Глава 7. Полет "Викингов": где же марсиане?

Тот, кто не видел живого марсианина, вряд ли может представить себе его страшную, отвратительную наружность.

(Г.Дж. Уэллс, "Война миров"[18])

В 60-70-х годах к Марсу была запущена серия советских межпланетных автоматических станций "Марс", которые, однако, не передали на Землю никаких данных, касающихся наличия жизни на планете[19]. Американские спускаемые аппараты "Викинг", хотя и не первыми достигли марсианской поверхности, работали там продолжительное время и смогли поведать немало интересного об этой планете. В настоящей главе описаны результаты этих исследований, которые представляют интерес с точки зрения биологии.

Космические станции "Викинг" достигли Марса к середине июня и начале августа 1976 г. Затем они перешли на заранее рассчитанные орбиты вокруг планеты и начали поиск мест, пригодных для посадки. Выбор места посадки определялся двумя соображениями: безопасностью для спускаемого аппарата и научным интересом. По научным соображениям еще до полета было решено посадить спускаемые аппараты в районах, расположенных на разных широтах, чтобы получить сведения о различных климатических и географических зонах. Фотокамеры и инфракрасные датчики на борту орбитальных аппаратов вместе с наземным радиолокатором вели целенаправленный поиск мест посадки спускаемых аппаратов. Прежде всего искали участки, где температура и влажность превышали средние значения, так как они могли быть наиболее благоприятными для существования жизни. Однако обнаружить такие места не удалось. И поскольку с биологической точки зрения разные участки на одной и той же широте мало чем отличались друг от друга, окончательное решение о местах посадки было принято исходя из соображений безопасности спускаемого аппарата.

Когда все было подготовлено, по команде с Земли включились пиротехнические устройства, разомкнувшие соединения, которые удерживали вместе орбитальный и спускаемый аппараты. Пружинные толкатели разделили их, и спускаемый аппарат (снабженный лобовым экраном для аэродинамического торможения в атмосфере) начал опускаться на поверхность Марса с высоты 1500 км. Для торможения спуска на высоте 6 км (ее измеряли с помощью радиолокатора самого спускаемого аппарата) над поверхностью был раскрыт парашют и сброшен лобовой экран. На высоте 1,5 км был отброшен парашют, выдвинуты три опоры спускаемого аппарата и для окончательного погашения скорости при спуске включены тормозные двигатели. Спускаемый аппарат "Викинга-1" опустился на марсианскую поверхность 20 июля 1976 г. в точке с координатами 22,5 с. ш. и 48 з. д. на Равнине Хриса. Аппарат "Викинга-2" совершил посадку 3 сентября на противоположной стороне планеты на Равнине Утопия, в точке с координатами 47,5 с.ш. и 226 з. д., примерно на 1500 км севернее первого. В северном полушарии Марса в это время было раннее лето. Планировалось, что исследования продолжатся в течение 90 дней после посадки, но четыре космических аппарата функционировали около двух лет, а спускаемый аппарат "Викинга-1" проработал более шести лет.

Использование тормозных ракетных двигателей во время спуска аппаратов вызывало беспокойство, так как их выхлопы могли вызвать физические и химические изменения окружающей среды в местах посадки. Чтобы свести эти воздействия к минимуму, в конструкцию двигателей были внесены изменения, позволяющие уменьшить нагревание и разрушение грунта на поверхности, а в качестве топлива использован специально очищенный гидразин (N₂H₄), при горении которого не образуются органические продукты. Выхлоп состоял из смеси азота, водорода и аммиака (приблизительно в равных объемах), а также 0,5 % паров воды. Лабораторные испытания показали, что при использовании этого топлива и модифицированных двигателей в районе посадки спускаемого аппарата может погибнуть лишь незначительная часть почвенных бактерий. Однако при выхлопе все же наблюдалось значительное загрязнение грунта аммиаком и, вероятно, парами воды, хотя точные измерения не проводились. В соответствии с этими результатами учитывалась возможность химических изменений грунта в местах посадки, вызванных аммиаком и водой.

Пока спускаемые аппараты приближались к поверхности Марса, приборы, вмонтированные в лобовые экраны, проводили измерения давления, температуры и состава атмосферы. Аналогичные измерения осуществлялись затем на поверхности с помощью дополнительных приборов, доставленных спускаемыми аппаратами. С биологической точки зрения самым важным был вопрос о составе атмосферы и особенно о наличии в ней азота. По общему мнению, этот элемент, входящий в состав нуклеиновых кислот и белков, совершенно необходим для жизни. Ранее с помощью космических аппаратов было установлено, что содержание азота в атмосфере Марса не превышает 5 % (в атмосфере Земли он составляет 77 %), а возможно, его вообще там нет.

