В 1976 году два идентичных посадочных модуля программы «Викинг» провели на поверхность Марса четыре типа биологических экспериментов . Первые успешные марсианские аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2» затем провели эксперименты по поиску биосигнатур микробной жизни на Марсе . Каждый из посадочных модулей использовал роботизированную руку для сбора и помещения образцов почвы в герметичные испытательные контейнеры на корабле.
Два спускаемых аппарата провели одни и те же испытания в двух местах на поверхности Марса: «Викинг-1» возле экватора и «Викинг-2» дальше на север. [1]
Четыре эксперимента ниже представлены в том порядке, в котором они проводились двумя посадочными модулями «Викинг». Руководителем биологической группы программы «Викинг» был Гарольд П. Кляйн (НАСА Эймс). [2] [3] [4]
Газовый хроматограф — масс-спектрометр ( ГХМС ) — это устройство, которое химически разделяет компоненты пара с помощью газового хроматографа , а затем передает результат в масс-спектрометр , который измеряет молекулярную массу каждого химического вещества. В результате он может разделять, идентифицировать и количественно определять большое количество различных химических веществ. GCMS (PI: Клаус Биманн , Массачусетский технологический институт) использовался для анализа компонентов необработанной марсианской почвы, и особенно тех компонентов, которые высвобождаются при нагревании почвы до различных температур. Он мог бы измерять молекулы, присутствующие на уровне нескольких частей на миллиард. [5]
GCMS не выявил значительного количества органических молекул в марсианской почве. Фактически, марсианские почвы содержали меньше углерода, чем безжизненные лунные почвы, возвращенные программой «Аполлон» . Этот результат было трудно объяснить, если метаболизм марсианских бактерий был ответственен за положительные результаты, полученные в эксперименте с меченым высвобождением (см. Ниже). В учебнике по астробиологии 2011 года отмечается, что это стало решающим фактором, из-за которого «для большинства учёных-викингов окончательный вывод заключался в том, что миссии викингов не смогли обнаружить жизнь в марсианской почве». [6]
Эксперименты, проведенные в 2008 году посадочным модулем «Феникс» , обнаружили присутствие перхлората в марсианской почве. В учебнике по астробиологии 2011 года обсуждается важность этого открытия по отношению к результатам, полученным Викингом , поскольку «хотя перхлорат слишком плохой окислитель, чтобы воспроизвести результаты LR (в условиях этого эксперимента перхлорат не окисляет органику), он окисляет, и, таким образом, разрушать органику при более высоких температурах, использованных в эксперименте Viking GCMS. Астробиолог НАСА Крис Маккей фактически подсчитал, что, если бы в образцах Viking присутствовали уровни перхлоратов, подобные Фениксу , органическое содержание марсианской почвы могло бы иметь место. достигала 0,1% и все равно давала бы (ложно) отрицательный результат, полученный GCMS. Таким образом, хотя общепринятое мнение относительно биологических экспериментов «Викинг» все еще указывает на «отсутствие признаков жизни», в последние годы наблюдалось, по крайней мере, небольшое их количество. сдвиг в сторону «неубедительных доказательств». [7]
Согласно пресс-релизу НАСА за 2010 год: «Единственными органическими химическими веществами, обнаруженными, когда спускаемые аппараты «Викинг» нагревали образцы марсианской почвы, были хлорметан и дихлорметан — соединения хлора, которые в то время интерпретировались как вероятные загрязнители из чистящих жидкостей». Согласно статье, написанной группой под руководством Рафаэля Наварро-Гонсалеса из Национального автономного университета Мексики , «эти химические вещества являются именно тем, что [их] новое исследование обнаружило, когда немного перхлората — неожиданная находка из Феникса — было добавлено к пустынная почва из Чили, содержащая органику и проанализированная методом тестов Viking». Однако в пресс-релизе НАСА 2010 года также отмечалось, что: «Одной из причин, по которой хлорированные органические вещества , обнаруженные «Викингом», были интерпретированы как загрязнители с Земли, было то, что соотношение двух изотопов хлора в них соответствовало соотношению три к одному для этих изотопов на Земле. ...Соотношение их на Марсе еще не было четко определено. Если окажется, что оно сильно отличается от земного, это подтвердит интерпретацию 1970-х годов». [8] Биманн написал комментарий с критикой статьи Наварро-Гонсалеса и Маккея, [9] на который последний ответил; [10] обмен был опубликован в декабре 2011 года. В 2021 году соотношение изотопов хлора на Марсе было измерено орбитальным аппаратом Trace Gas Orbiter и оказалось, что оно почти неотличимо от земного соотношения, [11] что оставило интерпретацию результатов GCMS неубедительной.
