Недавнее обнаружение фосфина в атмосфере Венеры вызвало оживленные дискуссии: возможно ли существование жизни на этой планете? Вопрос пока остается открытым. Однако, очевидно, что «Роскосмос» использует возникший ажиотаж в качестве инструмента для продвижения: госкорпорация уже заявила о намерении взять пробы вещества, содержащегося в атмосфере Венеры. Для этого планируется отказаться от совместного с NASA проекта «Венера-Д» («Д» обозначает «Долгоживущая») и заменить его собственной миссией. Но стоит ли торопиться с подобным решением? Что на самом деле сигнализирует наличие фосфина в облаках второй планеты? И, самое главное, сможет ли Россия осуществить сбор образцов из этой области? Попробуем понять.
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, на удивление сдержанно, сообщили, что это может свидетельствовать о наличии жизни. Необходимо понять причину. Во-первых, фосфин обладает высокой химической активностью. В результате он распадается при нагревании на чистый фосфор и водород, из которых и состоит. Во-вторых, фосфор, таким образом, в условиях венерианской атмосферы должен осаждаться, где, стоит отметить, водорода не обнаружено – соответственно, фосфин должен постоянно исчезать из тех мест, где его зафиксировали земные телескопы. В-третьих, что представляется наиболее значимым, на Земле до появления человека этот газ образовывался только одним способом – благодаря деятельности анаэробных бактерий.
К сожалению, газ этот даже на Земле настолько редкий, что установить, какие конкретно бактерии являются его производителями, затруднительно. Тем не менее, то, что он преимущественно биогенного происхождения – неоспоримый факт, поскольку обнаруживается практически на всех свалках и рядом с большими скоплениями навоза. В обоих местах активно размножаются анаэробные микроорганизмы (бактерии и, в меньшей степени, археи), в этих условиях невозможны неорганические процессы, которые могли бы создать подобное соединение.
Не исключено ли образование фосфина небиологическим путем? Безусловно, так как он обнаружен в атмосфере Юпитера. Однако, согласно расчетам, для его получения без участия живых организмов и их сложных каталитических процессов требуется колоссальное количество энергии.
Понятно, как фосфин может образовываться на Юпитере: там он поднимается из глубин планеты, где температуры достигают тысяч градусов. Такая высокая температура позволяет фосфору реагировать с водородом, который в изобилии присутствует в атмосфере газовых гигантов, что и приводит к образованию фосфина. Однако на Венере значительно прохладнее, чем в недрах Юпитера, и, что наиболее важно, в ее атмосфере практически отсутствует свободный водород.
В принципе, фосфин потенциально может выделяться вулканами на Венере (хотя на Земле подобное явление не наблюдается в значительных количествах). Однако, согласно исследованию, авторы 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.
В связи с этим, еще в 2019 году ученые из Массачусетского технологического института (США) опубликовали 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.
Как же быть с теми экстремальными условиями, которые существуют на Венере, исключающими возможность существования живых организмов»?
Читатель имеет право сомневаться. В школе сообщают, что температура на Венере достигает +462 °C по Цельсию, что превышает температуру плавления свинца. Кроме того, давление там в 93 раза больше земного – при помещении соснового кубика на Венеру, он сжался бы вдвое, а на Земле аналогичное давление ощущается на глубине 930 метров под водой. Возникает вопрос: как может существовать жизнь в подобных экстремальных условиях?
Несмотря на это, никакого парадокса здесь нет. Все дело в том, что на высоте 50-60 километров Венера, как было определено еще советскими зондами полвека назад, обладает температурными условиями, близкими к земным: например, на отметке 55 километров там постоянно 21 градус Цельсия. Днем и ночью, зимой и летом – температура там остается стабильной благодаря плотности венерианской атмосферы, которая сглаживает суточные и сезонные колебания. Давление на высоте 55 километров составляет половину земного, измеренного на уровне моря – или соответствует давлению, существующему на Земле на высоте 5,5 километров. Это вполне терпимо для земных микроорганизмов, и даже некоторые альпинисты, после периода адаптации, могут нормально функционировать при таком давлении.
