В нашем журнале N 2 за 2003 г. опубликована статья доктора геолого- минералогических наук А. М. Портнова, предложившего гипотезу гибели биосферы Марса в результате падения астероидов, когда богатая кислородом атмосфера была выброшена в космос. Автор настоящей работы считает, что нет оснований предполагать подобную катастрофу: жизнь на Красной планете была и остается в виде бактериальной биосферы, получающей "пищу" и энергию за счет поднимающихся из глубин газов.

Статьи данной рубрики отражают мнение авторов (прим. ред.)

стр. 49

Доктор геолого-минералогических наук И. А. РЕЗАНОВ, Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН

Портнов справедливо обращает внимание на удивительное обилие в осадочных породах Марса и на его поверхности окисленных соединений железа (до 20%), серы (сульфатов - до 10), магния (8) и кальция (5%). Для их образования необходимо гигантское количество кислорода.

ОТКУДА КИСЛОРОД НА ПЛАНЕТЕ?

Магматические породы, сформировавшие коры Луны и Земли, близки по минеральному составу и содержат железо, другие металлы в закисной форме. В поверхностных обломочных породах Луны нет оксидов железа, магния, кальция и т. д. Зато на нашей планете подавляющая их часть окислена. И на Марсе тоже. Следовательно, на последнем должна была существовать воздушная оболочка, содержащая кислород.

С подобными соображениями А. М. Портнова нельзя не согласиться. Однако зададимся вопросом: как мог образоваться этот газ в атмосфере? Есть два пути: фотолиз воды (распад ее молекул под действием света) и жизнедеятельность растений, бактерий.

Для активного первого процесса необходимо, чтобы значительную часть поверхности планеты покрывала водная гладь. Но все, что мы знаем о Марсе и его истории, свидетельствует: океанов там никогда не было, а воды по сравнению с Землей всегда было очень мало ^* . Поэтому фотолиз не мог обеспечить окисление металлов и серы в столь большом количестве, которое характерно для местных осадочных горных пород. Значит, кислород здесь образовался биогенным путем.

На Земле это осуществляется за счет лучистой энергии Солнца. Она идет как на производство органических соединений, так и на выработку молекулярного кислорода. В дело вовлечены цианобактерии (синезеленые водоросли) и зеленые растения. Последние, производя кислород днем, ночью частично используют его для своего роста. А первым он не нужен и даже является ядом. Им пришлось выработать защитные механизмы и окружить себя микроорганизмами, потребляющими столь опасный для них газ.

И все же именно цианобактерии создали на нашей планете кислородную атмосферу, ибо многоклеточные растения, продолжившие эту работу, появились значительно позже.

Почему же цианобактерии вот уже несколько миллиардов лет затрачивают энергию на получение вредного для них кислорода? Вероятнее всего, причина в своего рода атавизме, доставшемся им от предков, живших в начале геологической истории на сильно нагретой Земле с активно действующими вулканами. Поскольку синтез кислорода идет с потреблением энергии, это позволяло прародителям этих организмов использовать излишки тепла, понижая температуру вокруг себя. Тогда они вырабатывали О ₂ с помощью не лучистой энергии, а тепловой - термосинтезом, и таким образом одновременно обеспечивали себе "комфортные" условия существования, получая необходимые им органические вещества.

Впоследствии, когда на Земле стало прохладнее и даже начались оледенения, синезеленые водоросли перешли на другой источник энергии - солнечное излучение. Но и тогда, создавая из углекислоты соединения, требуемые для собственной жизнедеятельности, эти организмы продолжали "по наследству" продуцировать ненужный им О ₂ .

Следовательно, биогенная природа марсианского кислорода - не аргумент в пользу былого существования там растительности. Его могли создать и безъядерные примитивные бактерии, которые не нуждались в солнечном свете, используя тепловую энергию глубоких недр.

Дополнительные факты о жизни на Красной планете (по крайней мере в прежние эпохи) предоставляют так называемые "марсианские метеориты". Их возраст относительно молод - около 1 млрд. лет, в то время как большинство других подобных "космических пришельцев" значительно старше. Считается, что данные метеориты были выброшены с Марса в результате падения на него астероида. Для них характерен изотопно-тяжелый углерод карбонатов и изотопно-облегченный органический углерод, что наш современник академик М. В. Иванов называет свидетельством в пользу существования на этой планете живых организмов.

