Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Жизнь в кислотных облаках

Кандидат химических наук Максим Абаев

Часто приходится слышать: вода — это жизнь. Действительно, все известные живые организмы не могут обойтись без воды, просто потому, что сами частично состоят из неё, будь то люди, животные, растения или какие-нибудь микроскопические бактерии. Поэтому везде, где на Земле есть вода, пусть даже в мизерных количествах, есть и жизнь. Конечно, живые организмы могут обходиться некоторое время без жидкости, как это делают кактусы или верблюды, но ни самый засухоустойчивый кактус, ни самый выносливый верблюд не протянут долго без «дозаправки» живительной влагой. Даже бактериям, которые могут выживать в самых неблагоприятных условиях, для размножения всё равно необходима вода.

Венеру окружает очень плотная и горячая атмосфера,состоящая преимущественно из углекислого газа и азота, а облака из сернистого газа и капель серной кислоты делают невозможным наблюдение поверхности планеты в видимом диапазоне. Фото: NASA/JPL-Caltech.
Гипотетический жизненный цикл венерианских микроорганизмов. Цифрами обозначены стадии цикла: 1 — высушенные споры находятся в нижнем, более горячем слое тумана серной кислоты; 2 — благодаря восходящим потокам споры попадают в слой с благоприятной температурой; 3 — на спорах конденсируются капельки жидкости, споры переходят в активное состояние; 4 — клетки микроорганизмов начинают делиться внутри растущих капель жидкости; 5 — крупные капли под действием гравитации опускаются в более горячие слои атмосферы, капли постепенно усыхают, микроорганизмы образуют споры, способные выживать вне капель жидкости; за счёт небольшого веса споры не опускаются в более низкие слои и ждут, когда их вновь поднимет восходящим потоком в обитаемые слои. Иллюстрация: Sara Seager et al., 2020; Astrobiology; CC BY-NC 4.0.

С этим очевидным фактом связано направление поисков жизни за пределами Земли. Если нам удастся найти воду в жидком состоянии на другой планете или на каком-нибудь крупном спутнике, то это будет первое место, которое следует тщательно изучить, а ещё лучше добраться до него, взять капельку жидкости и посмотреть на неё в микроскоп. Вдруг там уже плавает что-то живое?

На заре освоения космоса учёные, тогда ещё не называвшие себя астробиологами, вполне резонно предполагали наличие жидкой воды, а то и вовсе живых организмов на ближайших к Земле планетах Солнечной системы: Марсе и Венере. Похожие на Землю по размерам, не очень близко и не очень далеко расположенные от Солнца, эти планеты вселяли надежду, что на них, возможно, есть инопланетная жизнь. Однако первые исследовательские аппараты, добравшиеся до Марса и Венеры в 60-х и 70-х годах XX века, спустили мечтающих познакомиться с внеземной жизнью с небес на Землю.

На Марсе оказалось слишком холодно, чтобы на нём могло существовать хоть какое-то озерцо с жидкой водой. (Хотя скромные ручейки с солёной водой там всё-таки отыскали. См. статью «Солёная правда о марсианской воде», «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.) С Венерой всё оказалось ещё хуже. Температура почти в полтысячи градусов на её поверхности вместе с облаками из серной кислоты сделали предположения о наличии там хоть чего-нибудь более или менее живого решительно невозможными. Узнав об этом, астробиологи потеряли интерес к исследованию Венеры и переключились на поиски жизни или её следов на Марсе. Согласитесь, что вероятность найти что-то живое (или когда-то бывшее живым) в холодильнике намного выше, чем в печке. Впрочем, нашлись и те, кто ещё в 1960-х годах думал несколько иначе. А в свете недавних новостей у Венеры появился даже шанс стать первой планетой, на которой обнаружат внеземную жизнь.

Идея достаточно проста: если на поверхности планеты очень-очень горячо, а в окружающем её космосе очень-очень холодно, то между этими двумя крайними точками должна быть область, где ни жарко, ни холодно, а вода может существовать в жидкой форме. В атмосфере Венеры такие условия есть на высоте приблизительно 50 км. К тому же из-за очень плотной атмо-сферы давление на такой большой высоте соответствует атмосферному давлению на поверхности Земли. Но как что-то живое может закрепиться на высоте в полсотни километров?

Совсем недавно в научном журнале «Astrobiology» была опубликована статья с описанием того, как это может быть. Представим себе некий микроорганизм, который оказался достаточно высоко в атмосфере Венеры. Если он будет, образно говоря, летать сам по себе, то ничем хорошим для него это не закончится — рано или поздно он просто высохнет и умрёт, потому что влажность воздуха Венеры почти в 50 раз меньше, чем влажность в самом сухом месте на Земле — пустыне Атакама. Единственный способ выжить — попасть в более или менее крупную каплю жидкости, которая станет пусть и тесным, но всё же домом. Правда дом этот окажется весьма необычным — почти под самую крышу он будет заполнен серной кислотой, ведь, как мы помним, именно из неё состоят облака на Венере. Доля воды в такой кислотной капле может быть не более 15% — плохо, конечно, но лучше, чем ничего. Если учесть, что на Земле существуют разные бактерии-экстремофилы, способные выжить и в очень солёной воде, и в горячей, и даже в кислоте, то можно предположить существование гипотетического микроорганизма, которому по силам выжить и в концентрированной серной кислоте. Но на кислоте трудности венерианской жизни не заканчиваются.

