Откуда на Марсе кислород?

Когда инструменты марсохода NASA Curiosity, находящегося на Красной планете с 6 августа 2012 года, зафиксировали в разреженной атмосфере присутствие молекулярного кислорода (O2), это стало неожиданностью.

Сегодня известно, что на кислород приходится всего около 0,13–0,16% от объема марсианской атмосферы, состоящей на 95% из углекислого газа (CO2). Это ничтожно мало по земным меркам, но факт его присутствия заслуживает особого внимания.

Итак, откуда на холодной и сухой планете, где нет ни растений, ни водорослей, ни каких-либо других организмов*, способных к фотосинтезу, взялся O2, запасы которого пополняются?

*По сей день никаких убедительных доказательств существования жизни на Марсе нет. Поэтому исходим из этого факта.

Фотохимия атмосферы

Исследования показывают, что основным источником кислорода на Марсе являются фотохимические процессы, протекающие в верхних слоях атмосферы. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы CO2 и небольшого количества водяного пара (H2O) распадаются, высвобождая атомы кислорода. Часть этих атомов ненадолго объединяется в молекулы O2, которые после череды фотохимических реакций снова оказываются связанными в составе CO2.

Данная модель прекрасно объясняет присутствие кислорода в марсианской атмосфере. На этом можно было бы и закончить статью, но...

Загадочные сезонные колебания

В 2019 году Curiosity, продолжая свою работу в кратере Гейла, обнаружил, что колебания уровня кислорода в атмосфере демонстрируют более сильную сезонную зависимость, чем предсказывает фотохимическая модель. Так, в весенне-летний период уровень O2 возрастает почти на 30%, а осенью и зимой возвращается к исходным значениям.

В попытках объяснить эту аномалию ученые выдвинули две гипотезы:

Роль марсианского грунта

Марсианский реголит насыщен перхлоратами — солями, содержащими кислород в связанном виде. Лабораторные эксперименты вкупе с моделированием показывают, что под воздействием радиации такие соединения могут разлагаться, высвобождая реакционноспособные кислородсодержащие продукты, включая молекулярный кислород.

Пока доподлинно неизвестно, может ли этот механизм полностью объяснить наблюдаемую сезонность, но на роль потенциального источника "дополнительного" кислорода он определенно подходит.

Подповерхностная вода и радиолиз

Вторая гипотеза связана с залежами подповерхностного льда и возможным наличием карманов с рассолами — локальных скоплений воды с очень высокой концентрацией растворенных солей, что позволяет ей оставаться жидкой даже при очень низких температурах.

Учитывая, что Марс лишен надежной магнитосферы и плотной атмосферы, поверхности достигает большое количество космической радиации, которая, проникая в грунт, способна расщеплять молекулы воды — процесс, известный как радиолиз. В результате образуются кислородсодержащие соединения, способные вносить вклад в наблюдаемую сезонную изменчивость кислорода в атмосфере Марса.

Однако прямых доказательств того, что именно этот процесс заметно влияет на сезонное содержание O2 в атмосфере Марса, пока нет.

Может быть, это жизнь?

Несмотря на то, что традиционно кислород считается одним из лучших биомаркеров, на Марсе его концентрации крайне малы, чтобы приписывать ему биологическое происхождение. То, что было зафиксировано, без проблем укладывается в "абиогенные рамки" — фотохимия, поверхностная и радиационная химия.

Поэтому интерес ученых вызывает не сам факт присутствия O2, а его необычное поведение. Понимание этого механизма позволит лучше понять химические процессы, происходящие на Красной планете сегодня. Следовательно, это поможет уточнить оценки того, насколько Марс вообще мог быть пригоден для жизни в прошлом.

В конце концов, поиски возможных следов марсианской жизни должны начинаться с понимания того, располагала ли когда-нибудь планета-соседка условиями, подходящими для ее зарождения. И пока однозначного ответа нет.

История мифической планеты Вулкан

В XIX веке астрономы столкнулись с проблемой, которая выглядела как мелкая погрешность, но вела к далеко идущим выводам. Наблюдения показывали, что орбита Меркурия медленно поворачивается в пространстве: точка перигелия смещается примерно на 574 угловые секунды за столетие. Однако ньютоновская (классическая) механика предсказывала смещение на 531 угловую секунду, связанное с гравитационным влиянием других планет Солнечной системы.

