из смеси азота, водорода и аммиака (приблизительно в равных объемах), а также 0,5% паров воды. Лабораторные испытания показали, что при использовании этого топлива и модифицированных дивгателей в районе посадки спускаемо го аппарата может погибнуть лишь незначительная часть почвенных бактерий. Однако при выхлопе все же наблюда лось значительное загрязнение грунта аммиаком и, вероят но, парами воды, хотя точные измерения не проводились. В соответствии с этими результатами учитывалась возмож ность химических изменений грунта в местах посадки, вы званных аммиаком и водой.
Состав атмосферы
Пока спускаемые аппараты приближались к поверхности Марса, приборы, вмонтированные в лобовые экраны, про водили измерения давления, температуры и состава атмо сферы. Аналогичные измерения осуществлялись затем на поверхности с помощью дополнительных приборов, достав ленных спускаемыми аппаратами. С биологической точки зрения самым важным был вопрос о составе атмосферы и особенно о наличии в ней азота. По общему мнению, этот элемент, входящий в состав нуклеиновых кислот и белков, совершенно необходим для жизни. Ранее с помощью косми ческих аппаратов было установлено, что содержание азота в атмосфере Марса не превышает 5% (в атмосфере Земли он составляет 77%), а возможно, его вообще там нет.
Приборы "Викингов" зарегистрировали, что в атмосфере Марса присутствует 2,7% азота, 95% диоксида углерода, 1,6% аргона, 0,13% кислорода, а также (в еще меньших количествах) монооксид углерода, неон, криптон, ксенон, озон и пары воды. Вероятно, когда-то атмосфера Марса была гораздо богаче азотом, но со временем он улетучился в космическое пространство. Азот-достаточно тяжелый эле мент, и сам по себе он не мог бы улетучиться, но Майкл Мак-Элрой в свое время показал, что атомы азота могут приобрести такую способность благодаря некоторым хими ческим процессам в верхних слоях атмосферы Марса. Как и предсказывает теория, "Викинги" обнаружили, что соотно шение тяжелого ^N и обычного ^N изотопов азота в марсианской атмосфере выше, чем в земной, т. е. из атмосфе ры Марса в первую очередь улетучивался более легкий изотоп.
Поиски жизни
Приборы
Для поиска следов жизни на Марсе каждый спускаемый аппарат был снабжен одинаковым набором из шести прибо ров: две фотокамеры, газовый хроматограф с масс-спектро метром для идентификации органических соединений в грун те и три прибора, предназначенные для выявления метаболи тической активности микроорганизмов в грунте. За работу каждого из приборов и интерпретацию его показаний отве чала определенная группа ученых, хорошо знакомых с его конструкцией и возможностями. Этот принцип распростра нялся на все приборы, установленные на спускаемых и орбитальных аппаратах "Викинг". Подобные группы специа листов вместе с инженерами, управлявшими космическими аппаратами, и руководителями полетов, координировавши ми все действия, и составили коллектив участников програм мы "Викинг".
Фотокамеры
Среди прочих приборов, установленных на борту "Ви кингов" и предназначенных для поиска жизни, фотокамеры обладали двумя особенностями. Во-первых, их работа не зависела от того. какова химическая природа марсианской жизни. Наблюдатели на Земле должны были решать, сви детельствует ли тот или иной объект о наличии на планете жизни, основываясь лишь па его внешнем виде. а не на физиологии или химическом составе. Ведь марсианин из кремния мог с тем же успехом попасть в поле зрения "фотокамеры, как и марсианин из углерода. Фотокамеры могли обнаружить не только сами живые существа, но и их следы, останки, сделанные ими предметы и. наконец, их движение. Однако разрешающая способность фотокамер не позволяла различать объекты размером менее нескольких миллиметров, что ограничивало возможность обнаружения жизни. Как мы знаем, целые царства живых организмов имею) меньшие размеры, но фотокамеры "Викингов" были не в состоянии заметить их.
Второе отличие фотокамер от других приборов, исполь зовавшихся при поиске жизни, заключалось в том, что всего одного фотоснимка могло оказаться достаточно для за вершения работы. Каждая фотография несла такую богатую
информацию (в техническом смысле этого слова), что в принципе наличие жизни на Марсе можно было доказать одним-единственным снимком. Никакой другой прибор на основании единственного наблюдения не мог дать убеди тельного свидетельства существования марсианской жизни.
Фотокамеры с помощью специальных электронных уст ройств записывали наблюдаемую картину на магнитофон ную ленту. Полученные изображения затем либо передава лись непосредственно на Землю, либо ретранслировались через орбитальные аппараты. Возможны были и прямые передачи без магнитофонной записи. Эти изображения, цвет ные и черно-белые, получали как с высоким, так и с низким разрешением, а в некоторых случаях-даже стереоскопиче ские.
Полученные с Марса фотографии внимательно иследо вались различными специалистами-участниками програм мы "Викинг", что давало возможность одновременно ре шать широкий круг вопросов. Их также тщательно изучала с целью обнаружения признаков жизни особая группа специа листов по анализу изображений. Скрупулезно исследовались обычные, стереоскопические и цветные изображения. Их анализировали на ЭВМ, пытаясь выявить малейшие пере мещения или изменения в пейзаже; на них искали объекты, светящиеся в ночное время. Тем не менее не было замечено ничего указывающего на существование на Марсе жизни, что не находило бы более правдоподобного небиологического объяснения. Сошлемся на отчет специальной исследователь ской группы: "Не было получено ни прямых, ни косвенных доказательств присутствия на Марсе макроскопических био логических объектов" [12].
Хотя фотокамеры и не обнаружили следов жизни, полу ченные фотографии бесценны не только тем, что расширили наши представления о природных условиях Марса. Эти желтоватые пейзажи марсианских равнин останутся вечным свидетельством исторической "встречи" легенды и современ ной техники, состоявшейся летом 1976 г.
