Самое узкое место терраформирования Красной планеты – проблема с водой

* скорее всего

Пару лет назад мой друг пригласил меня на кофе в Бостоне и сказал: «Я думаю, мы можем создать организм, который сможет терраформировать Марс».

Терраформирование — преобразование планеты, чтобы она могла поддерживать жизнь — было извечной мечтой авторов научной фантастики и футуристов, от Айзека Азимова до Кима Стэнли Робинсона, которые представляли себе человечество как многопланетную цивилизацию. Марс — очевидный кандидат для реализации этой амбиции, поскольку другие спутники и планеты в нашей солнечной системе ещё менее пригодны для жизни.

Луна не имеет атмосферы и содержит мизерные запасы воды, углерода и азота, что делает её непривлекательной целью – разве что промежуточной остановкой на пути к другим пунктам назначения. Углерод на Венере (даже алмазный) быстро окисляется до углекислого газа под воздействием серной кислоты и высоких температур. Спутники Сатурна несколько более благоприятны — на Энцеладе есть жидкая вода, но нет атмосферы и запасы азота ограничены — но они также находятся слишком далеко. Космическому кораблю потребуется семь месяцев, чтобы достичь Марса, и несколько лет, чтобы достичь Сатурна.

Существует множество подходов к терраформированию Марса, но в первую очередь необходимо преодолеть проблему неблагоприятной температуры. В 1923 году немецкий физик Герман Оберт описал идею гигантских космических зеркал диаметром в сотни километров, которые могли бы перенаправлять солнечное излучение для нагрева поверхности планеты и сделать её пригодной для проживания космонавтов. Другим вариантом может быть импорт парниковых газов или аэрозолей для удержания тепла. Но это потребует постоянных и непрерывных усилий — парниковые газы разлагаются, а аэрозольные частицы оседают.

Современная синтетическая биология предлагает правдоподобные методы, с помощью которых мы могли бы терраформировать Марс. Этого можно было бы достичь с помощью такого прямого метода, как создание микроба, способного выжить на поверхности Марса, а затем дать ему расти и распространиться по всей планете. Однако это легче сказать, чем сделать. На Земле жизнь уже процветает среди радиации, токсинов и холода. Но эти «экстремальные» условия, как правило, существуют в изолированных очагах и обычно не содержат все проблемы сразу. Неизвестно ни одного микроба, который мог бы выжить при одновременном воздействии всех этих факторов окружающей среды, а именно это ему пришлось бы делать, чтобы выжить на Марсе.

После той встречи за кофе в Бостоне мы с другом продолжали фантазировать о терраформировании Марса. Мы исследовали множество «экстремальных» адаптаций, которыми уже обладают формы жизни на Земле, и теоретизировали о том, как биотехнологии могут объединить их для создания микроба, который будет процветать на бесплодных, сухих, токсичных и облучённых поверхностях. Недавно мы запустили Pioneer Labs, некоммерческую исследовательскую организацию, цель которой — понять истинные пределы жизни. Наша цель — создать организм, который мог бы расти на поверхности Марса. И наша попытка — успешная или неудачная — улучшит экономику и возможности зелёной биотехнологии.

Но сначала несколько предостережений. Даже если нам удастся создать микроорганизм, способный терраформировать Марс, это не означает, что мы обязательно отправим его в космос. Наша приоритетная задача — расширить знания об экстремальных пределах жизнеспособности организмов, а не необратимо преобразовывать планету или продавать микроорганизмы для терраформирования тому, кто больше заплатит. И, если уж на то пошло, мы не ожидаем достичь успеха.

Поверхность Марса более сухая, чем практически любая среда на Земле, из-за низкого давления, низких температур и высокой концентрации солей. Жизнь на Марсе потребовала бы адаптации, которая никогда не происходила на Земле. Но если бы нам это удалось, то наши микробы могли бы начать изменять Марс так же, как земные микробы изменили древнюю Землю. Они могли бы создавать парниковые газы для потепления планеты, расщеплять нитраты в почве для сгущения атмосферы и выделять кислород для дыхания живых существ.

Прогресс будет медленным, но превращение Красной планеты в Зелёную будет единственным способом для людей свободно ходить по поверхности Марса.

Марсианские проблемы

Существует пять основных препятствий, которые необходимо преодолеть, чтобы выжить на Марсе: радиация, токсины, температура, атмосфера и вода.