Эксперимент по газообмену ( GEX ) (PI: Вэнс Ояма, НАСА Эймс) искал газы, выделяемые инкубированным образцом почвы, сначала заменяя марсианскую атмосферу инертным газом гелием . Он нанес жидкий комплекс органических и неорганических питательных веществ и добавок на образец почвы, сначала с добавлением только питательных веществ, а затем с добавлением воды. [1] Периодически прибор отбирал пробы атмосферы инкубационной камеры и использовал газовый хроматограф для измерения концентраций нескольких газов, включая кислород , CO 2 , азот , водород и метан . Ученые предположили, что метаболизирующиеся организмы либо потребляют, либо выделяют по крайней мере один из измеряемых газов.
В начале ноября 1976 года сообщалось, что «на «Викинге-2» эксперимент по газообмену дает результаты, аналогичные результатам, полученным на «Викинге-1». И снова кислород исчез, как только питательный раствор вступил в контакт с почвой. И снова начал появляться углекислый газ. и до сих пор продолжает развиваться». [12]
Эксперимент с меченым высвобождением ( LR ) (PI: Gilbert Levin , Biologicals Inc.) дал наибольшие перспективы для экзобиологов . В эксперименте LR образец марсианской почвы был инокулирован каплей очень разбавленного водного питательного раствора. Питательные вещества (7 молекул, которые представляли собой продукты Миллера-Юри ) были помечены радиоактивным 14 C. Воздух над почвой контролировался на предмет выделения радиоактивного 14 CO 2 (или другого углеродсодержащего [13] ) газа как свидетельства того, что микроорганизмы в почва усвоила одно или несколько питательных веществ. За таким результатом должна была последовать контрольная часть эксперимента, как описано для ПР ниже. Результат оказался весьма неожиданным, учитывая отрицательные результаты первых двух тестов, когда почва сразу же после первой инъекции выделяла постоянный поток радиоактивных газов. Эксперимент проводился обоими зондами «Викинг»: первый использовал образец с поверхности, подвергшейся воздействию солнечного света, а второй зонд брал образец из-под камня; обе первоначальные инъекции оказались положительными. [1] Впоследствии были проведены контрольные испытания на стерилизацию путем нагревания различных образцов почвы. Образцы, нагретые в течение 3 часов при 160 °C, не выделяли радиоактивного газа при введении питательных веществ, а образцы, нагретые в течение 3 часов при 50 °C, продемонстрировали значительное снижение радиоактивного газа, выделяющегося после инъекции питательных веществ. [14] Образец, хранившийся при температуре 10 °C в течение нескольких месяцев, позже был протестирован и показал значительное снижение выброса радиоактивного газа. [15]
В статье CNN от 2000 года отмечалось: «Хотя большинство его коллег пришли к другому выводу, Левин по-прежнему считает, что испытания роботов, которые он координировал на посадочном модуле «Викинг» 1976 года, указали на присутствие живых организмов на Марсе». [16] В учебнике по астробиологии 2006 года отмечалось, что «однако при использовании нестерилизованных земных образцов добавление большего количества питательных веществ после первоначальной инкубации приведет к образованию еще большего количества радиоактивного газа, поскольку спящие бактерии начнут действовать, чтобы поглотить новую дозу пищи. Это было это не относится к марсианской почве; на Марсе вторая и третья инъекции питательных веществ не привели к дальнейшему выделению меченого газа». [17] В том же учебнике за 2011 год отмечалось, что «Альбет Йен из Лаборатории реактивного движения показал, что в чрезвычайно холодных и сухих условиях и в атмосфере углекислого газа ультрафиолетовый свет (помните: на Марсе отсутствует озоновый слой, поэтому поверхность залита ультрафиолетом) может вызвать реакцию углекислого газа с почвой с образованием различных окислителей, включая высокореактивные супероксиды (соли, содержащие O 2 - ). При смешивании с небольшими органическими молекулами суперокислители легко окисляют их до углекислого газа, что может быть причиной. Химия супероксида также может объяснить загадочные результаты, наблюдаемые при добавлении большего количества питательных веществ в почву в эксперименте LR, поскольку жизнь размножается, количество газа должно было увеличиться при добавлении второй или третьей порции питательных веществ; если бы эффект был вызван потреблением химического вещества в первой реакции, нового газа не следовало бы ожидать. Наконец, многие супероксиды относительно нестабильны и разрушаются при повышенных температурах, что также объясняет «стерилизацию», наблюдаемую в эксперименте LR». [7]