Газовый хроматограф с масс-спектрометром (ГХМС)
Сгрого говоря, ГХМС не предназначался специально для поисков следов жизни. Его задача скорее заключалась в поиске и анализе органических соединений на поверхности
Марса. Хотя, как мы видели в гл. 3, на Земле все органи ческие вещества фактически имеют биологическое проис хождение, во Вселенной широко распространено абиогенное по своей природе органическое вещество. До полета "Ви кингов" предполагалось, что если на Марсе и отсутствует жизнь, то по крайней мере там должно встречаться органи ческое вещество, занесенное метеоритами. Поводом для такого предположения была близость Марса к поясу асте роидов (он расположен между орбитами Марса и Юпитера), который и является "поставщиком" метеоритов. Считается, что метеориты сталкиваются с Марсом значительно чаще, чем с Землей, и, согласно расчетам, вследствие этого за геологический период на Марсе должно было накопиться достаточно органического вещества, чтобы обнаружить его с помощью ГХМС. Кроме того. если Марс обитаем, то там должно также присутствовать органическое вещество биоло гического происхождения. Перед запуском "Викингов" уче ные часто обсуждали вопрос, как с помощью имеющихся в их распоряжении приборов установить, биологическое или небиологическое происхождение имеют найденные органи ческие соединения, а в том, что они-хотя бы в следовых количествах- обнаружатся на Марсе, большинство ученых не сомневались. Однако после посадки аппаратов на планету этот вопрос больше не возникал.
Работа ГХМС производилась в несколько этапов. Уст ройство для взятия образцов грунта-ковш, укрепленный на конце раздвижной стрелы,-захватывало небольшую порцию марсианского грунта, которая затем измельчалась, просеива лась через сито и поступала в нагреватель вместимостью всего около 200 мг. Здесь происходило ступенчатое нагре вание образца до температуры 500 С, в результате чего органическое вещество превращалось в летучие продукты. При низких температурах в летучее состояние переходят небольшие нейтральные органические молекулы, а при высо ких-разрушаются (пиролизуются) крупные, или полярные молекулы, образуя небольшие летучие фрагменты. Эти газы поступали затем на колонку газового хроматографа-длин ную трубку, заполненную гранулами синтетического органи ческого материала, через которую они двигались с различны ми скоростями в зависимости от массы молекул. По мере разделения смеси ее компоненты выходили через другой конец колонки, один за другим попадая в масс-спектрометр. Там под действием пучка электронов происходило даль нейшее разделение каждого компонента на заряженные ос
колки, массы которых измерялись по величине их ускорения в электростатическом и электромагнитном полях. Изучая полученный таким образом спектр молекулярных масс, опытный масс-спектроскопист может установить структуру молекулы, из которой образовались осколки. На следующем этапе определялось строение исходной молекулы, из которой возникли продукты, идентифицированные в ходе масс-спект рометрии. Это также можно сделать, хотя не всегда с полной достоверностью.
В научной программе проекта "Викинг" метод, сочетаю щий хроматографию с масс-спектрометрией, был одним из самых важных. По сравнению с обычными методами органи ческого анализа он обладал рядом существенных преиму ществ, поскольку позволял анализировать практически лю бые органические соединения. Это означает, что классы соединений, подвергавшихся анализу на Марсе, не определя лись заранее. (Фактически возможности ГХМС не ограничи вались анализом только органических соединений. При вве дении газовой смеси в газово-хроматографическую часть прибора - минуя пиролиз - проводился также анализ состава атмосферы.)
Метод ГХМС отличался чрезвычайно высокой чувстви тельностью при анализе органических соединений. Он по зволял определить присутствие нескольких молекул вещест ва. содержащего больше двух атомов углерода, среди милли арда других молекул или несколько частей на миллион - в случае соединений, содержащих не более двух атомов угле рода в молекуле. Это в 100-1000 раз меньше той концентра ции органических молекул, которая встречается в почвах пустынь на Земле. В каждом районе посадки анализ содержа ния органических веществ проводился с двумя образцами грунта, в том числе исследовалась проба, взятая из-под камня на Равнине Утопия. Результаты всегда были отрица тельными. Удалось зарегистрировать лишь следы чистых органических растворителей, оставшихся от промывки само го прибора. (Обнаружение и идентификация этих загрязне ний доказали, что прибор работал нормально.) Кроме этого были найдены диоксид углерода и пары воды, образовав шиеся при распаде минералов марсианского грунта в резуль тате нагревания ГХМС. Дополнительные подробности этих исследований можно найти в статье, опубликованной груп пой молекулярного анализа [1].
Среди всех результатов биологических экспериментов по программе "Викинг" отсутствие органического вещества в
грунте Марса, зарегистрированное при столь высокой чувст вительности прибора (несколько частей на миллиард), имеет наибольшее значение. Уже после первой серии явно отрица тельных результатов ГХМС, полученных с места посадки на Равнине Хриса, стало очевидно, что если и следующие анализы дадут такие же результаты, то убедительное до казательство наличия жизни в грунте планеты станет не возможным-независимо от исхода других экспериментов. Однако другие биологические эксперименты лишь подтвер дили данные ГХМС.
