Действительно ли фосфин говорит о населенности Венеры и почему Россия решила резко активизировать свои венерианские планы?

Недавнее открытие биомаркера фосфина в атмосфере Венеры породило немало споров – есть ли там жизнь? С этим пока не все ясно. Но определенно ясно то, что Роскосмос учится использовать хайп в целях пиара – госкорпорация уже предложила взять пробу вещества этой планеты. Для этого она откажется от совместного с NASA проекта «Венера-Д» (Д — значит, Долгоживущая), и заменит его «своим». Но есть ли повод для такой спешки? О чем на самом деле говорит фосфин в облаках второй планеты? И, главное, справится ли Россия с забором образцов оттуда? Попробуем разобраться.

Что обнаружили

Согласно научной работе, вышедшей в Nature Astronomy, на высотах в 50-60 км на Венере обнаружен фосфин – газ с формулой РН3. Концентрация его была невелика, лишь 20 частей на миллиард, незначительно выше, чем метана на Марсе, но оспорить сам факт регистрации очень трудно.

СМИ – в этот раз весьма корректно – отписали, что это очень вероятный признак жизни. Стоит разобраться, почему. Во-первых, фосфин весьма химически активен. В итоге он разлагается при повышенной температуре на чистый фосфор и водород, из атомов которых и состоит. Во-вторых, фосфор после этого в условиях венерианских облаков должен элементарно падать вниз, где никакого водорода, заметим, нет – то есть из мест, где его заметили земные телескопы, фосфин должен постоянно исчезать. В-третьих, что особенно важно, на Земле этот газ до появления людей образовывался только одним способом – в результате деятельности анаэробных бактерий.

К сожалению, газ этот даже на Земле настолько редкий, что выяснить, какие именно бактерии его производят, сложно. Однако то, что у нас он в основном биогенный – факт, поскольку появляется буквально на каждой свалке или у любой большой кучи навоза. И там, и там бурно размножаются анаэробные микробы (бактерии и, в меньшей степени, археи), но никакие неорганические процессы, способные породить такое соединение, там не идут.

Возможна ли наработка фосфина небиогенным путем в принципе? Да, безусловно: например, его следы есть в атмосфере Юпитера. Но расчеты показывают, что для его получения без участия живых существ, с их сложными каталитическими процессами, нужно огромное количество энергии.

В случае Юпитера понятно, откуда она может взяться: фосфин там поднимается из недр планеты, где температуры измеряются тысячами градусов, что позволяет фосфору вступать в реакцию с водородом, весьма распространенном на газовых гигантах. В итоге неизбежно образуется именно фосфин. Но на Венере намного прохладнее, чем в юпитерианских недрах, а главное — в ее атмосфере почти нет свободного водорода.

Панорамные фото Венеры, сделанные одним из советских спускаемых аппаратов / ©Роскосмос

Чисто теоретически, фосфин на Венере может выбрасываться вулканами (хотя на Земле в заметных масштабах это не происходит). Однако авторы работы в Nature Astronomy корректно замечают, что нужный для этого масштаб извержений должен быть в сотни раз выше земного. И это если исходить из самых оптимистичных оценок живучести фосфина в атмосфере второй планеты. Но на Венере нет следов текущей вулканической активности в сотни раз выше земной. Кроме того, в нижних слоях ее атмосферы фосфин, из-за высокой температуры, должен распадаться в течении часа, то есть почти сразу после извержений.

Из-за всего этого еще в 2019 году исследователи из Массачусетского технологического института (США) в своей работе в журнале Astrobiology предложили искать фосфин на экзопланетах земного типа как признак наличия там жизни. Именно по ее следам организовали анализ спектров венерианской атмосферы – и обнаружили там этот газ.

Но как же быть с «адскими условиями на Венере», где «не может быть ничего живого»?

Читатель вправе усомниться. В школе рассказывают, что на Венере +462 °C по Цельсию, то есть теплее точки плавления свинца. А давление в 93 раза выше, чем на поверхности Земли – если туда поместить сосновый кубик, его сожмет в два раза, на Земле такое же давление в 930 метрах под водой. Какая жизнь может существовать в таких условиях?

Однако никакого парадокса тут нет. Дело в том, что на высоте 50-60 километров Венера, как установили еще советские зонды полвека тому назад, имеет примерно земные температурные условия: например, на 55 километрах там неизменно 21 градус по Цельсию. Днем и ночью, зимой и летом – благо из-за плотности венерианской атмосферы сезонных и суточных колебаний температуры там просто нет. Давление на 55 километрах равно половине земного на уровне моря – или такое же, как у нас на 5,5 километрах. Это вполне приемлемо для земных микробов, и даже некоторые альпинисты, после длительной адаптации, вполне действуют при таком давлении.

