воскресенье, 19 января 2014 г.

Обитаемость, тафономия и охота Curiosity за органическим углеродом

Что будет дальше и в каком направлении исследователи пойдут в поисках органического углерода? Об этом рассказал научный руководитель проекта MSL Curiosity Джон Гротцингер (John Grotzinger) из Калифорнийского технологического института в "Марсианских дневниках" Лаборатории реактивного движения НАСА

По словам ученого, чтобы лучше понять подходы к этой проблеме, необходимо выделить главные вопросы и проанализировать их отдельно. Они являются важными промежуточными
шагами: поиск воды, поиск жизни, поиск благоприятной среды обитания, поиск органического углерода.

Фокусируясь на них, ученые смогут точнее подобрать необходимые материалы и инструменты для исследования планеты более сложными будущими миссиями, осуществить отбор и доставку образцов материалов в земные лаборатории, определить объекты для экспериментов по обнаружению жизни.

Низина Yellowknife Bay. Эта поверхность когда-то была заполнена осадочными породами, принесенными водными потоками с обода кратера Гейла. Здесь образовалась среда, благоприятная для микробной жизни
(NASA/JPL-Caltech/MSSS) 


Публикация 9 декабря 2013 года в журнале Science шести научных статей сотрудников команды Curiosity является основой для понимания сути потенциально обитаемой среды на Марсе.

В значительной степени опыт исследования сформировался в результате многолетней работы по изучению ранней жизни на Земле. При этом ученые пришли к выводу, что, несмотря на существенные отличия от Земли, Марс также имеет с ней много общего, и это очень важно для поиска древней марсианской жизни - палеобиосферы (paleobiosphere).

На снимке: Земной аналог марсианского участка поверхности "Yellowknife Bay".
Слева - отбор проб грунта в озерных отложениях базальтового бассейна в южной части Австралии. Справа - образец осадочных пород - глина слоистых отложений
(NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Но даже для Земли - планеты, которая изобилует многообразием биоформ, поиски признаков жизни в ее далеком прошлом всегда сложны и зачастую разочаровывают. Требуется немало времени, чтобы добиться каких-либо результатов.

Обитаемость
Ученые уже сообщили об открытии древнего марсианского озера, где были обнаружены глинистые материалы. Наличие глины говорит о более благоприятной среде для жизнедеятельности микроорганизмов, чем кислотные сульфаты, найденные аппаратами Spirit и Opportunity. Тем не менее, глина - не единственный компонент, присущий обитаемости.

Миссия MSL должна определить другие не менее важные составляющие: наличие воды, ключевые элементы строительных блоков жизни (в том числе углерод) и источник энергии.

Древнее озеро внутри кратера Гейла. Здесь в заливе Yellowknife Bay Марсианская научная лаборатория (MSL) Curiosity успешно выполнила свою главную задачу по поиску благоприятной среды обитания микроорганизмов
(NASA/JPL-Caltech/MSSS)
Очень важно связать комплексное присутствие указанных выше компонентов с определенным геологическим периодом. В свою очередь, каждый элемент должен быть оценен с точки зрения того, в какой степени он соответствует благоприятной среде обитания.

Условия обитаемости в отдельных регионах необходимо рассматривать в более широких масштабах с учетом общей экологической обстановки на планете и, именно поэтому, информация орбитальных зондов, других марсоходов и спускаемых аппаратов является важным фактором в этом процессе.

Черно-белый камень, который неожиданно возник рядом с марсоходом Opportunity две недели назад, имеет уникальный для Марса химический состав - в нем значительно больше серы, магния и марганца, заявил научный руководитель миссии Стив Сквайрс (Steve Squyres)
(NASA/JPL-Caltech/Cornell)

Важно также выяснить, жизнедеятельность каких групп микроорганизмов более всего соответствует свойствам выявленной среды обитания - требования у них к окружающей среде могут сильно различаться.