Астробиологи часто называют радиацию основной космической опасностью. Полёт на Марс и обратно приведёт к облучению примерно в ползиверта в виде крупных быстро движущихся частиц, которые могут проникать даже через толстую защиту. Пять зивертов радиации убьют примерно половину людей, подвергшихся её воздействию. Однако микробы могут выжить при уровне ионизирующего излучения, в тысячу раз превышающем уровень, выдерживаемый людьми, что позволяет предположить, что ионизирующее излучение, которое так беспокоит NASA в связи с космическими миссиями, для микробов является незначительным.

Однако чем пренебречь нельзя, так это ультрафиолетовым излучением. Марс не имеет значительного озонового слоя, поэтому, несмотря на большее расстояние от Солнца, он получает в тысячу раз больше ультрафиолета, чем Земля. Особенно опасны высокочастотные коротковолновые ультрафиолетовые лучи-С, и Марс получает от 3,2 до 5,5 ватт на квадратный метр УФС. В то время как космонавты легко защищаются от ультрафиолета стеклом или тонким листом металла, микробы, помещённые на поверхности Марса, погибают за считанные минуты, поскольку ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК и дестабилизирует белки, которые осуществляют важные клеточные процессы.

Споры бацилл считаются многими биологами одними из самых выносливых форм жизни из когда-либо обнаруженных. Эти споры могут выживать в суровых условиях в течение многих лет, не получая питательных веществ, а затем «возвращаться к жизни» в течение нескольких минут после прорастания. Но и они погибают за считанные минуты под воздействием ультрафиолетового излучения марсианского уровня.

Хотя ультрафиолетовое излучение явно представляет проблему для любых потенциальных микробов, используемых для терраформирования, другие формы жизни на Земле разработали умные механизмы, позволяющие противостоять его разрушительному воздействию. Например, Deinococcus radiodurans — это микроорганизм в форме грецкого ореха, устойчивый к радиации, который был впервые выделен в 1950-х годах. Учёный из Орегона Артур Андерсон пытался стерилизовать консервированное мясо гамма-излучением, но обнаружил живые клетки D. radiodurans в мясе даже после воздействия невероятно высоких доз.

Позднее исследования показали, что смертельная доза ультрафиолетового излучения для D. radiodurans составляет 627 джоулей на квадратный метр. Микроорганизм из чилийской пустыни, любящий металл (Hymenobacter), и микроорганизм, выделенный из кислотного вулкана в Испании (S. solfataricus), могут выживать при ещё более высоких уровнях ультрафиолетового излучения.

В некотором смысле это удивительно. Ни одна среда на Земле не приближается к уровням УФ-излучения, обнаруженным на поверхности Марса, и поэтому, казалось бы, нет причин для развития такой высокой радиационной устойчивости здесь. Возможно, те же молекулярные адаптации, которые позволяют этим организмам противостоять окислителям, также работают и против УФ-излучения.

Радиационно-устойчивые микробы разработали десятки различных молекулярных стратегий, которые в совокупности обеспечивают высокий уровень устойчивости. Некоторые микробы производят пигменты, поглощающие радиацию, и антиоксиданты, защищающие от генетических повреждений, в то время как другие создают несколько копий генома, так что повреждение одной копии может быть легко восстановлено другой.[1]

Токсины представляют ещё одну угрозу для жизни на Марсе, почва которого содержит высокий уровень перхлората, химического вещества, входящего в состав ракетного топлива и взрывчатых веществ. На Земле перхлораты считаются промышленными отходами и, по данным Департамента охраны окружающей среды штата Массачусетс, являются токсичными для человека при концентрации выше 2 частей на миллиард. Концентрация перхлората в марсианской почве достаточно высока, чтобы препятствовать росту растений. Ожидается, что любая жидкая вода на Марсе будет представлять собой насыщенный солёный рассол с концентрацией перхлората от 15 до 50%.

Микробы на Земле разработали несколько стратегий борьбы с токсинами. Debaryomyces hansenii, неприметный вид дрожжей, часто встречающийся в сыре, может расти в бульоне с 30-процентным содержанием перхлората. Клетки дрожжей синтезируют большое количество сахаров для регулирования внутреннего осмотического давления, а также присоединяют сахара к белкам, чтобы стабилизировать их и защитить от повреждений, вызываемых перхлоратами. Другие организмы используют перхлорат в качестве источника энергии, разлагая его на воду и ионы хлорида и получая энергию от реакции. NASA сотрудничает с исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы использовать эти организмы с целью детоксикации марсианского реголита, чтобы в почве могли расти сельскохозяйственные культуры.