Микробиологические эксперименты
Еще на самых ранних этапах исследований ныне по койный Альберт Тайлер, известный биолог из Калифорний ского технологического института, заявил, что хороший биологический эксперимент по обнаружению жизни на Мар се должен включать мышеловку и фотокамеру. Однако в середине 60-х годов мысль о том, что на Марсе возможны высшие формы жизни, была полностью отвергнута. Соглас но общему мнению, самое большее, на что здесь можно рассчитывать,-это наличие микроорганизмов. Даже те уче ные, которые отстаивали теоретическую возможность су ществования на Марсе высших форм жизни, признавали, что вероятность ее обнаружения предельно возрастает, если сосредоточить основное внимание на поиске микроорганиз мов в грунте. Нельзя представить себе планету, населенную высшими формами жизни, где не было бы микроорганизмов, но легко вообразить обратное: планету, на которой микро организмы являются единственной формой жизни. Инопла нетный корабль, прибывший на Землю с целью выяснить, обитаема ли она, поступил бы правильно, исследовав ее почву. Почва-богатая биологическая среда, населенная бактериями, дрожжами и плесневыми грибками. Эти орга низмы многочисленны и, обладая высокой устойчивостью, лучше других выживают в экстремальных условиях, так что вряд ли где на Земле можно найти хотя бы небольшой образец почвы, не содержащий микроорганизмов.
По этим соображениям на обоих спускаемых аппаратах "Викингов" было установлено по три прибора для обнаруже ния метаболической активности почвенных микроорганиз мов. Во всех этих экспериментах изучалось воздействие небольших проб грунта, взятого с поверхности Марса, на различные вещества. Для выяснения природы-биологи
ческой или небиологической - реакций использовалось тепло. поскольку, как известно, реакции, устойчивые к сильному нагреванию, скорее всего, являются небиологическими, тог да как реакции, чувствительные к умеренному теплу, могут быть как биологическими, так и небиологическими по своему характеру.
Два эксперимента строились настолько с учетом условий жизни на Земле, что их просто невозможно было провести в подлинно марсианских условиях. В обоих экспериментах использовались водные растворы органических соединений, в которых должны были инкубироваться образцы марсиан ского грунта. Поскольку жидкая вода не может существовать на Марсе, растворы вместе с образцами грунта (во избежа ние их замерзания или кипения) следовало инкубировать при температурах и давлениях, значительно превышающих мар сианские. Такие эксперименты в большей степени соответст вуют представлениям о Марсе Ловелла или, во всяком случае, взглядам, господствовавшим до полета "Марине ра-4", а не современным сведениям об этой планете. Это вызвало серьезные сомнения в разумности включения на званных экспериментов в научную программу проекта "Ви кинг". Тем не менее их все-таки оставили, хотя третий эксперимент (с использованием жидкой воды), первоначаль но также утвержденный, был исключен при комплектовании бортового оборудования для научных исследований. Со вершенно неожиданно результаты двух экспериментов с увлажнением образцов внесли впоследствии очень важный вклад в наши представления о Марсе.
Эксперимент по газообмену (ГО). Первоначальный план этого эксперимента по замыслу его создателя Вэнса Оямы состоял в том, чтобы смешать образец марсианского грунта с питательным раствором в герметически закрытой камере при температуре около 10 С. При этом камеру следовало продувать находящейся под давлением смесью газов (гелия, криптона и углекислого газа), контролируя через определен ные промежутки времени изменения в составе газовой смеси. Предполагалось, что наличие в почве микроорганизмов при ведет к образованию и последующему исчезновению раз личных газов, возникающих в процессе метаболизма,-имен но такой результат наблюдается при исследовании земных почв. Для идентификации и измерения концентрации этих газов был разработан специальный газовый хроматограф.
Набор химических веществ в питательном водном раст воре, включавший витамины, аминокислоты, пурины и пи
римидины, органические кислоты и неорганические соли, в значительной степени был ориентирован на биохимию земных организмов. После обсуждения научной программы "Викинг" биологической группой, состоявшей из авторов трех экспериментов и еще трех членов, дополнительно назна ченных НАСА*, в методику проведения эксперимента по газообмену было внесено небольшое, но принципиальное изменение Суть его заключалась в следующем: перед сма чиванием образец грунта следовало поместить в гермети чески закрытую камеру с небольшим объемом питательного раствора, который был отделен от образца, но мог на^ сыщать камеру парами воды. Таким образом марсианский грунт подвергали воздействию паров воды под давлением, которое по-видимому, существовало на Марсе много мил лионов лет назад. Анализ газовой смеси должен был произ водиться в условиях этого "типа увлажнения", прежде чем грунт вступит в контакт непосредственно с раствором.
Введение этого дополнительного цикла измерении в про грамме ГО дало удивительный результат. При инкубации с парами воды из грунта выделились четыре газа: азот. аргон. углекислый газ и кислород. Первые три присутствовали в относительно небольших количествах, так что их появление можно было объяснить вытеснением газов, абсорбирован ных в пробах грунта парами воды. Однако повышение давления кислорода нельзя было объяснить простои де сорбцией. Например, в первом же эксперименте (на Равнине Хриса) менее чем через два сола (марсианские сутки) после увлажнения камеры давление кислорода увеличилось почти в 200 раз Как указывали Ояма и Вердал [14], столь резкое изменение давления означает, что газообразный кислород выделяется в результате химическоэй реакции между парами воды и каким-то веществом, содержащимся в грунте. Таким веществом вполне могли быть богатые кислородом оксиды, супероксиды и озониды. Эти соединения имеют общую формулу М^О,, МО^ и МОз соответственно, где М означает водород либо металл. В присутствии воды все они быстро разлагаются с выделением килорода. Наличие таких сильных окислителей в поверхностном слое грунта Марса, вероятно, объясняет не только выделение кислорода, но и отсутствие органического вещества в грунте. Ранее предполагалось, что эти вещества могут существовать на Марсе и их количество
* В группу входили Гарольд П. Клейн, Джошуа Ледерберг, Джилберт В. Левайн, Вэнс Ояма, Александр Рич и автор.
там значительно больше, чем это показали исследования "Викингов".
