В ожидании зеленого утра
Это неофициальный флаг Марса, предложенный некоммерческой организацией «Марсианское общество». Основателем ее в 1998 году выступил энтузиаст, инженер и публицист Роберт Зубрин (род. 1952), с 2002 года занимающийся в штате Юта моделированием потенциальных марсианских экспедиций.
Цвета этого флага схематически отражают важнейшие этапы терраформирования Марса. Красная планета должна быть засеяна и стать зеленой; после этого на Марсе должен произойти «акт великого окисления»: содержание кислорода в атмосфере должно значительно повысится, что позволит спровоцировать уплотнение атмосферы, парниковый эффект, таяние полярных шапок и появление на Марсе открытых водоемов. Таким образом — красный, зеленый и голубой периоды в истории нашего соседнего мира должны положить начало той самой «бэкап-Земле», о которой мечтают современные первопроходцы, в особенности — Илон Маск. Кстати, Зубрин даже написал небольшой томик «Как выжить на Марсе», отрывки из которого гуляют в Рунете.
В этой статье я не буду рассматривать такую объемную и спекулятивную тему, как терраформирование Марса, а хочу заострить внимание на центральной — зеленой — полосе флага, вынесенного на заглавную картинку. Зеленые растения и цианобактерии — важнейший, но не единственный ресурс, который позволил бы обогатить марсианскую атмосферу кислородом.
Нынешняя экологическая ситуация на Марсе заметно отличается от ситуации на Земле около 2,4 миллиарда лет назад. Вскоре после этого на нашей планете произошла кислородная катастрофа. Марсианский грунт в основном состоит из оксидов металлов, в том числе, из оксида железа, придающего планете красновато-ржавый оттенок. Следующая диаграмма, отражающая состав марсианского грунта, взята из хабростатьи под авторством Светланы Болговой; статья посвящена искусственному созданию аналогов лунного реголита и марсианской почвы и попыткам вырастить в таком грунте редис.
Прибавим к этим разнообразным оксидам (в особенности выделяются песок SiO2 и ржавчина Fe2O3) также обычный (H2O) и сухой (CO2) лед марсианских полярных шапок — и признаем, что кислорода на Марсе сколько угодно. Задача потенциальных марсопроходцев — его извлечь. То есть, для комфортного проживания на Марсе эту планету нужно просто откатить к более ранней версии.
Тем не менее, усердствовать с электролизом полярных шапок на водород и кислород — не лучшая идея, учитывая, насколько там сухо, и как сложна может быть добыча любой пресной воды на Марсе, тем более — подповерхностной. На первом этапе кислород потребуется добывать из грунта простым озеленением, причем, начинать с самых неприхотливых микро- и макроорганизмов, в том числе, цианобактерий. Итак, далее мы рассмотрим перспективы озеленения Марса, а также добычу кислорода из сравнительно легкодоступных марсианских соединений, что помогло бы попутно обеззараживать грунт.
Зеленый десант и бесплодные земли
Оговоримся, что выращивание простейших водорослей с одной стороны и цианобактерий с другой в марсианских условиях концептуально отличается по искомому результату. Водоросли (прежде всего, хлорелла) и цианобактерии — это дешевые неприхотливые организмы, непригодные в пищу; многие цианобактерии ядовиты для человека, но именно они отлично приспосабливаются к избытку углекислого газа. В результате мелкие водоемы зацветают, а нынешний парниковый эффект является для цианобактерий не экологической катастрофой, а окном возможностей. Кроме того, в настоящее время считается, что именно цианобактерии стали ключевым триггером кислородной катастрофы.
