Антарктика и меры по стерилизации космических аппаратов при полетах на марс

К первым сообщениям о стерильных почвах Антарктиды все отнеслись скептически. Говорить "стерильная почва" — это значит демонстрировать микробиологическую безграмотность: ведь каждый биолог знает, что микроорганизмы являются существенным компонентом того, что мы обычно называем "почва", т. е., попросту говоря, материала, на котором растут растения. Поскольку растения не растут в сухих долинах, можно спорить о том, следует ли называть поверхностное вещество их грунта почвой. Во всяком случае, непригодность сухих долин антарктической пустыни для жизни стала рассматриваться всерьез лишь после того, как накопилось достаточно доказательств.

Эти соображения, высказанные моими коллегами и мной, не получили единодушного одобрения. Такая точка зрения отличалась от традиционной, а кроме того, представлялось спорным ее отношение к исследованиям Марса. Эти соображения прежде всего ставили под сомнение возможность заражения Марса земными микроорганизмами. Это широко распространенное мнение, уходящее корнями в ловелловские представления о Марсе, лежало в основе большой программы по стерилизации космических аппаратов, которую НАСА проводило в жизнь в соответствии с договором, обязывающим все государства избегать "пагубного заражения" внеземных объектов при космических исследованиях. Следуя этому договору, НАСА подвергло полностью собранную космическую станцию, предназначенную для посадки на поверхность Марса, тепловой стерилизации. Эта процедура влекла за собой значительное увеличение расходов по программе исследования Марса, а кроме того, могла нанести вред как космическому аппарату, так и установленным на нем приборам. Поэтому после 1963 г., когда начала выясняться подлинная природа марсианской среды, основные положения карантинной политики и детали самой процедуры стерилизации стали предметом активного обсуждения. В этом контексте результаты исследований в Антарктиде трактовались достаточно однозначно: если земные микроорганизмы не способны заселять сухие долины Антарктиды, которые для любых земных бактерий или дрожжей должны казаться раем по сравнению с Марсом, нет ни малейшего смысла беспокоиться о том, что они заселят Марс.

Но не все ученые согласились с таким выводом. Среди них был Вольф Вишняк, профессор микробиологии Рочестерского университета и член биологической группы проекта "Викинг". Он не принимал саму идею стерильности почвы, даже в Антарктиде. Как человек, игравший ведущую роль в организации марсианской карантинной политики, Вишняк считал разрешение этих споров настолько срочным делом, что лично отправился в сухие долины Антарктиды южным летом 1971–1972 гг. Он был убежден, что в антарктических почвах достаточно воды для существования микроорганизмов и проблема их поиска носит скорее методический характер. Поэтому, пользуясь соответствующими приемами, можно обнаружить активно растущие популяции микроорганизмов во всех почвах сухих долин. Применив некоторые новые методы идентификации почвенных микроорганизмов, Вишняк получил результаты, которые убедили его в правильности избранного пути. Однако работу не удалось завершить за один летний сезон. В 1973 г. ученый вернулся в Антарктику для проведения обширных полевых работ, но трагически погиб там, упав в трещину на леднике.

Работа, начатая Вишняком, до сих пор не завершена. Если бы не преждевременная гибель, он, наверное, смог бы взять образцы почвы на многих участках и критически сравнить свои методы с теми, которые применяли его предшественники для анализа тех же почв. Теперь же вопрос о возможности жизни в сухих долинах остается для многих открытым. Однако что касается Марса, то здесь ответ ясен. Вопрос о жизни на Марсе был решен в ходе научных исследований по программе "Викинг". Два стерильных спускаемых аппарата "Викинг", опустившиеся на поверхность Марса, установили, что условия на планете гораздо более суровы, чем представлялось с орбиты. Выяснилось, что Марс застрахован от бактериального загрязнения не только благодаря сухости и холоду, несравненно более жестоким, чем в Антарктиде, — это было ясно и до полета "Викингов", — но и вследствие особенностей самой химической среды планеты, которая обеспечивает ее самостерилизацию. Но об этом мы расскажем в следующей главе.

 

Глава 7. Полет "Викингов": где же марсиане?

 

Тот, кто не видел живого марсианина, вряд ли может представить себе его страшную, отвратительную наружность.

Г.Дж. Уэллс, "Война миров" [18]

 

 

В 60-70-х годах к Марсу была запущена серия советских межпланетных автоматических станций "Марс", которые, однако, не передали на Землю никаких данных, касающихся наличия жизни на планете[19]. Американские спускаемые аппараты "Викинг", хотя и не первыми достигли марсианской поверхности, работали там продолжительное время и смогли поведать немало интересного об этой планете. В настоящей главе описаны результаты этих исследований, которые представляют интерес с точки зрения биологии.

 

 

Посадка

Космические станции "Викинг" достигли Марса к середине июня и начале августа 1976 г. Затем они перешли на заранее рассчитанные орбиты вокруг планеты и начали поиск мест, пригодных для посадки. Выбор места посадки определялся двумя соображениями: безопасностью для спускаемого аппарата и научным интересом. По научным соображениям еще до полета было решено посадить спускаемые аппараты в районах, расположенных на разных широтах, чтобы получить сведения о различных климатических и географических зонах. Фотокамеры и инфракрасные датчики на борту орбитальных аппаратов вместе с наземным радиолокатором вели целенаправленный поиск мест посадки спускаемых аппаратов. Прежде всего искали участки, где температура и влажность превышали средние значения, так как они могли быть наиболее благоприятными для существования жизни. Однако обнаружить такие места не удалось. И поскольку с биологической точки зрения разные участки на одной и той же широте мало чем отличались друг от друга, окончательное решение о местах посадки было принято исходя из соображений безопасности спускаемого аппарата.