Мелкие капли, неважно, из воды или из кислоты, имеют тенденцию объединяться друг с другом, становясь всё крупнее и крупнее. Но чем больше и тяжелее капля, тем быстрее она будет опускаться в расположенные ниже более горячие слои атмосферы. Если бы на Венере не было так горячо, то там вполне мог бы пролиться сернокислотный дождик, но в действительности, кислотные капли просто испаряются задолго до того, как достигают поверхности. Что же делать микроорганизму, оказавшемуся в стремительно испаряющейся капле? Ответ пока один — образовывать что-то наподобие спор, как это делают земные бактерии, когда попадают в непростые условия. В виде спор бактерии могут переживать высокую и низкую температуру, воздействие агрессивных химических веществ, да даже просто пролежать в своеобразной спячке миллионы лет. Однако в форме спор бактерии не могут размножаться, для этого им нужно вновь попасть в благоприятную среду.

К тому времени, как капля с серной кислотой полностью испарится, населявшие её микроорганизмы должны образовать споры, чтобы дождаться того момента, когда какой-нибудь восходящий поток воздуха закинет их повыше в атмосферу. Там споры будут играть роль ядер конденсации для зарождающихся капель серной кислоты. После этого цикл повторится снова: рост капли, выход из спор, размножение, опускание и испарение капли, образование спор.

Такой механизм — пока всего лишь предположение, как могла бы выглядеть венерианская жизнь, основанное на имеющейся у исследователей информации о процессах в атмосфере Венеры, её химическом составе и некоторого «прожиточного минимума» для гипотетического микроорганизма. Однако следом за той статьёй в «Astrobiology» последовала ещё более интересная статья в журнале «Nature Astronomy», авторы которой заявили об обнаружении в атмосфере Венеры одного газа — фосфина. Чем же это так взбудоражило научное сообщество?

Фосфин — ядовитый газ, молекула которого состоит из атома фосфора и трёх атомов водорода. Но важно другое: во-первых, фосфин — химически очень активное соединение, а во-вторых, на Земле его способны выделять некоторые бактерии, живущие в бескислородной среде. Первое означает, что фосфин будет быстро распадаться и вступать во взаимодействие с другими веществами. Особенно на Венере, где химическим реакциям способствуют и высокая температура, и агрессивный состав атмосферы. Поэтому если астрономы на Земле смогли обнаружить в атмосфере Венеры следы фосфина, значит там должен быть постоянный источник этого газа. Ведь если в магазине на полках всегда есть свежие продукты, значит их туда кто-то по-стоянно завозит. И весь вопрос — кто это или что это?

Исследователи проверили все возможные явления, которые могли способствовать образованию фосфина в атмосфере Венеры: фотохимические реакции в атмосфере, деятельность вулканов, молнии в сернокислотных облаках и падения метеоритов. Ни один из этих механизмов не смог объяснить наблюдаемую концентрацию газа (пусть и очень малую, на уровне 20 молекул фосфина на миллиард других молекул). Поэтому было сделано осторожное предположение, что фосфин в атмосфере Венеры может иметь биохимическое происхождение. Похожий ажиотаж несколько лет назад вызвала новость об обнаружении на Марсе другого газа с возможным «живым» происхождением — метана. Правда, тогда сразу было предложено и несколько обычных, «химических» объяснений.

Конечно, пока слишком рано заявлять: «На Венере нашли жизнь!» У астробиологов ещё очень мало информации, чтобы делать надёжные выводы, и, как обычно, в таких случаях нужны дополнительные исследования. И даже если окажется, что источник фосфина никак не связан с деятельностью неведомых нам микроорганизмов, хочется надеяться, что человечество вернётся к более тщательному изучению Венеры. Ведь инопланетный мир такой необычный и захватывающий!

Краткая хронология изучения атмосферы Венеры

Наличие атмосферы у планеты Венера установил Михаил Васильевич Ломоносов в 1761 году, когда наблюдал специфическое преломление солнечного света во время прохождения Венеры по диску Солнца (это редкое событие происходит приблизительно раз в 120 лет). Сколь-либо существенных возможностей для изучения атмосферы Венеры у исследователей не было вплоть до начала XX века. К этому времени большое развитие получили методы астрономической спектроскопии, да и в целом телескопическая техника сделала большой шаг вперёд. Но, конечно, наи-больший вклад в изучение Венеры внесли космические аппараты: советские автоматические межпланетные станции и спускаемые зонды программы «Венера» и «Вега» и американские аппараты серии Маринер, Пионер и Магеллан.

1962 год. Аппарат НАСА «Маринер-2» подтвердил высокую температуру поверхности планеты, наличие плотной атмосферы, преимущественно из углекислого газа, плотных облаков на высотах порядка 60 км и отсутствие магнитного поля.

1969 год. Спускаемый блок советской автоматической межпланетной станции «Венера-5» осуществил вход в атмосферу Венеры и передал на Землю данные о составе атмосферы, о давлении и температуре на разных высотах.

1975 год. Спускаемый аппарат «Венера-9» передал на Землю первые чёрно-белые фотоснимки поверхности Венеры, а также измерил уровень освещённости и скорость ветра.

1985 год. Советские аппараты «Вега-1» и «Вега-2», включавшие посадочные модули и аэростатные зонды, измерили концентрацию аэрозоля серной кислоты в облаках, обнаружили мощные восходящие и нисходящие воздушные потоки и грозовые вспышки.

2006—2015 годы. Аппарат «Венера-экспресс» Европейского космического агентства провёл длительные наблюдения за динамикой атмосферы Венеры.

2020 год. С помощью наземного субмиллиметрового телескопа Джеймса Кларка Максвелла (JCMT) и радиотелескопа ALMA в атмосфере Венеры обнаружены следы газа фосфина.

Другие статьи из рубрики «Любителям астрономии»