?
Посадочный модуль «Викинг» на поверхности Марса (компьютерная графика)
Пионеры на Красной планете
В июле 1976 года два американских зонда, Viking 1 и Viking 2, совершили историческую посадку на Марс. Хотя они не были первыми аппаратами на поверхности (советский Mars 3 опередил их в 1971 году, но проработал лишь 14 секунд), именно «Викинги» впервые передали на Землю полноценные научные данные и цветные фотографии с другой планеты. Эти миссии собрали колоссальный по меркам 1970-х годов объем информации — около 500 мегабайт. В течение последующих 21 года, вплоть до посадки Mars Pathfinder в 1997 году, данные «Викингов» оставались единственным источником знаний о марсианской поверхности.
Места посадки космических аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2»
«Викинг-1» приземлился 20 июля в районе плато Хриса — плоской пыльной равнины к югу от экватора, недалеко от устья древней долины, предположительно образованной водными потоками.
Viking 2 сел севернее, 3 сентября, в районе Utopia Planitia — крупнейшего ударного бассейна на Марсе. Местность здесь была более каменистой, со следами древней геологической активности.
Интересно, что расстояние между двумя местами посадки составляло около 6460 километров, что позволило изучить два геологически и климатически различных региона Марса.
Фотография места посадки «Викинга-2», на которой видна траншея для сбора образцов почвы.
Самый спорный эксперимент в истории
Однако главной интригой миссии стал не сбор фотографий или данных о грунте, а один из самых противоречивых научных экспериментов в истории космических исследований. На борту посадочных модулей был проведен эксперимент по прямому обнаружению внеземной жизни. Его результаты и их интерпретация до сих пор вызывают жаркие споры среди ученых.
Как искали жизнь в 1976 году?
Задача была невероятно сложной: как убедительно доказать или опровергнуть существование жизни на другой планете, если у науки до сих пор нет единого определения самой жизни? Что считать жизнью, а что — просто сложной химической реакцией?
Если жизнь — это метаболизм, то есть поглощение и переработка органических веществ с выделением энергии, то под это определение формально подходит и обычное горение. Вирусы же, не имеющие собственного метаболизма, при этом считаются пограничной формой жизни. Вопросов было больше, чем ответов.
Определение последовательности ДНК на современном секвенаторе.
Сегодня мы, вероятно, искали бы знакомые маркеры жизни — ДНК или РНК. Но в начале 1970-х биотехнологии были в зачаточном состоянии. Метод секвенирования ДНК появился лишь в 1977 году, а ПЦР — в 1983. Даже если бы эти методы существовали, их было бы физически невозможно разместить на посадочном модуле с его строгими ограничениями по массе и энергопотреблению.
Поэтому ученые пошли другим путем. Они решили искать не конкретные молекулы, а универсальные признаки метаболизма.
Эксперимент с меченым высвобождением (Labeled Release, LR)
Серия экспериментов по обнаружению жизни на Марсе проводилась в крошечных герметичных камерах объемом всего 30 см³.
Все эксперименты по обнаружению жизни проводились в закрытом пространстве объемом 30 см³
Эксперименты курировались командами из трех университетов: Университета Джонса Хопкинса (Гилберт Левин и Патрисия Страат), Университета Рочестера (Вольф Вишняк) и Массачусетского технологического института (Клаус Биман).
Эксперимент LR, разработанный Гилбертом Левином и Патрисией Страат, был основан на гениальной, но простой идее. В образец марсианского грунта вводилась стерильная питательная среда, содержащая семь простых органических веществ (глюкоза, лактат, глицин и другие), каждое из которых было «помечено» слаборадиоактивным изотопом углерода ¹⁴C.
Патрисия Страат за планированием экспериментов LR. Университет Джонса Хопкинса, Балтимор, 1974.
Логика была следующей: если в почве есть микроорганизмы, они начнут «поедать» предложенную органику в процессе метаболизма. В результате их жизнедеятельности будут выделяться газы (углекислый газ или метан), содержащие тот самый меченый радиоактивный углерод. Эти газы сможет зафиксировать высокочувствительный детектор.
Чтобы учесть возможные биохимические отличия марсианской жизни, в среду включили и D-, и L-изомеры аминокислот и сахаров, так как на Земле жизнь использует в основном только одну их форму.
Молекулы D-глюкозы и L-глюкозы являются зеркальными отражениями друг друга. D-глюкоза — основной источник энергии для земной жизни, в то время как L-глюкоза для нее метаболически неактивна. А как насчет марсианской жизни?
В качестве контрольного образца использовался тот же марсианский грунт, но предварительно стерилизованный нагревом до 160°C.
