурии.
Луна и Меркурий
Для этих тел отсутствие атмосферы установлено не только путем приведенных выше соображений, но и посредством прямых наблюдений. Когда Луна движется по небу, совершая свой путь вокруг Земли, она часто закрывает собою звезды. Исчезновение звезды за диском Луны можно наблюдать уже в небольшую трубу, и происходит оно всегда вполне мгновенно. Если бы лунный рай был окружен хотя бы редкой атмосферой, то, прежде чем вполне исчезнуть, звезда просвечивала бы в течение некоторого времени сквозь эту атмосферу, причем постепенно уменьшалась бы видимая яркость звезды, кроме того, вследствие преломления света звезда казалась бы смещенной со своего места. Все эти явления совершенно отсутствуют при покрытии звезд Луною.
Лунный ландшафт.
Лунные ландшафты, наблюдаемые в телескопы, поражают резкостью и контрастностью своего освещения. На Луне нет полутеней. Рядом с яркими, освещенными Солнцем местами встречаются глубокие черные тени. Происходит это потому, что вследствие отсутствия атмосферы на Луне нет голубого дневного неба, которое своим светом смягчало бы тени; небо там всегда черное. Нет на Луне и сумерек, и после захода Солнца сразу наступает темная ночь.
Меркурий находится от нас гораздо дальше, чем Луна. Поэтому таких подробностей как на Луне, мы наблюдать на нем не можем. Нам неизвестен вид его ландшафта. Покрытие звезд Меркурием вследствие его видимой малости чрезвычайно редкое явление, и нет указаний на то, чтобы такие покрытия когда-либо наблюдались. Зато бывают прохождения Меркурия перед диском Солнца, когда мы наблюдаем, что эта планета в виде крохотной черной точки медленно проползает по яркой солнечной поверхности. Край Меркурия при этом бывает резко очерчен, и те явления, которые усматривались при прохождении перед Солнцем Венеры, у Меркурия не наблюдались. Но все же возможно, чтобы небольшие следы атмосферы у Меркурия сохранились, однако эта атмосфера имеет совсем ничтожную плотность по сравнению с земной.
На Луне и Меркурии совершенно неблагоприятны для жизни и температурные условия. Луна вращается вокруг своей оси чрезвычайно медленно, благодаря чему день и ночь продолжаются на ней по четырнадцать суток. Зной солнечных лучей не умеряется воздушной оболочкой, и в результате днем на Луне температура поверхности повышается до 120°, т. е. выше точки кипения воды. Во время же долгой ночи температура падает до 150° ниже нуля.
Во время лунного затмения наблюдалось, как в течение всего лишь часа с небольшим температура упала с 70° тепла до 80° мороза, а после окончания затмения почти в столь же короткий срок вернулась к своему исходному значению. Это наблюдение указывает на чрезвычайно малую теплопроводность горных пород, образующих лунную поверхность. Солнечное тепло не проникает вглубь, а остается в самом тонком верхнем слое.
Нужно думать, что поверхность Луны покрыта легкими и рыхлыми вулканическими туфами, может быть даже пеплом. Уже на глубине метра контрасты тепла и холода оглаживаются «эстолько, что вероятно там господствует средняя температура, мало отличающаяся от средней температуры земной поверхности, т. е. составляющая несколько градусов выше нуля. Быть .может там и сохранились некоторые зародыши живого вещества, но участь их, конечно, незавидная.
На Меркурии разница температурных условий еще более резкая. Эта планета всегда повернута к Солнцу одной стороной. На дневном полушарии Меркурия температура достигает 400°, т. е. она выше точки плавления свинца. А на ночном полушарии мороз должен доходить до температуры жидкого воздуха, и если бы на Меркурии существовала атмосфера, то на ночной стороне она должна была превратиться в жидкость, а может быть даже замерзнуть. Лишь на границе между дневным и ночными полушариями в пределах узкой зоны могут быть температурные условия, хоть сколько-нибудь благоприятные для жизни. Однако о возможности там развитой органической жизни думать не приходиться. Далее при наличии следов атмосферы в ней не мог удержаться свободный кислород, так как при температуре дневного полушария кислород энергично соединяется с большинством химических элементов.
Итак, в отношении возможности жизни на Луне перспективы достаточно неблагоприятны.
Венера
В отличие от Меркурия на Венере наблюдаются определенные признаки густой атмосферы. Когда Венера проходит между Солнцем и Землей, она бывает окружена светлым колечком, — это ее атмосфера, которая на просвет освещается Солнцем. Такие прохождения Венеры перед диском Солнца бывают очень редко: последнее прохождение имело место в 18S2 г., ближайшее следующее произойдет в 2004 г. Однако почти ежегодно Венера проходит хотя и не через самый солнечный диск, но достаточно близко от него, и тогда она бывает видна в форме очень узкого серпа, вроде Луны тотчас после новолуния. По законам перспективы освещенный Солнцем серп Венеры должен был бы составлять дугу ровно в 180°, но в действительности наблюдается более длинная светлая дуга, что происходит вследствие отражения и загибания солнечных лучей в атмосфере Венеры. Другими словами, на Венере существуют сумерки, которые увеличивают продолжительность дня и частично освещают ее ночное полушарие.
Состав атмосферы Венеры пока еще мало изучен. В 1932 г. при помощи спектрального анализа в ней было обнаружено присутствие большого количества углекислоты, соответствующее слою мощностью в 3 км при стандартных условиях (т. е. при 0° и 760 мм давления).
Поверхность Венеры всегда представляется нам ослепительно белой и без заметных постоянных пятен или очертаний. Полагают, что в атмосфере Венеры всегда находится густой слой белых облаков, вполне закрывающий собою твердую поверхность планеты.
Состав этих облаков неизвестен, но вероятнее всего, что это водяные пары. Что находится под ними, мы не видим, но понятно, что облака должны умерять зной солнечных лучей, который на Венере, находящейся ближе к Солнцу, чем Земля, был бы иначе чрезмерно силен.
Измерения температуры дали для дневного полушария около 50—60° тепла, а для ночного 20° мороза. Такие контрасты объясняются медленностью вращения Венеры около оси. Хотя точный период ее вращения неизвестен из-за отсутствия на поверхности планеты заметных пятен, но, по-видимому, сутки продолжаются на Венере не меньше наших 15 суток.
Каковы шансы на существование жизни на Венере?
В этом отношении мления ученых расходятся. Некоторые считают, что весь кислород в ее атмосфере химически связан и существует лишь в составе углекислоты. Так как этот газ обладает малой теплопроводностью, то в таком случае температура близ поверхности Венеры должна быть довольно высокой, быть может даже близкой к точке кипения воды. Этим можно было бы объяснить присутствие в верхних слоях ее атмосферы большого количества водяных паров.
Заметим, что приведенные выше результаты определения температуры Венеры относятся к наружной поверхности облачного покрова, т.е. к довольно большой высоте над ее твердой поверхностью. Во всяком случае нужно думать, что условия на Венере напоминают теплицу или оранжерею, но, вероятно, с еще значительно более высокой температурой.
Марс
Наибольший интерес с точки зрения вопроса о существовании жизни представляет планета Марс. Во многих отношениях он похож на Землю. По пятнам, которые хорошо видны на его поверхности, установлено, что Марс вращается около оси, совершая один оборот в 24 ч. и 37 м. Поэтому на нем существует смена дня и ночи почти такой же продолжительности, как и на Земле.
Ось вращения Марса составляет с плоскостью его орбиты угол в 66°, почти в точности такой же, как и у Земли. Благодаря этому наклону оси на Земле происходит смена времен года. Очевидно, и на Марсе существует такая же смена, но только каждое время года на «ем почти вдвое продолжительнее нашего. Причина этого заключается в том, что Марс, будучи в среднем в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля, совершает свой оборот вокруг Солнца почти в два земных года, точнее в 689 суток.
Наиболее отчетливая подробность на поверхности Марса, заметная при рассматривании его в телескоп,— белое пятно, по своему положению совпадающее с одним из его полюсов. Лучше всего бывает видно пятно у южного полюса Марса, потому что в периоды своей наибольшей близости к Земле Марс бывает наклонен в сторону Солнца и Земли своим южным полушарием. Замечено, что с наступлением зимы в соответствующем полушарии Марса белое пятно начинает увеличиваться, а летом оно уменьшается. Бывали даже случаи (например, в 1894 г.), когда полярное пятно осенью почти совсем исчезало. Можно думать, что это снег или лед, который отлагается зимою тонким покровом близ полюсов планеты. Что этот покров очень тонкий, следует из указанного наблюдения над исчезновением белого пятна.