После семи солов увлажнения парами воды первая проба марсианского грунта смачивалась путем введения в камеру большего количества водного питательного раствора. Те
перь эксперимент по газообмену проходил в том виде, как быд задуман первоначально. Влажный грунт инкубировали в течение 196 солов (6,7 месяца); как полагали исследователи, марсианские организмы должны были обнаружить свое при сутствие, выделяя или поглощая газы. Ничего подобного не произошло. Единственным значительным изменением, ко торое удалось зарегистрировать за эти месяцы, была убыль кислорода; это объяснялось тем, что он вступал в реакцию с аскорбиновой кислотой (витамином С) питательного раствора.
Во втором эксперименте камера была освобождена от газа и среды, высушена, после чего в нее загрузили новую порцию поверхностного материала. Образец нагревали на протяжении 3,5 ч при температуре 145 С, охлаждали и затем опять увлажняли. Снова наблюдалось выделение кислорода, в количестве, примерно вдвое меньшем, чем в первом экспе рименте, но этого было достаточно, чтобы подтвердилась необиологическая природа процесса. Эксперименты по газо обмену, проведенные спускаемым аппаратом "Викинга-2" на Равнине Утопия, дали сходные результаты, хотя и меньшие по масштабам. Таким образом, эксперименты по газообмену показали, что марсианская поверхность является химически активной вследствие присутствия в грунте разных районов планеты соединений типа пероксидов.
Эксперимент по выделению радиоактивной метки. Джил берт Левайн, разрабатывая эксперимент с выделением ра диоактивной метки (ВРМ), исходил из предположения, что марсианские микроорганизмы, находясь в водном растворе питательных веществ, будут выделять газ. Однако этот эксперимент отличался от описанного ранее эксперимента по газообмену некоторыми существенными деталями. Прежде всего, использовавшаяся в нем питательная смесь состояла всего из семи более простых и универсальных соединений. Это растворенные в воде муравьиная, гликолевая и мо лочная кислоты (в виде их натриевых или кальциевых солей), а также аминокислоты глицин и аланин; аланин и молочная кислота присутствовали в форме оптических изомеров. Все эти молекулы могут образоваться абиогенно в реакции Миллера с искровым разрядом; все они были обнаружены в метеоритах или в межзвездных газово-пылевых облаках, что позволяло предположить, что организмы, где бы они ни существовали, смогут усвоить в процессе обмена веществ хотя бы одно из этих соединений. Эксперимент ВРМ отли чался также тем, что в питательном растворе использовались
вещества, меченные радиоактивным углеродом. Поэтому образование любого газа, содержащего углерод (преиму щественно СОд), можно было зарегистрировать, измеряя уровень радиоактивности. Это существенно повышало чувст вительность измерения. Сочетая в себе универсальность и высокую чувствительность, данный эксперимент был почти идеальным для выявления признаков жизни на планете, имеющей воду.
Эксперимент начинался с добавления приблизительно 0,1 см^ радиоактивной среды к 0,5 см^ марсианского грунта. Чтобы предотвратить кипение среды при температуре ка меры (около 10 С), в камеру продували гелий. Объем введен ной среды был рассчитан так, чтобы увлажнялась только какая-то часть образца марсианского грунта. Почти сразу после инъекции среды началось сильное выделение радиоак тивного газа. Постепенно уменьшаясь, оно в конце концов достигало уровня, при котором в радиоактивную кислоту превращалось только '/^ часть атомов углерода из смеси органических веществ. Наиболее вероятно, что источником радиоактивного газа была муравьиная кислота-соединение с одним атомом углерода в молекуле, которое легко окисляется пероксидами до СО^.
Когда выделение радиоактивного газа почти полностью прекращалось, вновь вводился питательный раствор. Если бы выделение радиоактивного газа вызывалось действием на грунт пероксидов, то новая порция питательного раствора не приводила бы к его дальнейшему образованию, поскольку пары воды из первой порции раствора должны были бы разрушить пероксид даже в той части образца грунта, которая непосредственно не соприкасалась с питательным раствором. Но если бы радиоактивный газ выделяли микро организмы, содержащиеся в грунте, то добавление свежей питательной среды только усилило бы выделение газа. Под твердилось первое предположение: газ больше не выделялся. Аналогичный результат был получен и с остальными иссле дованными образцами марсианского грунта.
На следующем этапе эксперимента по выделению радио активной метки повторялся тот же анализ, но с нагретой пробой грунта. В опыте по газообмену при нагревании образца грунта до 145 С в течение 3,5 ч выделение кислорода уменьшалось примерно вдвое. Однако в экспериментах ВРМ при нагревании образца марсианского грунта до 160 С в течение 3 ч активность полностью прекращалась. Различие в режимах инкубации по продолжительности времени и вели
чине температуры в этих двух экспериментах несущественно. Наиболее важно, по-видимому, как позже отметил Ояма, различие в методике проведения эксперимента. Ведь в экспе риментах по газообмену камера при нагревании была откры та, и через нее продувался гелий, тогда как в опыте по выделению радиоактивности камера была все время за крыта. Анализ, проведенный с использованием ГХМС, по казал, что при нагревании образцов грунта до температуры 500 С около 1 % их массы выделяется в виде воды, а какая-то часть воды выделяется даже при нагревании до 200"С. Несомненно, что эта вода образуется из гидратированных минералов, а не в результате испарения ее свободной формы. Анализы ГХМС не проводились при температуре 160 С, но длительное пребывание образца марсианского грунта при этой температуре в ходе эксперимента ВРМ вполне могло привести к образованию достаточного количества воды, которая и разрушила вещество-окислитель, ответственное за возникновение СОд. Возможно и другое объяснение. Быть может, на Марсе существуют термостабильные и термола бильные пероксиды, вызывающие окисление, и те из них, которые были обнаружены в эксперименте по' выделе нию радиоактивности, принадлежали именно к последнему классу.