Приборы "Викингов" зарегистрировали, что в атмосфере Марса присутствует 2,7 % азота, 95 % диоксида углерода, 1,6 % аргона, 0,13 % кислорода, а также (в еще меньших количествах) монооксид углерода, неон, криптон, ксенон, озон и пары воды. Вероятно, когда-то атмосфера Марса была гораздо богаче азотом, но со временем он улетучился в космическое пространство. Азот — достаточно тяжелый элемент, и сам по себе он не мог бы улетучиться, но Майкл Мак-Элрой в свое время показал, что атомы азота могут приобрести такую способность благодаря некоторым химическим процессам в верхних слоях атмосферы Марса. Как и предсказывает теория, "Викинги" обнаружили, что соотношение тяжелого N-15 и обычного N-14 изотопов азота в марсианской атмосфере выше, чем в земной, т. е. из атмосферы Марса в первую очередь улетучивался более легкий изотоп.

Для поиска следов жизни на Марсе каждый спускаемый аппарат был снабжен одинаковым набором из шести приборов: две фотокамеры, газовый хроматограф с масс-спектрометром для идентификации органических соединений в грунте и три прибора, предназначенные для выявления метаболитической активности микроорганизмов в грунте. За работу каждого из приборов и интерпретацию его показаний отвечала определенная группа ученых, хорошо знакомых с его конструкцией и возможностями. Этот принцип распространялся на все приборы, установленные на спускаемых и орбитальных аппаратах "Викинг". Подобные группы специалистов вместе с инженерами, управлявшими космическими аппаратами, и руководителями полетов, координировавшими все действия, и составили коллектив участников программы "Викинг".

Среди прочих приборов, установленных на борту "Викингов" и предназначенных для поиска жизни, фотокамеры обладали двумя особенностями. Во-первых, их работа не зависела от того, какова химическая природа марсианской жизни. Наблюдатели на Земле должны были решать, свидетельствует ли тот или иной объект о наличии на планете жизни, основываясь лишь на его внешнем виде, а не на физиологии или химическом составе. Ведь марсианин из кремния мог с тем же успехом попасть в поле зрения фотокамеры, как и марсианин из углерода. Фотокамеры могли обнаружить не только сами живые существа, но и их следы, останки, сделанные ими предметы и, наконец, их движение. Однако разрешающая способность фотокамер не позволяла различать объекты размером менее нескольких миллиметров, что ограничивало возможность обнаружения жизни. Как мы знаем, целые царства живых организмов имею) меньшие размеры, но фотокамеры "Викингов" были не в состоянии заметить их.

Второе отличие фотокамер от других приборов, использовавшихся при поиске жизни, заключалось в том, что всего одного фотоснимка могло оказаться достаточно для завершения работы. Каждая фотография несла такую богатую информацию (в техническом смысле этого слова), что в принципе наличие жизни на Марсе можно было доказать одним-единственным снимком. Никакой другой прибор на основании единственного наблюдения не мог дать убедительного свидетельства существования марсианской жизни.

Фотокамеры с помощью специальных электронных устройств записывали наблюдаемую картину на магнитофонную ленту. Полученные изображения затем либо передавались непосредственно на Землю, либо ретранслировались через орбитальные аппараты. Возможны были и прямые передачи без магнитофонной записи. Эти изображения, цветные и черно-белые, получали как с высоким, так и с низким разрешением, а в некоторых случаях — даже стереоскопические.

Полученные с Марса фотографии внимательно исследовались различными специалистами — участниками программы "Викинг", что давало возможность одновременно решать широкий круг вопросов. Их также тщательно изучала с целью обнаружения признаков жизни особая группа специалистов по анализу изображений. Скрупулезно исследовались обычные, стереоскопические и цветные изображения. Их анализировали на ЭВМ, пытаясь выявить малейшие перемещения или изменения в пейзаже; на них искали объекты, светящиеся в ночное время. Тем не менее не было замечено ничего указывающего на существование на Марсе жизни, что не находило бы более правдоподобного небиологического объяснения. Сошлемся на отчет специальной исследовательской группы: "Не было получено ни прямых, ни косвенных доказательств присутствия на Марсе макроскопических биологических объектов" [12].