Кислородная катастрофа была ключевым событием в истории развития жизни на Земле, поэтому многие астробиологи сосредоточились именно на изучении потенциальных причин этого события. Для этого было бы принципиально важно воспроизвести кислородную катастрофу на другой планете. Скорее всего, ключевым движущим фактором первых всплесков кислорода и его дальнейшего накопления в океане, а в дальнейшем и в атмосфере. Цианобактерии являются окситропными истинными бактериями, а их название происходит от фикоцианина, голубоватого пигмента, который, подобно хлорофиллу, пригоден для фотосинтеза. Эти водоросли — единственные организмы, развившие с нуля оксигенный фотосинтез; остальные зеленые растения и подобные им простейшие, например, эвглены, фотосинтезируют при помощи хлоропластов. Предки хлоропластов были именно цианобактериями и изначально были захвачены из окружающей среды как одноклеточные симбионты. Во времена кислородной катастрофы цианобактерии конкурировали с другими фотосинтезирующими водорослями, которые также перерабатывали CO2, но превращали его в органику не с помощью воды, а с помощью H2, H2S (сероводорода) или железа Fe2+. Известная реакция 2H2 + CO2 = C-органика + 2H2O происходит в так называемой «фотосистеме -I». Цианобактерии первыми стали использовать кроме нее еще и фотосистему-II, в которой фотосинтез пошел при активном участии солнечного света. Оказалось, что такая реакция не только гораздо эффективнее «серно-железных» с энергетической точки зрения, но и дает эволюционное преимущество в силу огромного изобилия воды по сравнению с тем же сероводородом. Фактически, кислород является просто побочным продуктом этой реакции, но именно он определил развитие земной биосферы. Более того, цианобактерии, в отличие от иных водорослей, способны связывать азот. Поэтому, вступая в симбиоз с высшими растениями, они удобряют почву для последних. Именно такая неприхотливость и универсальность (в частности, независимость от хлорофилла и хлоропластов) позволяет им в самых неблагоприятных условиях выигрывать конкуренцию как у водорослей, так и у высших растений.
Доля CO2 в современной марсианской атмосфере составляет 96% — что идеально для поддержки фотосинтеза. При этом доля азота в атмосфере также достаточно заметна — 2,6%. Этого бы хватило в качестве «голодного пайка» для естественного удобрения грунта. Но высокая концентрация CO2 тормозит прорастание семян. При этом абсолютному большинству культурных растений для прорастания нужно много кислорода. Поэтому сине-зеленые водоросли являются практически безальтернативным (и бесхлорофилльным) первоисточником фотосинтеза в марсианской экосистеме.
Сам Марс примерно вдесятеро легче Земли, и на Марсе гораздо холоднее, чем на Земле — средняя температура составляет около -50 градусов Цельсия. Сама атмосфера на Марсе примерно в 90 раз тоньше земной. Отчасти поэтому на Марсе так легко начинаются пыльные бури, но в такой атмосфере ветер показался бы нам совершенно не сильным. Например, уже известно, что подобные ветры не сдувают и даже не засыпают песком ровер Curiosity. По данным Curiosity, фиксирующего пыльные бури, движение марсианских облаков и порывы ветра, скорость ветра на Марсе может достигать до 100 км/ч. Но атмосферное давление на поверхности Марса составляет около 1% от давления земной атмосферы на уровне моря. Поэтому силы марсианского ветра вполне достаточно, чтобы гонять легчайший песок и перекатывать камешки, но при столь низком атмосферном давлении и отсутствии атмосферной влажности такая буря ощущалась бы как бриз, а не как шторм. Например, в 2014 году очередная марсианская буря сдула пыль с батарей марсохода «Opportunity», уже, казалось бы, отжившего свое –, но нисколько не повредила сам марсоход. В итоге он проработал до июня 2018 года, когда его окончательно погубила очередная пылевая буря — опять же, не нанесшая роботу механических повреждений, а просто окончательно обесточившая его, лишив солнечного света. При этом на Марсе вообще сумрачно (а не пасмурно) по сравнению с Землей, поскольку расстояние от Марса до Солнца составляет около 228 миллионов километров. Для сравнения: от Земли до Солнца примерно 150 миллионов километров. Поэтому Марс получает примерно на 43% меньше солнечного света, чем Земля, и это неизбежно усложнит на нем фотосинтез — даже не учитывая фактор пыльных бурь.
Наконец, на Марсе полностью отсутствует озоновый слой, из-за чего планета купается в жестком ультрафиолетовом излучении (как и все солнечное излучение, оно слабее, чем на орбите Земли). Опираясь на данные о радиационном фоне Марса, зафиксированные марсоходом «Curiosity», бакалавр Нинке Так (Nyncke Tack) из Делфтского технологического университета исследовала, как гамма-излучение такого уровня воздействует на кресс-салат и рожь. Радиация в данном эксперименте, имитирующая марсианскую, достаточно высока: 230 микрогрей/день, примерно в 17 раз выше чем на Земле. Опыт показал, что растения получаются карликовыми и нездоровыми (бурые листья), а урожай — невелик. В принципе, такой пагубный эффект радиации был неудивителен, новизна исследования заключалась именно в постановке эксперимента. В качестве долговременного источника радиации использовался (тот самый) кобальт-60, а сами источники излучения (5 штук) были равномерно расположены над опытной грядкой, чтобы ни одно растение не получило дозу больше других. В опыте использовалось только гамма-излучение, тогда как марсианская поверхность подвергается воздействию альфа-, бета-, гамма- и ультрафиолетового излучения. Но в количественном отношении доза излучения была практически марсианской. Результаты опыта лишь на первый взгляд кажутся нерадужными, но на самом деле они лишь подчеркивают три ключевые марсианские реалии:
Никакое земледелие под открытым небом на Марсе сейчас невозможно. Теоретически, выращивать зелень можно было бы в теплицах со специальным остеклением, которое задерживало бы вредный ультрафиолет.