Таяние полярного пятна на Марсе.
Вследствие удаленности Марса от Солнца температура на нем сравнительно низкая. Лето там очень холодное, и тем не менее бывает, что полярные снега полностью стаивают. Большая продолжительность лета не компенсирует в достаточной, мере недостатка тепла. Отсюда следует, что снега выпадает там мало, быть может всего лишь на несколько сантиметров, возможно даже, что белые полярные пятна состоят не из снега, а из инея.
Это обстоятельство находится в полном согласии с тем, что по всем данным на Марсе мало влаги, мало воды. Морей и больших водных пространств на нем не обнаружено. В его атмосфере очень редко наблюдаются облака. Сама оранжевая окраска поверхности планеты, благодаря которой невооруженному глазу Марс представляется красной звездой (откуда и произошло его название по имени древнеримского бога .войны), большинством 'наблюдателей объясняется тем, что поверхность Марса представляет безводную песчаную пустыню, окрашенную окислами железа.
Марс движется вокруг Солнца по заметно вытянутому эллипсу. Благодаря этому его расстояние от Солнца меняется в довольно широких пределах — от 206 до 249 млн. км. Когда Земля находится с той же стороны Солнца, что и Марс, происходят так называемые противостояния Марса (потому что Марс в это время находится в стороне неба, противоположной Солнцу). Во время противостояний Марс наблюдается на ночном небе в благоприятных условиях. Противостояния чередуются в среднем через 780 дней, или через два года и два месяца.
Орбита Марса и Земли.
Однако далеко не в каждое противостояние Марс приближается к Земле .на свое кратчайшее расстояние. Для этого нужно, чтобы противостояние совпало с временем наибольшего приближения Марса к Солнцу, что бывает лишь каждое седьмое или восьмое противостояние, т. е. примерно через пятнадцать лет. Такие противостояния называются великими противостояниями; они имели место в 1877, 1892, 1909 и 1924 гг. Следующее великое противостояние будет в 1939 т. Именно к этим срокам и приурочены главные наблюдения Марса и связанные с ними открытия. Ближе всего к Земле Марс был во время - противостояния 1924 г., но и тогда его расстояние от нас составляло 55 млн. км. Ha более близком расстоянии от Земли Марс никогда не бывает.
"Каналы" на Марсе
В 1877 г. итальянский астроном Скиапарелли, производя наблюдения в сравнительно скромный по своим размерам телескоп, но под прозрачным небом Италии, обнаружил на поверхности Марса, кроме темных пятен, названных хотя и неправильно морями, еще целую сеть узких прямых линий или полосок, которые он назвал проливами (по-итальянски canale). Отсюда слово «канал» стало употребляться и на других языках для обозначения этих загадочных образований.
Скиапарелли в результате своих многолетних наблюдений составил подробную карту поверхности Марса, на которой нанесены сотни каналов, соединяющих между собок> темные пятна «морей». Позднее американский астроном Лоуелл, построивший в Аризоне даже специальную обсерваторию для наблюдения Марса, обнаружил каналы и на темных пространствах «морей». Он нашел,, что как «моря», так и каналы меняют свою видимость в зависимости от времен года: летом они становятся темнее, принимая иногда серо-зеленоватый оттенок зимою бледнеют и становятся буроватыми. Карты Лоуелла еще подробнее карт Скиапарелли, на них нанесено множество каналов, образующих сложную, но довольно правильную геометрическую сеть.
Для объяснения наблюдаемых на Марсе явлений Лоуелл развил теорию, которая получила широкое распространение, главным образом, среди любителей астрономии. Теория эта сводится к следующему.
Оранжевую поверхность планеты Лоуелл, как и большинство других наблюдателей, принимает за песчаную пустошью. Темные пятна «морей» он считает за области, покрытые растительностью — полями и лесами. Каналы он считает за сеть орошения, проведенную разумными существами, обитающими на поверхности планеты. Однако самые каналы нам с Земли не видны, так как их ширина для этого далеко не достаточна. Чтобы быть видимыми с Земли, каналы должны иметь ширину не меньше десятка километров. Поэтому Лоуелл считает, что мы видим лишь широкую полосу растительности, которая распускает свои зеленые листья, когда собственно канал, пролегающий в середине этой полосы, наполняется весною водой, притекающей от полюсов, где она образуется от таяния полярных снегов.
Карта Марса, составленная Лоуеллом.
Однако мало-помалу начали возникать сомнения в реальности таких прямолинейных каналов. Наиболее показательным было то обстоятельство, что наблюдатели, вооруженные наиболее мощными современными телескопами, никаких каналов не видели, а наблюдали лишь необыкновенно богатую картину разных деталей и оттенков на поверхности Марса, лишённых, однако, правильных геометрических очертаний. Лишь наблюдатели, пользовавшиеся инструментами средней силы, видели и зарисовывали каналы. Отсюда возникло сильное подозрение, что каналы представляют лишь оптическую иллюзию (обман зрения), возникающую при крайнем напряжении глаза. Много работ и разных опытов было проведено для выяснения этого обстоятельства.
Наиболее убедительными являются результаты, полученные немецким физиком и физиологом Кюлем. Им была устроена специальная модель, изображающая Марс. На темном фоне Кюль наклеил вырезанный им из обыкновенной газеты кружок, на котором было размещено несколько серых пятен, напоминающих по своим очертаниям «моря» на Марсе. Если рассматривать такую модель вблизи, то ясно видно, что она собою представляет,— можно прочитать газетный текст и никакой иллюзии не создается. Но если отойти подальше, то при правильном освещении начинают появляться прямые тонкие полоски, идущие от одного темного пятна к другому и притом не совпадающие со строчками печатного текста.
Модель Марса, сделанная Кюлем.
Кюль подробно исследовал это явление.
Он показал, что три наличии многих мелких деталей и оттенков, постепенно переходящих один в другой, когда глаз не может уловить их «о всех подробностях, возникает стремление объединить эти детали более простыми геометрическими схемами, в результате чего и появляется иллюзия прямых полосок там, где никаких правильных очертаний не имеется. Современный выдающийся наблюдатель Антониади, который в то же время является хорошим художником, рисует Марс пятнистым, с массой неправильных деталей, но без всяких прямолинейных каналов.
Рисунок Марса, сделанный Антониади.
Итак, приходится считать, что каналы Марса являются оптической иллюзией и на самом деле их не существует.
Можно подумать, что этот вопрос лучше всего решить три помощи фотографии. Фотографическую пластинку обмануть нельзя: она должна, казалось бы, показать, что же на самом деле имеется на Марсе. К сожалению, это не так. Фотография, которая в применении к звездам и туманностям дала так много, в отношении поверхности планет дает меньше, чем видит глаз наблюдателя в тот же самый инструмент. Объясняется это тем, что изображение Марса, полученное даже с помощью самых больших и длиннофокусных инструментов, на пластинке получается очень малых размеров,— диаметром 'всего .лишь до 2 мм. Конечно, на таком изображении больших подробностей разобрать нельзя. При сильном же увеличении таких фотографий выступает дефект, от которого так страдают современные любители фотографии, снимающие аппаратами типа «Лейка». Именно, выступает зернистость изображения, которая затушевывает все мелкие детали.
Жизнь на Марсе
Однако фотографии Марса, снятые через разные светофильтры, с полной ясностью доказали существование у Марса атмосферы, хотя и значительно более редкой, чем у Земли. Иногда под вечер в этой атмосфере замечаются светлые точки, которые, вероятно, представляют собою кучевые облака. Но вообще облачность на Марсе ничтожная, что вполне согласуется с малым количеством на нем воды.
В настоящее время почти все наблюдатели Марса согласны в том, что темные пятна «морей» действительно представляют области, покрытые растениями. В этом отношении теория Лоуелла подтверждается. Однако здесь до сравнительно недавнего времени имелось одно препятствие. Вопрос усложнился температурными условиями на поверхности Марса.
Так как Марс находится в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля, то он получает в два с четвертью раза меньше тепла. Вопрос о том, до какой температуры может согреть его поверхность такое незначительное количество тепла, зависит от строения атмосферы Марса, представляющей собою «шубу» неизвестной нам толщины и состава.