Эксперименты по выделению продуктов пиролиза (ВПП). Еще до полетов "Викингов" можно было с уверенностью
сказать, что если жизнь и существует на Марсе, то она приспособлена к марсианским, а не к земным условиям. Поэтому мной вместе с сотрудниками Джорджем Хобби и Джерри Хаббардом были разработаны эксперименты по выделению продуктов пиролиза, называемые также экспери ментами по ассимиляции углерода, которые предназнача лись специально для проведения биологического анализа марсианского грунта именно при существующих на Марсе условиях.
Состав атмосферы
Пока спускаемые аппараты приближались к поверхности Марса, приборы, вмонтированные в лобовые экраны, про водили измерения давления, температуры и состава атмо сферы. Аналогичные измерения осуществлялись затем на поверхности с помощью дополнительных приборов, достав ленных спускаемыми аппаратами. С биологической точки зрения самым важным был вопрос о составе атмосферы и особенно о наличии в ней азота. По общему мнению, этот элемент, входящий в состав нуклеиновых кислот и белков, совершенно необходим для жизни. Ранее с помощью косми ческих аппаратов было установлено, что содержание азота в атмосфере Марса не превышает 5% (в атмосфере Земли он составляет 77%), а возможно, его вообще там нет.
Приборы "Викингов" зарегистрировали, что в атмосфере Марса присутствует 2,7% азота, 95% диоксида углерода, 1,6% аргона, 0,13% кислорода, а также (в еще меньших количествах) монооксид углерода, неон, криптон, ксенон, озон и пары воды. Вероятно, когда-то атмосфера Марса была гораздо богаче азотом, но со временем он улетучился в космическое пространство. Азот-достаточно тяжелый эле мент, и сам по себе он не мог бы улетучиться, но Майкл Мак-Элрой в свое время показал, что атомы азота могут приобрести такую способность благодаря некоторым хими ческим процессам в верхних слоях атмосферы Марса. Как и предсказывает теория, "Викинги" обнаружили, что соотно шение тяжелого ^N и обычного ^N изотопов азота в марсианской атмосфере выше, чем в земной, т. е. из атмосфе ры Марса в первую очередь улетучивался более легкий изотоп.
Поиски жизни
Приборы
Для поиска следов жизни на Марсе каждый спускаемый аппарат был снабжен одинаковым набором из шести прибо ров: две фотокамеры, газовый хроматограф с масс-спектро метром для идентификации органических соединений в грун те и три прибора, предназначенные для выявления метаболи тической активности микроорганизмов в грунте. За работу каждого из приборов и интерпретацию его показаний отве чала определенная группа ученых, хорошо знакомых с его конструкцией и возможностями. Этот принцип распростра нялся на все приборы, установленные на спускаемых и орбитальных аппаратах "Викинг". Подобные группы специа листов вместе с инженерами, управлявшими космическими аппаратами, и руководителями полетов, координировавши ми все действия, и составили коллектив участников програм мы "Викинг".
Фотокамеры
Среди прочих приборов, установленных на борту "Ви кингов" и предназначенных для поиска жизни, фотокамеры обладали двумя особенностями. Во-первых, их работа не зависела от того. какова химическая природа марсианской жизни. Наблюдатели на Земле должны были решать, сви детельствует ли тот или иной объект о наличии на планете жизни, основываясь лишь па его внешнем виде. а не на физиологии или химическом составе. Ведь марсианин из кремния мог с тем же успехом попасть в поле зрения "фотокамеры, как и марсианин из углерода. Фотокамеры могли обнаружить не только сами живые существа, но и их следы, останки, сделанные ими предметы и. наконец, их движение. Однако разрешающая способность фотокамер не позволяла различать объекты размером менее нескольких миллиметров, что ограничивало возможность обнаружения жизни. Как мы знаем, целые царства живых организмов имею) меньшие размеры, но фотокамеры "Викингов" были не в состоянии заметить их.
Второе отличие фотокамер от других приборов, исполь зовавшихся при поиске жизни, заключалось в том, что всего одного фотоснимка могло оказаться достаточно для за вершения работы. Каждая фотография несла такую богатую
информацию (в техническом смысле этого слова), что в принципе наличие жизни на Марсе можно было доказать одним-единственным снимком. Никакой другой прибор на основании единственного наблюдения не мог дать убеди тельного свидетельства существования марсианской жизни.
Фотокамеры с помощью специальных электронных уст ройств записывали наблюдаемую картину на магнитофон ную ленту. Полученные изображения затем либо передава лись непосредственно на Землю, либо ретранслировались через орбитальные аппараты. Возможны были и прямые передачи без магнитофонной записи. Эти изображения, цвет ные и черно-белые, получали как с высоким, так и с низким разрешением, а в некоторых случаях-даже стереоскопиче ские.
Полученные с Марса фотографии внимательно иследо вались различными специалистами-участниками програм мы "Викинг", что давало возможность одновременно ре шать широкий круг вопросов. Их также тщательно изучала с целью обнаружения признаков жизни особая группа специа листов по анализу изображений. Скрупулезно исследовались обычные, стереоскопические и цветные изображения. Их анализировали на ЭВМ, пытаясь выявить малейшие пере мещения или изменения в пейзаже; на них искали объекты, светящиеся в ночное время. Тем не менее не было замечено ничего указывающего на существование на Марсе жизни, что не находило бы более правдоподобного небиологического объяснения. Сошлемся на отчет специальной исследователь ской группы: "Не было получено ни прямых, ни косвенных доказательств присутствия на Марсе макроскопических био логических объектов" [12].
Хотя фотокамеры и не обнаружили следов жизни, полу ченные фотографии бесценны не только тем, что расширили наши представления о природных условиях Марса. Эти желтоватые пейзажи марсианских равнин останутся вечным свидетельством исторической "встречи" легенды и современ ной техники, состоявшейся летом 1976 г.
