В 1976 году два идентичных посадочных модуля программы Viking доставили на поверхность Марса по четыре типа биологических экспериментов . Первые успешные посадочные модули на Марсе, Viking 1 и Viking 2 , затем провели эксперименты по поиску биосигнатур микробной жизни на Марсе . Каждый посадочный модуль использовал роботизированную руку для сбора и помещения образцов почвы в герметичные испытательные контейнеры на борту.
Оба посадочных модуля провели одни и те же испытания в двух местах на поверхности Марса: Viking 1 — вблизи экватора, а Viking 2 — севернее. [1]
Четыре эксперимента ниже представлены в том порядке, в котором они были проведены двумя посадочными модулями Viking. Руководителем биологической группы программы Viking был Гарольд П. Кляйн (NASA Ames). [2] [3] [4]
Газовый хроматограф — масс-спектрометр ( ГХМС ) — это устройство, которое химически разделяет компоненты пара с помощью газового хроматографа , а затем подает 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. ГХМС (PI: Klaus Biemann , MIT) использовался для анализа компонентов необработанной марсианской почвы, и особенно тех компонентов, которые выделяются при нагревании почвы до разных температур. Он может измерять молекулы, присутствующие на уровне нескольких частей на миллиард. [5]
GCMS не измерил значительного количества органических молекул в марсианской почве. Фактически, было обнаружено, что марсианские почвы содержат меньше углерода, чем безжизненные лунные почвы, возвращенные программой Apollo . Этот результат было трудно объяснить, если марсианский бактериальный метаболизм был ответственен за положительные результаты, полученные в ходе эксперимента с маркированным высвобождением (см. ниже). В учебнике по астробиологии 2011 года отмечается, что это был решающий фактор, из-за которого «для большинства ученых Viking окончательный вывод состоял в том, что миссии Viking не смогли обнаружить жизнь в марсианской почве». [6]
Эксперименты, проведенные в 2008 году модулем Phoenix , обнаружили наличие перхлората в марсианской почве. В учебнике по астробиологии 2011 года обсуждается важность этого открытия в отношении результатов, полученных Viking , как «хотя перхлорат является слишком слабым окислителем, чтобы воспроизвести результаты LR (в условиях этого эксперимента перхлорат не окисляет органику), он окисляет и, таким образом, разрушает органику при более высоких температурах, используемых в эксперименте Viking GCMS. Астробиолог NASA Крис Маккей подсчитал, что если бы в образцах Viking присутствовали уровни перхлоратов, подобные Phoenix , органическое содержание марсианской почвы могло бы достигать 0,1% и все равно дало бы (ложный) отрицательный результат, который вернул GCMS. Таким образом, хотя общепринятое мнение относительно биологических экспериментов Viking по-прежнему указывает на «отсутствие доказательств жизни», в последние годы наблюдается по крайней мере небольшой сдвиг в сторону «неубедительных доказательств»». [7]
Согласно пресс-релизу NASA от 2010 года: «Единственными органическими химикатами, обнаруженными при нагревании образцов марсианского грунта посадочными аппаратами Viking, были хлорметан и дихлорметан — соединения хлора, которые в то время считались вероятными загрязнителями из чистящих жидкостей». Согласно статье, подготовленной группой под руководством Рафаэля Наварро-Гонсалеса из Национального автономного университета Мексики , «эти химикаты — именно то, что обнаружило [их] новое исследование, когда небольшое количество перхлората — неожиданное открытие Phoenix — было добавлено в пустынную почву из Чили, содержащую органику, и проанализировано способом, аналогичным тестам Viking». Однако в пресс-релизе NASA 2010 года также отмечалось, что: «Одной из причин, по которой хлорированная органика, обнаруженная Viking, была интерпретирована как загрязняющие вещества с Земли, было то, что соотношение двух изотопов хлора в них соответствовало соотношению три к одному для этих изотопов на Земле. Соотношение для них на Марсе пока не было четко определено. Если будет обнаружено, что оно сильно отличается от земного, это подтвердит интерпретацию 1970-х годов». [8] Биман написал комментарий, критически относящийся к статье Наварро-Гонсалеса и Маккея, [9] на которую последние ответили; [10] обмен мнениями был опубликован в декабре 2011 года. В 2021 году соотношение изотопов хлора на Марсе было измерено Trace Gas Orbiter и оказалось почти неотличимым от земного соотношения, [11] что делает интерпретацию результатов GCMS неубедительной.