Недавно удалось непосредственными измерениями определить температуру поверхности Марса. Оказалось, что в экваториальных областях в полдень температура повышается до 15—25° тепла, но под вечер наступает сильное похолодание, а ночь, по-видимому, сопровождается неизменными крепкими морозами.
Условия на Марсе похожи на те, которые наблюдаются у нас на высоких горах: разреженность и прозрачность воздуха, значительное нагревание прямыми солнечными лучами, холод в тени и сильные ночные морозы. Условия, без сомнения, очень суровые, но можно полагать, что растения акклиматизировались, приспособились к ним, а также и к недостатку влаги.
Итак, существование растительной жизни на Марсе можно считать почти доказанным, но относительно животных, а тем более разумных, мы пока ничего определенного сказать не можем.
***
Что касается других планет солнечной системы — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то на них трудно предполагать возможность жизни по следующим основаниям: во-первых, низкая температура из-за дальности расстояния от Солнца и, во-вторых, ядовитые газы, недавно открытые в их атмосферах,— аммиак и метан. Если эти планеты и имеют твердую поверхность, то она спрятана где-то на большой глубине, мы же видим лишь верхние слои их чрезвычайно мощных атмосфер.
Еще менее вероятна жизнь на самой удаленной от Солнца планете — недавно открытом Плутоне, о физических условиях которого мы пока еще ничего не знаем.
Итак, из всех планет нашей солнечной системы (кроме Земли) можно подозревать существование жизни на Венере и считать почти доказанным наличие жизни на Марсе. Но, конечно, это все относится к настоящему времени. С течением времени, при эволюции планет, условия могут сильно измениться. Об этом из-за недостатка данных мы говорить не будем.
Колонизация Марса упирается в ключевую проблему: как строить в мире, где нельзя просто привезти материалы с Земли. Теперь ученые нашли неожиданного союзника в лице древних земных микроорганизмов, способных к биоминерализации.
Новые исследования показывают, что специально подобранные бактерии, например, выносливые цианобактерии и карбонатообразующие виды, могут превращать рыхлый марсианский грунт в прочный «биобетон» при комнатной температуре, создавая основу для автономного строительства.
Перспективная технология предполагает использование этих микробов в качестве «живых чернил» для 3D-печати прямо на Марсе. В синергетической паре одни бактерии защищают от радиации и производят кислород, а другие — скрепляют частицы почвы, формируя прочные структуры. Этот подход не только решает инженерную задачу, но и закладывает основу для будущих систем жизнеобеспечения и даже терраформирования, используя ресурсы самой планеты.
Несмотря на реальность концепции, путь к ее реализации полон вызовов. Ученым необходимо детально изучить взаимодействие микробов с реальным марсианским реголитом, радиацией и низкой гравитацией, а инженерам — создать полностью автономных роботов-строителей. Однако каждое исследование в этом направлении приближает тот день, когда человечество сможет назвать Красную планету своим вторым домом.
Некоторые земные бактерии, такие как Leptothrix, выживают в экстремальных условиях, окисляя железо для энергии и оставляя микроскопические минерализованные структуры в породах. Астробиологи предполагают, что подобные организмы могли существовать на Марсе, покрытом окислами железа, а также на ледяных спутниках Юпитера (Европа) и Сатурна (Энцелад).
В заболоченных ручьях и дренажных канавах Leptothrix образуют рыже-коричневые волокнистые пленки на камнях и растениях, не нуждаясь в солнечном свете. Эти "чехлы" из соединений железа забивают трубы и фильтры, создавая проблемы для коммунальных служб. Бактерии покидают чехлы, строя новые.
Такие структуры сохраняются в древних породах Земли миллиарды лет, указывая на раннюю жизнь. На Марсе они могли бы стать биосигнатурами — признаками прошлой или нынешней жизни.
Микробиологи Тюбингенского университета (Германия) считают марсианскую среду пригодной для Leptothrix и других железоокисляющих бактерий. Их разнообразные минерализованные следы — потенциальные маркеры жизни. Обнаружение в грунте Марса стало бы историческим событием.
Для анализа нужны сканирующие электронные микроскопы, но они громоздки, энергозатратны и требуют подготовки образцов. Лаборатория на Марсе невозможна, а доставка грунта на Землю — дорого. Ученые предлагают миниатюрный микроскоп для марсоходов или зондов.
Аналогично, на Европе и Энцеладе возможны океаны подо льдом. Зонд "Кассини" выявил в шлейфе Энцелада органические молекулы. Исследователи советуют искать кристаллы сидерита необычной формы — продукт железоокисляющих бактерий — среди частиц пара.
Это открывает путь к новым миссиям по поиску внеземной жизни.
Изменения оси Марса смещают полярные шапки при малом наклоне и оледеняют средние широты при большом. Циклы накапливают лед в кратерах — от тонких до плотных отложений, фиксируя климат и обитаемость.
На протяжении десятилетий ученых волнует вопрос: сколько воды было на Марсе и почему планета постепенно высохла. Новое исследование, опубликованное 2 сентября 2025 года в журнале Geology, анализирует кратеры как "ледяные архивы", хранящие записи о прошлом. Оно показывает, что Марс переживал множественные ледниковые периоды на протяжении сотен миллионов лет, но с каждым циклом объем сохранившегося льда уменьшался.
Руководил работой доцент Тришит Рудж из Института планетарных материалов Университета Окаяма (Япония), совместно с Ханайей Окудой (Институт исследований керна Кочи), Хитоши Хасегавой (Университет Кочи) и Томохиро Усуи (Институт космических и астронавтических наук). Команда изучила ледниковые формы рельефа в кратерах между 20° и 45° северной широты, реконструировав накопление и потерю воды.
"Марс неоднократно замерзал, но лед в кратерах таял все больше с каждым периодом, — объясняет Рудж. — Эти 'капсулы времени' указывают на места скрытых ресурсов для будущих миссий".
Анализ снимков высокого разрешения от Mars Reconnaissance Orbiter НАСА выявил признаки оледенения: горные хребты, морены и "мозговой" рельеф (лабиринтообразные формы от таяния льда). Лед скапливался в холодных, затененных юго-западных стенках кратеров. Это происходило в периоды с 640 до 98 миллионов лет назад, вызванные колебаниями наклона оси Марса — в отличие от стабильного наклона Земли. Такие изменения перераспределяли солнечный свет, провоцируя циклы заморозки и таяния, но постепенно приводя к высыханию планеты.
Результаты подчеркивают: понимание ледниковой истории Марса поможет искать воду для пилотируемых миссий. Погребенный лед можно использовать для питья, кислорода и топлива через утилизацию ресурсов на месте (ISRU), делая колонии самодостаточными. "Это определяет безопасные регионы для посадок", — отмечает Усуи.
Исследование также актуально для Земли: Марс — лаборатория для изучения долгосрочных климатических сдвигов, таяния льда и водных систем. "Знания о марсианском льде улучшат моделирование земного климата", — добавляет Хасэгава.
В итоге, кратеры рисуют картину Марса с обильным льдом в прошлом, постепенно истощавшимся. Это обогащает понимание планетарной эволюции и открывает путь к ресурсам для освоения Красной планеты.
5. Вероятные метаболические пути для микроорганизмов Гесперийского Марса
Исходя из характеристик окружающей среды Гесперийского Марса, можно выделить несколько ключевых микробных метаболизмов, которые могли бы активно потреблять атмосферный углекислый газ и влиять на климат планеты.
Метаногенез
Подробный процесс: Метаногены — это микроорганизмы (археи), которые используют водород (H2) в качестве основного источника энергии (донора электронов) и углекислый газ (CO2) в качестве источника углерода и конечного акцептора электронов.27 Наиболее распространенная реакция: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O. 28 Они отличаются от метанотрофов, которые потребляют метан.28
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная природа: Метаногены являются строгими анаэробами 27, что делает их идеальными кандидатами для жизни в бескислородных подповерхностных слоях Марса или защищенных нишах, где отсутствует кислород.
Потребности в питательных веществах: Они не требуют органических питательных веществ и не являются фотосинтетиками 27, что означает, что они не зависят от солнечного света или существующей органической материи, которая была бы дефицитной на раннем Марсе.