Хотя фотокамеры и не обнаружили следов жизни, полученные фотографии бесценны не только тем, что расширили наши представления о природных условиях Марса. Эти желтоватые пейзажи марсианских равнин останутся вечным свидетельством исторической "встречи" легенды и современной техники, состоявшейся летом 1976 г.

Строго говоря, ГХМС не предназначался специально для поисков следов жизни. Его задача скорее заключалась в поиске и анализе органических соединений на поверхности Марса. Хотя, как мы видели в гл. 3, на Земле все органические вещества фактически имеют биологическое происхождение, во Вселенной широко распространено абиогенное по своей природе органическое вещество. До полета "Викингов" предполагалось, что если на Марсе и отсутствует жизнь, то по крайней мере там должно встречаться органическое вещество, занесенное метеоритами. Поводом для такого предположения была близость Марса к поясу астероидов (он расположен между орбитами Марса и Юпитера), который и является "поставщиком" метеоритов. Считается, что метеориты сталкиваются с Марсом значительно чаще, чем с Землей, и, согласно расчетам, вследствие этого за геологический период на Марсе должно было накопиться достаточно органического вещества, чтобы обнаружить его с помощью ГХМС. Кроме того, если Марс обитаем, то там должно также присутствовать органическое вещество биологического происхождения. Перед запуском "Викингов" ученые часто обсуждали вопрос, как с помощью имеющихся в их распоряжении приборов установить, биологическое или небиологическое происхождение имеют найденные органические соединения, а в том, что они — хотя бы в следовых количествах — обнаружатся на Марсе, большинство ученых не сомневались. Однако после посадки аппаратов на планету этот вопрос больше не возникал.

Рис. 14. Панорама (снятая при апертуре 100°) места посадки спускаемого аппарата "Викинга-1". Изображение как бы разделено на две части метеорологической мачтой космического аппарата. Большой камень слева, в ходе исследований получивший название Большой Джо, имеет примерно 3 м в длину. (НАСА, Лаборатория реактивного движения.)

Рис. 15. Две фотографии Большого Джо (см. рис. 14) и окружающей местности, сделанные с интервалом в 25 месяцев при одинаковых условиях. На второй фотографии заметно изменение в пейзаже (помечено буквой В), возникшее в результате оползания слоя пыли; вероятно, оно вызвано нагреванием и последующим охлаждением поверхности. Похожее изменение (А) видно на большом камне, получившем название Китовая скала, лежащем на заднем плане. (Национальный центр данных по исследованию космического пространства.)

Работа ГХМС производилась в несколько этапов. Устройство для взятия образцов грунта — ковш, укрепленный на конце раздвижной стрелы, — захватывало небольшую порцию марсианского грунта, которая затем измельчалась, просеивалась через сито и поступала в нагреватель вместимостью всего около 200 мг. Здесь происходило ступенчатое нагревание образца до температуры 50 °C, в результате чего органическое вещество превращалось в летучие продукты. При низких температурах в летучее состояние переходят небольшие нейтральные органические молекулы, а при высоких — разрушаются (пиролизуются) крупные, или полярные молекулы, образуя небольшие летучие фрагменты. Эти газы поступали затем на колонку газового хроматографа — длинную трубку, заполненную гранулами синтетического органического материала, через которую они двигались с различными скоростями в зависимости от массы молекул. По мере разделения смеси ее компоненты выходили через другой конец колонки, один за другим попадая в масс-спектрометр. Там под действием пучка электронов происходило дальнейшее разделение каждого компонента на заряженные осколки, массы которых измерялись по величине их ускорения в электростатическом и электромагнитном полях. Изучая полученный таким образом спектр молекулярных масс, опытный масс-спектроскопист может установить структуру молекулы, из которой образовались осколки. На следующем этапе определялось строение исходной молекулы, из которой возникли продукты, идентифицированные в ходе масс-спектрометрии. Это также можно сделать, хотя не всегда с полной достоверностью.

В научной программе проекта "Викинг" метод, сочетающий хроматографию с масс-спектрометрией, был одним из самых важных. По сравнению с обычными методами органического анализа он обладал рядом существенных преимуществ, поскольку позволял анализировать практически любые органические соединения. Это означает, что классы соединений, подвергавшихся анализу на Марсе, не определялись заранее. (Фактически возможности ГХМС не ограничивались анализом только органических соединений. При введении газовой смеси в газово-хроматографическую часть прибора — минуя пиролиз — проводился также анализ состава атмосферы.)