И затем есть температура. Марс, расположенный примерно на 80 миллионов км дальше от Солнца, чем Земля, чрезвычайно холодный. Средняя температура поверхности составляет около -60 °C. В то время как на экваторе температура может достигать 20 °C, на полюсах она может опускаться до -150 °C, что достаточно холодно для того, чтобы углекислый газ конденсировался в сухой лёд из воздуха. Термометры на станции «Восток» в Антарктиде зафиксировали самую низкую температуру на Земле в июле 1983 года, показав -89,2 °C.

Чтобы форма жизни могла процветать на Марсе, она должна сначала уметь расти при температурах ниже точки замерзания воды. На Земле микроорганизм, обнаруженный в арктической вечной мерзлоте, называемый Planococcus halocryophilus, может расти в питательной среде при температурах до -15 °C. Бактерия под названием Psychromonas ingrahamii, впервые выделенная из ледниковых соляных карманов, может расти при температуре -12 °C. При таких низких температурах эти организмы делятся только раз в десять дней, а это означает, что для того, чтобы один грамм клеток разделился на 30 килотонн биомассы, потребуется целый год. Аналогичные температуры наблюдаются в экваториальной трети Марса, что позволяет предположить, что на Земле уже существуют организмы, способные выдерживать температуры, характерные для большей части Красной планеты.

Ещё одной проблемой является атмосферное давление, а точнее его отсутствие. Атмосфера Марса почти полностью лишена кислорода и по плотности составляет примерно 1 % от плотности атмосферы Земли. Она состоит на 95 % из углекислого газа, на 3 % из азота и менее чем на 2 % из аргона, а также содержит небольшие количества угарного газа и водорода. Эта смесь газов убила бы большинство животных, но приемлема для микробов, многие из которых являются анаэробными и поэтому либо не нуждаются в кислороде, либо даже воспринимают его как яд. Те же самые редукторы перхлората, которые могут противостоять токсинам, также в основном являются анаэробными, что означает, что они не живут в местах с наличием кислорода. Цианобактерии могут хорошо расти в моделируемой марсианской атмосфере, а высокий уровень углекислого газа фактически улучшает их скорость фотосинтеза.

На «уровне моря» атмосферное давление на Марсе примерно в 155 раз ниже, чем на Земле. Но и это не является проблемой для микробиологической жизни. Бактерии могут нормально расти при низком давлении, если они имеют доступ к газам, необходимым для метаболизма, таким как кислород для аэробов, углекислый газ для фотосинтезирующих клеток и азот для азотфиксирующих микробов.

Но даже если микроорганизм смог бы выдержать все эти испытания — низкое давление, низкие температуры и токсичную почву — что насчёт воды? На Земле есть некоторые особые микроорганизмы, которые могут выживать на следовых количествах воды, конденсирующейся на кристаллах соли, или которые разработали умные стратегии для сохранения воды в периоды её дефицита. Но вся жизнь на Земле требует жидкой воды для выживания. К сожалению, вода практически отсутствует вдоль экватора Марса, где температуры примерно такие же, как на Земле. Замёрзшая вода доступна на полюсах, где температура падает до -100 °C, или находится в составе гидратированных минералов. В 2015 году учёные объявили о наличии жидкой воды на Марсе, но важно учитывать состояние этой воды: это холодные рассолы, которые остаются в жидком состоянии благодаря чрезвычайно высокой концентрации соли.

Вода и её недоступность для живых организмов являются основной причиной того, что на Марсе ничего не может расти.

Недоступная вода

Если бы на Марс вылили всё целое, часть воды испарилась бы в атмосфере с низким давлением и конденсировалась бы на холодных полюсах. Солёная почва Марса поглотила бы остальную воду, связывая молекулы воды настолько плотно, что они не смогли бы испариться.

Трудно переоценить, насколько иссохшей является марсианская почва; она настолько солёная и сухая, что вытянет воду из любого организма, который эволюционировал на Земле. Вся планета по сути является осушителем, подобным тем белым пакетикам, которые можно найти в упаковках с вяленой говядиной с надписью «Не употреблять в пищу». Эти маленькие пакетики сохраняют продукты сухими, предотвращая их порчу. Засаливание продуктов, древний метод консервирования, который работает за счёт поглощения воды, чтобы её не могли использовать микробы, действует примерно так же.