Температурная толерантность: Исследования показали, что метаногены могут выживать и даже процветать в экстремальных условиях, включая циклы замерзания-оттаивания на Марсе и широкий диапазон температур (от 0°C до 100°C), возобновляя рост при благоприятных температурах.27 Они встречаются в различных экстремальных средах на Земле, таких как глубокие озера, торфяные болота и даже под ледниками и в горячих сухих пустынных почвах.28
Доступность субстратов: CO2 был в изобилии в ранней марсианской атмосфере.5 Водород (H2) мог непрерывно генерироваться посредством серпентинизации, гидротермального изменения богатых железом пород, обильных на Марсе.5
Потенциальное атмосферное воздействие:
Прямое потребление CO2: Метаногенез непосредственно удаляет CO2 из атмосферной или растворенной фазы в качестве реагента.
Потребление водорода: Важно отметить, что метаногены потребляют H2, который идентифицируется как мощный парниковый газ, способствовавший эпизодическому потеплению на раннем Марсе.12 Потребляя H2, эти микробы уменьшали бы способность планеты к потеплению.
Производство и судьба метана: Хотя метан (CH4) является парниковым газом на Земле, на Марсе он нестабилен в атмосфере и быстро фотолизируется обратно в CO2 (срок жизни < 1 тыс. лет).5 Это означает, что микробиально произведенный метан не накапливался бы значительно в качестве долгосрочного атмосферного парникового газа, и его углерод в конечном итоге возвращался бы в CO2. Однако метан мог бы секвестрироваться в марсианской коре, особенно в смектитовых глинах.6
Климатическая обратная связь: Исследования климатического моделирования показывают, что древние марсианские микробы, потребляя водород (мощный парниковый газ) и производя метан (менее мощный на Марсе), могли «проесть теплоудерживающее одеяло своей планеты», что привело к резкому падению температуры. Это вынудило бы жизнь уйти глубже в более теплую кору или привело бы к ее вымиранию.13
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Метаногены считаются сильными кандидатами на прошлую или настоящую жизнь на Марсе из-за их метаболических потребностей, анаэробной природы и продемонстрированной устойчивости в марсианских условиях.18 Обнаружение шлейфов метана на Марсе, хотя и спорное по происхождению (биотическое или абиотическое), еще больше подогревает интерес к этому пути.13 Саморазрушающаяся обратная связь, описанная для метаногенов 13, является глубоким выводом. Если бы ранняя марсианская жизнь потребляла те самые газы (H2 и CO2), которые поддерживали пригодный для жизни климат, она бы активно толкала планету к более холодному, менее гостеприимному состоянию. Это вынудило бы любую выжившую жизнь отступить в стабильные подповерхностные среды, потенциально объясняя текущее отсутствие обитаемости поверхности. Переходный характер атмосферного метана 5 означает, что потребление H2 является основным атмосферным воздействием, в то время как углерод из CO2 превращается в CH4, который затем либо фотолизируется обратно в CO2, либо секвестрируется в коре.6 Эта секвестрация, будь то абиотическая или усиленная микробами, является ключом к постоянному удалению углерода из атмосферы.
Ацетогенез
Подробный процесс: Ацетогены — это анаэробные микроорганизмы, которые используют углекислый газ (CO2) в качестве акцептора электронов и источника углерода, обычно с водородом (H2) в качестве донора электронов, для производства уксусной кислоты (ацетата) по пути Вуда-Льюнгдаля.22
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная природа: Ацетогены процветают в бескислородных условиях 31, что делает их подходящими для марсианской подповерхности.
Доступность субстратов: Как и метаногены, они зависят от CO2 и H2, оба из которых, вероятно, были доступны на Гесперийском Марсе благодаря атмосферному присутствию и серпентинизации.5
Сосуществование: Ацетогены могут успешно сосуществовать с другими анаэробными метаболизмами, такими как сульфатредукция и метаногенез, даже если эти пути предлагают несколько более благоприятные энергетические выходы.31 Они демонстрируют широкий спектр субстратов, что позволяет дифференцировать ниши.31
Потенциальное атмосферное воздействие:
Прямое потребление CO2: Ацетогенез непосредственно потребляет CO2 из окружающей среды.
Секвестрация углерода: В отличие от метаногенеза, который производит газообразный продукт (CH4), который может повторно поступать в атмосферу (даже если временно), ацетогенез производит ацетат, негазообразное органическое соединение. Это означает, что углерод из CO2 непосредственно фиксируется в жидкой или твердой форме, представляя собой более постоянное удаление из атмосферной газовой фазы. Это может значительно способствовать долгосрочной секвестрации углерода в литосфере.
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Ацетогенез считается правдоподобным метаболизмом для глубоких подповерхностных микробных сообществ на Марсе, движимым геохимическими источниками энергии.18 Ацетогенез предлагает более прямой и потенциально более постоянный механизм удаления атмосферного CO2 по сравнению с газообразным продуктом метаногенеза. Превращение CO2 в твердое или растворенное органическое соединение (ацетат) означает, что углерод немедленно секвестрируется из атмосферы. Следовательно, этот путь является очень сильным кандидатом для содействия долгосрочному поглощению CO2, особенно в сочетании с геологическим потенциалом секвестрации смектитовых глин. Сосуществование с метаногенами 31 предполагает разнообразное микробное сообщество, коллективно влияющее на углеродный цикл.
Сульфатредукция (как CO2-фиксирующие автотрофы)
Подробный процесс: Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) используют сульфат (SO42-) в качестве конечного акцептора электронов, восстанавливая его до сульфида.18 Этот процесс обычно подпитывается донорами электронов, такими как водород или органические соединения.18 Многие СРБ также являются хемолитоавтотрофами, что означает, что они фиксируют CO2 в качестве основного источника углерода для синтеза биомассы.18
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная: СРБ являются анаэробами 21, что соответствует подповерхностной марсианской среде.
Обилие серы: Марс — планета, богатая S, с более высоким содержанием серы на поверхности, чем Земля, в основном в форме сульфатов (Ca/Mg/Fe-сульфатов).14 Вулканическая дегазация также высвобождала SO2 и H2S 4, которые могут окисляться до сульфата. Считается, что марсианский серный цикл доминировал в его геохимической истории.17
Совместимость с водой: СРБ могут функционировать в рассолах и подповерхностных водах.32 Некоторые виды показали выживание в условиях, имитирующих мелководные подповерхностные слои Марса 32, с признаками осаждения сульфида железа.32
Аналогия с ранней Землей: Считается, что сульфатредукция была одной из самых ранних форм дыхания на Земле, датируемой примерно 3,47 миллиарда лет назад 32, что делает ее обоснованной системой для рассмотрения на древнем Марсе.
Потенциальное атмосферное воздействие:
Косвенная фиксация CO2: Хотя автотрофная сульфатредукция не потребляет непосредственно атмосферный CO2 в качестве акцептора электронов для производства нового газа, она фиксирует CO2 в биомассу. Этот процесс удаляет CO2 из растворенной фазы и секвестрирует его в органической материи, которая затем может быть захоронена в отложениях. Это способствует общей секвестрации углерода из атмосферно-гидросферной системы.
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Учитывая высокое содержание серы и сульфатов на Марсе, а также анаэробную природу подповерхности, сульфатредукция является весьма правдоподобным метаболическим путем.18 Распространенность серы на Марсе 14 делает сульфатредукцию очень сильным кандидатом на доминирующий метаболический путь. Ее способность фиксировать CO2 в биомассу, пусть и косвенно, способствует общей секвестрации углерода из атмосферы. Образование сульфидов железа 32 обеспечивает потенциальную биосигнатуру для этого процесса. Это подчеркивает, что несколько анаэробных хемолитоавтотрофных путей могли сосуществовать и коллективно способствовать поглощению атмосферного CO2 путем преобразования его в твердые органические или минеральные формы.
Рассмотрение других соответствующих хемолитотрофных путей
Другие хемолитотрофные пути, такие как окисление водорода, окисление/восстановление железа, окисление/восстановление марганца и восстановление нитратов 18, также могли присутствовать. Хотя они, возможно, не потребляли бы напрямую большое количество CO2 из атмосферы, они способствовали бы общим окислительно-восстановительным градиентам и потоку энергии в подповерхностной микробной экосистеме, поддерживая более широкую обитаемость и круговорот элементов, необходимых для жизни. Их косвенный вклад в круговорот углерода через производство биомассы также был бы актуален.
