Жизнь или не жизнь: как на Марсе обнаружили «биологический» углерод и что это значит

Ученые, работающие с марсоходом Curiosity, отчитались в журнале MNRAS об удивительном открытии. В образцах органики, собранных в районе древнего озера, оказалось слишком мало углерода-13. Если бы речь шла о Земле, это было бы веским доводом в пользу того, что вещество было переработано живыми организмами. Именно так и находят следы древнейшей жизни на нашей планете.

Нехорошее число

Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов — это неизменное свойство химического элемента: так, в ядре атома углерода их всегда шесть. А вот количество нейтронов может различаться. Разновидности химического элемента, отличающиеся числом нейтронов, называются изотопами. У углерода два стабильных (то есть не радиоактивных) изотопа: углерод-12 (¹²С) и углерод-13 (¹³С). У первого шесть нейтронов, то есть, вместе с протонами, 12 частиц в ядре. У второго семь нейтронов, то есть 13 частиц в ядре.

Углерод-13 составляет лишь около 1% всего углерода в Солнечной системе. Но это тот случай, когда мал золотник, да дорог. Точное содержание ¹³С может быть маркером жизни, в том числе древней и, гипотетически, даже внеземной.

Дело в том, что углерод — важнейший компонент любой биологической (и вообще органической) молекулы. На этот элемент приходится 18% массы человеческого тела. При этом живые существа предпочитают углерод-12 несколько более тяжелому углероду-13 и охотнее поглощают первый из окружающей среды. Поэтому в веществе, когда-то бывшем частью живых организмов, содержание ¹³С заметно понижено. И чем больше циклов биологической переработки прошел углерод, тем значительнее эта разница. Некоторые процессы в неживой природе тоже вымывают из образцов тяжелый изотоп, но не так эффективно, как живые организмы. Поэтому обеднение углеродом-13 — важный, хотя и не бесспорный, признак, что над веществом потрудилась жизнь.

Именно так геологи обнаруживают следы живых организмов, которые древнее любых окаменелостей. Рекорд принадлежит образцам возрастом 3,95 млрд лет, найденным в скалах Канады. Они лишь немногим младше земного шара.

Впрочем, у геологов больше уверенности в наличии древней жизни, когда «углеродное смещение» сопутствует характерным окаменелостям. По отдельности то и другое еще может иметь абиогенное происхождение, но вместе — уже вряд ли.

Пропавший тринадцатый

Углерод на Марсе сам по себе далеко не новость: атмосфера планеты почти полностью состоит из углекислого газа. Не в первый раз там находят и органику, и сама по себе она не свидетельствует о жизни. Органических веществ необычайно много, и абсолютное большинство из них образуется без всякого участия живых организмов. Но вот нехватка углерода-13 — уже более серьезный аргумент.

Curiosity исследовал 24 образца, взятых в пяти разных местах кратера Гейл. И десять из них показали значительное обеднение углеродом-13.

И здесь самое время вспомнить, что в этом кратере некогда плескалось древнее озеро, в которое впадала река. По крайней мере, к такому выводу пришли планетологи, изучая его отложения. Особенно интригует, что все десять «подозрительных» образцов отобраны из геологических структур, которые в свое время долго оставались на поверхности.

Может быть, исследователи и в самом деле наткнулись на следы древней марсианской жизни?

Углерод из ниоткуда

Ученому не пристало принимать желаемое за действительное, и авторы очень осторожно подошли к этим удивительным результатам. Прежде всего они проверили, что сама процедура исследования не привела к истощению углерода-13. В бортовой лаборатории марсохода внеземная органика за 24 минуты нагревается до 850 °C, из-за чего разлагается на простейшие соединения, прежде всего метан. В этом метане и измеряется соотношение изотопов углерода.

Экспериментаторы повторили этот процесс в земных печах и убедились, что он не приводит к такому дефициту ¹³C в метане. Значит, недостаток углерода-13 — это свойство образцов, а не артефакт исследования.

Мог ли «обедненный» углерод прийти из какого-то геологического резервуара? Во всяком случае, не из атмосферы. В марсианской газовой оболочке содержание углерода-13, наоборот, заметно выше нормы. Это неудивительно, ведь притяжение маленькой Красной планеты не в силах удержать атмосферу, и та постепенно рассеивается в космосе (сегодня атмосферное давление на Марсе составляет менее 1% земного). Понятно, что прежде всего улетучиваются легкие газы. Молекула ¹²CO2 легче молекулы ¹³CO2 всего на 2%, но за миллиарды лет эта разница сделала свое дело. При этом отложения в кратере Гейл не настолько древние, чтобы состав атмосферы в те времена заметно отличался от нынешнего.

А что насчет глубоких геологических слоев? Мы не можем знать точно, сколько углерода-13 в мантии Марса. Но в распоряжении ученых есть метеориты, предположительно попавшие на Землю с Красной планеты (откуда они были выбиты ударом астероида). В этих образцах углерода-13 несколько меньше нормы, но не настолько, как в собранных марсоходом.

Итак, ни недра, ни атмосфера Марса не могли поставить на поверхность углерод с таким низким отношением ¹³C/¹²C. Может быть, он пришел из космоса?

Примерно раз в 100 млн лет Солнечная система проходит через гигантское молекулярное облако. Это огромное облако газа с примесью пыли, по космическим меркам весьма плотное (хотя его нельзя сравнить даже с марсианской атмосферой, не говоря о земной). В межзвездной пыли в числе прочего присутствует и углерод, и он чрезвычайно беден «тринадцатым» изотопом. Авторы исследования находят гипотезу о межзвездном происхождении странных образцов в целом правдоподобной. Но у нас слишком мало данных, чтобы утверждать что-либо наверняка. К тому же такое предположение не в ладах с бритвой Оккама: особенности марсианского грунта желательно объяснять процессами, происходящими на Марсе же.

Одной загадкой больше

Допустим, что углерод, собранный Curiosity, все же имеет марсианское происхождение. Тогда он, несомненно, подвергся переработке, удалившей из него заметную часть ¹³C. Вопрос лишь в том, была ли эта переработка биологической.

На древнейшей Земле такую работу обычно выполняли бактерии. Одни микробы поглощали углерод из окружающей среды и выделяли метан в качестве отхода жизнедеятельности. Другие питались этим метаном. Оба процесса приводили к вымыванию углерода-13. Трапезы любителей метана одновременно восстанавливали серу из сульфатов. В связи с этим интересно, что во многих марсианских образцах с особенно низким содержанием ¹³C обнаружена также восстановленная сера.

Однако не все так просто. По расчетам специалистов, этот известный из земной биологии цикл не мог уменьшить содержания изотопа до обнаруженного в собранных образцах уровня. Бактерии справились бы с этим, только если бы исходным материалом был углерод выброшенный прямо из мантии. Но мы не знаем, случались ли такие выбросы на Марсе. 

Возможно, конечно, что земные микробы марсианским не указ, и вторые гораздо избирательнее к изотопам углерода. Но тут мы вступаем в область ничем не обоснованных предположений. Нам знакома только земная биохимия, а о внеземной можно нафантазировать что угодно.

Еще один аргумент против биогенной теории — отсутствие в районе сбора образцов хоть чего-то, похожего на окаменелости. Хотя они, конечно, могли попросту не сохраниться.

Могло ли удаление углерода-13 пройти без участия живых организмов? В принципе, да, но с цифрами опять возникают проблемы. Авторы смоделировали несколько реакций, исходным компонентом которых был атмосферный углекислый газ или вулканический метан. Вывод однозначен: эти процессы могут уменьшить содержание ¹³C, но не так, как требуется.

Пока, если не брать в расчет выпадение углерода из межзвездного облака, у нас нет правдоподобного механизма образования вещества с таким низким соотношением ¹³C/¹²C, ни биогенного, ни абиогенного. 

Похоже, что мы не знаем о круговороте углерода на Марсе чего-то важного. Что, впрочем, неудивительно. На Земле жизнь встроилась в этот цикл так давно и прочно, что геологам трудно понять, каким он должен быть на безжизненной планете. Не говоря уже о том, что Марс заметно отличается от Земли по размеру, внутреннему строению, удаленности от Солнца, составу атмосферы и другим важным параметрам. И мы только начинаем понимать происходящие там процессы.

Во всяком случае, ответом на сакраментальный вопрос, есть ли жизнь на Марсе, новые результаты не являются. Но отчаиваться рано. Команда Curiosity собирается собрать и проанализировать еще немало образцов. Кроме того, на Марсе работает ровер Perseverance, специально предназначенный для поисков жизни. А на начало 2030-х годов намечена доставка образцов грунта с Марса в земные лаборатории. Может быть, тогда и разрешится загадка, с которой сегодня столкнулись астрономы.