Эксперимент по газообмену ( GEX ) (ПИ: Вэнс Ояма, NASA Ames) искал газы, выделяемые инкубированным образцом почвы, сначала заменив марсианскую атмосферу инертным газом гелием . Он применял жидкий комплекс органических и неорганических питательных веществ и добавок к образцу почвы, сначала с добавлением только питательных веществ, затем с добавлением воды. [1] Периодически прибор отбирал образцы атмосферы инкубационной камеры и использовал газовый хроматограф для измерения концентраций нескольких газов, включая кислород , CO2 , азот , водород и метан . Ученые выдвинули гипотезу, что метаболизирующие организмы будут либо потреблять, либо выделять по крайней мере один из измеряемых газов.
В начале ноября 1976 года сообщалось, что «на Викинге-2 эксперимент по газообмену дал результаты, аналогичные результатам Викинга-1. Опять же, кислород исчез, как только питательный раствор вступил в контакт с почвой. Снова начал появляться углекислый газ, который продолжает выделяться». [12]
Эксперимент с маркированным высвобождением ( LR ) (PI: Gilbert Levin , Biospherics Inc.) дал самые многообещающие результаты для экзобиологов . В эксперименте LR образец марсианской почвы был инокулирован каплей очень разбавленного водного раствора питательных веществ. Питательные вещества (7 молекул, которые были продуктами Miller-Urey ) были помечены радиоактивным 14 C. Воздух над почвой контролировался на предмет выделения радиоактивного 14 CO 2 (или другого газа на основе углерода [13] ) как доказательства того, что микроорганизмы в почве усвоили одно или несколько питательных веществ. Такой результат должен был последовать в контрольной части эксперимента, как описано для PR ниже. Результат оказался довольно неожиданным, учитывая отрицательные результаты первых двух тестов, с постоянным потоком радиоактивных газов, выделяемых почвой сразу после первой инъекции. Эксперимент был проведен обоими зондами Viking, первый использовал образец с поверхности, подверженной воздействию солнечного света, а второй зонд взял образец из-под камня; обе начальные инъекции дали положительный результат. [1] Затем были проведены контрольные испытания стерилизации 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, показали существенное снижение радиоактивного газа, выделяемого после введения питательных веществ. [14] Образец, хранившийся при 10 °C в течение нескольких месяцев, был позже протестирован и показал значительное снижение выделения радиоактивного газа. [15]
В статье CNN от 2000 года отмечалось, что «Хотя большинство его коллег пришли к иному выводу, Левин по-прежнему считает, что испытания роботов, которые он координировал на посадочном модуле Viking 1976 года, указали на присутствие живых организмов на Марсе». [16] В учебнике по астробиологии 2006 года отмечалось, что «Однако в случае нестерилизованных земных образцов добавление большего количества питательных веществ после первоначальной инкубации привело бы к образованию еще большего количества радиоактивного газа, поскольку спящие бактерии включились в действие, чтобы потребить новую дозу пищи. Это не было справедливо для марсианской почвы; на Марсе вторая и третья инъекции питательных веществ не привели к дальнейшему выделению меченого газа». [17] В издании того же учебника 2011 года 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 нет озонового слоя, поэтому поверхность купается в ультрафиолете) может вызвать реакцию углекислого газа с почвой с образованием различных окислителей, включая высокореактивные супероксиды (соли, содержащие O 2 − ). При смешивании с небольшими органическими молекулами супероксиды легко окисляют их до углекислого газа, что может объяснить результат LR. Химия супероксидов также может объяснить загадочные результаты, полученные при добавлении большего количества питательных веществ в почву в эксперименте LR; поскольку жизнь размножается, количество газа должно было увеличиться при добавлении второй или третьей партии питательных веществ, но если эффект был вызван потреблением химического вещества в первой реакции, нового газа не ожидалось бы. Наконец, многие супероксиды относительно нестабильны и разрушаются при повышенных температурах, что также объясняет «стерилизация», наблюдаемая в эксперименте LR». [7]
В статье, опубликованной в 2002 году, Джозеф Миллер предполагает, что зафиксированные задержки в химических реакциях системы указывают на биологическую активность, схожую с циркадным ритмом, ранее наблюдавшимся у наземных цианобактерий . [18]
12 апреля 2012 года международная группа, в которую входили Левин и Патрисия Энн Страат, опубликовала рецензируемую статью, в которой предлагалось обнаружить «сохранившуюся микробную жизнь на Марсе» на основе математических предположений с помощью кластерного анализа экспериментов по маркированному высвобождению миссии Viking 1976 года . [19] [20]