Благодаря температурам и давлению, сопоставимым с земными, облака Венеры существуют на протяжении длительного времени 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.
В отличие от Марса, на высоте 55 километров колонистам не понадобится ни подогрев, ни охлаждение – будет достаточно поддерживать аэростаты с «воздухоплавательными» городами на постоянной высоте. Уровень солнечного освещения на этой высоте даже немного превышает земной, поэтому в прозрачных галереях, расположенных на «спине» гигантских дирижаблей, вполне возможно выращивать земные растения. На высоте 100 километров там есть озоновый слой, хотя и много тоньше земного.
Уровень ультрафиолетового излучения составляет 55 километров, превышая установленные для нас стандарты, однако обычное стекло способно снизить его до показателей, характерных для земных условий. Несмотря на отсутствие выраженного магнитного поля, уровень космической радиации на этой планете относительно невысок, поскольку атмосфера, подобно земной, эффективно поглощает космические лучи. В общем, как отмечает По мнению Джеффри Лэндиса из NASA, атмосфера Венеры является наиболее схожей с земной в Солнечной системе (после Земли)».
Использование термина «аэростат» не подразумевает необходимость в использовании специальных, облегченных газов, применяемых для наполнения аэростатов на Земле. Более того, для колонизации такого рода не требуется даже конструкция, похожая на привычный нам аэростат.
Земной воздух значительно легче, чем венерианский, состоящий практически из чистого углекислого газа. Следовательно, герметичная конструкция, заполненная обычным воздухом, будет подниматься в атмосфере Венеры. Кроме того, благодаря компактному ядерному реактору и/или растениям, размещенным в прозрачных галереях, колонисты смогут непрерывно получать кислород из углекислого газа, окружающего колонию-аэростат, взятого из газовой оболочки второй планеты.
Работники NASA констатируют, согласно расчетам, километровая сферическая герметичная оболочка, расположенная в атмосфере Венеры, способна генерировать подъемную силу в 0,7 миллиона тонн, что достаточно для удержания крупного поселения. С увеличением диаметра до двух километров подъемная сила возрастет примерно до шести миллионов тонн.
Остается последнее возражение: венерианские облака содержат капельки серной кислоты. Не разъест ли она конструкции такой колонии? На этот вопрос 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.
Впервые в истории человечества два аэростата непрерывно в течение двух дней проводили исследования другого небесного тела, преодолев над ним расстояние в одиннадцать тысяч километров, после чего, согласно плану, совершили посадку на поверхность планеты. В ходе миссии ученые получили более точные данные об облачной структуре Венеры и обнаружили там наличие мощных гроз.
Несмотря на значительный прогресс, спустя 45 лет, человечеству до сих пор не удалось воспроизвести советское достижение. С 1980-х годов ни один летательный аппарат, будь то аэростат, самолет или вертолет, не был использован для исследования других планет. Только в ближайшем будущем миниатюрный американский дрон, установленный на марсоходе, сможет приступить к экспериментальным полетам продолжительностью в три минуты на Марсе.
Фактически, советские миссии продемонстрировали, что любой человек, облаченный в тефлоновый костюм и оснащенный 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?
Фосфин, обнаруженный на второй планете, вероятно, является результатом жизнедеятельности анаэробных бактерий, поскольку на данный момент нет известных небиологических процессов, способных образовать его там. Однако возникает вопрос: каким образом микроорганизмы могли появиться на Венере?
Было бы заманчиво предположить, что эти объекты были доставлены землянами. Однако, даже советские спускаемые аппараты и аэростаты подвергались дезинфекции, которая, как мы знаем сейчас, не всегда эффективна против наиболее устойчивых земных бактерий и архей. Но это выглядит неправдоподобным: многие анаэробные микроорганизмы плохо адаптированы к среде с высоким содержанием кислорода, поэтому их присутствие на производственных мощностях «НПО им. Лавочкина» в советское время представляется маловероятным.