Хорошей отправной точкой в этом плане является поиск одноклеточных организмов.
Такой выбор основан на процессе развития жизни на Земле, в котором доминировали микроорганизмы первые два миллиарда лет в истории планеты.

В частности, усилия команды Curiosity были направлены на поиск условий обитаемости, имеющих отношение к "хемолитотрофам" (chemolithotrophs - камнееды) -  группе микробов, которые  питаются химической энергией, содержащейся в горных породах.

Вода
Вода среды обитания должна быть относительно чистой, или, по крайней мере, не содержать много соли, чтобы осмотическое давление не привело бы органические клетки к разрушению.

Кислотность также играет важную роль, хотя и было доказано, что микробы могут выдерживать экстраординарные диапазоны pH, включая очень низкие значения, встречающиеся в природных условиях на Земле.

Умеренный уровень рН благоприятствует большему разнообразию микроорганизмов, и, соответственно, будет доступно больше вариантов для выявления их жизнедеятельности.

Справа: Трансформация водной среды в кратере Гейла согласно гипотезе ученых из University of California, Berkeley

Вода должна присутствовать на поверхности на протяжении длительного времени. Чем дольше течет вода, тем лучше.


Водные потоки, возникающие на Марсе из подземных источников, выкипают в современных условиях низкого атмосферного давления. И это далеко не лучшие условия для возникновения и развития жизни.

Постоянный водоем, например, озеро, и связанные с ним потоки, а также грунтовые воды, питающие его, более приемлемы для формирования благоприятной среды обитания.

Ученые полагают, что подобную систему "озеро-поток-грунтовые воды" марсоход Curiosity обнаружил в районе Yellowknife Bay, где вода потенциально могла находиться в течение миллионов лет. Но даже в такие, относительно короткие, периоды возможно зарождение и развитие жизни.

Основные строительные блоки жизни
Основными строительными блоками жизни являются следующие химические элементы:  C, H, N, O, P, S - углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Орбитальные зонды и предыдущие миссии на поверхности Марса предоставили достаточно доказательств наличия H, O, и S в сульфатных и глинистых минералах, а также была определена и концентрация фосфора. MSL Curiosity подтвердил эти данные.

Особенность элементов азота и углерода, а вместе с ними и фосфора, состоит в том, что они не должны быть прочно связаны в структуре минералов настолько, чтобы активность микроорганизмов в водной среде не могла их разблокировать.

В идеале специалисты хотят найти такие осадочные породы, включающие азот и фосфор, которые в прошлом могли бы какое-то время входить в состав водного раствора, и, поэтому, они были бы доступны для включения микроорганизмами в свой обмен веществ.

Марсианской научной лаборатории Curiosity удалось измерить концентрацию азота путем пиролиза - проба грунта нагревалась и летучие компоненты подвергалась анализу в приборе SAM. Ученые пришли к выводу, что такие элементы, как азот и фосфор вполне могли быть использованы примитивными организмами в древней среде.

Справа: В сером порошке, взятом с глубины 7 см, были выявлены следы серы, азота, водорода, кислорода, фосфора и углерода.
Это те вещества, которые являются доказательством существования воды, а как следствие - и возможных форм жизни на Красной планете миллионы лет назад
(NASA/JPL-Caltech)

В отношении углерода важно отметить, что наличие органического углерода в горных породах не является определяющим для обитаемости, так как хемоавтотрофы могут получать необходимые им вещества для построения клеточных структур путем метаболизма углекислого газа (CO2), то есть используется углерод, содержащийся в атмосфере.

Полученный углерод - из атмосферы или водного раствора - служит источником энергии при окислении до СО2, либо может быть использован для увеличения биомассы (построение новых клеток), или для вывода отработанного материала.

Применительно к Марсу,  наиболее вероятным, по мнению ученых, является получение микроорганизмами углерода из атмосферы, которая в прошлом была насыщена углекислым газом.