Оставшийся "хвостик" в 43 угловые секунды за столетие некоторые ученые того времени связали с еще одним источником тяготения, который пока никому не удавалось наблюдать напрямую. Так родилась гипотеза о планете Вулкан — невидимом теле между Солнцем и Меркурием. Объяснение звучало довольно убедительно: планета небольшая, наблюдать ее трудно из-за яркости Солнца, но когда появятся новые телескопы и более чувствительные инструменты, существование Вулкана непременно будет подтверждено.

Впрочем, далеко не все пытливые умы человечества разделяли эту концепцию. Появилась более смелая мысль: возможно, проблема не в "скрытой планете", а в том, что наша теория гравитации в ее классическом виде может быть неполной.

Ответ был найден уже в XX веке. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна дала естественное объяснение аномалии: возле массивного тела (Солнца) пространство-время искривляется, и орбита планеты (Меркурия) прецессирует сильнее, чем предсказывает ньютоновская модель. Те "лишние" 43 угловые секунды за столетие оказались не доказательством существования еще одной планеты, а прямым эффектом релятивистской гравитации, в рамках которой гравитация рассматривается не как сила, а как результат кривизны пространства-времени, вызванной массой-энергией.

Что между Солнцем и Меркурием на самом деле

Планеты Вулкан не существует, но это не значит, что пространство между Солнцем и Меркурием должно быть абсолютно стерильным. Теоретически внутри орбиты Меркурия есть область динамической устойчивости, где могли бы существовать "вулканоиды" — небольшие астероиды, вращающиеся на относительно безопасном расстоянии от светила.

Их искали в данных космических аппаратов и специализированных солнечных обсерваторий, но ничего массивного не нашли. Современная астрономия исключает существование вулканоидов диаметром более шести километров, поэтому если между Меркурием и Солнцем что-то и вращается, то это очень малые небесные тела, которые просто теряются в солнечной засветке.

История Вулкана — важное напоминание: если наблюдения не сходятся с расчетами, не нужно торопиться с радикальными объяснениями. Иногда это говорит о том, что теория, находящаяся у нас на вооружении, описывает реальность не полностью и требует пересмотра.

Яркий пример — наблюдения космического телескопа NASA "Джеймс Уэбб", который обнаружил "невозможные" зрелые галактики в ранней Вселенной. Это не доказательство того, что Большого взрыва не было, но серьезный аргумент в пользу того, что наше понимание зарождения и эволюции галактик нуждается в уточнении.

Сакура, которая побывала в космосе

На снимке — цветение сакуры под звездным небом Японии, запечатленное в 2015 году. История дерева, часть которого видна на переднем плане, отличается от обычного жизненного цикла его "сородичей".

В 2008 году семя будущего дерева отправили на Международную космическую станцию (МКС). Там оно провело около восьми месяцев — в условиях микрогравитации и при повышенном по сравнению с Землей уровне радиации.

По возвращении на Землю семя посадили, и спустя годы из него выросло внешне вполне обычное дерево. Никаких светящихся листьев, обжигающей коры или специфического "космического" облика. И именно это представляет научный интерес.

Подобные эксперименты проводят не ради красивых историй. Растения — удобная модель для изучения того, как живые организмы реагируют на экстремальный стресс. Космос — суровая среда, и даже нахождение на борту МКС не сводит к нулю негативное воздействие факторов, способных влиять на деление клеток, работу генов и развитие тканей.

Даже если внешне растение не отличается от тех, что никогда не покидали планету, изменения могут скрываться глубже — в скорости роста, структуре клеток или регуляции генов. Сравнивая "космические" растения с обычными, ученые получают данные о том, насколько в принципе жизнь устойчива к выходу за пределы Земли. Сакура, ставшая центральной фигурой снимка, показала, что пребывание семени в космосе в течение довольно длительного времени не оказало заметного влияния на последующее развитие растения.