В статье 2002 года, опубликованной Джозефом Миллером, он предполагает, что зарегистрированные задержки в химических реакциях системы указывают на биологическую активность, аналогичную циркадному ритму, ранее наблюдавшемуся у наземных цианобактерий . [18]
12 апреля 2012 года международная группа, в которую входили Левин и Патрисия Энн Страат, опубликовала рецензируемую статью, в которой предлагалось обнаружение «существующей микробной жизни на Марсе», основанное на математических предположениях посредством кластерного анализа экспериментов с меченым выпуском миссии «Викинг» 1976 года . [19] [20]
Эксперимент с пиролитическим выбросом ( PR ) (PI: Норман Горовиц , Калифорнийский технологический институт) состоял из использования света, воды и углеродсодержащей атмосферы из угарного газа (CO) и углекислого газа (CO 2 ), имитируя ситуацию на Марсе. Углеродсодержащие газы состояли из углерода-14 ( 14 C), тяжелого радиоактивного изотопа углерода. Считалось, что если бы существовали фотосинтезирующие организмы, они включили бы часть углерода в биомассу в процессе фиксации углерода , точно так же, как это делают растения и цианобактерии на Земле. После нескольких дней инкубации в ходе эксперимента удалили газы, оставшуюся почву прокалили при температуре 650 °C (1200 °F) и собрали продукты в устройстве, подсчитывающем радиоактивность. Если бы какой-либо из 14 C был преобразован в биомассу, он испарился бы при нагревании, и счетчик радиоактивности обнаружил бы в нем свидетельство существования жизни. В случае получения положительного ответа дубликат образца той же почвы будет нагреваться, чтобы «стерилизовать» его. Затем его будут тестировать в качестве контроля, и если он по-прежнему будет проявлять активность, аналогичную первой реакции, это будет свидетельством того, что активность имела химическую природу. Однако нулевой или значительно сниженный ответ был свидетельством биологии. Тот же самый контроль должен был использоваться для любого из трех экспериментов по обнаружению жизни, которые показали положительный первоначальный результат. [21] Первоначальная оценка результатов эксперимента Viking 1 PR заключалась в том, что «анализ результатов показывает, что произошло небольшое, но значительное образование органического вещества» и что стерилизованный контрольный образец не выявил никаких признаков присутствия органических веществ, показывая, что «результаты могут быть отнесено к биологической активности». [22] Однако, учитывая постоянство выделения органики при 90 °C, ингибирование органики после введения водяного пара и, особенно, отсутствие обнаружения органики в марсианском грунте экспериментом GCMS, исследователи пришли к выводу, что небиологическое объяснение результатов PR было наиболее вероятным. [23] [21] Однако в последующие годы, когда результаты ГХМС стали подвергаться все большему вниманию, результаты экспериментов по пиролитическому высвобождению снова стали рассматриваться как возможно согласующиеся с биологической активностью, хотя «объяснение кажущегося небольшого синтеза Органическое вещество в эксперименте по пиролитическому высвобождению остается неясным». [24]
Органические соединения, по-видимому, распространены, например, на астероидах, метеоритах, кометах и ледяных телах, вращающихся вокруг Солнца, поэтому отсутствие следов каких-либо органических соединений на поверхности Марса стало неожиданностью. ГХ-МС определенно работал, поскольку средства контроля были эффективными и он смог обнаружить следы хлора, вызванные чистящими растворителями, которые использовались для его стерилизации перед запуском. [25] Повторный анализ данных ГХ-МС, проведенный в 2018 году, позволил предположить, что органические соединения действительно могли быть обнаружены, что подтверждается данными марсохода Curiosity . [26] В то время полное отсутствие органического материала на поверхности делало результаты биологических экспериментов спорными, поскольку эти эксперименты были предназначены для обнаружения метаболизма с участием органических соединений. Широкое научное сообщество предполагает, что биологические эксперименты «Викинга» остаются безрезультатными и могут быть объяснены чисто химическими процессами. [1] [22] [27] [28]
Несмотря на положительный результат эксперимента «Меченое высвобождение», по общей оценке, результаты четырех экспериментов лучше всего объясняются окислительными химическими реакциями с марсианской почвой. Один из текущих выводов заключается в том, что марсианская почва, постоянно подвергаясь воздействию ультрафиолетового излучения Солнца (Марс не имеет защитного озонового слоя ), создала тонкий слой очень сильного окислителя . Достаточно сильная молекула-окислитель будет реагировать с добавленной водой с образованием кислорода и водорода, а также с питательными веществами с образованием углекислого газа (CO 2 ).