Сенсационные и загадочные результаты
Результаты ошеломили исследователей. В первые 140 часов после внесения питательной среды детекторы зафиксировали быстрое нарастание радиоактивного сигнала. Кривая роста идеально соответствовала логарифмической кривой размножения бактерий, которую биологи постоянно видят в земных лабораториях. Тот же результат повторился на Viking 2, в тысячах километров от первого места посадки.
Необработанные результаты раундов 1–3 эксперимента LR, проведенного на Viking 1. В раундах 1 и 3 использовалась необработанная марсианская почва, а в раунде 2 — почва, стерилизованная при температуре 160°C.
Расчеты показали, что гипотетические марсианские микроорганизмы удваивали бы свою численность примерно за 20 часов. Это медленнее, чем у кишечной палочки (20 минут), но сравнимо с арктическими бактериями, живущими в вечной мерзлоте.
Моделирование кривых роста бактерий на основе времени удвоения (TD). Escherichia coli — 20 минут (зеленая кривая), Colwellia psychrerythraea — TD 36 часов (синяя кривая), Pseudomonas aeruginosa — TD 20 часов (красная кривая).
Стерилизованные образцы не показали никакой активности. Казалось бы, это прямое доказательство биологической природы процесса. Однако дальше началось странное.
Загадка второй инъекции
Согласно протоколу, через несколько дней в камеру вводилась вторая порция питательной среды. Логика подсказывала: если там есть живые организмы, новый «обед» должен вызвать всплеск их активности и, соответственно, новый рост сигнала на детекторе. Так ведут себя все земные бактерии.
Но на Марсе произошло обратное. Сразу после второй инъекции уровень радиоактивных газов в камере не вырос, а резко упал, и активность почти полностью прекратилась.
Первый раунд экспериментов LR продолжился на Викинге 1 с повторным введением питательных веществ. Вместо ожидаемой активации роста наблюдалось снижение выделения радиоактивного газа и прекращение активности.
Эксперимент цикла LR 1 был повторен на Viking-2, и среда была введена дважды. Результаты такие же, как у Viking-1. Температура ячейки и датчика показана в середине графика.
Этот неожиданный результат стал главным козырем скептиков. Они заявили, что наблюдают не биологический процесс, а странную химию марсианского грунта.
Однако у сторонников биологической гипотезы нашлось объяснение. Возможно, мы не активировали, а убили гипотетическую жизнь. Избыток воды или резкое изменение кислотности (pH) среды из-за растворения в ней атмосферного CO₂ могли оказаться смертельными для марсианских экстремофилов, адаптированных к сухим и щелочным условиям. Подобные явления наблюдаются и на Земле: в сверхзасушливой пустыне Атакама дожди могут убивать до 80% местных почвенных микробов.
Эксперимент по повторной инъекции Viking 1/2 был повторен с использованием щелочных почв с pH 7,8 в пустыне Юнгай. Наблюдалось резкое падение уровня CO2 (красная кривая). Кислая почва (pH 6,5) показала типичную «земную» реакцию — рост CO2 (синяя кривая).
Дополнительные проверки
Чтобы разобраться, команда Левина провела серию контрольных экспериментов на Viking 2.
Тепловой шок: Образцы грунта нагревали до 46°C и 51°C. Если выделение газа было химическим, температура не должна была на него сильно повлиять. Если же биологическим — тепло должно было повредить клетки. Результат: при 46°C сигнал ослаб на 60%, при 51°C — исчез. Это типично для биологических систем, особенно для холодолюбивых (психрофильных) бактерий.
Эксперименты LR на Викинге-2 (циклы 1-5): 1 — активный грунт; 2 — термообработка при 51 °C; 3 — образцы из-под скал; 4 — термообработка при 46 °C; 5 — образцы после долгого хранения.
Защита от ультрафиолета: Критики утверждали, что сигнал дает грунт, «испорченный» солнечным излучением, которое создает в нем агрессивные окислители. Чтобы проверить это, образец взяли из-под камня, куда UV-лучи не проникали. Результат был таким же положительным.
Восход солнца на Марсе, запечатленный Викингом-1
Другие эксперименты «Викингов»
Помимо LR, на борту были и другие инструменты поиска жизни.
Газообменный эксперимент (GEX): В грунт просто добавляли воду, без питательных веществ, и следили за изменением состава газов в камере. После увлажнения было зафиксировано резкое выделение кислорода. Большинство ученых сочли это результатом химической реакции разложения пероксидов в почве, а не биологической активностью.
Газовая хроматография/масс-спектрометрия (GCMS): Этот эксперимент, которым руководил Клаус Биман, искал непосредственно органические молекулы в грунте путем его нагревания (пиролиза). Органика обнаружена не была. Это стало главным аргументом против биологической интерпретации данных LR. Однако позже выяснилось, что прибор, нагревая грунт, мог разрушать органику из-за присутствия в нем перхлоратов — солей, которые при высокой температуре расщепляют органические соединения.