Такие эксперименты важны и с практической точки зрения. Если человечество когда-нибудь построит научные базы на Марсе, то продукты питания придется выращивать на месте. Не секрет, что условия на Красной планете сильно отличаются от земных. Гравитация там ниже, уровень радиации значительно выше, продолжительность суток и сезонные циклы иные. Все это будет оказывать непредсказуемое влияние на рост растений, обмен веществ и работу клеток. Поэтому любые эксперименты, которые показывают, как живые организмы реагируют на непривычную среду, имеют практическую ценность.

История этой сакуры, побывавшей в космосе, — это небольшой, но важный шаг в понимании того, сможет ли однажды земная жизнь укорениться за пределами нашей планеты.

Существует ли кракен на самом деле?

Гигантские щупальца, способные поднимать и раздавливать корабли. Глаза величиной с бочонок. Тело больше синего кита...

Примерно так моряки прошлых веков описывали кракена — чудовище, которое якобы всплывало из морской пучины, сеяло первобытный ужас и утягивало суда на дно. Тут уже не помогали ни опыт, ни закалка — судьба людей оказывалась в щупальцах монстра.

Но насколько такие истории правдивы? Может ли в Мировом океане скрываться нечто подобное с точки зрения современной биологии?

Важно признать, что глубины Мирового океана крайне сложно изучать. По мере погружения давление растет лавинообразно: на нескольких километрах — уже сотни атмосфер, температура падает, видимость почти нулевая, а пространства — колоссальные. Несмотря на это ученые каждый год описывают сотни новых видов, и среди них порой встречаются существа, которые выглядят так, будто сбежали со страниц фантастики.

Что нужно, чтобы вырасти до гигантских размеров?

Гигантизм — нормальное природное явление. Чтобы животное могло стать огромным, ему нужны:

• Стабильный доступ к большому количеству пищи;
• Среда, в которой не просто удобно, но и выгодно иметь крупное тело;
• Возможность свободно перемещаться и охотиться;
• Отсутствие жесткой конкуренции в занимаемой нише.

В глубинах океана часть этих факторов действительно имеется. Низкие температуры замедляют обмен веществ у многих организмов, а особенности глубинной среды иногда "подталкивают" эволюцию к порождению крупных форм. Поэтому открытие огромных животных в бездне Мирового океана не удивляет ученых.

Почему мы почти не видим таких созданий

Главная проблема не в том, что их не существует, а в том, что их трудно запечатлеть. Погружаемые аппараты и камеры ограничены по времени работы и глубине, текущее финансирование океанологии часто позволяет исследовать лишь ничтожную часть океана, да и гигантские обитатели могут быть редкими и избегать источников света и шума.

И все же прогресс идет. В начале XXI века ученым впервые удалось наблюдать живого гигантского кальмара в естественной среде, а позже находили других крупных морских обитателей, подтверждающих, что "монстры" из легенд моряков имеют реальный прототип.

Откуда взялся кракен

Наиболее правдоподобное объяснение заключается в том, что рассказы о кракене родились из встреч с гигантскими кальмарами. В шторм, при плохой видимости, среди обломков, пены, ревущего ветра и ударов волн любой контакт с крупным животным мог легко превратиться в историю, которая с каждым пересказом в портовом пабе становилась все более жуткой.

Открытый океан — неестественная для человека среда. И когда в условиях прямой угрозы жизни мы сталкиваемся с чем-то совершенно непривычным, мозг начинает достраивать картину: усиливает детали, преувеличивает масштаб и превращает увиденное в образ чудовища (проще говоря, у страха глаза велики).

Может ли быть "кракен больше синего кита"

Вот тут начинается область ограничений. Существо, превосходящее по размеру синего кита (длина взрослых особей может превышать 33 метра), должно потреблять колоссальное количество энергии. Даже если оно живет в холодной воде и его метаболизм сильно замедлен, ему все равно нужно регулярно находить очень много пищи.

Кроме того, возникает проблема механики: у мягкотелого животного нет жесткого "каркаса", поэтому чем больше оно становится, тем труднее ему сохранять форму и эффективно двигаться — ткани начинают испытывать огромные нагрузки при рывках, маневрах и захвате добычи. Например, резкий бросок в сторону косяка рыб мог бы закончиться травмами и потерей части щупалец.

Другими словами, такой кракен не смог бы эффективно охотиться, а значит — обеспечивать себя энергией. Поэтому подобный вид не удержался бы в природе достаточно долго, чтобы дождаться первых моряков в открытых водах.