Существует гораздо более понятное 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.
Продолжительная ночь приводит к тому, что значительно большая, чем на Земле, доля тепла, поглощенного от Солнца, будет переизлучена в космос в виде инфракрасного излучения. Другими словами, несмотря на то, что Венера получает почти в полтора раза больше солнечной энергии, чем наша планета, при наличии земного состава атмосферы ее средняя температура была бы сопоставима с земной.
Более того, 0,7–2,9 миллиарда лет назад температура, вероятно, была даже несколько ниже, чем на современной Земле – приблизительно как на нашей планете 15 тысяч лет назад, то есть около плюс 11 градусов Цельсия. Согласно расчетам, проведенным американскими и шведскими учеными, в то время до 60% поверхности второй планеты было покрыто океанами и морями, а атмосфера состояла преимущественно из азота, подобно 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?
В течение последних сотен миллионов лет на Венере начались масштабные извержения вулканов, которые выбросили в атмосферу значительное количество углекислого газа. Это привело к повышению температуры выше 450 градусов Цельсия. В результате океаны и моря планетой были давно утрачены, и ее поверхность стала непригодной для существования жизни земного типа. Таким образом, даже если когда-то Венера и являлась прародиной жизни в нашей системе, в настоящее время она должна представлять собой мертвый мир. Даже относительно благоприятные условия, существующие в облачном слое, не способны изменить ситуацию: ведь жизнь не может поддерживаться в облаках на протяжении сотен миллионов лет. Или все-таки может?
Этот вопрос рассмотрен в отдельной статье 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.
Обстоятельством, вызывающим затруднения, является то, что атмосфера Венеры преимущественно состоит из серной кислоты (не менее 85%). Водяной пар присутствует, но в крайне малых концентрациях – от 40 до 200 частей на миллион. Для сравнения, даже в самой засушливой точке Земли, в пустыне Атакама, относительная влажность составляет 2%, в то время как в облаках Венеры она равна 0,07%. Несмотря на это, вода потенциально может концентрироваться в объемах, формально достаточных для поддержания жизни – в виде капель серной кислоты, составляя примесь, не превышающую 15%. Более того, молекулы воды в этих каплях, по сути, связаны с молекулами серной кислоты, что усложняет их использование для любой потенциальной местной биосферы.
Несмотря на это, исключать возможность существования жизни даже в подобных условиях не стоит. Прежде всего, в облаках Венеры ранее были обнаружены сероводород и сернистый газ, взаимодействующие между собой. Таким образом, их поддержание без внешней подпитки требует реализации каких-то необычных химических реакций. Там же найден и карбонила сульфид (O=C=S).
На Земле это вещество является надежным индикатором биологической активности, по изменению концентрации которого в атмосфере, фиксируемой в полярных ледовых кернах, ученые могут с высокой точностью отслеживать изменения биомассы на планете с течением времени. Также, небиологическое образование карбонила сульфида – сложная задача, и до начала промышленной эры он производился на Земле только живыми организмами благодаря наличию у них высокоэффективных катализаторов.
Сиджер и его коллеги также обращают внимание на то, что снимки, сделанные в ультрафиолетовом диапазоне, демонстрируют наличие в облаках Венеры необъяснимые структуры, поглощающие значительную часть ультрафиолетового излучения, достигающего этого слоя атмосферы. Диаметр этих частиц колеблется от микрометрового диапазона (размер, характерный для бактериальных спор на Земле) до гораздо больших значений. Этот факт, в сочетании с существованием на нашей планете фотосинтезирующих анаэробных микроорганизмов, использующих вместо углерода серу, в принципе позволяет ожидать, что какие-то возможности для фотосинтеза есть и в венерианских облаках.