Метод ГХМС отличался чрезвычайно высокой чувствительностью при анализе органических соединений. Он позволял определить присутствие нескольких молекул вещества, содержащего больше двух атомов углерода, среди миллиарда других молекул или несколько частей на миллион — в случае соединений, содержащих не более двух атомов углерода в молекуле. Это в 100-1000 раз меньше той концентрации органических молекул, которая встречается в почвах пустынь на Земле. В каждом районе посадки анализ содержания органических веществ проводился с двумя образцами грунта, в том числе исследовалась проба, взятая из-под камня на Равнине Утопия. Результаты всегда были отрицательными. Удалось зарегистрировать лишь следы чистых органических растворителей, оставшихся от промывки самого прибора. (Обнаружение и идентификация этих загрязнений доказали, что прибор работал нормально.) Кроме этого были найдены диоксид углерода и пары воды, образовавшиеся при распаде минералов марсианского грунта в результате нагревания ГХМС. Дополнительные подробности этих исследований можно найти в статье, опубликованной группой молекулярного анализа [1].

Среди всех результатов биологических экспериментов по программе "Викинг" отсутствие органического вещества в грунте Марса, зарегистрированное при столь высокой чувствительности прибора (несколько частей на миллиард), имеет наибольшее значение. Уже после первой серии явно отрицательных результатов ГХМС, полученных с места посадки на Равнине Хриса, стало очевидно, что если и следующие анализы дадут такие же результаты, то убедительное доказательство наличия жизни в грунте планеты станет невозможным — независимо от исхода других экспериментов. Однако другие биологические эксперименты лишь подтвердили данные ГХМС.

Еще на самых ранних этапах исследований ныне покойный Альберт Тайлер, известный биолог из Калифорнийского технологического института, заявил, что хороший биологический эксперимент по обнаружению жизни на Марсе должен включать мышеловку и фотокамеру. Однако в середине 60-х годов мысль о том, что на Марсе возможны высшие формы жизни, была полностью отвергнута. Согласно общему мнению, самое большее, на что здесь можно рассчитывать, — это наличие микроорганизмов. Даже те ученые, которые отстаивали теоретическую возможность существования на Марсе высших форм жизни, признавали, что вероятность ее обнаружения предельно возрастает, если сосредоточить основное внимание на поиске микроорганизмов в грунте. Нельзя представить себе планету, населенную высшими формами жизни, где не было бы микроорганизмов, но легко вообразить обратное: планету, на которой микроорганизмы являются единственной формой жизни. Инопланетный корабль, прибывший на Землю с целью выяснить, обитаема ли она, поступил бы правильно, исследовав ее почву. Почва — богатая биологическая среда, населенная бактериями, дрожжами и плесневыми грибками. Эти организмы многочисленны и, обладая высокой устойчивостью, лучше других выживают в экстремальных условиях, так что вряд ли где на Земле можно найти хотя бы небольшой образец почвы, не содержащий микроорганизмов.

По этим соображениям на обоих спускаемых аппаратах "Викингов" было установлено по три прибора для обнаружения метаболической активности почвенных микроорганизмов. Во всех этих экспериментах изучалось воздействие небольших проб грунта, взятого с поверхности Марса, на различные вещества. Для выяснения природы — биологической или небиологической — реакций использовалось тепло. поскольку, как известно, реакции, устойчивые к сильному нагреванию, скорее всего, являются небиологическими, тогда как реакции, чувствительные к умеренному теплу, могут быть как биологическими, так и небиологическими по своему характеру.

Два эксперимента строились настолько с учетом условий жизни на Земле, что их просто невозможно было провести в подлинно марсианских условиях. В обоих экспериментах использовались водные растворы органических соединений, в которых должны были инкубироваться образцы марсианского грунта. Поскольку жидкая вода не может существовать на Марсе, растворы вместе с образцами грунта (во избежание их замерзания или кипения) следовало инкубировать при температурах и давлениях, значительно превышающих марсианские. Такие эксперименты в большей степени соответствуют представлениям о Марсе Ловелла или, во всяком случае, взглядам, господствовавшим до полета "Маринера-4", а не современным сведениям об этой планете. Это вызвало серьезные сомнения в разумности включения названных экспериментов в научную программу проекта "Викинг". Тем не менее их все-таки оставили, хотя третий эксперимент (с использованием жидкой воды), первоначально также утвержденный, был исключен при комплектовании бортового оборудования для научных исследований. Совершенно неожиданно результаты двух экспериментов с увлажнением образцов внесли впоследствии очень важный вклад в наши представления о Марсе.

Эксперимент по газообмену (ГО). Первоначальный план этого эксперимента по замыслу его создателя Вэнса Оямы состоял в том, чтобы смешать образец марсианского грунта с питательным раствором в герметически закрытой камере при температуре около 1 °C. При этом камеру следовало продувать находящейся под давлением смесью газов (гелия, криптона и углекислого газа), контролируя через определенные промежутки времени изменения в составе газовой смеси. Предполагалось, что наличие в почве микроорганизмов приведет к образованию и последующему исчезновению различных газов, возникающих в процессе метаболизма, — именно такой результат наблюдается при исследовании земных почв. Для идентификации и измерения концентрации этих газов был разработан специальный газовый хроматограф.

Набор химических веществ в питательном водном растворе, включавший витамины, аминокислоты, пурины и пиримидины, органические кислоты и неорганические соли, в значительной степени был ориентирован на биохимию земных организмов. После обсуждения научной программы "Викинг" биологической группой, состоявшей из авторов трех экспериментов и еще трех членов, дополнительно назначенных НАСА[20], в методику проведения эксперимента по газообмену было внесено небольшое, но принципиальное изменение Суть его заключалась в следующем: перед смачиванием образец грунта следовало поместить в герметически закрытую камеру с небольшим объемом питательного раствора, который был отделен от образца, но мог насыщать камеру парами воды. Таким образом марсианский грунт подвергали воздействию паров воды под давлением, которое по-видимому, существовало на Марсе много миллионов лет назад. Анализ газовой смеси должен был производиться в условиях этого "типа увлажнения", прежде чем грунт вступит в контакт непосредственно с раствором.

Введение этого дополнительного цикла измерении в программе ГО дало удивительный результат. При инкубации с парами воды из грунта выделились четыре газа: азот, аргон, углекислый газ и кислород. Первые три присутствовали в относительно небольших количествах, так что их появление можно было объяснить вытеснением газов, абсорбированных в пробах грунта парами воды. Однако повышение давления кислорода нельзя было объяснить простои десорбцией. Например, в первом же эксперименте (на Равнине Хриса) менее чем через два сола (марсианские сутки) после увлажнения камеры давление кислорода увеличилось почти в 200 раз Как указывали Ояма и Вердал [14], столь резкое изменение давления означает, что газообразный кислород выделяется в результате химической реакции между парами воды и каким-то веществом, содержащимся в грунте. Таким веществом вполне могли быть богатые кислородом оксиды, супероксиды и озониды. Эти соединения имеют общую формулу М₂О, МО₂ и МО₃ соответственно, где М означает водород либо металл. В присутствии воды все они быстро разлагаются с выделением кислорода. Наличие таких сильных окислителей в поверхностном слое грунта Марса, вероятно, объясняет не только выделение кислорода, но и отсутствие органического вещества в грунте. Ранее предполагалось, что эти вещества могут существовать на Марсе и их количество там значительно больше, чем это показали исследования "Викингов".

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Не понятно, как можно согласовать данные эксперимента ВПП со свидетельствами присутствия в грунте Марса агрессивных пероксидных соединений. Если такие соединения равномерно распределены в грунте, то это значит, что в их присутствии синтез органических соединений невозможен. Однако в тех экспериментах ВПП, где пары воды вводились в смесь радиоактивных газов, не было замечено, чтобы количество углерода, поглощенного в образце грунта, существенно возросло. Это позволяет предполагать, что распределение химических соединений на поверхности планеты неравномерно. Отсюда также следует, что частицы грунта, проявившие активность при фиксации углерода в экспериментах ВПП, не были компонентами, связанными с пероксидными соединениями.

Районы посадки двух спускаемых аппаратов "Викингов" были очень похожи по химическому составу образцов грунта, несмотря на различие климатических условий и большое расстояние между ними. Мы понимаем теперь, что это сходство обусловлено теми процессами, которые происходят по всей планете, и данные, полученные на Равнинах Хриса и Утопия, вероятно, типичны для поверхности Марса. Примером таких процессов могут служить планетарные бури, которые разносят мелкий поверхностный материал по всей планете. Другим примером — особенно важным благодаря своей биологической значимости — следует считать процесс расщепления молекул воды в нижних слоях атмосферы Марса коротковолновым ультрафиолетовым излучением Солнца. Продукты этого фотолиза, Н и ОН, очень реактивны, а их последующая судьба прояснилась после теоретических исследований Доналда Хантена и других специалистов по атмосфере планет.

ОН — сильный окислитель, и непрерывное образование его в непосредственной близости от поверхности Марса обусловливает отсутствие в ней органического вещества. Между прочим с этим связана и красноватая окраска Марса: он покрыт оксидами железа. Данное обстоятельство объясняет, почему атмосфера планеты не состоит из СО и О₂. Ведь именно эти газы образуются при облучении СО₂ ультрафиолетом Солнца, но СО вновь окисляется в присутствии ОН. Наконец, реакции с участием ОН легко приводят к образованию пероксидных соединений, подобных Н₂О₂ и НО₂. Еще до полетов "Викингов" Хантен предсказывал, что эти соединения должны проникать из атмосферы в поверхностные слои Марса. Именно наличием таких веществ можно объяснить результаты экспериментов по газообмену и выделению радиоактивной метки.

Специалисты по атмосферам планет слишком поздно пришли к этому заключению, чтобы как-то повлиять на программу исследований по поиску жизни на Марсе. Мы узнали об этих выводах только после полета "Викингов". Тем не менее тот факт, что приборы спускаемых аппаратов подтвердили теоретические предсказания, не только доказывает обоснованность изменений, внесенных в программу эксперимента по газообмену, но и важен в другом отношении. При спуске на Марс оба космических аппарата продвигались к поверхности сквозь облака поднятой пыли, которая потом исследовалась вместе с примесями, образовавшимися от выхлопов тормозных двигателей. В выхлопе содержалось 0,5 % паров воды, и поэтому какое-то разрушение пероксидов кажется неизбежным. Кроме того, на треть выхлоп состоял из аммиака — горючего газа, который также мог прореагировать с этими веществами в присутствии минеральных катализаторов, содержащихся в грунте. Таким образом, исследовавшиеся пробы содержали, вероятно, лишь часть действительно имеющихся в грунте активных молекул, и то, что какая-то их доля все же сохранилась, следует рассматривать как удачу.

Окисление при помощи пероксидов не единственный процесс, в котором органическое вещество на Марсе может быть разрушено. Эксперименты, проведенные Пангом и его сотрудниками, показали, что под воздействием ультрафиолетового излучения в присутствии оксида титана (в грунте на поверхности Марса содержится 0,5 % титана) атмосферный кислород вызывает быстрое окисление органического вещества. Как и окисление под действием ОН, этот процесс также происходит на планете повсеместно.

Зная по крайней мере два механизма, способствующие разрушению органического вещества на всей поверхности Марса, трудно сомневаться в том, что данные, полученные аппаратами "Викинг", характерны для любого района планеты.

Примечания:

1

Смысл используемых в книге специальных понятий разъясняется в "Словаре терминов".

2

Репликация синтез дочерней молекулы на родительской, подобный получению реплики на матрице. — Прим. перев.

18

Уэллс Г. Избранные произведения в 3-х томах.-М.: Молодая гвардия, 1956, т. 2, с. 168.

19

В период 1962–1977 гг. к Марсу совершили полет семь автоматических станций "Марс", первыми проложившие путь к этой планете. В 1971 г. спускаемый аппарат "Марс-3" впервые осуществил мягкую посадку на поверхность планеты. В 1973 г. впервые по межпланетной трассе одновременно совершили полет четыре станции "Марс". Станция "Марс-5" стала третьим советским искусственным спутником "красной" планеты, а "Марс-6" достиг ее поверхности. В результате этих полетов были получены ценные сведения о физико-химических свойствах Марса, в том числе о температурных условиях и содержании паров воды в атмосфере. — Прим. ред.

20

В группу входили Гарольд П. Клейн, Джошуа Ледерберг, Джилберт В. Левайн, Вэнс Ояма, Александр Рич и автор.

21

Кизельгур (инфузорная мука диатамит) — осадочная горная порода, состоящая из панцирей микроскопических диатомовых водорослей и обладающая большой пористостью и способностью к адсорбции. Прим. ред.