Так что кракен как обитатель морских глубин чудовищного размера, поднимающий корабли, почти наверняка — выдумка. Но эта легенда скорее не о конкретном животном, а о первобытной тревоге перед неизвестным: где-то там, под километровой толщей воды, есть нечто, с чем мы еще никогда не сталкивались.

Интересный факт

Современные технологии повышают шансы находить крупных и редких обитателей Мирового океана: глубоководные беспилотные аппараты, автономные камеры, акустическое наблюдение, анализ ДНК из проб воды и обработка массивов данных с помощью ИИ позволяют выявлять следы присутствия видов до их прямого обнаружения.

Туманность NGC 346

NGC 346 — одна из самых активных "звездных колыбелей" в наших окрестностях: скопление молодых звезд подсвечивает и выдувает окружающий газ, формируя специфические нити, дуги и полости.

Эта самосветящаяся за счет ионизации собственного газа туманность, включающая рассеянное скопление, находится в Малом Магеллановом Облаке — карликовой галактике-спутнике Млечного Пути, на расстоянии около 200 000 световых лет от Земли.

На изображении хорошо виден "строительный мусор", оставшийся после вспышки звездообразования: пыль и газ, которые разогреваются, фрагментируются и расшвыриваются ударными волнами, уступая место новым светилам.

Изображение было получено космическим телескопом NASA "Джеймс Уэбб" в среднем инфракрасном диапазоне; релиз снимка — 10 октября 2023 года. Именно благодаря наблюдениям в инфракрасном диапазоне мы можем видеть множество звезд, недоступных для оптических инструментов из-за чрезвычайно плотных облаков пыли, блокирующих их свет.

Почему ядро Земли не расплавило планету?

К сожалению, мы никогда не достигали ядра Земли (и, скорее всего, никогда не достигнем), но мы многое знаем о его строении, так как располагаем замечательной наукой под названием сейсмология, а также данными гравиметрии, геомагнетизма, геохимии и лабораторных экспериментов при экстремальных давлениях.

Помимо этого, часть важных знаний о внутреннем устройстве нашей планеты мы получили благодаря подповерхностным ядерным испытаниям в период Холодной войны, которые снабдили ученых "спровоцированными" сейсмическими сигналами.

Сегодня мы можем с уверенностью сказать, что внешнее ядро Земли расплавлено, а внутреннее — твердое. Кроме того, исходя из наших знаний о распространенности химических элементов во Вселенной и о том, что с ними происходит при определенных условиях, мы знаем, что ядро состоит преимущественно из железа, которое находится под гигантским давлением.

Имеющиеся данные указывают на то, что температура земного ядра составляет примерно 6 000 градусов (тут и далее температура в градусах Цельсия), что делает его даже горячее солнечной поверхности (около 5 500 градусов). От поверхности Земли ядро отделяют порядка 3 000 километров — если бы наше светило оказалось так близко, оно тут же бы испепелило планету.

Почему же тогда более горячее ядро Земли за 4,6 миллиарда лет не расплавило ни планету, ни ее обитателей?

Ядро изолировано от поверхности огромной толщей мантии, состоящей в основном из твердых горячих горных пород, которые "текут" (мантийная конвекция) со скоростью в несколько сантиметров в год.

Несмотря на огромную температуру ядра, тепло из глубин поднимается к поверхности крайне неэффективно, так как породы плохо проводят его, а перенос за счет медленной мантийной конвекции занимает колоссальное время. Поэтому в данном случае важна не только температура ядра, но и то, сколько тепловой энергии может быть передано наружу и с какой скоростью.

В результате до поверхности доходит слишком маленький "поток" тепловой энергии, чтобы прогреть всю планету до температур плавления: Земля просто медленно теряет тепло (оно уходит в космос), а не "закипает" изнутри. При этом мантия не "плавится снизу" так, чтобы расплав постепенно поднимался все выше. В глубине давление повышает температуру плавления пород, поэтому даже при высоких температурах нижняя мантия в основном остается твердой. А там, где расплав все же появляется, он обычно не накапливается: поднимаясь, он попадает в более холодные области и частично кристаллизуется. В итоге в недрах Земли не существует "роста" океана расплава снизу вверх — возникают лишь отдельные зоны частичного плавления.