Высокий уровень ультрафиолетового излучения не станет препятствием для нее, поскольку на Земле существуют живые организмы (например, грибы Cryptococcus neoformans), эти организмы используют ионизирующее коротковолновое излучение в качестве источника энергии. Сиджер также отмечает, что на Земле такие любители радиации встречаются как в естественной среде (например, в антарктических горах), так и в техногенной (например, в компонентах систем охлаждения атомных реакторов или на МКС). Таким образом, для многих живых организмов ультрафиолет не является проблемой, а служит источником энергии.
На основе полученных данных, группа делает вывод о возможности существования жизни в облаках Венеры. Однако такая жизнь значительно отличается от земной, больше походя на земной «серный» фотосинтез, происходящий без доступа кислорода. Цикл жизни этих микроорганизмов-фотосинтетиков довольно прост: благодаря гидрофильной оболочке, они служат центрами формирования капель, состоящих из серной кислоты и воды. Затем они осуществляют фотосинтез, используя окружающие их сернистый газ (SO2) и воду, производя H2SO4 – ту самую серную кислоту, из которой в основном состоят облака Венеры.
Фосфор, подобно железу, является важным элементом в жизненном цикле различных организмов. В результате ряда химических процессов он может выделяться в виде фосфина в незначительных концентрациях, что и было зафиксировано учеными с помощью телескопов.
Мы не зря упомянули железо: советские аэростаты и другие аппараты обнаружили следы хлора в нижних слоях облаков. Сиджер отмечает, что хлорид железа поднимается с поверхности планеты вместе с восходящими потоками. Если местные микроорганизмы используют это железо, они, вероятно, будут выделять в окружающую среду некоторое количество свободного хлора.
Сиджер и его коллеги также приводят пример организма, потенциально схожего с возможной жизнью на Венере: фотосинтезирующий прокариот Prochlorococcus. Это крайне миниатюрный организм, размер которого составляет 0,5–0,7 микрометра в диаметре. В связи с дефицитом фосфора в среде его обитания, внешняя оболочка состоит из соединений серы и сахаров. Клеточная мембрана этого организма содержит липиды, в которых вместо фосфатных групп присутствуют сульфатные. Подобная адаптация была бы вполне оправданной на Венере, где фосфора недостаточно, а серы – избыток.
Капли, содержащие фотосинтезирующие организмы, производящие серную кислоту, постепенно увеличиваются в размере за счет присоединения окружающих паров серной кислоты и воды, после чего начинают опускаться вниз. В этот период местным организмам необходимо перейти к образованию спор, после чего они погибают. Поднимающиеся потоки неизбежно переносят часть спор на высоту, где они способны инициировать новый жизненный цикл в венерианских облаках.
Подобные условия, несомненно, создадут серьезные трудности для поддержания жизни. На нашей планете не существует мест, где бактерии или археи могли бы существовать в серной кислоте, даже слегка разбавленной водой. В связи с этим, мы не можем с уверенностью утверждать, способны ли эти организмы защитить себя от воздействия кислот в таких экстремальных условиях. Однако, этот вариант развития событий нельзя исключать.
Насколько оправдана реакция Роскосмоса? Обоснован ли разрыв отношений с NASA из-за венерианского «миража?
Мы пришли к выводу о потенциальной возможности существования жизни на Венере. Однако некоторые аспекты деятельности разумной жизни на Земле до сих пор вызывают вопросы.
15 сентября 2020 года на официальном сайте Роскосмоса было опубликовано сообщение, реагирующее на открытие фосфина и утверждающее:
«…было принято решение о реализации ранее запланированной миссии «Венера-Д», состоящей из посадочного и орбитального модулей, в качестве самостоятельного национального проекта, с ограниченным привлечением международного сотрудничества. В ходе комплексных исследований планеты планируется изучить образцы ее грунта и атмосферы, а также провести исследования природы эволюционных процессов Венеры, которая, по утверждениям, пережила ранее климатическую катастрофу, вызванную парниковым эффектом, широко обсуждаемым сегодня в контексте Земли».