Серьезным подспорьем для ограничения радиационного фона было бы выращивание марсианской зелени в пещерах. Что потребовало бы полностью отказаться от естественного освещения, но
Также исключило бы погодные и температурные перепады и привело к выращиванию зелени в полностью контролируемом режиме, с использованием гидропоники, вертикальных ферм и искусственных источников освещения — к чему далее в этой статье я еще вернусь.
Перхлораты о двух концах
Добавим к этому, что марсианский грунт — это не только «душная», но и ядовитая среда. В нем содержится критично высокое количество перхлоратов. Это соли хлорной кислоты, содержащие металл и основание вида (ClO4), где хлор имеет степень окисления +7. Следы перхлоратов были впервые обнаружены в марсианском грунте еще «Викингами» в 1976 году. К 2013 году стало понятно, что эти соли, в первую очередь, перхлораты натрия и магния NaClO4 и Mg (ClO4)2, распространены по всей поверхности Марса, встречаются как в реголите, так и в рассолах. Опыты на Земле показали, что в присутствии ультрафиолета перхлораты проявляют бактерицидные свойства. Так, при концентрации перхлоратов как в марсианском грунте, вегетативные клетки сенной палочки (Bacillus subtilis) погибали за считанные минуты. Более того, при добавлении к этим перхлоратам оксидов железа и перекиси водорода, также содержащихся в марсианском грунте, скорость клеточной гибели в присутствии ультрафиолета вырастает в 10–11 раз. Единственный положительный вывод из этого открытия — вряд ли мы могли загрязнить Марс нашей микрофлорой, которую туда могли бы занести наши роботы; в марсианских условиях наши бактерии погибли бы за считанные часы.
С другой стороны (возвращаясь к феномену марсианских рассолов), наличие перхлоратов в грунте значительно снижает точку замерзания воды. Таким образом, на Марсе может существовать подобие гидросферы, а в теплые сезоны — целые потоки соленой воды. Такая среда вполне располагает к бактериальной эволюции. В химическом отношении перхлораты стабильны как при марсианском морозе, так и при комнатной температуре, но при термическом разложении могут стать эффективным источником кислорода для наполнения им марсианской атмосферы. Окислительные свойства перхлоратов при высоких температурах (сотни градусов Цельсия) хорошо изучены и используются, например, при производстве твердого ракетного топлива. Тем не менее, в нынешнем состоянии перхлораты, по-видимому, полностью перечеркивают выращивание зелени на естественном марсианском грунте: они хорошо растворимы в воде, накапливаются в растительных тканях, а в организме человека токсичны для щитовидной железы.
Наилучшим вариантом обеззараживания грунта от перхлоратов было бы отщепление от них кислорода с выводом его в атмосферу и превращением перхлоратов в безвредные хлориды. Такая реакция теоретически осуществима при помощи ферментов анаэробных бактерий с использованием молибдена в качестве катализатора.
Исследователи китайского происхождения Чансю Рен и Цзиньюн Лю из Калифорнийского университета в Риверсайде попытались воспроизвести сложный бактериальный процесс редуцирования перхлоратов, просто смешав дешевое удобрение молибдат натрия с органическим лигандом бипиридином и добавив палладиевую чернь — распространенный катализатор, применяемый для активации водорода. В водном растворе с примесью водорода бактерии при комнатной температуре расщепили на хлориды и кислород 99,99% перхлоратов, причем, это произошло в контролируемых условиях и без взрыва. Испытывался широкий диапазон концентраций перхлоратов, от 1 мг/л до 10 г/л.
По замыслу эксперимента, катализатор подбирался для того, чтобы быстро и эффективно обеззараживать от перхлоратов сточные и грунтовые воды — это может быть очень актуально, например, при утечке таких химикатов на производстве взрывчатых веществ. Но ничто не мешает адаптировать такую реакцию и к марсианским условиям.
