№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Как ранняя жизнь на Марсе могла уничтожить сама себя

Фото: Wikimedia Commons

Ранний Марс в представлении иллюстратора

Ученые считают, что метаногены могли сделать Красную планету холодной и непригодной для жизни.

Давно не секрет: когда-то в древности Марс был теплой и влажной планетой, и у него была атмосфера. О том, как он эту атмосферу утратил, мы рассказывали в другой статье. А сейчас обратим внимание на другой аспект древней жизни Марса: в период, между 3,7 миллиардами и 4,1 миллиардами лет назад на Марсе плескалась вода – ее количество превышало общий объем воды, содержащийся сейчас в Северном Ледовитом океане. А это значит, что Красная планета вполне могла быть пригодна для жизни (хотя это вовсе не значит, что там кто-то и впрямь обитал).

Новое исследование предполагает, что ранний Марс был гостеприимным хозяином для организма, который процветает в экстремальных условиях и здесь, на Земле. Речь идет о метаногенах – археях, которые образуют метан как побочный продукт метаболизма в бескислородных условиях. Они обитают в гидротермальных источниках на дне океана или в кишечниках жвачных млекопитающих и человека.

«Наше исследование показывает, что под поверхностью раннего Марса, вероятно, могли жить метаногенные микробы», – Режис Феррье, ведущий автор исследования.

Исследователи отмечают, что микробы могли процветать в пористой соленой породе, которая защищала их от ультрафиолетового излучения и космических лучей. Подземная среда также обеспечивала диффузную атмосферу и умеренную температуру, что позволило бы метаногенам выживать.

Исследователи сосредоточились на гидрогенотрофных метаногенах, которые поглощают H₂ и CO₂ и производят метан в виде отходов. Этот тип метаногенеза был одним из самых ранних видов метаболизма, появившихся на Земле. Однако его жизнеспособность на раннем Марсе никогда не оценивалась количественно.

Ученые зафиксировали важную разницу между древним Марсом и Землей. На Земле большая часть водорода связана с молекулами воды, и очень немногие его части существуют сами по себе. Но в атмосфере Марса было много водорода и в таком виде. Именно водород мог стать источником энергии, необходимым для процветания ранних метаногенов. Тот же самый водород помог бы удерживать тепло в атмосфере Марса, делая планету пригодной для жизни.

«Мы думаем, что в то время на Марсе могло быть немного прохладнее, чем на Земле, но не так холодно, как сейчас, а средняя температура, скорее всего, колебалась выше точки замерзания воды. Сейчас мы описываем Марс как кусок льда, покрытый пылью, но ранний Марс представлял собой каменистую планету с пористой корой. Она была пропитана жидкой водой, которая порождаоа озера и реки, а может, даже моря и океаны», – Режис Феррье.

На Земле вода может быть пресной или соленой. Но на Марсе в этом различии, судя по всему, не было необходимости. Вероятнее всего, вся марсианская вода была соленой. Такие выводы ученые сделали после спектроскопических измерений марсианских поверхностных пород.

Исследовательская группа также использовала модели климата, коры и атмосферы Марса для оценки метаногенов на древнем Марсе. Они применили модель экологического сообщества земных микробов, которые метаболизируют водород и углерод.

Работая с этими моделями экосистем, ученые выяснили, что популяции метаногенов могли физически выжить на Марсе. Но дальше – больше: ученые смогли предсказать, какое влияние эти популяции оказали на окружающую среду.

«Как только мы создали нашу модель, мы запустили ее в работу в марсианской коре. Это позволило нам оценить, насколько правдоподобной была бы марсианская подземная биосфера. И если бы такая биосфера существовала, то как бы она модифицировала химический состав марсианской коры, и как эти процессы в коре повлияли бы на химический состав атмосферы», – Борис Сотери, соавтор исследования.

По словам Сотери, цель состояла в том, чтобы создать модель марсианской коры из смеси камня и соленой воды, позволить газам из атмосферы проникнуть в землю и посмотреть, смогут ли метаногены жить в таких условиях. Ответ – да, смогут. 

В то время как атмосфера Марса содержала много водорода и углерода, которые организмы могли использовать для получения энергии, поверхность планеты все еще была холодной. Не замерзшей, как сегодня, но намного холоднее, чем современная Земля. Микроорганизмы выиграли бы от более высоких температур под землей, но чем глубже они спускались, тем меньше оставался доступ к углероду и водороду.