Ниже представлен сравнительный анализ наиболее вероятных метаболических путей, способных потреблять CO2 в условиях Гесперийского Марса, с учетом их воздействия на атмосферу.
(Метаболический путь
Ключевые реагенты (донор электронов, источник углерода, акцептор электронов)
Основные продукты
Анаэробный/Аэробный
Правдоподобие на Марсе
Потенциальное атмосферное воздействие (поглощение CO2, изменение других газов)))
Метаногенез
H2 (донор электронов), CO2 (источник углерода/акцептор электронов).27
CH4, H2O.28
Анаэробный.27
Высокое.18
Прямое потребление CO2. Потребление H2 (мощный парниковый газ) приводит к охлаждению.13 Произведенный CH4 является временным, фотолизируется обратно в CO2 5; может секвестрироваться в глинах.6
Ацетогенез
H2 (донор электронов), CO2 (источник углерода/акцептор электронов).22
Уксусная кислота (ацетат).22
Анаэробный.31
Высокое.18
Прямое потребление CO2. Углерод секвестрируется в негазообразной форме (ацетат), обеспечивая более постоянное удаление из атмосферы.
Сульфатредукция (как CO2-фиксирующие автотрофы)
Органические соединения/H2 (донор электронов), Сульфат (акцептор электронов), CO2 (источник углерода для биомассы).18
Сульфид, биомасса.21
Анаэробный.21
Высокое 18, учитывая богатую S среду.
Косвенная фиксация CO2 в биомассу, способствующая секвестрации углерода в твердой органической материи.
6. Механизм потери атмосферы: Микробная активность и геохимическая секвестрация
Потеря значительной части ранней марсианской атмосферы является одной из самых больших загадок планетарной науки. Предложенная гипотеза предполагает, что микробная активность могла сыграть решающую роль в этом процессе, действуя в синергии с геохимическими механизмами.
Прямое потребление CO2 и снижение атмосферного давления
Устойчивое микробное потребление атмосферного CO2, особенно метаногенами и ацетогенами, напрямую снизило бы парциальное давление CO2 в марсианской атмосфере. Если бы скорость биологического потребления CO2 превышала скорость пополнения CO2 из геологических источников (например, вулканизма, дегазации), это привело бы к чистому снижению плотности и давления атмосферы. Прямое потребление CO2 микробами (в качестве источника углерода или акцептора электронов) фундаментально изменяет атмосферную массу. Это прямой, биологически обусловленный механизм истончения атмосферы. В сочетании с потреблением других парниковых газов, таких как H2, это устанавливает микробы в качестве основного движущего фактора изменения климата, а не просто реагирующего на него. Это напрямую затрагивает суть гипотезы.
Роль секвестрации CO2 в марсианской литосфере
Одна только атмосферная утечка не может объяснить значительную потерю ранней атмосферы Марса, состоящей из CO2 (от 0,25 до 4 бар).5 Это указывает на то, что существенная часть недостающего углерода была секвестрирована в марсианской литосфере. Недавние исследования показывают, что значительная часть первоначального CO2 Марса могла быть заперта в виде органических соединений в богатой глинами коре планеты.6
Смектитовые глины как ловушки углерода: Смектит, тип поверхностных глинистых минералов, обильно встречающийся на Марсе, является высокоэффективной ловушкой для углерода. В его складчатой структуре углерод может оставаться нетронутым миллиарды лет. По оценкам, смектитовые глины Марса могут удерживать до 1,7 бар эквивалента CO2, потенциально составляя около 80% первоначальной атмосферы планеты.6
Механизм секвестрации: Этот геологический процесс секвестрации включает просачивание воды через кору и ее реакцию с оливином (минералом, богатым железом(II)). Эта реакция окисляет железо до Fe(III), высвобождая водород (H2). Затем этот свободный водород соединяется с углекислым газом (CO2) в воде, образуя метан (CH4). По мере протекания этой реакции оливин превращается в серпентин, который затем реагирует с водой, образуя смектит. Затем смектит секвестрирует метан.6
Микробное усиление/взаимодействие: Хотя этот механизм секвестрации смектитом описывается как абиотический 6, микробный метаногенез (который потребляет H2 и CO2 для производства CH4) 27 непосредственно производил бы метан, который затем мог бы секвестрироваться в этих глинах.6 Это создает мощный синергетический путь: жизнь активно преобразует атмосферный CO2 в форму (метан), которая затем эффективно и постоянно удаляется из атмосферы посредством геологической секвестрации. Это превращает чисто абиотическую гипотезу секвестрации в биогеохимическую.
Открытие смектитовых глин как основного поглотителя углерода 6 является критическим элементом головоломки исчезнувшей атмосферы Марса. Тот факт, что этот абиотический процесс производит метан, обеспечивает прямую связь с предлагаемой микробной активностью. Если бы метаногены были активны, они бы эффективно ускорили превращение атмосферного CO2 в метан, который мог бы быть захвачен в обильных смектитовых глинах. Это предлагает убедительное, интегрированное объяснение того, как большая часть ранней атмосферы Марса, состоящей из CO2, могла быть удалена из газовой фазы и сохранена в коре, потенциально облегченная или усиленная ранней жизнью.
Взаимодействие с атмосферной химией и петли обратной связи климата
Утечка водорода и окисление планеты: Водород является самым легким газом и наиболее подвержен атмосферной утечке.33 Его утечка приводит к окислению поверхности планеты.33 Если бы микробы потребляли H2, они уменьшили бы его атмосферную концентрацию, потенциально влияя на скорость его утечки, но, что более важно, напрямую удаляя мощный парниковый газ. Общий эффект утечки водорода, будь то в результате фотолиза воды или разложения метана 33, заключается в окислении планеты.
Фотолиз метана и рециркуляция: Хотя микробный метаногенез производит CH4, метан на Марсе фотохимически нестабилен и быстро распадается, превращаясь обратно в CO2 примерно в течение 1000 лет.5 Это означает, что сам атмосферный метан не является долгосрочным поглотителем углерода, если он не секвестрируется быстро в подповерхности.6 Однако потребление H2 метаногенами оказывает прямое и значительное охлаждающее воздействие.13
Охлаждение климата и истончение атмосферы: Потеря восстановительных газов (H2, CH4) и общее окисление марсианской атмосферы способствовали охлаждению климата.15 Это охлаждение еще больше усугубило бы истончение атмосферы, вызывая конденсацию и замерзание CO2 на полюсах, уменьшая общую массу атмосферы.
Взаимодействие между микробным метаболизмом, атмосферной химией и климатом образует сложную петлю обратной связи. Микробное потребление H2 и CO2 напрямую снижает парниковое потепление. Последующее охлаждение приводит к дальнейшей потере атмосферы (замерзание CO2). Хотя метан, производимый микробами, может возвращать свой углерод в CO2 в атмосферу, водород потребляется, способствуя общему окислению планеты.33 Это предполагает, что микробная активность, даже если изначально процветающая, могла непреднамеренно вызвать каскад событий, которые сделали поверхность непригодной для жизни, вынудив жизнь уйти в глубокие подповерхностные убежища и способствуя нынешнему холодному, сухому состоянию планеты. Это рисует картину жизни, действующей как мощная, хотя и потенциально самоограничивающаяся, геобиологическая сила.
Комплексный анализ условий Гесперийского Марса и известных микробных метаболизмов позволяет сделать вывод, что анаэробные хемолитоавтотрофы являются наиболее правдоподобными кандидатами для предлагаемого потребления атмосферного CO2. В частности, метаногенез и ацетогенез очень совместимы с геохимией планеты, включая обилие CO2 и геологически генерируемого водорода, а также преобладание подповерхностных, бескислородных сред. Сульфатредукция, хотя и является в первую очередь путем акцептора электронов, также способствует фиксации CO2 в биомассу и весьма правдоподобна, учитывая богатую серой природу Марса.
Потенциальное влияние на эволюцию атмосферы:
Метаногены: Потребляя атмосферный CO2 и мощный парниковый газ H2, метаногены могли напрямую способствовать глобальному похолоданию. Это снижение парникового эффекта привело бы к дальнейшему истончению атмосферы (например, конденсации CO2) и вынудило бы жизнь уйти в более глубокие, теплые подповерхностные ниши. Произведенный метан, хотя и временный в атмосфере, мог быть секвестрирован в коре.