КАК ВОЗНИКЛА ЖИЗНЬ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ?

Чтобы понять, при каких условиях могли появиться первые обитатели Марса, попытаемся восстановить начальные этапы земной истории ^** .

Древнейшие горные породы нашей планеты, а также углистые хондриты образовались в результате вулканических извержений. Излившаяся магма и газы, содержащие водород, углерод, азот, кислород, были тем исходным материалом, из которого синтезировались аминокислоты, углеводороды, составившие основу полимеров - предшественников живых организмов (протобелков и нуклеиновых кислот).

Установлено: Земля в эпоху жизнеобразования была окружена плотной воздушной оболочкой, насыщенной водородом, создававшей давление в несколько тысяч атмосфер. Это значительно ускоряло химические реакции.

Судя по всему, контрастные колебания температуры, вызванные извержениями вулканов, побудили белковые агрегаты осуществлять активный обмен веществ с окружающей средой. Только в таком случае они могли сохраняться, ибо высокая температура, способствовавшая образованию полимеров, в дальнейшем их же и разрушала. В результате естественного отбора должны были "выжить" только те, которые смогли преодолеть это ограничение.

^* Согласно новейшим данным, значительное количество льда - порядка 5% от массы грунта - находится на Марсе близ поверхности; см.: И. Г. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. - Наука в России, 2002, N 6 ( прим. ред.).

^** Более подробно концепция автора была изложена ранее. См.: И. А. Резанов. Возникновение жизни: взгляд геолога. - Наука в России, 2001, N 2 (прим. ред.).

стр. 50

Принцип Ле Шателье-Брауна (1884 г.) применительно к химическим процессам гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать воздействие, то в результате протекающих в ней реакций оно сместится в направлении, уменьшающем данное влияние. Значит, ответом на перегрев должен был стать процесс, понижающий температуру среды, т. е. эндотермическая реакция, протекающая с поглощением энергии. Одной из них могла стать такая, при которой в результате соединения водорода с диоксидом углерода образуются формальдегид и кислород.

Синтезированные протобелки (полипептиды) обладали каталитическими свойствами - ускоряли эндотермические реакции. Тем самым обеспечивалось их "выживание" - "преуспевали" те, у кого эта способность была выше. Когда же вулканизм в данной местности временно ослабевал и протобелки оказывались в обстановке пониженных температур, система действовала в обратном направлении: выработанный кислород шел на окисление водорода, серы, железа и т. д. с выделением тепла. В таких периодически менявшихся условиях в протобелках со временем выработались механизмы ускорения процессов окисления и восстановления, что привело к синтезу универсального накопителя химической энергии молекулы АТФ (аденозин-трифосфата). Эндотермические реакции с выделением кислорода создавали углеводороды, становившиеся "строительным материалом" для роста протобелков, помогали им взаимодействовать между собой ^* .

Подчеркну еще раз: возникшие химические процессы, ведущие к образованию кислорода, осуществлялись не за счет лучистой солнечной энергии, а путем использования тепловой - термосинтезом. И есть все основания полагать: живые организмы на Марсе возникли подобным же образом. Однако в дальнейшем их эволюция там и на Земле разворачивалась по разным сценариям.

На нашей планете под покровом плотной атмосферы в условиях активной вулканической деятельности бактерии, получая избыточное количество тепловой энергии, сформировали мощнейшую биосферу. Об этом свидетельствует гигантское количество имеющего биогенное происхождение углерода в отложениях возрастом 4,0 - 4,4 млрд. лет. Как показали исследования, в древнейших породах Алданского массива в Центральной Сибири изотопный состав сульфатов близок к соответствующим отложениям современного океана. В фафитах того же региона бы-

Оледенения (1) и температурные минимумы (2) в геологической истории (по Л. И. Салопу). Справа показана общая тенденция изменения среднегодовой температуры земной поверхности.