Газовый хроматограф с масс-спектрометром (ГХМС)
Сгрого говоря, ГХМС не предназначался специально для поисков следов жизни. Его задача скорее заключалась в поиске и анализе органических соединений на поверхности
Марса. Хотя, как мы видели в гл. 3, на Земле все органи ческие вещества фактически имеют биологическое проис хождение, во Вселенной широко распространено абиогенное по своей природе органическое вещество. До полета "Ви кингов" предполагалось, что если на Марсе и отсутствует жизнь, то по крайней мере там должно встречаться органи ческое вещество, занесенное метеоритами. Поводом для такого предположения была близость Марса к поясу асте роидов (он расположен между орбитами Марса и Юпитера), который и является "поставщиком" метеоритов. Считается, что метеориты сталкиваются с Марсом значительно чаще, чем с Землей, и, согласно расчетам, вследствие этого за геологический период на Марсе должно было накопиться достаточно органического вещества, чтобы обнаружить его с помощью ГХМС. Кроме того. если Марс обитаем, то там должно также присутствовать органическое вещество биоло гического происхождения. Перед запуском "Викингов" уче ные часто обсуждали вопрос, как с помощью имеющихся в их распоряжении приборов установить, биологическое или небиологическое происхождение имеют найденные органи ческие соединения, а в том, что они-хотя бы в следовых количествах- обнаружатся на Марсе, большинство ученых не сомневались. Однако после посадки аппаратов на планету этот вопрос больше не возникал.
Работа ГХМС производилась в несколько этапов. Уст ройство для взятия образцов грунта-ковш, укрепленный на конце раздвижной стрелы,-захватывало небольшую порцию марсианского грунта, которая затем измельчалась, просеива лась через сито и поступала в нагреватель вместимостью всего около 200 мг. Здесь происходило ступенчатое нагре вание образца до температуры 500 С, в результате чего органическое вещество превращалось в летучие продукты. При низких температурах в летучее состояние переходят небольшие нейтральные органические молекулы, а при высо ких-разрушаются (пиролизуются) крупные, или полярные молекулы, образуя небольшие летучие фрагменты. Эти газы поступали затем на колонку газового хроматографа-длин ную трубку, заполненную гранулами синтетического органи ческого материала, через которую они двигались с различны ми скоростями в зависимости от массы молекул. По мере разделения смеси ее компоненты выходили через другой конец колонки, один за другим попадая в масс-спектрометр. Там под действием пучка электронов происходило даль нейшее разделение каждого компонента на заряженные ос
колки, массы которых измерялись по величине их ускорения в электростатическом и электромагнитном полях. Изучая полученный таким образом спектр молекулярных масс, опытный масс-спектроскопист может установить структуру молекулы, из которой образовались осколки. На следующем этапе определялось строение исходной молекулы, из которой возникли продукты, идентифицированные в ходе масс-спект рометрии. Это также можно сделать, хотя не всегда с полной достоверностью.
В научной программе проекта "Викинг" метод, сочетаю щий хроматографию с масс-спектрометрией, был одним из самых важных. По сравнению с обычными методами органи ческого анализа он обладал рядом существенных преиму ществ, поскольку позволял анализировать практически лю бые органические соединения. Это означает, что классы соединений, подвергавшихся анализу на Марсе, не определя лись заранее. (Фактически возможности ГХМС не ограничи вались анализом только органических соединений. При вве дении газовой смеси в газово-хроматографическую часть прибора - минуя пиролиз - проводился также анализ состава атмосферы.)
Метод ГХМС отличался чрезвычайно высокой чувстви тельностью при анализе органических соединений. Он по зволял определить присутствие нескольких молекул вещест ва. содержащего больше двух атомов углерода, среди милли арда других молекул или несколько частей на миллион - в случае соединений, содержащих не более двух атомов угле рода в молекуле. Это в 100-1000 раз меньше той концентра ции органических молекул, которая встречается в почвах пустынь на Земле. В каждом районе посадки анализ содержа ния органических веществ проводился с двумя образцами грунта, в том числе исследовалась проба, взятая из-под камня на Равнине Утопия. Результаты всегда были отрица тельными. Удалось зарегистрировать лишь следы чистых органических растворителей, оставшихся от промывки само го прибора. (Обнаружение и идентификация этих загрязне ний доказали, что прибор работал нормально.) Кроме этого были найдены диоксид углерода и пары воды, образовав шиеся при распаде минералов марсианского грунта в резуль тате нагревания ГХМС. Дополнительные подробности этих исследований можно найти в статье, опубликованной груп пой молекулярного анализа [1].
Среди всех результатов биологических экспериментов по программе "Викинг" отсутствие органического вещества в
грунте Марса, зарегистрированное при столь высокой чувст вительности прибора (несколько частей на миллиард), имеет наибольшее значение. Уже после первой серии явно отрица тельных результатов ГХМС, полученных с места посадки на Равнине Хриса, стало очевидно, что если и следующие анализы дадут такие же результаты, то убедительное до казательство наличия жизни в грунте планеты станет не возможным-независимо от исхода других экспериментов. Однако другие биологические эксперименты лишь подтвер дили данные ГХМС.
Микробиологические эксперименты
Еще на самых ранних этапах исследований ныне по койный Альберт Тайлер, известный биолог из Калифорний ского технологического института, заявил, что хороший биологический эксперимент по обнаружению жизни на Мар се должен включать мышеловку и фотокамеру. Однако в середине 60-х годов мысль о том, что на Марсе возможны высшие формы жизни, была полностью отвергнута. Соглас но общему мнению, самое большее, на что здесь можно рассчитывать,-это наличие микроорганизмов. Даже те уче ные, которые отстаивали теоретическую возможность су ществования на Марсе высших форм жизни, признавали, что вероятность ее обнаружения предельно возрастает, если сосредоточить основное внимание на поиске микроорганиз мов в грунте. Нельзя представить себе планету, населенную высшими формами жизни, где не было бы микроорганизмов, но легко вообразить обратное: планету, на которой микро организмы являются единственной формой жизни. Инопла нетный корабль, прибывший на Землю с целью выяснить, обитаема ли она, поступил бы правильно, исследовав ее почву. Почва-богатая биологическая среда, населенная бактериями, дрожжами и плесневыми грибками. Эти орга низмы многочисленны и, обладая высокой устойчивостью, лучше других выживают в экстремальных условиях, так что вряд ли где на Земле можно найти хотя бы небольшой образец почвы, не содержащий микроорганизмов.