Ацетогены: Эти микробы предлагают путь для более прямой и постоянной секвестрации углерода. Превращая газообразный CO2 в негазообразный ацетат, они способствовали бы удалению углерода из атмосферного резервуара в литосферу.
Синергия геохимической секвестрации: Обнаружение широко распространенных смектитовых глин на Марсе, способных секвестрировать большое количество метана (полученного из CO2 и H2), обеспечивает убедительный механизм крупномасштабного удаления атмосферного углерода. Этот абиотический процесс мог быть значительно усилен или облегчен микробным метаногенезом, создавая мощный биогеохимический поглотитель углерода.
Представленная гипотеза включает сложные биогеохимические петли обратной связи, где ранняя марсианская жизнь, следуя своему метаболическому императиву, могла непреднамеренно вызвать каскад экологических изменений, которые привели к истончению атмосферы и охлаждению климата. Это подчеркивает глубокую способность жизни действовать как планетарная геологическая сила.
Дальнейшие исследования имеют решающее значение для проверки и уточнения этой гипотезы. Ключевые области для будущих исследований включают:
Более точное датирование и характеристика атмосферных условий Гесперия и эволюции климата.
Детальные исследования геохимии марсианской подповерхности для количественной оценки потенциальных источников H2 и окислительно-восстановительных градиентов.
Продолжение усилий по пониманию происхождения, обилия и судьбы метана в марсианской атмосфере и подповерхности, различая биотические и абиотические источники.
Окончательное подтверждение будет получено в ходе будущих миссий по возврату образцов, которые могли бы проанализировать древние марсианские породы на предмет специфических биосигнатур, указывающих на эти предлагаемые метаболизмы (например, паттерны изотопного фракционирования углерода или серы, специфические органические соединения, такие как ацетат, или окаменевшие микробные структуры в смектитовых глинах).
В публикации приводится исследование убедительной гипотезы о том, что древние марсианские микроорганизмы, особенно в гесперийскую эру, развили метаболические пути, которые значительно потребляли атмосферный углекислый газ (CO2), тем самым способствуя резкому истончению атмосферы планеты. Этот сценарий проводит параллель с Великим кислородным событием на Земле (ВКО), где микробная активность глубоко изменила состав атмосферы, горных пород планеты и климат.
Этот анализ показывает, что анаэробные хемолитоавтотрофные метаболизмы, в частности метаногенез и ацетогенез, представляют собой наиболее вероятных кандидатов для такого потребления CO2 на гесперийском Марсе. Эти пути очень хорошо совместимы с наблюдаемым геологическим и химическим составом планеты, включая обилие водорода (H2) и CO2, а также преобладание подповерхностных, бескислородных сред. Микробное потребление H2, сильного марсианского парникового газа, наряду с CO2, непосредственно способствовало бы охлаждению планеты. Кроме того, секвестрация углерода (в виде метана или ацетата) в изобилующих смектитовых глинах в марсианской коре обеспечивает надежный геохимический механизм для крупномасштабного удаления атмосферного CO2, потенциально усиленного биотическими процессами.
Эта гипотеза предлагает новое, интегрированное объяснение потери марсианской атмосферы, выходящее за рамки чисто физических механизмов утечки. Она подчеркивает глубокий потенциал ранней жизни формировать планетарные среды, даже в ущерб себе, и обозначает критические направления для будущих астробиологических исследований и поисков биосигнатур таких древних марсианских экосистем.
1. Введение: Загадка древнего Марса и его потерянной атмосферы
Марс, в настоящее время представляющий собой холодную, гиперзасушливую пустыню с разреженной атмосферой, состоящей в основном из углекислого газа, резко контрастирует со своим древним прошлым. Геологические данные, такие как сети долин и особенности, образованные текущей водой, убедительно указывают на то, что в течение Нойской эры (приблизительно от 4,1 до 3,5 миллиардов лет назад) Марс обладал более плотной атмосферой и поддерживал жидкую воду на своей поверхности, создавая условия, потенциально пригодные для микроорганизмов. 1
Гесперийская эра, промежуточный и переходный период, последовавший за Нойской, стала свидетелем драматического перехода от этого «теплого и влажного» состояния к сухой, холодной и пыльной планете, наблюдаемой сегодня.3 Этот переход характеризовался значительным истончением атмосферы и повсеместной потерей поверхностной жидкой воды.3 Центральной загадкой в марсианской планетарной науке является судьба ее ранней, плотной, доминирующей CO2 атмосферы, которая, по оценкам, составляла от 0,25 до 4 бар.5 Существующие механизмы утечки атмосферы, объясняющие лишь около 1,3–6,3 мбар потери CO2 с Нойской эры, на порядки не дотягивают до объяснения этого существенного исчезновения.5
Гипотеза, выдвинутая в данном исследовании, предполагает, что микробная жизнь на Марсе, развивавшаяся в гесперийскую эру, выработала метаболизм, который активно потреблял атмосферный CO2. Это потребление, подобно Великому кислородному событию на Земле (ВКО), могло сыграть ключевую роль в истончении атмосферы планеты. ВКО на Земле, вызванное оксигенным фотосинтезом цианобактерий, фундаментально преобразовало раннюю восстановительную атмосферу Земли (богатую CO2 и метаном) в окислительную, что привело к значительным климатическим изменениям и глубоким последствиям для ранней жизни.9 Основной вопрос, на который необходимо ответить, заключается в следующем: какой конкретный тип(ы) микробного метаболизма мог действовать в уникальных условиях гесперийского Марса для достижения такого крупномасштабного потребления атмосферного CO2, и как это могло способствовать наблюдаемой потере атмосферы?
2. Гесперийский Марс: Экологический контекст для жизни
Гесперийская эра на Марсе представляет собой критический период в истории планеты, характеризующийся значительными изменениями в ее атмосфере, гидросфере и климате. Понимание этих условий имеет решающее значение для оценки возможности существования и влияния микробной жизни.
Атмосферный состав и давление в гесперийскую эру
К началу позднего Гесперия атмосфера Марса, вероятно, истончилась до своей нынешней низкой плотности.4 Это указывает на быстрое снижение давления по сравнению с более ранним, более плотным состоянием. Ранняя марсианская атмосфера преимущественно состояла из CO2, с оценками от 1 до 3 бар.5 Вулканическая дегазация, особенно во время перехода от Нойской к Гесперийской эре, высвободила значительные количества диоксида серы (SO2) и сероводорода (H2S) в атмосферу.3 Это привело к значительному увеличению концентрации этих газов в сокращающейся атмосфере.3 Переход от потенциально плотной, богатой CO2 атмосферы к тонкой, в сочетании с увеличением SO2 и H2S, указывает на динамичную и развивающуюся атмосферную систему. Истончение атмосферы CO2 привело к уменьшению парникового эффекта и охлаждению планеты. Вулканические выбросы, хотя и пополняли атмосферный состав, также вводили реактивные сернистые соединения, которые влияли бы на химический состав воды (кислотность) и, возможно, на химический состав атмосферы, создавая условия для различных типов химических источников энергии для жизни. Это означает, что микробная активность, если бы она потребляла парниковые газы, могла бы действовать как значительный фактор изменения климата, ускоряя охлаждение и последующую потерю атмосферы.
Доступность, состояние и химический состав воды
В течение Гесперия жидкая вода становилась все более локализованной и кислой, в основном из-за ее взаимодействия с вулканическими SO2 и H2S, которые образовывали серную кислоту.3 Этот сдвиг привел к изменению типа выветривания с преимущественно филлосиликатного (глинистого) на сульфатный.4 По мере охлаждения планеты грунтовые воды, хранящиеся в верхней коре, начали замерзать, образуя толстую криосферу, под которой находилась более глубокая зона жидкой воды.4 Катастрофические паводки, резко отличающиеся от более ранних речных процессов, происходили на протяжении всего Гесперия, прорезая огромные каналы. Эти паводки были результатом вулканической или тектонической активности, разрушающей криосферу и высвобождающей огромное количество глубоких грунтовых вод на поверхность.3 Большая часть этой воды стекала в северное полушарие, где, вероятно, скапливалась, образуя большие временные озера или покрытый льдом океан.4 Атмосферное давление упало ниже тройной точки воды при марсианских температурах, что означало, что вода обычно переходила бы непосредственно из льда в пар при нагревании, хотя в очень низких местах могли временно наблюдаться эпизоды жидкой воды.3 Увеличение кислотности и перемещение жидкой воды преимущественно в подповерхностные, защищенные криосферой зоны 4 являются критическими факторами. Это предполагает, что любая широко распространенная, устойчивая жизнь в течение Гесперия, вероятно, приспособилась бы к этим подповерхностным, бескислородным и химически сложным средам, а не полагалась бы на поверхностный фотосинтез. Спорадические «катастрофические паводки» 3 указывают на временную доступность поверхностной воды, но не на стабильные, широко распространенные условия. Это убедительно свидетельствует в пользу хемолитоавтотрофных метаболизмов, которые используют градиенты химической энергии в подповерхностных условиях.