Когда все было подготовлено, по команде с Земли включились пиротехнические устройства, разомкнувшие соединения, которые удерживали вместе орбитальный и спускаемый аппараты. Пружинные толкатели разделили их, и спускаемый аппарат (снабженный лобовым экраном для аэродинамического торможения в атмосфере) начал опускаться на поверхность Марса с высоты 1500 км. Для торможения спуска на высоте 6 км (ее измеряли с помощью радиолокатора самого спускаемого аппарата) над поверхностью был раскрыт парашют и сброшен лобовой экран. На высоте 1,5 км был отброшен парашют, выдвинуты три опоры спускаемого аппарата и для окончательного погашения скорости при спуске включены тормозные двигатели. Спускаемый аппарат "Викинга-1" опустился на марсианскую поверхность 20 июля 1976 г. в точке с координатами 22,5 с. ш. и 48 з. д. на Равнине Хриса. Аппарат "Викинга-2" совершил посадку 3 сентября на противоположной стороне планеты на Равнине Утопия, в точке с координатами 47,5 с.ш. и 226 з. д., примерно на 1500 км севернее первого. В северном полушарии Марса в это время было раннее лето. Планировалось, что исследования продолжатся в течение 90 дней после посадки, но четыре космических аппарата функционировали около двух лет, а спускаемый аппарат "Викинга-1" проработал более шести лет.

Использование тормозных ракетных двигателей во время спуска аппаратов вызывало беспокойство, так как их выхлопы могли вызвать физические и химические изменения окружающей среды в местах посадки. Чтобы свести эти воздействия к минимуму, в конструкцию двигателей были внесены изменения, позволяющие уменьшить нагревание и разрушение грунта на поверхности, а в качестве топлива использован специально очищенный гидразин (N2H4), при горении которого не образуются органические продукты. Выхлоп состоял 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 двигателей в районе посадки спускаемого аппарата может погибнуть лишь незначительная часть почвенных бактерий. Однако при выхлопе все же наблюдалось значительное загрязнение грунта аммиаком и, вероятно, парами воды, хотя точные измерения не проводились. В соответствии с этими результатами учитывалась возможность химических изменений грунта в местах посадки, вызванных аммиаком и водой.

 

 

Состав атмосферы

Пока спускаемые аппараты приближались к поверхности Марса, приборы, вмонтированные в лобовые экраны, проводили измерения давления, температуры и состава атмосферы. Аналогичные измерения осуществлялись затем на поверхности с помощью дополнительных приборов, доставленных 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 космических 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 элемент, 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 химическим процессам в верхних слоях атмосферы Марса. Как и предсказывает теория, "Викинги" обнаружили, что соотношение тяжелого N-15 и обычного N-14 изотопов азота в марсианской атмосфере выше, чем в земной, т. е. из атмосферы 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 приборов: две фотокамеры, газовый хроматограф с масс-спектрометром для идентификации органических соединений в грунте и три прибора, предназначенные для выявления метаболитической активности микроорганизмов в грунте. За работу каждого из приборов и интерпретацию его показаний отвечала определенная группа ученых, хорошо знакомых с его конструкцией и возможностями. Этот принцип распространялся на все приборы, установленные на спускаемых и орбитальных аппаратах "Викинг". Подобные группы специалистов вместе с инженерами, управлявшими космическими аппаратами, и руководителями полетов, координировавшими все действия, и составили коллектив участников программы "Викинг".

 

 

Фотокамеры

Среди прочих приборов, установленных на борту "Викингов" 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, свидетельствует ли тот или иной объект о наличии на планете жизни, основываясь лишь на 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, использовавшихся при поиске жизни, заключалось в том, что всего одного фотоснимка могло оказаться достаточно для завершения 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 убедительного свидетельства существования марсианской жизни.

Фотокамеры с помощью специальных электронных устройств записывали наблюдаемую картину на магнитофонную ленту. Полученные изображения затем либо передавались непосредственно на Землю, либо ретранслировались через орбитальные аппараты. Возможны были и прямые передачи без магнитофонной записи. Эти изображения, цветные и черно-белые, получали как с высоким, так и с низким разрешением, а в некоторых случаях — даже стереоскопические.

Полученные с Марса фотографии внимательно исследовались различными специалистами — участниками программы "Викинг", что давало возможность одновременно решать широкий круг вопросов. Их также тщательно изучала с целью обнаружения признаков жизни особая группа специалистов по анализу изображений. Скрупулезно исследовались обычные, стереоскопические и цветные изображения. Их анализировали на ЭВМ, пытаясь выявить малейшие перемещения 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 исследовательской группы: "Не было получено ни прямых, ни косвенных доказательств присутствия на Марсе макроскопических биологических объектов" [12].

Хотя фотокамеры и не обнаружили следов жизни, полученные 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 современной техники, состоявшейся летом 1976 г.