По этим соображениям на обоих спускаемых аппаратах "Викингов" было установлено по три прибора для обнаруже ния метаболической активности почвенных микроорганиз мов. Во всех этих экспериментах изучалось воздействие небольших проб грунта, взятого с поверхности Марса, на различные вещества. Для выяснения природы-биологи
ческой или небиологической - реакций использовалось тепло. поскольку, как известно, реакции, устойчивые к сильному нагреванию, скорее всего, являются небиологическими, тог да как реакции, чувствительные к умеренному теплу, могут быть как биологическими, так и небиологическими по своему характеру.
Два эксперимента строились настолько с учетом условий жизни на Земле, что их просто невозможно было провести в подлинно марсианских условиях. В обоих экспериментах использовались водные растворы органических соединений, в которых должны были инкубироваться образцы марсиан ского грунта. Поскольку жидкая вода не может существовать на Марсе, растворы вместе с образцами грунта (во избежа ние их замерзания или кипения) следовало инкубировать при температурах и давлениях, значительно превышающих мар сианские. Такие эксперименты в большей степени соответст вуют представлениям о Марсе Ловелла или, во всяком случае, взглядам, господствовавшим до полета "Марине ра-4", а не современным сведениям об этой планете. Это вызвало серьезные сомнения в разумности включения на званных экспериментов в научную программу проекта "Ви кинг". Тем не менее их все-таки оставили, хотя третий эксперимент (с использованием жидкой воды), первоначаль но также утвержденный, был исключен при комплектовании бортового оборудования для научных исследований. Со вершенно неожиданно результаты двух экспериментов с увлажнением образцов внесли впоследствии очень важный вклад в наши представления о Марсе.
Эксперимент по газообмену (ГО). Первоначальный план этого эксперимента по замыслу его создателя Вэнса Оямы состоял в том, чтобы смешать образец марсианского грунта с питательным раствором в герметически закрытой камере при температуре около 10 С. При этом камеру следовало продувать находящейся под давлением смесью газов (гелия, криптона и углекислого газа), контролируя через определен ные промежутки времени изменения в составе газовой смеси. Предполагалось, что наличие в почве микроорганизмов при ведет к образованию и последующему исчезновению раз личных газов, возникающих в процессе метаболизма,-имен но такой результат наблюдается при исследовании земных почв. Для идентификации и измерения концентрации этих газов был разработан специальный газовый хроматограф.
Набор химических веществ в питательном водном раст воре, включавший витамины, аминокислоты, пурины и пи
римидины, органические кислоты и неорганические соли, в значительной степени был ориентирован на биохимию земных организмов. После обсуждения научной программы "Викинг" биологической группой, состоявшей из авторов трех экспериментов и еще трех членов, дополнительно назна ченных НАСА*, в методику проведения эксперимента по газообмену было внесено небольшое, но принципиальное изменение Суть его заключалась в следующем: перед сма чиванием образец грунта следовало поместить в гермети чески закрытую камеру с небольшим объемом питательного раствора, который был отделен от образца, но мог на^ сыщать камеру парами воды. Таким образом марсианский грунт подвергали воздействию паров воды под давлением, которое по-видимому, существовало на Марсе много мил лионов лет назад. Анализ газовой смеси должен был произ водиться в условиях этого "типа увлажнения", прежде чем грунт вступит в контакт непосредственно с раствором.
Введение этого дополнительного цикла измерении в про грамме ГО дало удивительный результат. При инкубации с парами воды из грунта выделились четыре газа: азот. аргон. углекислый газ и кислород. Первые три присутствовали в относительно небольших количествах, так что их появление можно было объяснить вытеснением газов, абсорбирован ных в пробах грунта парами воды. Однако повышение давления кислорода нельзя было объяснить простои де сорбцией. Например, в первом же эксперименте (на Равнине Хриса) менее чем через два сола (марсианские сутки) после увлажнения камеры давление кислорода увеличилось почти в 200 раз Как указывали Ояма и Вердал [14], столь резкое изменение давления означает, что газообразный кислород выделяется в результате химическоэй реакции между парами воды и каким-то веществом, содержащимся в грунте. Таким веществом вполне могли быть богатые кислородом оксиды, супероксиды и озониды. Эти соединения имеют общую формулу М^О,, МО^ и МОз соответственно, где М означает водород либо металл. В присутствии воды все они быстро разлагаются с выделением килорода. Наличие таких сильных окислителей в поверхностном слое грунта Марса, вероятно, объясняет не только выделение кислорода, но и отсутствие органического вещества в грунте. Ранее предполагалось, что эти вещества могут существовать на Марсе и их количество
* В группу входили Гарольд П. Клейн, Джошуа Ледерберг, Джилберт В. Левайн, Вэнс Ояма, Александр Рич и автор.
там значительно больше, чем это показали исследования "Викингов".
После семи солов увлажнения парами воды первая проба марсианского грунта смачивалась путем введения в камеру большего количества водного питательного раствора. Те
перь эксперимент по газообмену проходил в том виде, как быд задуман первоначально. Влажный грунт инкубировали в течение 196 солов (6,7 месяца); как полагали исследователи, марсианские организмы должны были обнаружить свое при сутствие, выделяя или поглощая газы. Ничего подобного не произошло. Единственным значительным изменением, ко торое удалось зарегистрировать за эти месяцы, была убыль кислорода; это объяснялось тем, что он вступал в реакцию с аскорбиновой кислотой (витамином С) питательного раствора.