Современные данные: новые улики
Прошли десятилетия, и новые миссии принесли данные, которые заставляют по-новому взглянуть на результаты «Викингов».
Марсоход Curiosity на поверхности Марса.
1. Органические молекулы: Марсоход Curiosity все-таки нашел органику в марсианском грунте — бензол, тиофен и другие соединения. Ее концентрация в некоторых образцах (до 273 ppm) превышает показатели самых бесплодных земных пустынь.
2. Сезонный метан: Curiosity и орбитальные аппараты обнаружили в атмосфере Марса метан. Более того, его концентрация меняется по сезонам — повышается летом и падает зимой. На Земле такие колебания — классический признак биологической активности, так как метан быстро разрушается ультрафиолетом и его постоянное присутствие требует активного источника.
Летом в атмосфере Марса зафиксирована повышенная концентрация метана.
Сезонные изменения метана в атмосфере Марса после трех лет измерений.
Нежеланное открытие? Реакция научного сообщества и НАСА
Несмотря на впечатляющие результаты LR, в 1976 году идея о жизни на Марсе была встречена научным истеблишментом в штыки. Эксперимент критиковали за антропоцентризм и методологические недостатки. Давление было настолько велико, что большинство ученых, участвовавших в проекте, впоследствии отошли от активной научной деятельности.
Парадоксально, но самым «успешным» с карьерной точки зрения оказался Клаус Биман, чей эксперимент GCMS не нашел органики и, как позже выяснилось, мог дать ложноотрицательный результат.
НАСА также дистанцировалось от прямого поиска жизни. Все последующие марсианские миссии были сфокусированы на поиске воды и следов «обитаемости в прошлом». «Викинги» так и остались первой и последней программой НАСА, ставившей прямой биологический эксперимент на другой планете.
Выводы и перспективы
Спустя почти 50 лет данные эксперимента LR выглядят все более убедительно на фоне новых открытий. Для многих биологов совокупность доказательств — логарифмическая кривая роста, чувствительность к тепловому шоку, сезонные выбросы метана, наличие органики — указывает на то, что «Викинги» могли обнаружить жизнь.
Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, имитирующее то, как могут выглядеть марсианские экстремофильные бактерии (изображение создано ИИ).
Если это так, то марсианская жизнь, вероятно, представлена анаэробными, метаногенными микроорганизмами, адаптированными к холоду, сухости и высокому содержанию солей. Их медленный метаболизм и возможные биохимические отличия (например, иная хиральность молекул) делают их уникальным объектом для изучения.
Будущие пилотируемые миссии на Марс должны учитывать эту возможность. Вопрос уже не в том, «есть ли там жизнь?», а в том, как ее корректно идентифицировать, изучить и не навредить ни ей, ни земной биосфере.
Эксперимент «Викингов» — это история не только о технологическом триумфе, но и о том, как сложно бывает принять революционное открытие, которое бросает вызов нашим фундаментальным представлениям. Ответ на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, возможно, уже был получен в 1976 году. Просто мы не были готовы его услышать.
Статья основана на следующих источниках:
📚Левин, Г. В и Страат, П. А. (2016). Возможность жизни на Марсе и ее обнаружение в ходе эксперимента по высвобождению меченых объектов с помощью аппарата Viking. Астробиология, 16(10), 798–810 https://doi.org/10.1089/ast.2015.1464
📚 Гуайта, К. Обнаружил ли «Викинг» жизнь на Марсе? (European Physical Journal Plus 132, 346 (2017)) https://doi.org/10.1140/epjp/i2017-11637-y
📚Разложение водных органических соединений в пустыне Атакама и марсианских почвах. Ноябрь 2007 г. Журнал геофизических исследований атмосферы 112(G4) DOI: 10.1029/2006JG000312
📚Страат, Пенсильвания (2019). На Марс с любовью. BookBaby.
📚Публичные архивы НАСА (включая миссии Viking, Curiosity и Mars Science Laboratory)
Краткий итог: Эксперименты «Викингов», в частности LR, представили убедительные, но спорные данные в пользу существования микробной жизни на Марсе. Научное сообщество 1970-х годов отклонило эту интерпретацию, сославшись на недостаточность доказательств и возможные химические объяснения. Однако последующие открытия (сезонный метан, органика) заставляют пересмотреть эти результаты. «Викинги», возможно, совершили величайшее открытие в истории, которое еще ждет своего окончательного признания.
[Моя] Наука Популярная наука Ученый Марс Марсоход NASA Космос Астробиология Инопланетная жизнь Биология космического корабля Молекулярная биология Клеточная биология Длинный пост 268Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Загадка «Викингов»: есть ли жизнь на Марсе? Эксперимент, которому не поверили.