Пригодность Марса для жизни ограничена термодинамической доступностью воды или её активностью воды. Это научное значение выражается в виде числа от нуля до единицы, где единица обозначает чистую воду, а ноль — отсутствие доступной воды. Любая вода, добавленная к материалу с низкой водной активностью, быстро впитывается. Продукты с активностью воды 0,6 или ниже практически не подвержены загрязнению, поскольку отсутствие воды препятствует росту микроорганизмов. Сухофрукты и мёд имеют активность воды около 0,55, что означает, что они не портятся, если хранить их в сухом месте. Например, во время раскопок гробницы Тутанхамона в 1922 году археологи обнаружили кувшин с мёдом, который всё ещё был пригодным к употреблению [это миф / прим. перев.].

Нижний предел активности воды для существующих форм жизни составляет 0,585. Этот рекорд принадлежит Aspergillus penicillioides, грибку, который может жить на пыли и сухой бумаге. Только 12 известных видов микробов могут расти при активности воды ниже 0,7, и большинство из них обитают в органических средах, таких как мёд.

Вся жидкая вода на Марсе имеет активность воды ниже 0,5. Неизвестно ни одной формы жизни, которая могла бы выжить в этой воде, поскольку высокая концентрация соли быстро вытянула бы жидкость из клеток.

В 58-страничном отчёте НАСА от 2006 года был сделан аналогичный вывод. После «тщательного и систематического исследования, длившегося несколько лет», авторы написали: «Марс слишком холоден или слишком сух, чтобы поддерживать распространение земной жизни». Придя к этому выводу, НАСА исходило из того, что пределы жизни — это температура выше -20 °C и активность воды не менее 0,5, что допустимо с учётом известных биофизических пределов жизни на Земле.

Однако если мест с преобладанием радиации и перхлората на Земле не существует, то на нашей планете есть среды с водой, активность которой ниже 0,5, и там ничего не растёт. Одним из примеров являются различные сушёные продукты, другим — соляные озёра. Если жизнь не смогла найти способ расти в таких средах даже после миллиардов лет эволюции, то доступность воды, вероятно, является «жёстким ограничением» для жизни на Земле.

Однако не все надежды потеряны. Инженерный организм, созданный для терраформирования Марса, может и не сможет расти в перхлоратных рассолах или средах с низким содержанием воды, встречающихся на планете, но, возможно, он сможет создать свою собственную экологическую нишу, более благоприятную для жизни. Одной из возможностей является создание микробов, выделяющих изолирующие материалы, удерживающие тепло и воду и работающие как теплицы, чтобы защитить небольшую микробиологическую общину от суровых марсианских условий. Биоплёнки уже делают это на Земле с помощью материалов на основе сахара, но эти вещества с трудом удерживают достаточное количество тепла или воды. Необходимо создать микробы, которые производят изоляцию с помощью современных нанотехнологий и материалов, разработанных для работы при марсианском давлении и температуре.

Ещё одним организмом, из которого мы можем черпать вдохновение, являются лишайники, которые являются симбионтами грибов и водорослей. Лишайники могут выживать в экстремальных условиях и даже поглощать воду из воздуха. Лишайник, найденный в Антарктиде, однажды запустили на Международную космическую станцию. Он провёл 18 месяцев снаружи космической станции, подвергаясь воздействию сурового вакуума и незащищённого солнечного ультрафиолета, и в основном пережил это испытание.

Позже исследователи изучили тот же антарктический лишайник, чтобы узнать, сможет ли он выжить на Марсе. Известно, что лишайники выживают в засушливые периоды, высушивая свои клетки и ожидая повторного увлажнения, когда вода вернётся. Симбионт продолжал фотосинтезировать — использовать солнечный свет, воду и углекислый газ для производства сахаров — при марсианском давлении и температуре. Но лишайник не рос.

Возможно, есть способ модифицировать лишайники так, чтобы они извлекали воду из воздуха. Марсианская ночь удивительно влажная, хотя низкое общее давление означает, что влажность 100% на Марсе больше похожа на влажность 10% на Земле — примерно такая же, как в Долине Смерти в пустыне Мохаве в летний день.

В конечном итоге, отсутствие биологически доступной воды является самым большим научным препятствием для жизни на Марсе, по крайней мере, в отсутствие вмешательства человека. В отличие от организмов, которые могут выживать в условиях экстремальной радиации, токсинов, температуры и низкого давления, на Земле не известно ни одной формы жизни, которая эволюционировала бы, чтобы обойти проблему воды.

