Поиски жизни в Солнечной системе - Норман Хоровиц

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".