«Проблема в том, что даже на раннем Марсе на поверхности все еще было очень холодно, поэтому микробам пришлось бы углубляться в кору, чтобы найти пригодную для жизни температуру. Вопрос в том, насколько глубоко должна зайти биология, чтобы найти правильный компромисс между температурой и наличием молекул из атмосферы, необходимых для их роста? Мы обнаружили, что микробные сообщества в наших моделях процветали бы в нескольких сотнях метров от поверхности», – Борис Сотери.

Они бы еще долго скрывались в безопасности в верхней части земной коры. Но поскольку сообщества микробов существуют, поглощая водород и углерод и выделяя метан, они неизбежно изменили бы окружающую среду.

Команда смоделировала все вышеперечисленные и подземные процессы и их влияние друг на друга. Они предсказали климатическую обратную связь и то, как она бы изменила атмосферу Марса.

По словам ученых, со временем метаногены инициировали бы глобальное похолодание климата, поскольку они изменили химический состав атмосферы. Соленая вода в земной коре замерзала бы на все большей и большей глубине по мере остывания планеты. Это охлаждение в конечном итоге сделало бы поверхность Марса непригодной для жизни.

Когда планета остывает, организмы уходят глубже под землю, подальше от холода. Но поры в реголите были бы забиты льдом, что не позволило бы атмосфере достичь этих глубин и лишило бы метаногены энергии.

Фото: Regis Ferrière
Каждая строка представляет собой точку замерзания для разных типов соленой воды. Шкала оранжевого цвета представляет высоту. Наложенные области, заштрихованные белым цветом, соответствуют вероятности наличия льда на поверхности

«Согласно нашим результатам, атмосфера Марса была бы полностью изменена биологической активностью очень быстро, в течение нескольких десятков или сотен тысяч лет. Забрав водород из атмосферы, микробы резко охладили климат планеты», – Борис Сотери.

«Проблема, с которой тогда столкнулись бы микробы, заключалась в том, что атмосфера Марса практически исчезла, полностью истончилась, поэтому их источник энергии исчез – им пришлось бы искать альтернативный источник энергии. Кроме того, температура планеты значительно упала бы, и им пришлось бы углубляться в кору. На данный момент очень сложно сказать, как долго Марс оставался бы пригодным для жизни», – объясняет Сотери.

Исследователи также определили места на поверхности Марса, где будущие миссии имеют наилучшие шансы найти доказательства древней жизни на планете. «Первые несколько метров марсианской коры также являются наиболее доступными для исследования, учитывая технологии, которые в настоящее время используются на марсианских роверах», – пишут авторы исследования.

По мнению исследователей, равнина Эллада – лучшее место для поиска доказательств этой ранней подземной жизни, потому что она осталась свободной от сковывающего планету льда. К сожалению, этот регион также часто подвергается мощным пылевым бурям и не подходит для исследования марсоходом. По мнению авторов, если люди-исследователи когда-либо прилетят на Марс, Эллада станет идеальным местом для исследований.

Наличие жизни на древнем Марсе – не такая уж революционная идея. Самое интересное в этом исследовании – модель того, как именно ранняя жизнь могла изменить окружающую среду – и тем самым лишить планету возможности завести жизнь в любых других формах.

Ранняя Земля также была населена простыми формами жизни. Но Земля была другой, и организмы здесь развили новый путь использования энергии. В ранней атмосфере Земли не было кислорода, и первые обитатели нашей планеты процветали и без него. Затем появились цианобактерии, которые используют фотосинтез для получения энергии и производят кислород в качестве побочного продукта.

В конце концов, цианобактерии насыщали кислородом океаны и атмосферу, пока Земля не стала токсичной для любой другой жизни. Некоторые древние микробы или их потомки выживают на современной Земле, будучи загнанными в бедную кислородом среду.

Но на Марсе не было эволюционного скачка к фотосинтезу или чего-то еще, что помогло бы найти новый способ получения энергии. В конце концов Марс остыл, замерз и потерял свою атмосферу. Тем не менее, не исключено, что марсианская жизнь до сих пор прячется в изолированных местах в коре планеты.

В исследовании 2021 года с помощью модели показали, что в коре Марса может быть источник водорода, который пополняется сам собой. Исследование предполагает, что радиоактивные элементы в коре планеты могут расщеплять молекулы воды путем радиолиза, делая водород доступным для метаногенов. Радиолиз позволил бы изолированным сообществам бактерий в заполненных водой трещинах и порах земной коры существовать миллионы, а возможно, и миллиарды лет.