Искра бенгальского огня может иметь температуру в 1 500 градусов, но если она случайно попадет в вас, то вы, скорее всего, даже не почувствуете этого. А вот погружение в ванну с кипятком (каких-то 100 градусов) стало бы фатальным для большинства обитателей Земли, потому что у воды большая масса и теплоемкость — она успевает передать много энергии.

Тот же принцип и с Землей: "печка" спрятана очень глубоко, и тепло наружу просачивается постепенно — через конвекцию в мантии и теплопроводность пород. Поэтому планета не плавится, а медленно остывает.

Эта Киля и туманность Гомункул

В созвездии Киля, на расстоянии примерно 7 500 световых лет от Земли, находится система Эта Киля — одна из самых массивных и ярких звездных систем нашей Галактики. Масса главной звезды этой пары превышает массу Солнца более чем в 100 раз, а масса меньшего компаньона составляет около 50 масс Солнца. Светимость системы превосходит солнечную примерно в пять миллионов раз.

В 1840-х годах Эта Киля пережила так называемую "Великую вспышку" — мощнейший выброс вещества. Из-за этого система на короткое время стала второй по яркости звездой на ночном небе, уступая только Сириусу. В ходе извержения было выброшено столько газа и пыли, что этого хватило бы на формирование как минимум 20 солнечных систем. Сейчас продукты вспышки образуют характерную биполярную туманность Гомункул — два гигантских "пузыря" вещества, расходящихся в противоположных направлениях.

Этот звездный "чих" связан с тем, что доминирующим компонентом системы является сверхмассивная звезда на поздней стадии эволюции, пребывающая в режиме крайней неустойчивости. В любой момент она может завершить жизнь коллапсом ядра и взрывом сверхновой, а в одном из сценариев — даже гиперновой (например, если коллапс приведет к образованию черной дыры). Когда это произойдет, вспышка может быть настолько яркой, что ее можно будет заметить даже днем.

Изображение получено космическим телескопом NASA/ESA "Хаббл" в ультрафиолетовом диапазоне (камера WFC3); релиз — 1 июля 2019 года.

Будущее Солнца в одном снимке: туманность NGC 2440

Перед вами планетарная туманность NGC 2440, находящаяся в созвездии Корма на расстоянии около 4 000 световых лет от Земли.

Это не просто газопылевое облако в космосе, а то, что осталось от звезды, которая когда-то была похожа на Солнце: на исходе жизни она сбросила внешние слои, обнажив свое раскаленное ядро, которое начало "дожигать" окружающий материал своим мощным излучением.

Обнаженное ядро, расположенное в центре туманности, представляет собой белый карлик — самый горячий из известных с температурой поверхности около 200 000 градусов Цельсия. Для сравнения: температура поверхности Солнца около 5 500 градусов.

Этот раскаленный остаток, чья светимость в 1 100 раз превосходит солнечную, и делает туманность видимой: ультрафиолетовое излучение ионизирует выброшенный газ, из-за чего он начинает светиться.

Форма NGC 2440 не похожа на аккуратный "пузырь". Туманность сложная, асимметричная, местами словно "рваная", встречаются узлы и неравномерные струи. Связано это с тем, что звезда сбросила свои оболочки не за один заход: выбросы происходили импульсами и каждый раз в разных направлениях — поэтому туманность выглядит хаотично.

Исследование таких объектов имеет огромную ценность для прогнозирования будущего Солнечной системы. Дело в том, что мы не можем проследить эволюцию одной и той же звезды от ее рождения до гибели — жизненный цикл занимает миллиарды лет. Но солнцеподобные звезды во Вселенной представлены на разных этапах жизни: где-то они только начали "разгораться", где-то пребывают в стабильном состоянии, где-то уже раздуваются в красные гиганты, а где-то, как здесь, завершили свой эволюционный путь и оставили после себя планетарную туманность с белым карликом.

И вот, объединяя такие "кадры", полученные из разных уголков Млечного Пути, мы фактически воссоздаем хронологию событий и понимаем, какое будущее ждет наше Солнце. Пока оно находится на главной последовательности, каждый миллиард лет его светимость будет увеличиваться примерно на 10%. Уже при таком росте Земля со временем станет непригодной для жизни*, хотя простейшие организмы, скрывающиеся глубоко под поверхностью, будут продолжать существовать еще несколько миллиардов лет.

