Почему открытие на Венере фосфина всех так взбудоражило — и что это такое

Открытие биомаркеров (то есть веществ, ассоцируемых с жизнью) — история, всегда вызывающая самые ожесточенные споры. В 2003 году США открыли на Марсе метан — и с тех самых пор это открытие пытаются оспорить. Совсем недавно, в июле 2020 года, российские ученые обнаружили, что точно такие же электромагнитные волны, что и метан, в марсианских условиях могут поглощать углекислый газ и озон — то есть на Марсе их можно с метаном спутать. Поэтому в России не исключают, что никакого метана на Марсе на самом деле нет — а ведь метан там многие считали продуктом деятельности местных микроорганизмов. Впрочем, в NASA никак не отреагировали на наблюдения российского спектрометра с марсианской орбиты и продолжают считать, что метан там все же есть.

Из этой истории следует важный урок: вроде бы много раз перепроверенные открытия веществ-биомаркеров могут оставаться спорными по 17 лет подряд. Разве можно всерьез после этого воспринимать открытие биомаркера фосфина на Венере, описанное в недавней статье в Nature Astronomy? Как ни странно — да.

Все дело в деталях открытия. Мы, люди, видим предметы вокруг нас в разных цветах. Выражаясь научным языком, каждый «цвет» — это та или иначе часть спектра, то есть электромагнитные волны с определенной длиной. Например, волны света с длиной 630−760 нанометров — это то, что мы видим как «красный». Вне видимого света есть свои части спектра. Например, для фосфина это волны с длиной 1,132 миллиметра. И хотя глазом такие электромагнитные волны не разглядеть, приборы радиотелескопов вполне способны увидеть такие «цвета».

Массив радиотелескопом ALMA, с помощью которых был открыт фосфин на Венере ALMA
Массив радиотелескопов ALMA, с помощью которых был открыт фосфин на Венере

Фосфин открыли именно так — при помощи пары радиотелескопов, регистрирующих волны миллиметрового диапазона (ALMA и телескопа Джеймса Максвелла). Метан на Марсе обнаружили совсем другими, куда менее масштабными средствами — бортовыми спектрометрами искусственных спутников Марса и марсоходов. Их спектрометры (приборы, измеряющие поглощение электромагнитных волн) гораздо меньше, чем в случае радиотелескопов (и уже поэтому работают не так хорошо). И, главное, их нельзя «откалибровать» — проверить надежность работы их приборов в чисто марсианских условиях в лаборатории.

Радиотелескопы же работают в земных условиях, и их поведение и возможные ошибки исследованы учеными чрезвычайно хорошо. Оба радиотелескопа нашли в облачном слое Венеры, на высоте 53−61 километр, что-то, что поглощает волны длиной точно в 1,123 миллиметра. Фосфин имеет именно такую полосу поглощения — то есть поглощает электромагнитные волны именно такой длины.

Спутать фосфин с чем-то еще крайне сложно: такая полоса поглощения — весьма далека от типичной для газов, имеющихся на Венере. Это заметно отличает ситуацию от марсианского метана, где полосы поглощения углекислого газа и озона могут быть опасно близки к полосе поглощения метана.

Фосфин на Венере не может быть стабильным по определению, поскольку при высокой температуре он должен разлагаться очень быстро. На поверхности планеты — за четверть часа (там +460 °C), а в облачном слое, где от +10 до +70 °C — за год-другой. То есть он должен непрерывно пополняться из какого-то источника. Молекула фосфина состоит из одного атома фосфора и трех — водорода, поэтому для создания такого соединения нужна очень высокая температура (без нее он не может образоваться, хотя слишком длительный нагрев меньшей силы и может привести к его разложению) или очень хорошие катализаторы, снижающие энергетические требования к такой реакции. Известен только один тип катализаторов, позволяющих образовывать фосфин при +10−70 °C, — органические (относящиеся к углеводородам или их производным). Именно они образуют его на земных болотах, в кучах пингвиньего гуано и других подобных местах. Катализаторы эти содержатся внутри земных микробов-анаэробов (то есть способных жить в бескислородной среде).

На Венере нет температур в тысячи градусов, и вне контекста извержений вулканов фосфину там негде взяться. При извержениях венерианских вулканов (да, они там есть, их извержения надежно открыты уже в XXI веке) теоретический потолок образования фосфина в 200 раз меньше, чем наблюдается радиотелескопами в реальности. Другая проблема: извержения вулканов не дают облака высотой в 50−60 километров. Если подпитка идет от вулканов, то следы фосфина должны быть и ниже облачного слоя — а их нет. Выходит, что бы ни было источником загадочного фосфина, оно содержится только в венерианских облаках.