Эволюция климата и температурные диапазоны
Гесперий представляет собой период значительных климатических изменений, переходя от потенциально более теплого и влажного Ноя к засушливым, холодным условиям современного Марса.4 Скорость эрозии резко снизилась по мере высыхания планеты.3 Моделирование предполагает, что Марс переживал эпизодические теплые периоды, каждый продолжительностью 100 000 лет или более, в течение Нойской и Гесперийской эр.12 Эти потепления были вызваны гидратацией коры, которая обеспечивала достаточное количество водорода (H2) для накопления в атмосфере. Этот H2 в сочетании с CO2 мог создать мощный парниковый эффект.12 Температура поверхности в эти теплые периоды могла колебаться от 10 до 20 градусов Цельсия, но опускалась до суровых минус 57 градусов Цельсия во время холодных фаз.13 Эпизодические теплые периоды, вызванные H2 и CO2 12, имеют прямое отношение к выдвинутой гипотезе. Если гесперийские микробы развились, чтобы потреблять именно эти парниковые газы (H2 и CO2), они бы напрямую подорвали способность планеты удерживать тепло. Это создает мощную, самоуничтожающуюся обратную связь: рост микробов, потребляя ключевые атмосферные агенты потепления, мог ускорить охлаждение планеты, вынуждая жизнь отступать глубже в кору или сталкиваться с вымиранием.13 Это напрямую затрагивает аналогию с «кислородной катастрофой», показывая, как микробный метаболизм, даже если он полезен для самих организмов, мог иметь пагубное макроэкологическое воздействие.
Геологическая активность и особенности поверхности
Гесперий характеризуется широко распространенной вулканической активностью, включая извержения базальтовых потоков.4 Эта активность высвобождала большое количество SO2 и H2S в атмосферу.4 Квадрант Mare Tyrrhenum, типовая область для Гесперия, состоит из холмистых, изрезанных ветром равнин с обильными морщинистыми грядами, интерпретируемыми как базальтовые лавовые потоки.4 «Широко распространенная вулканическая активность» 4 является важным показателем внутренней планетарной тепловой и геохимической активности. Вулканизм обеспечивает постоянный источник восстановленных газов (например, H2S, а потенциально и H2 из взаимодействий воды и горных пород на глубине) и тепла, которые являются необходимыми источниками энергии для хемолитоавтотрофной жизни, особенно в подповерхностных средах, где отсутствует солнечный свет. Базальтовые потоки также указывают на источник богатых железом пород, которые могут подвергаться изменению (например, серпентинизации), что дополнительно генерирует доноры электронов. Этот геологический контекст обеспечивает необходимое «топливо» для предлагаемых микробных метаболизмов.
Ниже представлены ключевые параметры окружающей среды Гесперийского Марса, дающие представление о сложных, но потенциально пригодных для жизни условиях, которые могли бы поддерживать микробную активность.
Ключевые параметры окружающей среды Гесперийского Марса (приблизительные диапазоны)
Период времени
Промежуточный и переходный период, абсолютный возраст неопределен.4 Следует за Нойской эрой (4,1–3,5 млрд лет назад).1
Атмосферное давление
Истончилось до нынешней плотности к позднему Гесперию.4 Ниже тройной точки воды.3 Ранний Гесперий потенциально 0,25–4 бар CO2, быстро истончающийся.5
Доминирующие атмосферные газы
CO2.7 Увеличение SO2, H2S из-за вулканизма.3 Возможно наличие H2, CH4.5
Состояние воды
Жидкая вода локализована и кислая.4 Грунтовые воды замерзают, образуя криосферу, более глубокая жидкая вода.4 Спорадические катастрофические паводки.3 Вода переходит из льда в пар на поверхности.3
Диапазон температур поверхности
Переход от «более влажного и, возможно, более теплого» к «сухому, холодному и пыльному».4 Эпизодические теплые периоды (10–20°C), сменяющиеся суровым холодом (-57°C).13
3. Геохимия Марса: Субстраты и источники энергии для микробной жизни
Понимание химического и минералогического состава Марса имеет фундаментальное значение для выявления потенциальных субстратов и источников энергии, которые могли бы поддерживать микробную жизнь, особенно хемолитоавтотрофные организмы, не зависящие от солнечного света.
Элементарный и минералогический состав марсианской коры и подповерхности
Марсианская кора в основном состоит из вулканических базальтовых пород под слоем мелкой пыли.16 Марс является дифференцированной планетой с центральным ядром (в основном из металлического железа и никеля) и менее плотной силикатной мантией и корой.14 Его ядро богаче серой, чем земное, а мантия примерно в два раза богаче железом.14 Отличительный красный цвет Марса обусловлен оксидами железа на его поверхности.14 Марсианская кора содержит более высокий процент летучих элементов, таких как сера и хлор, по сравнению с земной корой.14 Наиболее распространенными химическими элементами в марсианской коре являются кремний, кислород, железо, магний, алюминий, кальций и калий. Менее распространенные, но все же важные элементы включают титан, хром, марганец, серу, фосфор, натрий и хлор.14 Водород присутствует в виде водяного льда и в гидратированных минералах.14 Углерод существует в виде CO2 в атмосфере и иногда в виде сухого льда на полюсах, с неизвестным количеством, хранящимся в карбонатах.14 Молекулярный азот (N2) составляет 2,7% атмосферы.14 Бор, важный ингредиент для жизни на Земле, был обнаружен в кратере Гейла, что подтверждает возможную раннюю обитаемость региона.2 Следовые количества метана были обнаружены в марсианской атмосфере, с локализованными «десятикратными всплесками», наблюдаемыми марсоходом Curiosity.14 Недавние данные свидетельствуют о наличии радиоактивного магматического океана под корой Марса.14 Высокое содержание железа и серы 14 является критическим фактором для хемолитотрофной жизни. Способность железа существовать в нескольких степенях окисления (Fe2+/Fe3+) и широкий окислительно-восстановительный континуум серы (от -2 до +6) 17 обеспечивают богатый набор потенциальных доноров и акцепторов электронов. Это имеет первостепенное значение для метаболизмов, которые извлекают энергию из химических реакций. Присутствие воды (даже если она замерзшая или в гидратированных минералах) 14 обеспечивает среду для этих реакций. Обнаружение необходимых питательных веществ, таких как калий, фосфор и бор 2, дополнительно подтверждает химическую осуществимость жизни. Подповерхностный магматический океан 14 предполагает продолжающееся внутреннее тепло и потенциальную гидротермальную активность, создавая благоприятные ниши для термофильной или гипертермофильной жизни и стимулируя геохимические реакции, которые производят субстраты.
Потенциальные окислительно-восстановительные градиенты и источники энергии
Микробная жизнь в глубоких подповерхностных слоях Марса, скорее всего, зависела бы от анаэробных, хемосинтетических путей, движимых геохимическими источниками энергии.18 Эти источники энергии включают водород, серу, железо и углеродные соединения.18 Процессы, такие как радиолиз воды и окисление сульфидов, могут обеспечивать как сульфат, так и водород.18 Что крайне важно, гидротермальное изменение ультрамафических пород (богатых Fe(II) и Mg) посредством серпентинизации высвобождает H2 из воды.5 Этот H2 затем может реагировать с CO2 посредством реакции Сабатье с образованием метана.5 Считается, что серпентинизация на Марсе произвела значительно больше восстановительных газов, чем предполагалось ранее, из-за высокого содержания железа в марсианской коре.15 Потеря этих восстановительных газов и последующее окисление марсианской атмосферы теоретически могли бы привести к охлаждению климата.15 Непрерывная генерация H2 посредством серпентинизации 5 является ключевым фактором для рассматриваемой гипотезы. H2 — это мощный донор электронов и, что важно, парниковый газ. Его абиотическое производство обеспечивает готовый субстрат для метаболизмов, восстанавливающих CO2, таких как метаногенез и ацетогенез. Если микробы затем потребляют этот H2, они непосредственно используют геохимический источник энергии и одновременно удаляют ключевой атмосферный агент потепления. Это устанавливает четкую геохимическую основу для предлагаемого микробного воздействия на атмосферу, связывая внутренние процессы планеты с эволюцией ее атмосферы.