Норман Горовиц был руководителем бионаучного отдела Лаборатории реактивного движения миссий «Маринер» и «Викинг» с 1965 по 1976 год. Горовиц считал, что большая универсальность атома углерода делает его элементом, который с наибольшей вероятностью обеспечит решения, даже экзотические, проблем. выживания жизни на других планетах. [29] Однако он также считал, что условия, обнаруженные на Марсе, несовместимы с жизнью на основе углерода.
В августе 2008 года спускаемый аппарат «Феникс» обнаружил перхлорат — сильный окислитель при нагревании выше 200 °C. Первоначально предполагалось, что это является причиной ложноположительного результата LR. [30] [31] Однако результаты экспериментов, опубликованные в декабре 2010 года [32] [33] предполагают, что органические соединения «могли присутствовать» в почве, анализируемой как «Викингом-1», так и «Викингом- 2» , поскольку спускаемый аппарат НАСА «Феникс» в 2008 году обнаружил перхлорат. , который может расщеплять органические соединения. Авторы исследования обнаружили, что перхлорат может разрушать органику при нагревании и производить в качестве побочного продукта хлорметан и дихлорметан — идентичные соединения хлора, обнаруженные обоими посадочными модулями «Викинг», когда они проводили одни и те же испытания на Марсе. Поскольку перхлорат разрушил бы любую марсианскую органику, вопрос о том, нашел ли Викинг органические соединения, все еще широко открыт, поскольку возможны альтернативные химические и биологические интерпретации. [34] [9] [22]
В 2013 году астробиолог Ричард Куинн из Центра Эймса провел эксперименты, в которых аминокислоты, реагирующие с гипохлоритом, который образуется при облучении перхлората гамма-лучами, по-видимому, воспроизводили результаты эксперимента с меченым высвобождением. [35] [36] Он пришел к выводу, что ни перекись водорода, ни супероксид не требуются для объяснения результатов биологических экспериментов викингов. [36] Более детальное исследование было проведено в 2017 году группой исследователей, включая Куинна. Хотя это исследование не было специально разработано для сопоставления данных эксперимента LR, было обнаружено, что гипохлорит может частично объяснить контрольные результаты, включая тест на стерилизацию при 160 ° C. Авторы заявили: «Планируются дальнейшие эксперименты для характеристики термической стабильности гипохлорита и других форм оксихлора в контексте экспериментов LR». [37]
До открытия перхлората окислителя на Марсе в 2008 году некоторые теории оставались противоположными общенаучным выводам. Исследователь предположил, что биологическое объяснение отсутствия обнаруженной органики с помощью ГХ-МС может заключаться в том, что окислительный запас растворителя H 2 O 2 -H 2 O значительно превышает восстановительную способность органических соединений организмов. [38]
Также утверждалось, что эксперимент с меченым высвобождением (LR) обнаружил в марсианской почве так мало метаболизирующих организмов, что газовый хроматограф не смог бы их обнаружить. [1] Эту точку зрения выдвинул разработчик эксперимента LR Гилберт Левин, который считает, что положительные результаты LR являются диагностическими для жизни на Марсе. [39] [40] Он и другие проводили текущие эксперименты, пытаясь воспроизвести данные «Викинга» с использованием биологических или небиологических материалов на Земле. Хотя ни один эксперимент никогда не дублировал результаты испытаний и контроля Mars LR, эксперименты с диоксидом титана , насыщенным перекисью водорода, дали аналогичные результаты. [41]