^* См.: Э. М. Галимов. Феномен жизни. - Наука в России, 2003, N 5 (прим. ред.).

стр. 51

Предполагаемые колебания светимости Солнца. По вертикали - время, по горизонтали - изменение светимости (%).

ли обнаружены следы ядерных форм бактерий (эукариот). Выходит, уже в первые сотни миллионов лет в условиях избытка энергии живые организмы сильно продвинулись в своей эволюции.

Приблизительно 3,9 - 4,0 млрд. лет назад атмосфера Земли стала меняться, что привело к вымиранию многих видов первоначальных обитателей. В последующие 1,5 млрд. лет жизнь едва теплилась под слоем воды и под землей, прячась от губительного ультрафиолетового облучения и испытывая недостаток энергии из-за общего понижения температуры.

Глобальное оледенение 2,5 - 2,2 млрд. лет назад стало новым серьезным рубежом эволюции. Среди бактерий получили преимущество те, которые смогли воспользоваться лучистой солнечной энергией - у них выработался механизм фотосинтеза. В итоге область жизни на планете возродилась, о чем свидетельствует широкое распространение цианобактерий и появление осадков, образующихся в присутствии кислорода.

Но для подобных процессов, ведущих к последующей бурной эволюции организмов, необходима достаточно плотная воздушная оболочка, которой на Марсе, по-видимому, никогда не было.

ПОДЗЕМНЫЕ БИОСФЕРЫ

Мы привыкли к тому, что жизнь развивается на поверхности Земли и в водной среде. А может ли она развиваться под землей?

В принципе и прежде ученые допускали присутствие организмов в водоносных горизонтах, но долгое время этой биосферной нише они не придавали сколько- нибудь значительной роли. Положение стало меняться в последние 2 - 3 десятилетия. Оказывается, подземные воды до самых глубоких исследованных их горизонтов "заражены" бактериями, прекрасно себя чувствующими даже при температурах, заметно превышающих 100°С, при разной минерализации, кислотности или щелочности.

Наибольшее количество разнообразных микроорганизмов находится там, где воды насыщены окисью и двуокисью углерода, метаном, которые служат им "пищей". По мнению ряда специалистов, нефть в основном создана бактериями, "переработавшими" идущие из глубин углеродсодержащие газы.

Подземная биосфера была всегда, начиная с эпохи зарождения жизни. В древнейших породах упомянутого Алданского массива биогенный фафит обнаружен в жилах. Следовательно, бактерии, развиваясь в трещинах горных пород, оставили здесь продукты своей жизнедеятельности.

Для микроорганизмов недра планет благоприятны во многих отношениях. Сюда не доходит ультрафиолетовая солнечная радиация, а температура более или менее стабильна. Необходимые химические элементы они получают из окружающих ми-

стр. 52

нералов, а также термальных вод, "поставляющих" и тепловую энергию. Это область распространения так называемых хемолитоавтотрофных бактерий, прекрасно обходящихся без солнечного света. В частности, академик М. В. Иванов привел примеры обнаружения в глубоко залегающих кристаллических базальтовых породах анаэробных (не нуждающихся в воздухе) микроорганизмов, продуцирующих метан и другие соединения. По его словам, "выделяет" им электроны водород, содержание которого в этих водах достаточно высоко.

Любые катаклизмы, происходящие на поверхности планеты, практически не влияют на подземную биосферу. Она поистине неуничтожима и может погибнуть лишь в случае разрушения космического тела. Именно она позволяет положительно ответить на сакраментальный вопрос: "Есть ли жизнь на Марсе?".

ПРИЧИНА МАРСИАНСКИХ "ПОТОПОВ"

На пустынной и безводной поверхности Красной планеты самый мощный геологический агент, переотлагающий осадочные породы, - песчаные бури. Но самое удивительное, что по целому ряду признаков здесь некогда текли реки! На фотоснимках отчетливо видны речные долины, подобные земным.

Конечно, в настоящее время текучих вод там нет (не говоря уж о морях и озерах), так как поверхностная температура колеблется от -20 до - 120 "С. В таких условиях таяние наземных и подземных вод невозможно. Значит, некогда она была значительно выше. И тогда вода, выходя из талых фунтов и глубинных источников, устремлялась в понижения, формируя речные долины, чтобы затем вновь уйти в недра, насыщая горные породы в пределах обширных бессточных впадин.