Что это? Всем очевидно, что бюджет Роскосмоса в несколько раз меньше, чем у NASA. Тогда зачем отказываться от сотрудничества с Агентством, которое ранее было предусмотрено в рамках программы «Венера-Д»? Однако, при более детальном рассмотрении вопроса, причины отказа от кооперации становятся гораздо яснее.
Как отмечает N+1, чей редактор пообщался с членами Совета РАН по космосу, еще в июле 2020 года Роскосмос предложил коренным образом пересмотреть миссию «Венера-Д». По пересмотренному варианту, уже в конце 2020-х годов к планете могла полететь посадочная станция с рядом аэростатов, причем станция эта должна была взять с поверхности планеты образец грунта – и затем доставить его на Землю.
Очевидно, что реализация подобного проекта в рамках международного сотрудничества была невозможна, поскольку NASA не поддержало бы эту инициативу. Прежде всего, забор грунта подразумевает его транспортировку на Землю, что затруднительно при выполнении с поверхности Венеры. В связи с этим, предложение Роскосмоса включало в себя подъем образца грунта на аэростате в верхние слои атмосферы. После чего ракета, также поднятая аэростатом, должна была вывести образец в космос для последующей доставки на Землю.
Эти задачи отличаются чрезвычайно высокой сложностью и, говоря откровенно, требуют значительного веса посадочного модуля. Речь идет о нескольких тоннах: как мы уже отмечали, гравитация на Венере составляет 90% от земной, поэтому возврат грунта оттуда, даже с использованием аэростата, будет очень энергоемким. Разумеется, NASA не решилось бы на подобный рискованный проект — это не соответствует подходу Агентства.
Возникает вопрос о целях Роскосмоса. После советских миссий к Венере Россия не имела успешных межпланетных миссий, даже с задачами средней сложности. Предыдущая попытка такого рода завершилась неудачей и утонула в Тихом океане («Фобос-грунт»). Решение сразу перейти от отсутствия миссий к проекту такого масштаба и сложности выглядит необычно – другими словами, это рискованное предприятие, реализуемое с использованием недостаточно отработанных технологий. Неудивительно, что члены Совета РАН по космосу высказались против нее.
Сложно однозначно интерпретировать причины, которыми руководство Роскосмоса руководствовалось в этой ситуации. Существует два наиболее вероятных объяснения: либо руководство не планирует оставаться на своих должностях до конца 2020-х годов и, следовательно, не будет отвечать за возможные риски, связанные с этим проектом; либо оно стремится представить публике впечатляющие и успешные результаты, и готово идти на значительные шаги, что, по мнению РАН, «полуфантастические» прожекты, лишь бы создать у масс благоприятное впечатление о своей деятельности.
Если хотя бы один из перечисленных сценариев окажется верным, то действия руководства Роскосмоса становятся понятными. Для наблюдателей за космической отраслью совершенно ясно, что SpaceX в 2020-х годах завершит разработку своего сверхтяжелого космического корабля Starship, самого крупного в истории человечества. В результате США, вероятно, первыми достигнут Луны, а спустя несколько лет – и Марса. Многолетнее игнорирование Роскосмосом проектов Маска (а именно отказа от разработки конкурирующих носителей для полетов на Марс) делает отправку экспедиций в эту планету для России в ближайшие годы маловероятной.
В сложившейся ситуации необходимо срочно анонсировать масштабный проект, при этом сроки его реализации не являются первостепенным фактором. Очевидно, что после начала полетов Starship потребуется пересмотр всей российской космической программы, ракета «Ангара» немедленно устареет, и нашей стране предстоит переработка значимых космических проектов. В связи с этим, вопросы о нереализованном проекте доставки грунта с Венеры будут неактуальны.