*Эволюция Солнца приведет к сильному повышению температуры на Земле, испарению всех водоемов, включая Мировой океан, и последующему росту температуры из-за усиления парникового эффекта. Земля станет подобием Венеры.

Затем, когда запасы водорода в светиле начнут заканчиваться, ядро сожмется и разогреется еще сильнее, а внешние слои звезды начнут раздуваться — Солнце перейдет в фазу красного гиганта примерно через 5–6 миллиардов лет. Это приведет к поглощению Меркурия и Венеры, хотя Земля в физическом плане может уцелеть. Затем Солнце сбросит оставшиеся оболочки, а излучение со стороны ядра ионизирует выброшенный газ, заставив его ярко светиться. Примерно через 10–50 тысяч лет окружающее облако газа станет слишком разреженным и перестанет быть видимым. И тогда на месте Солнца останется лишь медленно остывающий белый карлик.

Куда исчезают фотоны, когда гаснет свет?

Пока горит лампа, она непрерывно "насыщает" комнату новыми порциями фотонов. Они разлетаются в разные стороны, врезаются в стены, потолок, пол, мебель и другие предметы интерьера, многократно отражаются, теряют энергию и рассеиваются.

При каждом таком контакте с объектами часть света в итоге поглощается материалами — и энергия фотонов переходит в тепло, пусть и в совершенно ничтожных, но измеримых с высокой точностью количествах.

Если источник света работает постоянно, то это поглощение незаметно: лампа компенсирует потери новым потоком фотонов. Но стоит выключить свет — подпитка прекращается. Те фотоны, что уже находились в комнате, продолжают свой "пинг-понг" между поверхностями, однако очень быстро перестают быть видимым светом.

Из-за огромной скорости света этот процесс идет крайне стремительно: из одного конца комнаты в другой фотоны добираются за наносекунды (миллиардные доли секунды), а затем за микросекунды (миллионные доли секунды) подавляющее большинство из них поглощается. Невооруженным глазом человек не способен воспринимать столь короткие интервалы, поэтому нажатие на выключатель приводит к субъективно мгновенной темноте.

Куда девается энергия? Она распределяется по всем поверхностям в виде тепла. Это легко установить в рамках простого эксперимента, поднеся включенную лампу — особенно накаливания или галогенную — близко к поверхности стола.

Довольно быстро освещенное место станет теплым, так как часть энергии света на малой дистанции эффективно поглощается и превращается в нагрев. В обычных условиях, когда площадь комнаты относительно велика, этот вклад слишком мал, чтобы его можно было ощутить, но приборы высокой чувствительности без проблем его регистрируют.

А вот в космосе все иначе. Вселенная — это доминирование пустоты. Поэтому фотоны, испущенные тем или иным источником, способны мчаться по вакууму миллиарды лет, пока не встретят газопылевые облака, планету или детектор, созданный любознательными учеными.

Митохондрии: история древнего вторжения

Митохондрии — это клеточные органеллы, которые справедливо называют "энергетическими станциями", потому что они превращают питательные вещества в основную энергетическую валюту клетки — молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Однако в глубоком прошлом митохондрии являлись полноценными самостоятельными организмами с собственной эволюционной историей.

Все изменилось около двух миллиардов лет назад, когда свободноживущая альфа-протеобактерия была поглощена более крупной клеткой. Но это событие не обернулось банальным перевариванием, а стало началом взаимовыгодной сделки мирового масштаба: клетка-хозяин обеспечивала безопасность и стабильное поступление питательных веществ, а протеобактерия, в свою очередь, наладила невероятно эффективное производство энергии в виде АТФ. Это сотрудничество оказалось настолько успешным, что переросло в нерушимый союз.

Постепенно протеобактерия, пребывая в комфортных условиях, утратила независимость, передав большинство своих генов в ядро клетки-хозяина, но при этом сохранила собственный крошечный геном и способность к независимому делению. Так древний симбионт окончательно стал неотделимой частью клетки — органеллой, которую мы теперь называем митохондрией.

Этот необычный альянс привел к появлению всех многоклеточных организмов на Земле, включая нас с вами.