Эксперимент по пиролитическому высвобождению ( PR ) (PI: Норман Горовиц , Калтех) состоял из использования света, воды и содержащей углерод атмосферы из оксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO2 ) , имитирующей атмосферу на Марсе. Углеродсодержащие газы были получены с использованием углерода-14 ( 14C ), тяжелого радиоактивного изотопа углерода. Если бы присутствовали фотосинтетические организмы, считалось, что они бы включили часть углерода в качестве биомассы в процессе фиксации углерода , как это делают растения и цианобактерии на Земле. После нескольких дней инкубации эксперимент удалил газы, прокалил оставшуюся почву при 650 °C (1200 °F) и собрал продукты в устройстве, которое подсчитывало радиоактивность. Если бы какой-либо из 14C был преобразован в биомассу, он бы испарился во время нагревания, и счетчик радиоактивности обнаружил бы это как доказательство жизни. В случае получения положительного ответа дубликат образца той же почвы нагревался для его «стерилизации». Затем он тестировался в качестве контроля, и если он все еще показывал активность, подобную первой реакции, это было доказательством того, что активность была химической по своей природе. Однако нулевой или значительно сниженный ответ был доказательством биологии. Этот же контроль должен был использоваться для любого из трех экспериментов по обнаружению жизни, которые показали положительный начальный 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 контроль не показал никаких признаков органики, показывая, что «результаты можно отнести к биологической активности». [22] Однако, учитывая сохранение органического выброса при 90 °C, ингибирование органики после введения водяного пара и, особенно, отсутствие обнаружения органики в марсианской почве экспериментом GCMS, исследователи пришли к выводу, что небиологическое объяснение результатов PR было наиболее вероятным. [23] [21] Однако в последующие годы, поскольку результаты ГХ-МС стали подвергаться все большему вниманию, результаты эксперимента по пиролитическому высвобождению снова стали рассматриваться как возможно соответствующие биологической активности, хотя «объяснение кажущегося небольшого синтеза органического вещества 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 обнаружение следов каких-либо органических соединений на поверхности Марса стало неожиданностью. ГХ-МС определенно работал, потому что средства контроля были эффективными, и он смог обнаружить следы хлора, приписываемые очищающим растворителям, которые использовались для стерилизации перед запуском. [25] Повторный анализ данных ГХ-МС был проведен в 2018 году, предполагая, что органические соединения действительно могли быть обнаружены, что подтверждается данными с марсохода Curiosity . [26] В то время полное отсутствие органического материала на поверхности сделало результаты биологических экспериментов спорными, поскольку метаболизм с участием органических соединений был тем, для обнаружения чего были предназначены эти эксперименты. Широкое научное сообщество предполагает, что биологические тесты Viking остаются неубедительными и могут быть объяснены чисто химическими процессами. [1] [22] [27] [28]
Несмотря на положительный результат эксперимента с маркированным высвобождением, общая оценка заключается в том, что результаты, полученные в четырех экспериментах, лучше всего объясняются окислительными химическими реакциями с марсианским грунтом. Один из текущих выводов заключается в том, что марсианский грунт, постоянно подвергающийся воздействию ультрафиолетового света Солнца (на Марсе нет защитного озонового слоя ), создал тонкий слой очень сильного окислителя . Достаточно сильная окисляющая молекула будет реагировать с добавленной водой, образуя кислород и водород, а также с питательными веществами, образуя углекислый газ (CO2 ) .
Норман Горовиц был руководителем бионаучного отдела Лаборатории реактивного движения для миссий Mariner и Viking с 1965 по 1976 год. Горовиц считал, что большая универсальность атома углерода делает его элементом, наиболее вероятным для решения, даже экзотических, 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 посадочный модуль Phoenix обнаружил перхлорат , сильный окислитель при нагревании выше 200 °C. Первоначально считалось, что это стало причиной ложноположительного результата LR. [30] [31] Однако результаты экспериментов, опубликованные в декабре 2010 года [32] [33], предполагают, что органические соединения «могли присутствовать» в почве, проанализированной как Viking 1 , так и 2 , поскольку посадочный модуль NASA Phoenix в 2008 году обнаружил перхлорат, который может расщеплять органические соединения. Авторы исследования обнаружили, что перхлорат может разрушать органику при нагревании и производить хлорметан и дихлорметан в качестве побочных продуктов, идентичные соединения хлора, обнаруженные обоими посадочными модулями Viking, когда они проводили те же испытания на Марсе. Поскольку перхлорат мог бы расщепить любую марсианскую органику, вопрос о том, обнаружил ли Viking органические соединения, все еще остается открытым, 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 Viking. [36] Более подробное 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 видов оксихлорина в контексте экспериментов LR». [37]
