04 декември 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Наистина ли фосфинът означава живот на Венера и защо Роскомос "скъса" с НАСА

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 17 септември 2020 в 16:06 106970
Изследвателски балони в облачния слой на Венера, в концепция на художник. Преди 45 години СССР изпраща такива апарати на Венера, но те не търсят живот. През 2020-те Русия планира да повтори подобни изследвания, като за първи път постави на балоните оборудване за търсене на живот. За съжаление все още не е много ясно колко реалистични са подобни планове. Кредит: thealphacentauri.net

Неотдавнашното откритие на биомаркера фосфин в атмосферата на Венера предизвика много противоречия - има ли живот там? Това още не е ясно.

Но определено е ясно, че Роскосмос реши да използва това за PR цели - държавната корпорация вече е предложила да вземе проба от веществото на тази планета. За да направи това, тя се отказва от съвместния проект с НАСА "Венера-Д" (Д означава Дълголетна) и ще го замени със "свой".

Но има ли причина за подобно бързане? За какво всъщност говори фосфинът в облаците на втората планета от Слънцето? И най-важното, ще се справи ли Русия с вземането на проби оттам?

Руското издание Naked Science предлага някои отговори.

Какво бе открито

Според научна работа, публикувана в Nature Astronomy, фосфинът, газ с формулата PH3, е открит на Венера на височина 50-60 км. Концентрацията му е ниска, само 20 части на милиард, малко по-висока от метана на Марс, но е много трудно да се оспори самият факт на регистрацията.

Медиите - този път с основание - написаха, че това е много вероятен признак на живот.

Защо?

Първо, фосфинът е силно реактивен. В резултат на това той се разлага при повишени температури до чист фосфор и водород, от които е съставен.

Второ, фосфорът в условията на венерианските облаци трябва просто да падне надолу, където няма водород - тоест там, където е забелязан от земните телескопи фосфинът трябва непрекъснато да изчезва, просто да го няма.

И трето и най-важното, на Земята този газ преди появата на хората се е образувал само по един начин - в резултат на дейността на анаеробни бактерии.

Изображения на повърхността на Венера, направени от съветски спускаем апарат. Кредит: Роскосмос

За съжаление този газ даже на Земята е толкова рядък, че е трудно да се разбере кои точно бактерии го произвеждат, но това са анаеробни бактерии и в по-малка степен археи, които се размножават бързо на места като депа за отпадъци и тор. И там не протичат неорганични процеси, способни да генерират това съединение.

Възможно ли е по принцип да се произвежда фосфин по небиогенен начин?

Да, разбира се, например има следи от него в атмосферата на Юпитер. Но изчисленията показват, че за получаването му без участието на живи същества, с техните сложни каталитични процеси, е необходимо огромно количество енергия. В случая с Юпитер е ясно откъде може да дойде - фосфинът се издига там от недрата на планетата, където температурите се измерват в хиляди градуса, което позволява на фосфора да реагира с водорода, което е много често при газовите гиганти. В резултат на това неизбежно се образува фосфин.

Но Венера е много по-хладна, отколкото във вътрешността на Юпитер, и най-важното е, че в нейната атмосфера почти няма свободен водород.

Панорамни снимки на повърхността на Венера, направени от едит от съветските спускаеми апарати. Кредит: Роскосмос.

Чисто теоретично фосфин на Венера може да се отделя от вулкани (въпреки че това не се случва на Земята в забележим мащаб). Авторите на изследването в Nature Astronomy обаче  отбелязват, че необходимият мащаб на изригванията трябва да е стотици пъти по-висок от този на Земята. И това се основава на най-оптимистичните оценки за оцеляването на фосфина в атмосферата на Венера. Но там няма следи от действаща вулканична активност стотици пъти по-висока от тази на Земята. Освен това в долните слоеве на атмосферата си фосфинът, поради високата температура, трябва да се разпадне в рамките на един час, тоест почти веднага след изригванията.