Именно из-за примерно земных температур и давления облака Венеры уже очень давно предложили как возможную зону колонизации. Дело в том, что, с точки зрения здоровья колонистов, главным ресурсом других планет считают наличие на них приличной гравитации. Иначе нужны или центрифуги для повышенного тяготения во время сна, или смирение перед процессами деградации костной и мышечной ткани живущих там людей. Венерианский уровень гравитации – 90,4% от земного, и в этом плане лучшего объекта для колонизации в этой системе нам не найти.

При этом, в отличие от Марса, на высоте 55 километров колонистам не потребуются ни подогрев, ни охлаждение: достаточно будет поддерживать аэростаты с их «воздухоплавательными« городами на одной и той же высоте. Уровень солнечного освещения на 55 километрах даже чуть выше земного, то есть в прозрачных галереях на «спине» гигантских дирижаблей вполне можно будет выращивать земные растения. На высоте 100 километров там есть озоновый слой, хотя и много тоньше земного.

Конечно, на 55 километрах уровень ультрафиолета выше «нашей» нормы, но обычное стекло легко блокирует его до значений ниже земных. Хотя серьезного магнитного поля у второй планеты нет, уровень космической радиации там довольно низок: ведь атмосфера, как и на Земле, эффективно поглощает космические лучи. В общем, как отмечает Джеффри Лэндис из NASA: «Атмосфера Венеры – самая землеподобная среда в Солнечной системе (после Земли)».

Кстати, когда мы говорим «аэростат», это вовсе не значит, что для такой колонизации потребовались бы специальные легкие газы, которыми наполняют аэростаты на Земле. На самом деле, для этого даже не нужен аэростат в привычном нам смысле слова.

Дело в том, что обычный земной воздух намного легче венерианского – почти чистого углекислого газа. Поэтому простая гермооболочка, наполненная банальным воздухом, будет плавать в атмосфере Венеры. А при наличии компактного атомного реактора и/или растений в прозрачных галереях колонисты всегда смогут получить кислород из окружающего колонию-аэростат углекислого газа газовой оболочки второй планеты.

Работники NASA констатируют, что километровая шарообразная гермооболочка на Венере будет иметь подъемную силу в 0,7 миллионов тонн – вполне достаточную, чтобы поддержать немалых размеров поселение. Двухкилометровый шар будет поднимать уже примерно шесть миллионов тонн.

Остается последнее возражение: венерианские облака содержат капельки серной кислоты. Не разъест ли она конструкции такой колонии? На этот вопрос давным-давно ответили советские инженеры. Еще в 1985 году созданные ими аэростаты вполне успешно исследовали облачный слой Венеры, и при этом их оболочка была сделана из тонкого слоя обычнейшего тефлона.

Тогда, впервые в истории землян, два аэростата пару суток подряд смогли исследовать другое небесное тело, проделав над ним путь в одиннадцать тысяч километров, прежде чем опустились (следуя плану) на поверхность планеты. В процессе они заметно уточнили наши представления об облачном слое планеты, а также открыли наличие на Венере сильных гроз.

Кстати, на сегодня – спустя 45 лет – человечество так и не смогло повторить советское достижение. Ни разу с 1980-х годов летательным аппаратом аэростатного, самолетного или вертолетного типа так и не удалось исследовать другую планету. Лишь в ближайшие годы миниатюрный дрон американского марсохода сможет начать экспериментальное трехминутные полеты на Марсе.

По сути дела, советские миссии показали, что любой человек в тефлоновом костюме с кислородным аппаратом может прогуливаться на поверхности колонии-аэростата безо всякого космического скафандра – а вот на Марсе и Луне, как мы уже писали, нужда в таких скафандрах – очень большая и трудно решаемая проблема.

Откуда там взяться жизни?

Итак, в принципе, фосфин на второй планете действительно может быть продуктом жизнедеятельности анаэробных бактерий – по крайней мере, науке на сегодня неизвестны небиогенные процессы, которые могли бы образовать его там. Но возникает другой вопрос: а откуда на Венере такие микроорганизмы?

Конечно, соблазнительно было бы предположить, что их принесли сами земляне. Целый ряд советских спускаемых аппаратов – да и те же аэростаты – проходили дезинфекцию, которая, как известно сегодня, недостаточна для того, чтобы убить наиболее живучие земные бактерии и археи. Но это достаточно сомнительно: многие анаэробные микробы плохо переносят насыщенный кислородом воздух, поэтому их наличие в сборочных цехах «НПО им. Лавочкина» в советскую эпоху представляется маловероятным.