Тепличные условия
По-видимому, в обозримом будущем (как минимум, сотни лет) мы не сможем жить на поверхности Марса, тем более — выращивать там картошку. На Земле цианобактерии накачивали кислородом в первую очередь океаны, и лишь потом — атмосферу. Как упоминалось выше, «кислородная катастрофа» произошла около 2,5 миллиарда лет назад, но только 1,8–2 миллиарда лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 10%, что привело к бурному развитию эукариотической жизни. Несомненно, цианобактерии смогли бы повторить такое терраформирование, тем более, на полностью необитаемой планете, где не пришлось бы конкурировать за ресурсы с анаэробами, но все равно с участием одних лишь цианобактерий формирование кислородной атмосферы и озонового слоя — это геоинженерный проект, на который не хватит жизни целого человеческого поколения. Поэтому марсианским первопоселенцам придется параллельно с разложением перхлоратов акклиматизировать на Марсе высшие растения, сравнительно теневыносливые и неприхотливые по части необходимого набора микроэлементов.
В университете Вилланова в штате Пенсильвания работает астроном и астробиолог Эдвард Гинан (Edward Guinan), основавший совместно со своими аспирантами проект квази-марсианского сада «Red Thumbs Mars Garden». В его шорт-лист растений, пригодных в пищу, содержащих достаточное количество витаминов и пригодных для высадки на Марсе, вошли грюнколь (кудрявая капуста), одуванчики, латук, батат и лук. В этом проекте саженцы проращивались в аналоге марсианского грунта, который был приготовлен по данным марсохода «Curiosity» — красной почве с высоким содержанием оксидов железа.
В этой почве полностью отсутствовали бактерии, черви и прочая биота, превращающая грунт в перегной. По данным исследователей, грунт не менее чем на 93% подобен марсианскому. Также соблюдался марсианский уровень освещения. При этом атмосфера была земной, так как (по вышеизложенным причинам) группа Гайнана рассматривает выращивание марсианской зелени исключительно в теплицах, в которых люди могли бы ухаживать за ними без скафандра. В целом, вышеперечисленные культуры прижились на реголите хорошо, давали урожай, а плоды некоторых из них — в особенности соплодия хмеля — даже практически не отличались по вкусу от земных. Но обнаружились и существенные проблемы, даже не связанные с токсичностью грунта. Оказалось, что глинистая «марсианская» почва очень быстро высыхает, и, чтобы этого не допускать, уровень влажности в теплице всегда должен оставаться на уровне 50–60%. При этом «реголит» получился слишком плотным, настолько, что из корнеплодов там прижились только бататы, а морковь и обычная картошка получались мелкими и хилыми. Вероятно, без картофеля на Марсе обойтись будет сложно, так как именно картофельные клубни являются одними из наиболее выгодных по неприхотливости и энергетической ценности — но, по-видимому, успех Марка Уотни из фильма «Марсианин» оказался сильно преувеличен. Кроме того, многие растения, в частности — капуста — сильно накапливают в листьях железо, из-за чего при длительном употреблении могут оказаться чрезмерно токсичными для печени.
Также нужно учитывать и еще один технический аспект — на первом этапе колонизации Марса там просто не будет мощностей и производств, чтобы соорудить теплицу уже в самом начале существования колонии. Поэтому (пока в условиях) МКС разрабатываются надувные космические теплицы.
Еще в 2014 году NASA удалось запустить на МКС систему «Veggie», где в условиях искусственного освещения и полива был снят первый космический урожай римского салата, пригодного в пищу.
Такие устройства ни в коем случае не являются ни забавой, ни дорогими игрушками — это прототипы, которые могут подготовить почву для быстрого развертывания земледелия как на Марсе, так и на околоземной (или, возможно, околомарсианской) орбите. Именно, а таких теплицах отрабатываются наиболее выгодные режимы освещения, но самым узким местом по-прежнему остается полив. Пока совершенно непонятно, найдется ли на Марсе столько пресной воды, чтобы ее хватило и людям, и флоре. Но описанные технологии все равно являются очень серьезным шагом вперед по сравнению с романтическими представлениями о засевании Марса из рассказа «Зеленое утро» Рэя Брэдбери — и, возможно, позволят нам устроить в ближнем космосе не очередную кислородную катастрофу, а экологию 2.0.