Заради всичко това още през 2019 г. изследователи от Масачузетския технологичен институт в свое изследване, публикувано в списание Astrobiology, предлагат да се търси фосфин на екзопланети от земен тип като признак за живот. По този повод бе организиран анализът на спектрите на венерианската атмосфера - и там бе открит този газ.

Но нали в „адските условия на Венера не може да съществува нищо живо“?

От училище знаем, че на Венера е +462 ° C по Целзий, тоест по-горещо от точката на топене на оловото. А налягането е 93 пъти по-високо, отколкото на повърхността на Земята, на нашата планета същото налягане е 930 метра под водата.

Какъв живот може да съществува при такива условия?

Тук обаче няма парадокс. Работата е там, че на височина 50-60 километра Венера, както съветските сонди установиха преди половин век, има приблизително земни температурни условия. Например на 55 километра температурата е постоянно 21 градуса по Целзий. Ден и нощ, зима и лято поради плътността на венерианската атмосфера, там няма сезонни и дневни температурни колебания. Налягането на 55 километра е равно на половината от земното налягане на морското равнище - или същото като нашето на 5,5 километра. Това е напълно приемливо за земните микроби и дори някои алпинисти, след продължителна адаптация, са напълно способни да работят под това налягане.

Именно поради приблизително земните температури и налягане облаците на Венера отдавна са предложени като възможна зона на колонизация. От гледна точка на здравето на колонистите, наличието на подходяща гравитация се счита за основен ресурс на други планети. В противен случай ще са нужни или центрофуги за повишаване на гравитацията по време на сън, или разграждане на костната и мускулната тъкан на хората, живеещи там. Венерианското ниво на гравитация е 90,4% от земното и в това отношение не можем да намерим най-добър обект за колонизация в тази система.

В същото време, за разлика от Марс, на височина 55 километра колонистите няма да се нуждаят нито от отопление, нито от охлаждане - ще бъде достатъчно да се поддържат балони с техните „летящи“ градове на една и съща височина. Нивото на слънчева осветеност на 55 километра е дори малко по-високо от това на Земята, тоест в прозрачни галерии на "гърба" на гигантски дирижабли ще бъде напълно възможно да се отглеждат сухоземни растения. На височина от 100 километра има озонов слой, макар и много по-тънък от земния.

Разбира се, на 55 километра нивото на ултравиолетовото лъчение е по-високо, но обикновеното стъкло лесно ще го блокира до стойности под тези на Земята. Въпреки че Венера няма сериозно магнитно поле, нивото на космическа радиация там е доста ниско: в края на краищата атмосферата, подобно на земната, ефективно поглъща космическите лъчи.

Като цяло, както отбелязва Джефри Ландис от НАСА: "Атмосферата на Венера е най-земеподобна в Слънчевата система (след Земята)."

Между другото, когато казваме "балон", това изобщо не означава, че такава колонизация ще изисква специални леки газове, които се използват за запълване на балони на Земята. Всъщност това дори може да не изисква балон в обичайния смисъл на думата.

Работата е там, че обикновеният земен въздух е много по-лек от този на Венера, който е почти чист въглероден диоксид. Следователно, ще се носи в атмосферата на Венера просто обвивка, изпълнена с обикновен въздух. И при наличието на компактен атомен реактор и/или растения в прозрачни галерии, колонистите винаги ще могат да получават кислород от заобикалящия колонията-балон въглероден диоксид във венерианската атмосфера.

От НАСА констатират, че еднокилометров сферичен балон на Венера ще има подемна сила от 0,7 милиона тона - напълно достатъчно, за да поддържа голямо населено място. Двукилометров балон вече ще може да издигне около шест милиона тона.

Остава последното възражение: венерианските облаци съдържат капчици сярна киселина. Ще разяде ли конструкциите на такава колония? На този въпрос отдавна са отговорили още съветските инженери. През далечната 1985 г. създадените от тях балони доста успешно изследват облачния слой на Венера и в същото време обвивката им е направена от тънък слой от обикновен тефлон.