Есть куда более простое объяснение. В 2016 году выяснилось, что в ранней стадии истории Солнечной системы Венера могла быть существенно более пригодной для возникновения жизни, чем Земля. Ведь сутки на второй планете нашей системы в 243 раза длиннее нынешних земных – а это крайне мощный охлаждающий фактор планетарного климата.

Согласно расчетам американских и шведских исследователей, 2-3 миллиарда лет назад Венера могла выглядеть примерно так, то есть иметь глобальный океан, покрывающий основную часть ее поверхности / ©Wikimedia Commons

Длинная ночь означает, что куда большая, чем на Земле, часть тепла, полученного от солнечных лучей, будет переизлучена в космос в виде инфракрасного излучения. То есть хотя Венера и получает почти в полтора раза больше солнечной энергии, чем наша планета, но при земном составе атмосферы она имела бы среднюю температуру, равную нашей.

Более того, 0,7-2,9 миллиарда лет тому назад эта температура должна была быть даже чуть ниже, чем на сегодняшней Земле – примерно как у нас 15 тысяч лет назад, то есть около плюс 11 по Цельсию. По расчетам американских и шведских исследователей, в ту пору океанами и морями было покрыто до 60% поверхности второй планеты, а атмосфера была в основном азотной – как и на ранней Земле. По мнению некоторых исследователей, нельзя исключать, что именно на Венере впервые в Солнечной системе и возникла жизнь.

Но как она могла там уцелеть?

Как известно, в последние сотни миллионов лет на Венере начались гигантские извержения, выбросившие в атмосферу огромное количество углекислого газа. Он поднял температуру выше плюс 450 по Цельсию, в результате океаны и моря планетой давно потеряны, и ее поверхность больше не пригодна для жизни земного типа. Получается, даже если эта планета и была прародиной жизни в нашей системе, сейчас она должна стать мертвой. Даже относительно благоприятные условия в облачном слое не помогут: ведь жизнь не может витать в облаках сотни миллионов лет подряд. Или все-таки может?

Ответ на этот вопрос в другой публикации попробовала получить группа во главе с Сарой Cиджер (Sara Seager), одним из авторов и недавней работы по венерианскому фосфину. Вместе с соавторами она обратилась к итогам исследования тропо- и стратосферы Земли и выяснила, что микробы там есть до высоты в десятки километров, причем вплоть до верхней части тропосферы – где температура и давление куда ниже, чем в венерианских облаках – они сохраняют метаболическую активность. Следов деления у них там не нашли, но надо понимать, что исследовать одноклеточные в таких условиях крайне сложно, поэтому такое деление (размножение) исключать никак нельзя.

Но проблема в том, что облака Венеры состоят в основном из серной кислоты (не менее, чем на 85%). Водяной пар там тоже есть, но в концентрации 40-200 частей на миллион, что исключительно мало. Скажем, на Земле самый сухой воздух в Атакаме – но и там относительная влажность 2%, а в облаках Венеры – 0,07%. В таких условиях вода, в принципе, все равно может концентрироваться в количествах, формально достаточных для выживания – в каплях серной кислоты, составляя примесь, которая не превышает 15%. Кроме того, в этих каплях молекулы воды как бы «привязаны» к молекулам серной кислоты, и поэтому их использование для любой потенциальной местной жизни затруднено.

И тем не менее, отрицать вероятность существования жизни даже в таких условиях нельзя. Во-первых, в облаках Венеры давным-давно нашли сероводород и сернистый газ, которые реагируют друг с другом. И поэтому, строго говоря, не могут существовать без внешней подпитки за счет каких-то необычных химических реакций. Там же найден и карбонила сульфид (O=C=S).

На Земле это соединение – четкий биомаркер, по изменению следов которого в атмосфере исследователи полярных ледовых кернов могут точно определить, как меняется биомасса на нашей планете с течением времени. Кроме того, получить карбонила сульфид не биогенно очень сложно, и до появления промышленности он на планете производился исключительно живыми организмами – в силу наличия у них крайне эффективных катализаторов.

Наконец, отмечает Сиджер с соавторами, на снимках в УФ-диапазоне видно, что в облаках Венеры есть какие-то непонятные образования, поглощающие ультрафиолет – основную его часть, достигающую этого слоя атмосферы. Размеры этих частиц варьируют в микрометровом диапазоне (на нашей планете такие размеры часто имеют бактериальные споры) до еще больших. Это, вкупе с наличием на Земле фотосинтезирующих анаэробных микроорганизмов, использующих вместо углерода серу, в принципе позволяет ожидать, что какие-то возможности для фотосинтеза есть и в венерианских облаках.