Ниже представлен подробный список основных химических элементов и минералов, обнаруженных на Марсе, а также их потенциальная роль в поддержании микробной жизни.
Основные химические элементы и минералы на Марсе, имеющие отношение к микробному метаболизму
Углерод (CO2, карбонаты, органические вещества)
Обилен в атмосфере (CO2), хранится в карбонатах.7
Источник углерода для автотрофов. 7
Водород (H2O, гидратированные минералы, H2)
Присутствует в виде водяного льда/гидратированных минералов.14 H2 из серпентинизации.5
Донор электронов для метаногенеза, ацетогенеза, сульфатредукции.
Кислород (O2, оксиды, H2O)
Окисленная атмосфера.19 Компонент воды, оксидов (Fe2O3, FeO(OH)H2).3
Кора в основном базальтовая.16 Мантия вдвое богаче земной.14 Красный цвет из-за оксидов железа.14 Сульфиды Fe (пирротит, пирит), сульфаты Fe (ярозит).17
Донор/акцептор электронов (Fe2+/Fe3+).
Сера (S, SO2, H2S, сульфаты, сульфиды)
Ядро богаче серой.14 Кора содержит больше летучей серы.14 Вулканические SO2, H2S.3 Планета, богатая S, сульфаты (Ca/Mg/Fe-сульфаты).17
Питательное вещество в почве.16 Мантия богаче земной.14 Компонент ярозита.17
Важное питательное вещество.
Натрий (Na), Магний (Mg), Хлор (Cl)
Питательные вещества в почве.16 Mg – компонент минералов.14
Важные питательные вещества.
Бор (B)
Обнаружен в кратере Гейла, необходим для жизни на Земле.2
Важное питательное вещество.
Смектитовые глины
Обильны на поверхности.6
Ключевой элемент для секвестрации углерода.6
4. Микробный метаболизм: Пути потребления CO2
Для понимания того, как микробная жизнь могла повлиять на атмосферу Марса, необходимо рассмотреть типы метаболизма, способные фиксировать углекислый газ, особенно в условиях, характерных для Гесперийской эры.
Обзор автотрофных и анаэробных метаболизмов, фиксирующих CO2
Микроорганизмы могут метаболизировать углекислый газ (CO2) двумя основными способами: путем создания биосинтетических путей у естественно фиксирующих углерод организмов или путем превращения гетеротрофных штаммов в «синтетические автотрофные штаммы».20 Автотрофные организмы получают углерод для синтеза клеточной массы непосредственно из CO2.21 Хемолитоавтотрофы являются ключевой категорией, получающей энергию от окисления неорганических соединений и углерод от фиксации CO2.21 Примеры включают нитрифицирующие бактерии, сероокисляющие бактерии и железоокисляющие бактерии.21 Учитывая гесперийскую марсианскую среду (истощающаяся атмосфера, кислая вода, потенциальные подповерхностные ниши), анаэробные условия были бы преобладающими, что делает анаэробные пути фиксации CO2 весьма актуальными.18 По мере того как Марс переходил от потенциально «теплого и влажного» Ноя к «холодному и сухому» Гесперию, поверхностные условия становились все более враждебными для светозависимой жизни (фотосинтеза). Зависимость от химической энергии из неорганических соединений (хемолитотрофия) становится первостепенной. Кроме того, возрастающая засушливость и истончение атмосферы благоприятствовали бы анаэробным метаболизмам, особенно в защищенных подповерхностных средах. Это убедительно указывает на то, что если жизнь существенно влияла на атмосферу, то это происходило бы через хемолитоавтотрофные, анаэробные пути, а не через оксигенный фотосинтез, как это наблюдалось при ВКО на Земле.
Обсуждение циклов фиксации углерода
Цикл Кальвина-Бенсона-Бассама (ЦКБ) (Цикл Кальвина): Это наиболее распространенный цикл фиксации углерода на Земле, на который приходится 90% биологической фиксации углерода.22 Он встречается у растений, водорослей, цианобактерий и различных протеобактерий.22 Он потребляет АТФ и НАДФН и использует фермент RuBisCO для фиксации CO2 в сахара.22 Хотя он доминирует, он в основном связан с оксигенным фотосинтезом или аэробными условиями.23
Обратный цикл Кребса (оЦТК) (Восстановительный цикл лимонной кислоты): Альтернатива циклу ЦКБ, обнаруженная у строго анаэробных или микроаэробных бактерий (например, Aquificales) и анаэробных архей.22 Он обращает окислительный цикл ТКА для фиксации CO2.24
Восстановительный ацетил-КоА (путь Вуда-Льюнгдаля): Этот путь использует CO2 как акцептор электронов и источник углерода, а водород (H2) часто служит донором электронов для производства уксусной кислоты.22 Он широко распространен среди анаэробных бактерий (например, Clostridia) и архей (например, метаногенов), а также некоторых анаэробных хемолитоавтотрофов, таких как сульфатредуцирующие бактерии.22
Другие циклы: Другие менее распространенные пути включают 3-гидроксипропионатный [3-ГП] путь и связанные с ним циклы.22
Ключевое отличие для Марса заключается в доступности доноров и акцепторов электронов в бескислородной среде. Цикл ЦКБ, хотя и эффективен, с меньшей вероятностью был основным движущим фактором крупномасштабного потребления CO2 на Гесперийском Марсе из-за его связи с оксигенными или аэробными условиями. Обратный цикл ТКА и особенно путь Вуда-Льюнгдаля гораздо более совместимы с предлагаемой марсианской подповерхностной, анаэробной и геохимически обусловленной средой. Прямое использование CO2 в качестве акцептора электронов и H2 в качестве донора электронов в пути Вуда-Льюнгдаля делает его основным кандидатом, поскольку как CO2, так и H2, вероятно, были в изобилии.5 Этот путь непосредственно удаляет газообразный CO2 и превращает его в негазообразное органическое соединение (ацетат), обеспечивая прямой механизм секвестрации атмосферного углерода.
Сравнение с ранней жизнью на Земле и Великим кислородным событием (ВКО) как аналогом атмосферной трансформации
Ранняя атмосфера Земли была восстановительной, состоящей из углекислого газа, метана и водяного пара.9 ВКО, произошедшее примерно 2,46–2,06 миллиарда лет назад, ознаменовало резкое увеличение концентрации свободного кислорода в атмосфере Земли и мелководных морях.10 Это событие было в первую очередь вызвано эволюцией цианобактерий, которые осуществляли оксигенный фотосинтез, высвобождая O2 как побочный продукт фотолиза воды.9 По мере накопления кислорода он реагировал с атмосферным метаном (мощным парниковым газом) и вытеснял его, что привело к глобальному похолоданию и одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле.9 ВКО также вызвало массовое вымирание многих анаэробных организмов, одновременно проложив путь для аэробного метаболизма.9 Экскурсия изотопов углерода Ломагунди (2,3-2,08 млрд лет назад) включала массовое захоронение органического углерода, которое служило значительным источником кислорода в атмосферу.25
Хотя выдвинутая гипотеза проводит прямую параллель с ВКО, крайне важно подчеркнуть фундаментальные различия в лежащей в основе биологии и химии. ВКО на Земле было вызвано производством кислорода (событие окисления), что привело к окислению метана и последующему изменению климата. Марсианская гипотеза, напротив, включает потребление CO2 (событие восстановления) анаэробными организмами. Однако следствие — значительное изменение состава атмосферы, ведущее к охлаждению климата и проблемам с обитаемостью, — поразительно аналогично. На Марсе, если бы микробы потребляли CO2 и H2 (оба парниковые газы), это привело бы непосредственно к охлаждению, подобно потере метана на Земле. Это различие жизненно важно для нюансированного понимания предлагаемого марсианского сценария.