Хотя большинство астробиологов до сих пор приходят к выводу, что биологические эксперименты викингов были безрезультатными или отрицательными, Гилберт Левин не одинок в своем мнении. Нынешние утверждения о существовании жизни на Марсе основаны на старых доказательствах, интерпретированных в свете недавних событий. [42] [43] [44] В 2006 году учёный Рафаэль Наварро продемонстрировал, что биологическим экспериментам викингов, вероятно, не хватало чувствительности для обнаружения следовых количеств органических соединений. [43] В статье, опубликованной в декабре 2010 года, [32] учёные предполагают, что если бы органические вещества присутствовали, они бы не были обнаружены, потому что, когда почва нагревается для проверки на наличие органики, перхлорат быстро разрушает их, образуя хлорметан и дихлорметан, которые вот что нашли посадочные аппараты викингов. Эта команда также отмечает, что это не доказательство существования жизни, но может изменить то, как ученые будут искать органические биосигнатуры в будущем. [8] [45] Результаты текущей миссии Марсианской научной лаборатории и находящейся в стадии разработки программы ExoMars могут помочь разрешить этот спор. [45]
В 2006 году Марио Крокко даже предложил создать новый номенклатурный ранг , который классифицировал некоторые результаты викингов как « метаболические » и, следовательно, представляющие новую форму жизни. [46] Таксономия, предложенная Крокко, не была принята научным сообществом, и обоснованность интерпретации Крокко полностью зависела от отсутствия окислительного агента в марсианской почве.
По мнению Гилберта Левина и Патрисии Энн Страат, исследователей эксперимента LR, ни одно объяснение, связанное с неорганической химией, по состоянию на 2016 год не может дать удовлетворительного объяснения полных данных эксперимента LR и конкретно ответить на вопрос о том, какой активный агент находится в почве. Как показывают данные, образцы могут подвергаться неблагоприятному воздействию при нагревании примерно до 50 °C и разрушаться при длительном хранении в темноте при температуре 10 °C. [47] [48]
Джеймс Лавлок утверждал, что миссии «Викинг» лучше было бы изучить марсианскую атмосферу, чем изучать почву. Он предположил, что вся жизнь имеет тенденцию выбрасывать в атмосферу отработанные газы, и поэтому можно теоретически предположить существование жизни на планете, обнаружив атмосферу, которая не находится в химическом равновесии. [49] Он пришел к выводу, что в то время было достаточно информации об атмосфере Марса, чтобы исключить возможность существования там жизни. С тех пор в атмосфере Марса был обнаружен метан в концентрации 10 частей на миллиард, что возобновило эту дискуссию. Хотя в 2013 году марсоходу Curiosity не удалось обнаружить на своем месте метан в концентрациях, превышающих 1,3ppb. [50] позже, в 2013 и 2014 годах, измерения Curiosity действительно обнаружили метан, [51] предполагая наличие изменяющегося во времени источника. Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter , запущенный в марте 2016 года, реализует этот подход и будет сосредоточен на обнаружении, характеристике пространственных и временных изменений, а также локализации источников широкого набора атмосферных газовых примесей на Марсе и поможет определить, является ли их образование биологическим. или геологического происхождения. [52] [53] Миссия Mars Orbiter также пытается – с конца 2014 года – обнаружить и нанести на карту метан в атмосфере Марса. В комментариях для прессы утверждалось, что если на местах спускаемых аппаратов «Викинг» и была жизнь, то она могла погибнуть из-за выхлопов приземлившихся ракет. [54] Это не проблема для миссий, которые приземляются через капсулу, защищенную подушкой безопасности , замедляются с помощью парашютов и тормозных ракет и сбрасываются с высоты, позволяющей выхлопным газам ракеты избегать поверхности. Марсоход Sojourner компании Mars Pathfinder и марсоходы Mars Exploration Rovers успешно использовали эту технику посадки. Посадочный модуль Phoenix Scout спустился на поверхность ретро-ракетами, однако их топливом был гидразин , а конечные продукты шлейфа (вода, азот и аммиак) не обнаружили воздействия на грунты в месте приземления.
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )Одно из предположений состоит в том, что эта функция представляет собой метаболизм в период медленного роста или деления клеток до асимптотического уровня клеточного слияния, возможно, аналогичного земным биопленкам в устойчивом состоянии.
Кликабельное изображение: при нажатии на метки откроется новая статья.