Ей не сможет помешать относительно высокий ультрафиолет – напротив, на Земле есть живые организмы (грибы Cryptococcus neoformans), использующие ионизирующее коротковолновое излучение как источник энергии. Более того, отмечает Сиджер, на нашей планете такие любители радиации встречаются как в природе (антарктические горы), так и в техногенной среде (компоненты систем охлаждения атомных реакторов, МКС). То есть для многих живых организмов ультрафиолет – не проблема, а источник полезной энергии.

Из всего этого ее группа делает вывод: на Венере возможно существование жизни в облаках, но жизнь это необычная, более напоминающая земной «серный» фотосинтез без доступа к кислороду, нежели что-то еще. Жизненный цикл таких микробов-фотосинтетиков прост: в облачном слое они, за счет гидрофильной оболочки, становятся центром образования капелек из серной кислоты и воды. Затем начинают фотосинтезировать, используя находящийся вокруг них сернистый газ (SO3) и воду. Из их молекул они производят H2SO4 ту самую серную кислоту, из которой, собственно, и состоят в основном местные облака.

Фосфор, как и, например, железо, – неизбежный участник жизненного цикла самых разных организмов, поэтому в ходе ряда реакций он может, в следовых количествах, выделяться в виде фосфина, который и нашли исследователи с помощью телескопов.

Кстати, мы не зря упомянули железо: советские аппараты, включая аэростаты, нашли внизу облачного слоя следы хлора. Между тем, как отмечает Сиджер, от поверхности планеты с восходящими потоками поднимает хлорид железа. Если местные микробы используют это железо, они неизбежно должны выбрасывать в окружающую среду какие-то количества свободного хлора.

Жизненный цикл гипотетических венерианских микробов в представлении группы Сиджер. Те, что опускаются ниже облачного слоя, погибают от холода, но их споры с конвекцией в ряде случаев снова вернутся на высоту / ©Wikimedia Commons

Сиджер и соавторы приводят и пример существа, близкого к возможной венерианской жизни – фотосинтезирующего прокариота Prochlorococcus. Это очень небольшой организм, диаметром 0,5-0,7 микрометров, у которого, из-за бедной фосфором среды обитания, внешняя стенка состоит из соединений серы и сахаров. 99% липидов в составе клеточной мембраны у этого организма вместо фосфатных групп включают сульфатные – и сходная адаптация имела бы смысл на Венере, с ее дефицитом фосфора и избытком серы.

Капли, в которых находятся такие фотосинтезирующие организмы, нарабатывающие серную кислоту, со временем растут в размерах (за счет окружающих паров серной кислоты и воды) и начинают опускаться вниз. При этом местные организмы должны переходить в фазу производства спор, а затем – погибать. Восходящие потоки неизбежно поднимут часть капель на высоту, где часть спор сможет дать начало новому жизненному циклу в венерианских облаках.

Разумеется, подобная среды будет весьма непростой для выживания. На Земле нет мест, где бактерии или археи могли бы жить в серной кислоте, слегка разбавленной водой. Поэтому мы достоверно не знаем, способны ли они защитить себя от воздействия кислот в таких условиях. Но и исключать этот сценарий заранее невозможно.

Адекватна ли реакция Роскосмоса? Стоит ли венерианский мираж разрыва отношений с NASA?

Итак, мы установили, что жизнь на Венере, в принципе, возможна. А вот с некоторыми аспектами деятельности разумной жизни на Земле вопросы все еще остаются.

15 сентября 2020 года на сайте Роскосмоса появилось сообщение, реагирующее на открытие фосфина и утверждающее:

«…принято решение о реализации ранее запланированной миссии «Венера-Д», включающей посадочные и орбитальные модули, в качестве независимого национального проекта без широкого привлечения международной кооперации. В рамках комплексных исследований планеты среди прочего будут изучены пробы ее грунта и атмосферы, а также исследована природа эволюционных процессов Венеры, перенесшей ранее, как утверждается, климатическую катастрофу, связанную с парниковым эффектом, о котором сегодня так много говорят применительно к Земле».

Что это? Прекрасно известно, что бюджет Роскосмоса в полдюжины раз меньше, чем у NASA. Так какой смысл отказываться от сотрудничества с Агентством, ранее предусмотренным в составе программы «Венера-Д»? Однако при внимательном взгляде на вопрос причины отказа от кооперации понять становится значительно проще.