Макет на съветския балон, който през 1985 г. стана първият чисто атмосферен летателен апарат в историята, използваше за изучаване на други планети. Кредит: Wikimedia Commons

Тогава за първи път в историятадва балона в продължение на няколко поредни дни успяват да изследват друго небесно тяло, изминавайки единадесет хиляди километра над него, преди да се спуснат според плана на повърхността на планетата. Така те значително надграждат нашите представи за облачния слой на планетата, а също така откриват силни гръмотевични бури на Венера.

Между другото, днес, 45 години по-късно, човечеството не е успяло да повтори съветското постижение. Нито веднъж от 80-те години на миналия век не е било възможно да се изследва друга планета с балон, самолет или хеликоптер. Едва през следващите години миниатюрен дрон на американския марсоход ще може да започне експериментални триминутни полети на Марс. 

Откъде е дошъл там живот?

По принцип фосфинът на втората планета от нашата система наистина може да е продукт на жизнената активност на анаеробни бактерии - поне науката днес не познава небиогенни процеси, които биха могли да го образуват там. Но възниква друг въпрос: откъде са дошли такива микроорганизми на Венера?

Разбира се, може да се предположи, че са ги донесли самите хора. Редица съветски спускаеми апарати и същите тези балони са били дезинфекцирани, което, както е известно днес, е недостатъчно, за да убие най-упоритите земни бактерии и археи. Но това е доста съмнително - много анаеробни микроби зле понасят наситения с кислород въздух, поради което присъствието им в монтажните цехове за космически апарати в съветската епоха изглежда малко вероятно.

Има много по-просто обяснение. През 2016 г. стана ясно, че на ранен етап от историята на Слънчевата система Венера може да е била значително по-подходяща за появата на живот от Земята. В крайна сметка, денят там е бил  243 пъти по-дълъг от сегашните земни - и това е изключително мощен фактор за охлаждане на планетарния климат.

Според изчисленията на американски и шведски изследователи преди 2-3 милиарда години Венера би могла да изглежда така, тоест да има глобален океан, покриващ по-голямата част от повърхността й. Кредит: Wikimedia Commons

Дългата нощ означава, че много повече, отколкото Земята, част от топлината, получена от слънчевите лъчи, ще бъде излъчена в космоса под формата на инфрачервено лъчение. Тоест, въпреки че Венера получава почти един и половина пъти повече слънчева енергия от нашата планета, но би имала средна температура, равна на нашата.

Нещо повече, преди 0,7-2,9 милиарда години тази температура е трябвало да бъде дори малко по-ниска, отколкото на днешната Земя - приблизително същата като нашата преди 15 хиляди години, тоест около плюс 11 по Целзий.

Според изчисленията на американски и шведски изследователи по това време до 60% от повърхността на Венера е била покрита от океани и морета, а атмосферата е била предимно азотна - както на ранната Земя. Според някои изследователи не може да се изключи, че именно на Венера животът е възникнал за първи път в Слънчевата система.

Но как е могъл оцелее животът там?

През последните стотици милиони години на Венера започват грандиози изригвания, изхвърлящи огромни количества въглероден диоксид в атмосферата. Той повишава температурата до над плюс 450 по Целзий, в резултат на което океаните и моретата на планетата отдавна са унищожени и повърхността й вече не е подходяща за земен живот. Оказва се, че дори тази планета да е била прародината на живота в нашата система, сега тя ще остане мъртва. Дори относително благоприятните условия в облачния слой няма да помогнат: в края на краищата животът не може да витае в облаците в продължение на стотици милиони години. Или все пак може?

Екип, ръководен от Сара Сийгър (Sara Seager), един от авторите на неотдавнашното проучване за фосфина на Венера, се опита да отговори на този въпрос в друга публикация. Изследователите анализират резултатите от проучване на тропо- и стратосферата на Земята и установяват, че там има микроби и те запазват метаболитната си активност на височина от десетки километри, при това чак до горната част на тропосферата - където температурата и налягането са много по-ниски от тези във венерианските облаци. Там не са открити следи от делене (размножаване), но  е изключително трудно да се изследват едноклетъчни организми при такива условия, затова способността на микроорганизмите да се делят там не може да бъде изключена по никакъв начин.