Однако там пока не удалось обнаружить источников фосфора — и это логично. В условиях этих облаков фосфор (как и на Земле, где сходные температура и давление) твердый — то есть должен банально падать вниз, покидая облака. Есть только один логичный ответ, как он там может удерживаться, — в составе молекул типа ДНК, куда фосфор входит неизбежным и важным компонентом. Если фосфор в местных облаках действительно входит во что-то типа ДНК — значит, там есть жизнь Именно такое предположение и сделал ряд американских ученых в своей публикации в журнале Astrobiology.

Как может жизнь плавать в серной кислоте?

На первый взгляд, гипотеза исследователей из США кажется очень странной. Как в облаках Венеры может быть жизнь, когда 85% состава их капелек — это серная кислота и лишь 15% — вода? Разве кислота не растворит оболочку любого микроба, который вдруг попал бы в такие условия?

Снимки поверхности планеты, сделанные советским аппаратом
Снимки поверхности планеты, сделанные советским аппаратом «Венера-13»

На деле, однако, все далеко не так плохо, как может показаться. В 1985 году, почти полвека назад, СССР впервые в истории исследовал другую планету с помощью чисто атмосферных летательных аппаратов — двух аэростатов в рамках миссии «Вега». За пару суток они проделали почти кругосветку по Венере, в том числе через ее облачный слой. Могли бы летать и больше, но аккумуляторы той эпохи заряд большее время просто не держали, отчего аэростаты плавно снизились к поверхности. Чтобы серная кислота облачного слоя не разъела оболочку аэростатов, ее сделали из органического соединения — тефлона (фторпласт-4). Возможно, аналогичное по свойствам кислотостойкое покрытие могут иметь и микробы. Тем более что на Земле есть места, где бактерии выживают в геотермальных источниках с огромной кислотностью.

Более того: американские ученые предполагают, что микробы в венерианских облаках на самое деле могут быть источником серной кислоты, а не ее жертвой. По их расчетам, на 50−60 километрах в венерианской атмосфере фотосинтезирующие организмы вполне могут жить внутри таких капелек. Используя энергию солнечного света, они могут брать молекулу воды и сернистого газа (его немало в облачном слое, туда он поступает от вулканов), чтобы производить из них серную кислоту.

Со временем капли серной кислоты (за счет конденсации или выделений все новой кислоты гипотетическими микробами) становятся все крупнее, отчего неизбежно опускаются вниз. Но внизу слишком жарко: от этого молекула серной кислоты H2SO4 снова распадается на сернистый газ (SO3) и воду (H2O). Дальше и то и другое с восходящими потоками снова поднимается вверх, где гипотетические фотосинтезирующие организмы облачного слоя Венеры снова делают из них серную кислоту — после чего цикл повторяется.

Как мы видим, это почти полный аналог земного цикла, при котором растения делают из углекислого газа (СО2) и воды (Н2О) сахара, которые затем поедают животные, разлагая обратно на воду и углекислый газ. Только в венерианской схеме нет места животным, что, учитывая ограниченную по размерам (один облачный слой) экологическую нишу, вполне нормально.

Почему «Роскосмос» хочет лететь на Венеру и тем же рейсом — еще и на Каллисто?

Каллисто, один из спутников Юпитера По размеру он равен Меркурию, но куда легче, поэтому гравитация на нем в восемь раз слабее земной и заметной атмосферы нет Внутри спутника находится водный подповерхностный океан NASA
Каллисто, один из спутников Юпитера. По размеру он равен Меркурию, но куда легче, поэтому гравитация на нем в восемь раз слабее земной и заметной атмосферы нет. Внутри спутника находится водный подповерхностный океан

Сразу после выхода новостей насчет обнаружения на Венере фосфина в прессе выступили представители «Роскосмоса». Они отметили, что к концу 2020-х — началу 2030-х годов планируется запустить в космос ядерный буксир «Нуклон» с полноценным реактором мегаваттного класса на борту. Он сначала долетит до Венеры, оставит около нее исследовательские зонды, а затем отправится к спутнику Юпитера Каллисто — благо энергетические возможности ядерного буксира вполне позволяют такие маневры.

Было заявлено и то, что у госкорпорации есть проект возврата с поверхности Венеры образцов грунта (а равно и забора проб атмосферы из облачного слоя). Для решения этих задач планируется посадить на поверхность планеты аппарат, который возьмет пробу грунта, затем поместить ее на развертываемый аэростат, который поднимется в облачный слой. Далее тот же аппарат возьмет пробы их атмосферы, просто забрав насосом забортную смесь газов, и затем небольшая ракета, подвешенная к аэростату, сможет стартовать оттуда к Земле и доставить сюда нужные пробы. Предположительно в такой схеме можно будет надежнее понять, есть ли жизнь в венерианских облаках.

Осуществима ли такая схема технически? Вероятно, да — она не противоречит законам физики. Но есть нюанс: для возврата груза с любой планеты требуется очень немалая масса возвращающей образцы ступени. Например, в 1970-х советская станция «Луна-24» вернула с поверхности Луны 160 грамм проб грунта. Масса возвратной ступени и спасаемого аппарата при этом составила 549 килограмм. Но на Луне гравитация в шесть раз слабее земной, а на Венере — только на одну десятую. Энергетические затраты возвратной ракеты при росте силы тяжести растут не линейно, а куда быстрее — по степенному закону. То есть минимальная масса возвращающихся ступеней будет равна тоннам.

Но чтобы посадить возвращающиеся ступени, не разбив их и не спалив быстрым торможение в атмосфере, нужна посадочная ступень. При тяжелой возвратной она тоже быстро набирает массу. Для «Луны-24» общая масса аппарата в целом была 5,8 тонны, отчего ее вывод потребовал ракеты «Протон». Для аналогичной миссии на Венеру надо будет запустить к ней буквально десятки тонн. Но у России просто нет ракет, которые могли бы это сделать, — и даже будущая тяжелая «Ангара» для этого недостаточно сильна. Выходит, без ядерного буксира типа «Нуклон» и в самом деле не обойтись.

Проблема в том, что на сегодня его проработка сводится к отработке наземных макетов. Учитывая, что речь идет о принципиально новом проекте, не имеющем аналогов в земной истории, не похоже, что «Роскосмос» всерьез нацелен на его реализацию в обозримом будущем. Нельзя рассчитывать на практическое использование атомолета в 2030 году и одновременно не идти дальше макетных испытаний в 2020 году. Десять лет — не слишком большой срок для создания настолько новой техники.

База на Каллисто в представлении художника NASA
База на Каллисто в представлении художника

Возникает вопрос: как к этому относиться? Зачем «Роскосмос» уже в 2020 году обещает нам то, для выполнения чего у него нет техники? Да еще и не торопится ее создавать? Понять смысл происходящего помогает другой тезис представителей госкорпорации: что многие ученые считают Каллисто перспективным местом для создания постоянной базы. Напомним: на поверхности Каллисто космическая радиация для находящегося там человека — 0,0001 зиверта в сутки или 0,365 зиверта в год. Рекомендованная доза облучения по стандартам NASA и «Роскосмоса» — 0,5 зиверта в год. Выходит, на Каллисто она вроде бы не такая уж и большая, но, например, на поверхности Марса она составляет 0,23 зиверта в год, в полтора с лишним раза меньше. И это логично: на Марсе есть атмосфера, и там дальше от опасных радиационных поясов Юпитера.

Мы сравнили Каллисто с Марсом не просто так: ранее люди из российской космической отрасли пытались критиковать планы Илона Маска на полет к Марсу именно на основе того, что угроза радиации на этом пути якобы чрезмерно велика. Игорь Митрофанов из Института космических исследования РАН прямо утверждал: «На это нельзя пойти, это будет противоречить, условно говоря, нормам охраны труда, поскольку это не военная обстановка, отправлять людей на такой риск просто никто не разрешит. Если Маск отправит людей, их родственники смогут подать на него в суд». Интересная складывается ситуация: отправлять людей для создания базы на Марсе нельзя, ибо 0,23 зиверта в год — это якобы много (как мы отметили выше — нет), а к Каллисто, где радиация заметно сильнее, — можно. В чем логика? Наиболее вероятный ответ прост: логика в том, что к Марсу хочет лететь Маск, к которому особой любви «Роскосмос» испытывать не может (он отобрал у госкорпорации немало коммерческих пусков). А вот к Каллисто Маск желания лететь не изъявлял. К тому же лежит Каллисто дальше Марса, то есть миссия туда будет с точки зрения пиара смотреться выгоднее, чем к четвертой планете. Всегда выгоднее пытаться сделать что-то первым, чем повторять за другим, — так, к сожалению, думают многие специалисты по пиару.

Пример с Каллисто показывает: пока «Роскосмос» играет в войну слов, а не дел. Всерьез госкорпорация еще не рассматривает миссию ни на Венеру, ни к Каллисто. Речь идет лишь о словесных интервенциях, призванных поддержать ее имидж в глазах населения России и ее руководства.

Сработает ли это? По логике, не должно, поскольку несерьезность заявленных планов очевидна. Однако, судя по несменяемости руководства «Роскосмоса», возможно, оно знает о словесных интервенциях в адрес руководства страны заметно больше, чем мы.