Относительно причин потеплений на Марсе нет единого мнения. Многие ученые полагают, что они были вызваны активизацией глубинных процессов, прежде всего вулканических. С этим трудно согласиться, поскольку внутренние силы наиболее интенсивно проявлялись в ранние эпохи истории планеты, тогда как водная эрозия - значительно позже.

К тому же речные долины расположены, как правило, в значительном удалении от вулканических районов. Да и трудно себе представить, каким образом и почему мог происходить периодический разогрев Марса.

Больше оснований связывать потепления на марсианской поверхности с усилением светимости Солнца. Нов таком случае должны совпадать периоды повышенных температур на Марсе и на Земле. В первом случае выделяются по меньшей мере два таких этапа: когда закладывались наиболее древние марсианские долины (около 2,5 млрд. лет назад) и во время формирования относительно молодых речных потоков (за последний миллиард лет).

В истории нашей планеты можно выделить эпохи резких климатических колебаний, когда оледенения и глобальное похолодание сменялись быстрым общим потеплением. Так, после нескольких фаз оледенений, датируемых примерно 2,5 - 2,2 млрд. лет назад, наступила длительная стабильность. А около 900 млн. лет назад они возобновились и стали происходить с интервалом 50 - 100 млн. лет.

Выходит, оледенения в геологической истории Земли более или менее соответствуют периодам потепления и таяния подземных льдов, появления рек на Марсе. Почему? Напрашивается такое объяснение: в это время происходили колебания солнечной светимости как в сторону уменьшения, так и резкого увеличения.

По-видимому, у нашего светила существуют два периодически сменяющихся состояния: относительно спокойное (характерное для отрезка от 2250 до 900 млн. лет) и контрастное, нестабильное (оно продолжается и в наши дни).

Правда, когда на Марсе становилось теплее и появлялись реки, в их долинах вряд ли кипела жизнь. Она тогда не выходила из недр на поверхность. Ей препятствовали разрушающие белковые соединения космические лучи и ультрафиолетовое облучение Солнца, которые на Земле задерживаются и отражаются радиационными поясами, ионосферой и озоновым экраном. Да и солнечный свет не был нужен примитивным марсианам, не владевшим фотосинтезом.

...Толщина мерзлого слоя на современном Марсе оценивается в 2 - 4 км. На такой глубине могут находиться отдельные виды автотрофных микроорганизмов. Однако не исключено, что некоторые формы жизни присутствуют и в мерзлых толщах. Наиболее благоприятны для них зоны разломов, куда поступают глубинные флюиды, доставляющие бактериям тепло и необходимые для их существования химические элементы и соединения. Именно в таких зонах целесообразно искать признаки жизни на Красной планете.

Следовательно, прежде чем отправлять на Марс аппараты для исследования подземной биосферы, надо предварительно обнаружить активные разломы, по которым происходит дегазация его недр. По фотографиям можно фиксировать их расположение, а с помощью специальных детекторов - выделения водорода, легкого изотопа гелия, сероводорода, метана. Там, где истечение газов максимальное, следует искать горные породы с живыми бактериями или следами их присутствия.

Итак, возвращаясь к гипотезе А. М. Портнова, следует согласиться: окисление железа и серы произошло на Марсе за счет биогенного кислорода. Только создали его не растения путем фотосинтеза, а безъядерные бактерии, использовавшие для жизнедеятельности глубинное тепло. И произошло это очень давно, когда температура планеты была высока. С ее понижением "производители кислорода" вымерли (или отошли на второй план), уступив место хемолитоавтотрофам, которых вполне устраивала подземная обстановка и отсутствие О ₂ . А кислород сохраняет свое присутствие в виде огромного количества красных окислов железа, благодаря которым планету стали отождествлять с римским богом войны.

Общий вывод: история жизни на Марсе началась примерно так же, как и на Земле, но в дальнейшем эволюционировала по иному сценарию.

Постоянный адрес данной публикации: