Марс, органика, и два стабильных изотопа
Продолжаем разговор о марсианской органике и недавнем открытии марсохода Curiosity, которое так заинтриговало NASA. Пока оно не является подтверждением существования марсиан, но в одноклеточном варианте они уже входят в число трёх наиболее вероятных объяснений находки.
Почти десять лет назад в марсианский кратер Гейла совершила посадку Марсианская научная лаборатория — марсоход Curiosity.
Через пару месяцев после посадки марсоход Curiosity копнул придорожную дюну, прожарил её в микроволновке, и провёл анализ выделившихся летучих веществ своим газоанализатором — газовым хроматографом.
И нашёл хлорметаны — органические соединения. Правда, учёные назвали их результатом загрязнения с Земли. Ирония в том, что практически то же самое говорили про хлорметаны, найденные за 35 лет до этого станциями Viking. В их случае позже оказалось, что хлорметан это результат взаимодействия местной органики и местных перхлоратов в печке космического аппарата. Перхлорат — это сильный окислитель, который практически повсеместно распространён на поверхности Марса, и который становится химически активным при нагревании.
В случае с Curiosity действительно нашли причину загрязнения — одна чашка для «влажной химии» содержала органический растворитель, который и попал в хроматограф. Дело в том, что хроматограф может анализировать только газ, поэтому марсианский грунт сначала либо просто нагревают в микроволновке, чтобы выделились летучие соединения, либо погружают в ячейку с органическим реагентом (MTBSTFA), и только потом «жарят» до выделения газа. Оказалось, что в одной из ячеек появилась утечка, реагент попал в газоанализатор и повлиял на показания прибора.
Обнаружив причину, исследователи как следует проветрили прибор, и научились выделять спектральные данные загрязнителя, чтобы они не нарушали дальнейшие результаты. Кроме того, образцы перестали брать с поверхности, где наиболее вероятна высокая концентрация перхлоратов, а забурились вглубь твёрдой породы.
Поскольку сейчас на Марсе действует атмосферная эрозия, то твёрдые отложения могут быть значительно древнее окружающей поверхности и лежащего на ней песка. Не с первого раза, но исследователям повезло — прибор показал местные органические соединения. Причём не в виде простого метана, а более сложной молекулы — бензольного кольца. В его состав тоже затесался хлор, видимо, тоже под воздействием перхлоратов.
За девять экспедиционных лет Curiosity заложил более 30 буровых скважин, и в 24 из них учёные обнаружили органические соединения. Большинство образцов проходили через печку, в которой сложные углеводороды не сохраняются, поэтому учёные обратили внимание на выделяющийся метан, точнее, изотопный состав его углерода.
Изотопы — это элементы с разным массовым числом, но одинаковым зарядом, т.е. в таблице Менделеева они находятся в одной клетке, но отличаются количеством нейтронов в ядре. Суммарное количество нейтронов и протонов в ядре изотопа называют массовым числом, которым и обозначают различающиеся изотопы. Некоторые изотопы нестабильны, и распадаются с выделением радиации, что часто использует человек. Например, в ядерных бомбах используется плутоний-239, а в «атомной батарейке» марсохода Curiosity — плутоний-238.
Углерод обладает двумя стабильными изотопами с массовым числом 12 и 13, они распространены на Земле и в космосе примерно в соотношении 1000/1 в пользу более лёгкого. Но в тысячных долях это соотношение меняется в зависимости от разных факторов, что применяют в качестве одного из методов исследований органики на Земле и в космосе. Для упрощения измерений учёные определили себе условный ноль, от которого и отсчитывают разницу в тысячных долях.
Земная жизнь отдаёт предпочтение лёгкому углероду, поэтому в нашей биологии тяжёлый углерод-13 уходит в отрицательные значения, но в атмосфере Марса его значение достигает 46 тысячных «выше нуля». Более лёгкие изотопы углерода активнее улетучиваются из атмосферы в космос, за счёт чего за миллиарды лет и выросла концентрация тяжёлых. С одной стороны, это указывает на долгую эволюцию марсианской атмосферы, с другой — подсказывает, что в древних породах соотношение изотопов будет другим, с меньшими значениями тяжёлых изотопов.
Изотопный анализ тяжёлого углерода в добытых «органических» образцах марсианского грунта показал значительный разброс концентрации. В каких-то скважинах он уходил в минус даже сильнее, чем в земной органике, до -137 тысячных, а в других образцах поднимался до +22 тысячных. Десять из самых «минусовых» относятся к наиболее древним участкам исследованной поверхности.
Ещё учёные обратили внимание, что обеднённые тяжёлым углеродом образцы, также содержали соединения с обеднённым тяжёлым изотопом серы-34. Более ранние исследования показывали, что это характерно для отложений в тёплой или даже горячей водной среде с низкой кислотностью, в том числе серные изотопы подсказывают, что «лёгкий» углерод накапливался в условиях благоприятных для жизни.
Если бы подобные породы нашли на Земле, то их бы приняли за отложения, сформированные древними бактериями, которые питались метаном. Однако против этой гипотезы говорит отсутствие каких-либо признаков таких отложений на Марсе.
Вторая гипотеза, кажется, даже более экзотичной, чем марсианская жизнь. В какой-то момент времени древний Марс мог быть посыпан межзвёздной пылью, обеднённой тяжёлым углеродом. Хотя это маловероятное событие, но за 3 млрд лет, Солнечная система совершила 15 кругов вокруг центра Галактики и за это время действительно могла пролететь через достаточно плотное межзвёздное пылевое облако. Но в таком случае подобные органические следы должны остаться на каждом объекте солнечной системы с твёрдой поверхностью.
Третье, и самое тривиальное объяснение — аномально низкие показатели тяжёлого углерода на Марсе вызваны какими-либо местными геохимическими процессами. Пока учёные не до конца разобрались, какие процессы проходили в древности соседней планеты, поэтому такую вероятность исключать нельзя. На мой взгляд, это наиболее убедительный вариант, просто из-за своей очевидности, хотя, разумеется, все исследователи Марса будут надеяться на биологию.
Какие же доказательства нужны учёным, чтобы уверенно определить останки марсиан или, наоборот, навсегда отказаться от их поисков?
Судя по всему, надежды встретить какие-нибудь окаменелости типа ракушек или костей динозавров исключены, т.к. для их появления нужна долгая и устойчивая биосфера, которая оставила бы немало и других заметных следов. Сейчас учёные нацелены на поиски признаков древней или настоящей микробной жизни и готовят две программы: ExoMars Rosalind Franklin и Mars Sample Return. В первом случае — это марсоход, который должен отправиться Красную планету в сентябре 2022 года по европейско-российской программе ExoMars. Во втором — это американо-европейская программа доставки с Марса образцов грунта, первая часть которой уже работает на планете — марсоход Perseverance.
Возврата грунта ждать ещё десяток лет, при самом хорошем раскладе, поэтому лучше обсудить более близкую перспективу — марсоход Rosalind. Чем же она будет настолько качественно отличаться от американских и китайских марсоходов, что сможет сказать о жизни на Марсе больше предшественников?
И ответ — хиральность.
Кроме химического и изотопного состава, органические молекулы могут отличаться геометрической структурой. Бывают одинаковые по составу и структуре молекулы, которые внешне различаются как зеркальные отражения — это и есть хиральность.
Несмотря на внешнюю идентичность, «правосторонние» молекулы отличаются от «левосторонних» физиологической эффективностью. Поэтому в организмах концентрируются «односторонние» молекулы: «левосторонние» аминокислоты, и «правосторонние» сахара.
Некоторые небиологические процессы также способны производить хиральный отбор, но эти эффекты уже изучены на примере метеоритов.
Марсоход Rosalind Franklin будет обладать средствами для добычи грунта с глубины до 2-х метров и определения хиральности органических молекул. Место посадки марсохода тщательно выбирается из множества мест, которые обладают признаками водной активности в прошлом. Поэтому теперь у скептиков не будет отговорки «надо копать глубже» или «может, он в пустыне сел, а оазис не заметил».
Если Rosalind не справится, то тогда остаётся надежда только на Perseverance. Его место посадки также выбрано исходя из перспективности нахождения признаков жизни — на дно пересохшего марсианского озера. Осталось только подождать прибытия образцов на землю лет через 15.
Вполне вероятно, что какая-то примитивная одноклеточная жизнь в древности Красной планеты всё же была, но я рекомендую готовиться к тому, что никогда никаких марсиан не было. Если они таки были, то их открытие принесёт больше радости, а если не было — я предупреждал!