До открытия окислителя перхлората на Марсе в 2008 году некоторые теории оставались противоположными общему научному заключению. Исследователь предположил, что биологическое объяснение отсутствия обнаруженной органики методом 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 маркированным высвобождением (LR) обнаружил так мало метаболизирующих организмов в марсианской почве, что газовый хроматограф не смог бы их обнаружить. [1] Эта точка зрения была выдвинута разработчиком эксперимента LR Гилбертом Левиным, который считает, что положительные результаты LR являются диагностическими для жизни на Марсе. [39] [40] Он и другие проводили постоянные эксперименты, пытаясь воспроизвести данные Viking, как с биологическими, так и небиологическими материалами на Земле. Хотя ни один эксперимент никогда не дублировал в точности результаты испытаний и контроля Mars LR, эксперименты с диоксидом титана , насыщенным перекисью водорода, дали похожие результаты. [41]
В то время как большинство астробиологов по-прежнему приходят к выводу, что биологические эксперименты Viking были неубедительными или отрицательными, Гилберт Левин не одинок в своем мнении. Текущее утверждение о наличии жизни на Марсе основано на старых доказательствах, переосмысленных в свете последних событий. [42] [43] [44] В 2006 году ученый Рафаэль Наварро продемонстрировал, что биологические эксперименты Viking, вероятно, не обладали чувствительностью для обнаружения следовых количеств органических соединений. [43] В статье, опубликованной в декабре 2010 года, [32] ученые предполагают, что если бы присутствовали органические вещества, они бы не были обнаружены, потому что при нагревании почвы для проверки на органику перхлорат быстро разрушает их, производя хлорметан и дихлорметан, что и обнаружили посадочные модули Viking. Эта группа также отмечает, что это не доказательство жизни, но может изменить то, как ученые будут искать органические биосигнатуры в будущем. [8] [45] Результаты текущей миссии Mars Science Laboratory и находящейся в стадии разработки программы ExoMars могут помочь разрешить этот спор. [45]
В 2006 году Марио Крокко зашел так далеко, что предложил создать новый номенклатурный ранг , который классифицировал бы некоторые результаты «Викингов» как « метаболические » и, следовательно, как представляющие новую форму жизни. [46] Таксономия, предложенная Крокко, не была принята научным сообществом, а обоснованность интерпретации Крокко полностью зависела от отсутствия окислителя в марсианской почве.
По словам Гилберта Левина и Патрисии Энн Страат, исследователей эксперимента LR, ни одно объяснение с использованием неорганической химии по состоянию на 2016 год не способно дать удовлетворительное объяснение полных данных эксперимента LR и, в частности, ответить на вопрос о том, какой активный агент в образцах почвы может подвергнуться неблагоприятному воздействию при нагревании примерно до 50 °C и разрушиться при длительном хранении в темноте при температуре 10 °C, как показывают данные. [47] [48]
Джеймс Лавлок утверждал, что миссия Viking лучше бы изучила марсианскую атмосферу, чем почву. Он предположил, что вся жизнь имеет тенденцию выбрасывать отработанные газы в атмосферу, и, таким образом, можно было бы 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 ppb, что вновь открыло этот спор. Хотя в 2013 году марсоход Curiosity не смог обнаружить метан в своем местоположении на уровнях, превышающих 1,3 ppb. [50] позднее в 2013 и в 2014 годах измерения Curiosity действительно обнаружили метан, [51] что указывает на переменный во времени источник. Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter , запущенный в марте 2016 года, реализует этот подход и сосредоточится на обнаружении, характеристике пространственных и временных изменений и локализации источников для широкого спектра атмосферных газовых примесей на Марсе и поможет определить, имеет ли их образование биологическое или геологическое происхождение. [52] [53] Миссия Mars Orbiter также пытается — с конца 2014 года — обнаружить и картировать метан в атмосфере Марса. В пресс-релизе утверждалось, что если в местах посадки Viking и была жизнь, она могла быть убита выхлопными газами посадочных ракет. [54] Это не проблема для миссий, которые приземляются с помощью защищенной подушкой безопасности капсулы, замедляются парашютами и тормозными ракетами и сбрасываются с высоты, которая позволяет выхлопным газам ракеты не касаться поверхности. Марсоход Sojourner и марсоходы Mars Exploration Rover успешно использовали эту технику посадки. Посадочный модуль Phoenix Scout спустился на поверхность с помощью тормозных ракетных двигателей, однако их топливом был гидразин , а конечные продукты выброса (вода, азот и аммиак) не оказали влияния на почвы в месте посадки.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )Одно из предположений заключается в том, что функция представляет метаболизм в период медленного роста или деления клеток до асимптотического уровня клеточного слияния, возможно, аналогичного земным биопленкам в устойчивом состоянии.
Кликабельное изображение: Нажатие на метки откроет новую статью.