Повърхността на Венера е твърде гореща за какъвто и да е живот, който може да си представим, но условията  високо в атмосферата не са толкова екстремни и възходящите потоци са напълно способни да задържат местните микроби и да не им позволят да паднат. Кредит: ESA

Проблемът е, че облаците на Венера са съставени предимно от сярна киселина (не по-малко от 85%). Там също има водна пара, но при концентрация 40-200 ppm (части на милион), което е изключително малко. Да кажем, на Земята най-сухият въздух е в Атакама - но и там относителната влажност е 2%, а в облаците на Венера - 0,07%. При такива условия водата по принцип все пак може да се концентрира в количества, формално достатъчни за оцеляване - в капки сярна киселина, образувайки примес, който не надвишава 15%. В тези капки молекулите на водата като че ли са „прикрепени“ към молекулите на сярната киселина и следователно използването им от някакъв потенциален местен живот е силно затруднено.

И въпреки това е невъзможно да се отрече възможността за съществуване на живот дори при такива условия. Първо, в облаците на Венера отдавна са открити сероводород и серен диоксид, които реагират помежду си. И следователно, строго погледнато, те не могат да съществуват без външно попълване поради някои необичайни химични реакции. Там е открит и карбонилсулфид (O=C=S).

На Земята това съединение е ясен биомаркер, по чийто промени в атмосферата, изследователите на полярните ледени ядра могат да определят как биомасата на нашата планета се изменяла с течение на времето. Освен това не е много трудно да се получи карбонилсулфид по биогенен път и преди появата на индустрията той се произвежда на планетата изключително от живи организми, поради наличието на изключително ефективни катализатори.

И накрая, Сийгър и екипът й отбелязват, че UV изображенията показват, че в облаците на Венера има някакви странни образувания, които абсорбират ултравиолетовата светлина - основната им част, която достига до този слой на атмосферата. Размерите на тези частици варират в диапазона от микрометри (на нашата планета бактериалните спори често имат такива размери) до дори по-големи. Това, заедно с присъствието на Земята на фотосинтезиращи анаеробни микроорганизми, които използващи сяра вместо въглерод, по принцип ни позволява да очакваме, че има някои възможности за фотосинтеза във венерианските облаци.

Зелена сярна бактерия в земната лаборатория. За разлика от фотосинтетичните организми, с които сме свикнали, те не дишат кислород и се нуждаят само от сероводород, водород и сяра. Кредит: Wikimedia Commons

Животът не може да бъде ограничен от относително висока ултравиолетова светлина - напротив, на Земята има живи организми (гъбичките Cryptococcus neoformans), които използват йонизиращо късовълново лъчение като енергиен източник. Освен това, отбелязва Сийгър, на нашата планета такива любители на радиацията се срещат както в природата (антарктическите планини), така и в създадена от човека среда (компоненти на охладителните системи за ядрени реактори, МКС). Тоест за много живи организми ултравиолетовата светлина не е проблем, а източник на полезна енергия.

От всичко това нейната група заключава, че съществуването на живот в облаците на Венера е възможно, но животът ще е необичаен, напомнящ повече на земните фотосинтезиращи сяра микроорганизми без достъп до кислород или нещо още по-странно. Жизненият цикъл на такива фотосинтезиращи микроби е прост: в облачния слой, заради хидрофилната обвивка, те стават център на образуването на капчици сярна киселина и вода. След това започват да фотосинтезират с помощта на серния диоксид (SO3) и водата около тях. От техните молекули те произвеждат H2SO4 същата сярна киселина, от която всъщност се състоят местните облаци.

Фосфорът, подобно на желязото, например, е неизбежен участник в жизнения цикъл на голямо разнообразие от организми, поради което в хода на редица реакции той може в малки количества да се освободи под формата на фосфин, който изследователите са открили с помощта на телескопи.

Между другото съветските апарати, включително балони, откриват следи от хлор в долния край на облачния слой. Междувременно, както отбелязва Сийгър, железният хлорид се издига от повърхността на планетата с възходящи потоци. Ако местните микроби използват това желязо, те неизбежно трябва да отделят известно количество свободен хлор в околната среда.

Жизненият цикъл на хипотетичните венериански микроби, според хипотезата на екипа на Сийгер. Тези, които падат под облачния слой, умират от студа, но техните спори благодарение на конвекцията в някои случаи ще се върнат на същата височина. Кредит: Wikimedia Commons 

Сийгър и екипът й дава пример за същество, близко до възможния венериански живот - фотосинтезиращият прокариот Prochlorococcus. Това е много малък организъм, с диаметър 0,5-0,7 микрометра, при който поради бедната на фосфор среда външната стена се състои от сяра и захарни съединения. 99% от липидите в клетъчната мембрана на този организъм включват сулфатни групи вместо фосфатни групи - и подобна адаптация би имала смисъл и при Венера с нейния дефицит на фосфор и излишък на сяра.

Капките, съдържащи такива фотосинтезиращи организми, които произвеждат сярна киселина, нарастват с течение на времето (поради околните пари на сярна киселина и вода) и започват да се спускат надолу. В този случай местните организми трябва да влязат във фазата на производство на спори и след това да умрат. Възходящите течения неизбежно ще издигнат част от капките на височина, където някои от спорите могат да доведат до нов жизнен цикъл във венерианските облаци.

Разбира се, в такава среда е много трудно да се оцелее. Няма места на Земята, където бактериите или археите да живеят в сярна киселина, леко разредена с вода. Следователно не знаем със сигурност дали са способни да се предпазят от въздействието на киселините при такива условия.

Но също така е невъзможно предварително да се изключи такъв сценарий.

Адекватна ли е реакцията  на Роскосмос? Струва ли си заради венерианският мираж да се скъса с НАСА?

И така, установихме, че животът на Венера по принцип е възможен. Но с някои аспекти от дейността на интелигентния живот на Земята въпроси все още остават. На 15 септември 2020 г. на сайта на Роскосмос се появи съобщение за откритието фосфина, в което се казва:

„... взето бе решение за изпълнението на планираната преди това мисия "Венера-Д", която включва кацащи и орбитални модули, като независим национален проект без широко участие на международното сътрудничество. В рамките на комплексни изследвания на планетата, наред с други неща, ще бъдат изучени проби от нейната почва и атмосфера, както и естеството на еволюционните процеси на Венера, за която се твърди, че е претърпяла по-рано климатична катастрофа, свързана с парниковия ефект, за която днес се говори толкова много по отношение на Земята. "

Какво се случва? Добре известно е, че бюджетът на Роскосмос е поне 6 пъти по-малък от този на НАСА. И така, какъв е смисълът да се откаже сътрудничество с агенцията, предвидено по-рано като част от програмата Венера-Д? Обаче при по-внимателен поглед върху въпроса за причините за отказа от сътрудничество става много по-ясно.

Изображения на Венера, направени през 1975 г. от съветския спускаем апарат Венера-9. Оригиналното изображение е горе, долу са две коригирани в нашата епоха с помощта на алгоритми за попълване с подобно съдържание. Кредит: Роскосмос

Както отбелязва руският научно-популярен сайт N+1, чийто редактор разговаря с членовете на Съвета по космоса към Руската академия на науките още през юли 2020 г. Роскосмос предлага радикално да преразгледа мисията "Венера-Д". Според ревизирания вариант, още в края на 2020-те към Венера ще полети сонда със спускаем апарат с множество балони и тази сонда трябва да вземе проба от почвата от повърхността на планетата - и след това да я достави на Земята.

Лесно е да се види, че такъв проект така или иначе не би могъл да бъде приложен в международно сътрудничество: НАСА никога не би го направила. Като начало вземането на почва изисква нейното доставяне на Земята, което е трудно да се направи от повърхността на Венера. Затова предложението на Роскосмос предвижда издигането на почвената проба в балон в горните слоеве на атмосферата. Оттам ракета, издигната от балон, е трябвало да отнесе пробата в космоса, където тя да се насочи към Земята.

Това са задачи с изключително висока сложност и, честно казано, изискващи огромна маса на спускаемия апарат. Става въпрос за много тонове - както вече споменахме, гравитацията на Венера е 90% от земната, а връщането на почвата оттам, поради тази причина, дори с балон ще бъде изключително енергоемко. Естествено, НАСА не би предприела толкова рисков проект - това не е стилът на агенцията.

Сценарий за изстрелване на ракета от аеростат. Кредит: НПО Лавочкин

Възниква въпросът: защо Роскосмос има нужда от това? След тези съветски мисии до Венера Русия не е имала успешни междупланетни мисии, дори с умерено трудни задачи. Последният опит за такава мисия потъна в Тихия океан („Фобос-грунт“). Опитът да се премине от нула мисии директно към мисия с такъв огромен мащаб и сложност изглежда като авантюра с неотработени средства за изпълнение. Не е изненадващо, че членовете на космическия съвет на РАН се обявяват срещу нея.

Трудно е да се разберат ясно мотивите на ръководството на Роскосмос в този случай. Има две най-вероятни версии: или то не очаква да остане на позицията си до края на 2020-те и да отговаря за рисковете от такъв проект; или то иска толкова впечатляващи и успешни картинки за обществеността, че е готово дори за такива, според Руската академия на науките, „полуфантастични“ проекти, само и само да създаде благоприятно впечатление за своята дейност.

За всички наблюдатели на космическата индустрия е доста очевидно, че през 2020 г. SpaceX ще отстрани грешките в своята свръхтежка и най-голяма в историята на човечеството космическа ракета носител, Starship. След това САЩ неизбежно ще отидат на Луната, а след няколко години - на Марс. Години на упорито пренебрегване от страна на Роскосмос на проектите на Мъск (под формата на нежелание да се създават конкурентни носители за полет до Марс) изключват изпращането от Русия на експедиции там в обозримо бъдеще.

На този фон е необходимо спешно да се обяви някакъв грандиозен проект и степента на неговата осъществимост в обозримо бъдеще може да не е особено важна. В края на краищата е ясно, че след началото на полетите на Starship, цялата руска космическа програма така или иначе ще трябва да бъде ревизирана, ракетата "Ангара" мигновено ще се окаже остаряла и Русия ще трябва да преработи всички забележими космически проекти като цяло. На фона на всичко това, едва ли някой ще се сети за неизпълнения проект за доставяне на почва от Венера.

Справка: 

  1. Jane S. Greaves, Anita M. S. Richards, William Bains, Paul B. Rimmer, Hideo Sagawa, David L. Clements, Sara Seager, Janusz J. Petkowski, Clara Sousa-Silva, Sukrit Ranjan, Emily Drabek-Maunder, Helen J. Fraser, Annabel Cartwright, Ingo Mueller-Wodarg, Zhuchang Zhan, Per Friberg, Iain Coulson, E’lisa Lee, Jim Hoge. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nature Astronomy, Sept. 14, 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1174-4
  2. Sara Seager, Janusz J. Petkowski, Peter Gao, William Bains, Noelle C. Bryan, Sukrit Ranjan, Jane Greaves. The Venusian Lower Atmosphere Haze as a Depot for Desiccated Microbial Life: A Proposed Life Cycle for Persistence of the Venusian Aerial Biosphere. Astrobiology, 2020; DOI: 10.1089/ast.2020.2244
  3. Clara Sousa-Silva, Sara Seager, Sukrit Ranjan, Janusz Jurand Petkowski, Zhuchang Zhan, Renyu Hu, William Bains. Phosphine as a Biosignature Gas in Exoplanet Atmospheres. Astrobiology, 2020; 20 (2): 235 DOI: 10.1089/ast.2018.1954

Източник:

Space scientists are pouring much time and effort into colonising Mars. But could we also live in the atmosphere of Venus? BBC Future investigates

Жизнь на Венере и разворот Роскомоса: действительно ли фосфин говорит о населенности ближайшей планеты, и почему Россия решила резко активизировать свои венерианские планы?, Naked Science

«Полуфантастическая идея»: «Роскосмос» предлагает доставить грунт с Венеры в первую миссию, N+1


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.