Ближайшее будущее

Жизнь уже выживает во многих отдельных экстремальных условиях, присутствующих на Марсе. Но ни один из известных организмов не может расти в полиэкстремальной среде, которая возникает, когда все эти вызовы объединяются в одно целое. Объединяя экстремофильные черты, обнаруженные в организмах по всей Земле, мы можем больше узнать о том, как организмы могут реагировать и адаптироваться к таким стрессовым факторам, и что может потребоваться для выживания на современном Марсе.[2]

Наша цель в Pioneer Labs — найти истинные пределы жизни, не ограниченные условиями, существующими на Земле. Мы планируем создать «полиэкстремальный» микроорганизм, наделяя его генами и путями, обнаруженными в микроорганизмах, которые развивали высокую устойчивость к ультрафиолетовому излучению, температурам и т. д. Затем мы поместим клетки в моделируемую марсианскую среду и будем развивать их, чтобы усилить их адаптацию к суровым условиям. Мы не знаем, к каким результатам приведёт вся эта работа. Возможно, что для Марса лучше всего подойдёт устойчивость к радиации Hymenobacter или D. radioduans, но, скорее всего, это будет комбинация их обоих.

Этот подход направлен на создание микроорганизмов, максимально похожих на марсианские, на основе существующих земных адаптаций. Но даже после создания окончательный вариант микроорганизма вряд ли сможет расти на современной Марсе. Тем не менее, мы будем исследовать пределы возможностей созданных клеток, чтобы предсказать, сколько абиотического терраформирования потребуется, прежде чем организм сможет завершить свою работу. И как только мы узнаем, сколько космических зеркал или тонн парниковых газов необходимо, мы сможем приступить к разработке подробного плана по фактическому терраформированию Марса.

Даже если мы достигнем успеха в наших научных целях, терраформирование Марса с помощью биологии может столкнуться с серьёзными юридическими проблемами. Политика НАСА, направленная на предотвращение уничтожения микробами Земли любых возможных форм жизни на Марсе до того, как мы сможем их изучить, запрещает выпуск микробов в космическое пространство. Договор о космосе, подписанный всеми космическими державами, содержит положения о вредном загрязнении. Это положение в первую очередь направлено на предотвращение распространения радиоактивных отходов в космосе, но можно утверждать, что выпуск генетически модифицированных организмов для распространения по планете тоже будет вредным.

Терраформирование Марса до состояния, подобного Земле, может привести к вымиранию исконной марсианской жизни (если она существует), поскольку наши искусственно созданные организмы вторгнутся в её среду обитания и преобразят её. Мы потратили несколько миллиардов долларов на безуспешные поиски жизни на Красной планете, в том числе 17 миллиардов долларов на посадочные модули и марсоходы, но доказать несуществование чего-либо чрезвычайно сложно; в конце концов, жизнь на Марсе может быть. Терраформирование Красной планеты — это необратимое решение, которое должны принимать страны, а не отдельные люди.

Даже если окажется невозможным выращивать что-либо на Марсе, искусственная биология будет жизненно важной для поддержки цивилизации в космосе. Разработка полиэкстремальной жизни в Pioneer Labs сократит инвестиции, необходимые для производства лекарственных средств, продуктов питания, конструкционных материалов и химического сырья, жизненно важных для поддержания жизни человека.[3] Эта выгода распространится и на Землю, где большая часть затрат на биопроизводство связана с обслуживанием хрупких организмов, которые требуют стабильных условий pH, температуры и аэрации и могут расти только на стерильном и чистом сырьё.

Другими словами, Pioneer Labs делает гигантский шаг вперёд в долгом стремлении человечества к терраформированию Марса. Даже если мы потерпим неудачу, наша планета станет лучше благодаря этому.

Примечания

1. Микробы также разработали дополнительные способы защиты от повреждения ДНК. Некоторые организмы ускоряют скорость «оборота» своих белков, чтобы минимизировать повреждения, или поглощают металл, забирая его в клетку для стабилизации белков. Другие разработали сложные стратегии для восстановления последовательностей ДНК вскоре после их повреждения.

2. Наши усилия в области микробиологической инженерии включают планы по биологической изоляции. Мы разработали планы по многоуровневой стратегии стерилизации и будем избегать использования всего, что является патогенным. Мы также не ожидаем, что инженерные экстремофилы будут иметь конкурентное преимущество за пределами своей ниши в дикой природе больше, чем естественные экстремофилы.

3. Эта область известна как использование ресурсов in situ [на месте]. НАСА разработало планы по использованию местных ресурсов на Марсе для преобразования углекислого газа атмосферы в пластмассы и топливо, возможно, с помощью минимально защищённых и легко строящихся «теплиц».