Curiosity действительно обнаружил значительное содержание углерода при бурении участка осадочных отложений древнего марсианского озера. Кроме СО2, здесь было выявлено небольшое количество минерального углерода, присутствующего в озерных аргиллитах.

Углерод из этих минералов когда-то растворился в древней водной среде, как и другие элементы. Вполне возможно, что органические источники углерода (от микроорганизмов) смешались с неорганическими из аргиллитов.

Вид на гору Sharp из низины "Yellowknife". 27 января 2013 года, Sol 170
(NASA/JPL-Caltech)

Ученые намерены продолжить поиск и изучение пригодной среды обитания на водной основе на горе Шарп и по пути к ней. И если таковая будет обнаружена, то она послужит отправной точкой для определения содержания органического углерода и каким образом произошло его накопление.

Энергия
Чтобы жить и размножаться, микроорганизмам необходима энергия. Есть много способов получения ими энергии из окружающей среды. Хемолитотрофы используют окислительно-восстановительные химические реакции с веществами, содержащими, например, сероводород или двухвалентное железо.

Вот почему для MSL важно найти такие минералы, как пирит, магнетит, пирротин. Они более активны при окислительно-восстановительных реакциях, чем их аналоги, обнаруженные на Марсе в ходе предыдущих миссий (например, сульфаты и гематиты).

Содержащая гематит гряда осадочных пород (Ridge) расположена у подножия горы Шарпа на расстоянии около 5-ти километров от места посадки марсохода Curiosity. Стрелками показано русло древнего водного потока. Ученые полагают, что геологическая структура каменистой гряды, содержащей гематит, аналогична соседним слоям подножия горы Шарпа
(NASA / JPL-Caltech / MSSS/А. Fraeman)
Тафономия
Тафономия (от греч. τάφος - "могила, погребение", и νόμος - "закон") - раздел палеонтологии, изучающий закономерности процессов сохранения ископаемых остатков организмов на всех стадиях: образование посмертных скоплений организмов, перенос, захоронение, окаменелость.

Тафономия дает возможность понять, какие следы оставляют биологические материалы в земной истории после разложения, какие были свойства окружающей среды, как функционировала древняя экосистема.

Однако, не все органические соединения имеют биологическое происхождение. Например, при изучении органических материалов далекого прошлого Земли были найдены образцы, не имеющие ничего общего с биологией.

Научные исследования должны убедительно доказать биогенную основу органического материала. Даже для земных горных пород, возраст которых насчитывает миллиарды лет, очень трудно идентифицировать древний биогенный углерод.

В этом плане для ученых актуальным становится направление поиска окаменелых остатков ископаемых организмов как и на Земле, так и в условиях Марса.



На снимке:
Гранд-Каньон в США является наглядным примером литифицированных отложений на Земле              (Martian Diaries)

Для изучения органики на Марсе необходимо учитывать три фактора.

Во-первых, в изучаемой области должен быть достаточный объем отложений, где накапливаются органические молекулы, чтобы имеющиеся приборы смогли их обнаружить.

Во-вторых органические вещества должны выдержать негативные воздействия, связанные с трансформацией отложений в окаменелость.

В-третьих, в виде окаменелости они должны перенести разрушающее воздействие космического излучения на  поверхность Марса. Последние вредоносные факторы могут снизить объем и концентрацию органических соединений до уровня, при котором они не смогут быть обнаружены инструментами межпланетных космических лабораторий.

Органические вещества разлагаются по двум основным направлениям. Во-первых, в процессе превращения осадочных отложений в каменистую структуру органика может быть химически изменена. Это обычно происходит в том случае, когда слои осадочных пород оседают один поверх другого, покрывая пласты из ранее осажденных частиц.

Частицы, сдавленные вместе под тяжестью перекрывающих осадков во время уплотнения, превращаются в породы, более плотные, чем первичные осадки. Эти плотные слои затем цементируются вместе, за счет осаждения из циркулирующей воды минералов в слоях и между ними. Так протекает литификация - процесс превращения рыхлых осадков в твёрдые горные породы.