Во втором эксперименте камера была освобождена от газа и среды, высушена, после чего в нее загрузили новую порцию поверхностного материала. Образец нагревали на протяжении 3,5 ч при температуре 145 С, охлаждали и затем опять увлажняли. Снова наблюдалось выделение кислорода, в количестве, примерно вдвое меньшем, чем в первом экспе рименте, но этого было достаточно, чтобы подтвердилась необиологическая природа процесса. Эксперименты по газо обмену, проведенные спускаемым аппаратом "Викинга-2" на Равнине Утопия, дали сходные результаты, хотя и меньшие по масштабам. Таким образом, эксперименты по газообмену показали, что марсианская поверхность является химически активной вследствие присутствия в грунте разных районов планеты соединений типа пероксидов.
Эксперимент по выделению радиоактивной метки. Джил берт Левайн, разрабатывая эксперимент с выделением ра диоактивной метки (ВРМ), исходил из предположения, что марсианские микроорганизмы, находясь в водном растворе питательных веществ, будут выделять газ. Однако этот эксперимент отличался от описанного ранее эксперимента по газообмену некоторыми существенными деталями. Прежде всего, использовавшаяся в нем питательная смесь состояла всего из семи более простых и универсальных соединений. Это растворенные в воде муравьиная, гликолевая и мо лочная кислоты (в виде их натриевых или кальциевых солей), а также аминокислоты глицин и аланин; аланин и молочная кислота присутствовали в форме оптических изомеров. Все эти молекулы могут образоваться абиогенно в реакции Миллера с искровым разрядом; все они были обнаружены в метеоритах или в межзвездных газово-пылевых облаках, что позволяло предположить, что организмы, где бы они ни существовали, смогут усвоить в процессе обмена веществ хотя бы одно из этих соединений. Эксперимент ВРМ отли чался также тем, что в питательном растворе использовались
вещества, меченные радиоактивным углеродом. Поэтому образование любого газа, содержащего углерод (преиму щественно СОд), можно было зарегистрировать, измеряя уровень радиоактивности. Это существенно повышало чувст вительность измерения. Сочетая в себе универсальность и высокую чувствительность, данный эксперимент был почти идеальным для выявления признаков жизни на планете, имеющей воду.
Эксперимент начинался с добавления приблизительно 0,1 см^ радиоактивной среды к 0,5 см^ марсианского грунта. Чтобы предотвратить кипение среды при температуре ка меры (около 10 С), в камеру продували гелий. Объем введен ной среды был рассчитан так, чтобы увлажнялась только какая-то часть образца марсианского грунта. Почти сразу после инъекции среды началось сильное выделение радиоак тивного газа. Постепенно уменьшаясь, оно в конце концов достигало уровня, при котором в радиоактивную кислоту превращалось только '/^ часть атомов углерода из смеси органических веществ. Наиболее вероятно, что источником радиоактивного газа была муравьиная кислота-соединение с одним атомом углерода в молекуле, которое легко окисляется пероксидами до СО^.
Когда выделение радиоактивного газа почти полностью прекращалось, вновь вводился питательный раствор. Если бы выделение радиоактивного газа вызывалось действием на грунт пероксидов, то новая порция питательного раствора не приводила бы к его дальнейшему образованию, поскольку пары воды из первой порции раствора должны были бы разрушить пероксид даже в той части образца грунта, которая непосредственно не соприкасалась с питательным раствором. Но если бы радиоактивный газ выделяли микро организмы, содержащиеся в грунте, то добавление свежей питательной среды только усилило бы выделение газа. Под твердилось первое предположение: газ больше не выделялся. Аналогичный результат был получен и с остальными иссле дованными образцами марсианского грунта.
На следующем этапе эксперимента по выделению радио активной метки повторялся тот же анализ, но с нагретой пробой грунта. В опыте по газообмену при нагревании образца грунта до 145 С в течение 3,5 ч выделение кислорода уменьшалось примерно вдвое. Однако в экспериментах ВРМ при нагревании образца марсианского грунта до 160 С в течение 3 ч активность полностью прекращалась. Различие в режимах инкубации по продолжительности времени и вели
чине температуры в этих двух экспериментах несущественно. Наиболее важно, по-видимому, как позже отметил Ояма, различие в методике проведения эксперимента. Ведь в экспе риментах по газообмену камера при нагревании была откры та, и через нее продувался гелий, тогда как в опыте по выделению радиоактивности камера была все время за крыта. Анализ, проведенный с использованием ГХМС, по казал, что при нагревании образцов грунта до температуры 500 С около 1 % их массы выделяется в виде воды, а какая-то часть воды выделяется даже при нагревании до 200"С. Несомненно, что эта вода образуется из гидратированных минералов, а не в результате испарения ее свободной формы. Анализы ГХМС не проводились при температуре 160 С, но длительное пребывание образца марсианского грунта при этой температуре в ходе эксперимента ВРМ вполне могло привести к образованию достаточного количества воды, которая и разрушила вещество-окислитель, ответственное за возникновение СОд. Возможно и другое объяснение. Быть может, на Марсе существуют термостабильные и термола бильные пероксиды, вызывающие окисление, и те из них, которые были обнаружены в эксперименте по' выделе нию радиоактивности, принадлежали именно к последнему классу.
Эксперименты по выделению продуктов пиролиза (ВПП). Еще до полетов "Викингов" можно было с уверенностью
сказать, что если жизнь и существует на Марсе, то она приспособлена к марсианским, а не к земным условиям. Поэтому мной вместе с сотрудниками Джорджем Хобби и Джерри Хаббардом были разработаны эксперименты по выделению продуктов пиролиза, называемые также экспери ментами по ассимиляции углерода, которые предназнача лись специально для проведения биологического анализа марсианского грунта именно при существующих на Марсе условиях.