На этом древнем обломке скалы в Австралии были обнаружены окаменелости микробных сообществ, возникших 3,5 млрд лет назад

Во время литификации через горные породы протекает большое количество воды. Ее объем может в сотни, а то и в тысячи раз превышать объем каппилярного пространства внутри породы.

Вода несет различные химические вещества, и органические соединения, контактирующие с ней, в результате окислительно-восстановительных химических реакций могут быть разрушены. При этих реакциях углерод органических соединений может войти в состав неорганической двуокиси углерода, газа, который не попадет в окаменевшие структуры.

"Вода на Марсе - хорошая вещь для обитаемости, но, как это ни парадоксально, она негативно влияет на сохранение органики", - замечает Гротцингер.

Во -вторых, в том случае, когда некоторая часть органики избежит первого разрушительного этапа, она подвергнется дальнейшему распаду, оказавшись на поверхности Марса, где подвергнется бомбардировке частицами космического излучения.

Деградация органических молекул в типичном марсианском грунте на глубине 4-5см под воздействием космических лучей. GCR - галактическое излучение, SCR - солнечная радиация.
По вертикали - время экспозиции в млн.лет, по горизонтали - атомная масса молекул

Излучение разрушает органические молекулы посредством процесса, называемого ионизацией. Наиболее восприимчивы соединения в верхних нескольких метрах грунта, ниже эффект воздействия излучения быстро снижается. В течение длительного времени органика может претерпеть значительные изменения.

Основываясь на замерах радиации марсоходом Curiosity, ученые пришли к выводу, что за 650 миллионов лет концентрация малых органических молекул, таких как аминокислоты, могла уменьшится в тысячу раз при всех прочих равных условиях.

Это очень важно, так как дает планетологам надежный способ для преимущественного изучения тех пород, которые подвергались космогенному воздействию в течение более короткого периода.

Кроме того, маловероятно, чтобы органика могла быть полностью ликвидирована из-за воздействия радиации. Определенный класс соединений - углеродистые хондриты, найденные в метеоритах, были подвержены радиации в космосе на протяжении миллиардов лет и, тем не менее, сохранили сложные органические вещества. Это дает надежду ,что некоторые виды органики должны были сохраниться и на Марсе.

Метеорит ALH 84001, найденный в Антарктиде в 1984 году. Изотопное датирование показало, что его возраст 4-4,5 миллиарда лет. 15 миллионов лет назад он был выбит c поверхности Марса в межпланетное пространство. 13 тысяч лет назад метеорит упал на Землю
(NASA - JSC)

Изучая метеорит с помощью электронного микроскопа, учёные обнаружили микроскопические окаменелости, напоминающие бактериальные колонии, состоящие из отдельных частей размером примерно 100 нм
(NASA)

Возможность определения возраста образцов горных пород, полученных Curiosity в процессе бурения, с учетом влияния на них радиационного излучения, является большим шагом вперед для исследователей в поиске органических молекул.

В настоящее время ученые выработали оптимальную стратегию поиска горных пород в качестве целей для бурения и последующего анализа полученного материала инструментами марсохода по выявлению тех объектов, в которых органические соединения в наименьшей степени подверглись изменению.

По материалам Martian DiariesNASA/JPL, Space.comLiveScience

Статьи по теме:


Марсоход Curiosity будет искать камнеедов
Невысокая каменистая гряда, идущая вдоль подножия 5-ти километровой горы Шарпа в центре кратера Гейла, возможно, станет приоритетным участком для исследования Марсианской научной лабораторией (MSL) Curiosity в поисках благоприятной среды обитания древних микроорганизмов



Гора Шарп во власти стихий
Марсоход Curiosity - миссия выполнена, миссия продолжается
Солевой щит Марса и Красной реки
Кратер Чесапикского залива и микробы на Марсе
Камнепады на Марсе, смолёвка на Земле

Комментариев нет: