17 марта 2022 года был тяжелым днем для Хорхе Ваго. Физик-планетолог, Ваго возглавляет научную часть программы Европейского космического агентства (ЕКА) «ЭкзоМарс». Его команда была всего в нескольких месяцах от запуска первого европейского марсохода - цели, над которой они работали почти два десятилетия. Но в тот день ЕКА прервало отношения с российским космическим агентством из-за вторжения в Украину. Запуск был запланирован на казахстанском космодроме Байконур, который арендуется Россией.
«Нам сказали, что мы должны все отменить», - говорит Ваго. «Мы все были убиты горем».
Это была болезненная неудача для осажденного марсохода «Rosalind Franklin», первоначально утвержденного в 2005 году. Проблемы с бюджетом, смена партнеров, технические проблемы и пандемия COVID-19, в свою очередь, стали причиной предыдущих задержек. И вот теперь - война. «Я потратил большую часть своей карьеры на то, чтобы сдвинуть это дело с мертвой точки», - говорит Ваго. Все осложнялось еще и тем, что в состав миссии входил российский посадочный модуль и приборы, на замену которых странам-членам ЕКА потребовалось бы финансирование. Они рассматривали множество вариантов, включая просто отправить неиспользуемый марсоход в музей. Но затем, в ноябре, появился спасательный круг, когда европейские министры исследований пообещали выделить 360 миллионов евро на покрытие расходов по миссии, включая замену российских компонентов.
Когда марсоход, наконец-то, стартует в 2028 году, на его борту будет установлен набор современных приборов, но один из них, в частности, может оказать огромное научное влияние. Масс-спектрометр нового поколения, предназначенный для анализа любых углеродосодержащих материалов, обнаруженных под поверхностью Марса, является стержнем стратегии, направленной на то, чтобы наконец ответить на самый животрепещущий вопрос о Красной планете: есть ли там доказательства существования жизни в прошлом или настоящем?
«Существует множество различных способов поиска жизни», - говорит химик-аналитик Маршалл Ситон, сотрудник постдокторской программы НАСА в Лаборатории реактивного движения и соавтор статьи по анализу планет в Ежегодном обзоре аналитической химии. Возможно, самый очевидный и прямой путь — это просто поиск окаменелых микробов. Но неживая химия может создавать обманчиво реалистичные структуры. Вместо этого масс-спектрометр поможет ученым искать молекулярные структуры, которые вряд ли могли образоваться в отсутствие живой биологии.
По словам Ситона, охота за формами жизни, а не за структурами или конкретными молекулами, имеет дополнительное преимущество во внеземной среде. «Это позволяет нам искать не только жизнь, как мы ее знаем, но и ту, которую мы ее не знаем».
Подготовка к Марсу
В Центре космических полетов НАСА имени Годдарда под Вашингтоном ученый-планетолог Уильям Бринкерхофф демонстрирует прототип масс-спектрометра марсохода, известного как Mars Organic Molecule Analyzer, или MOMA. Прибор размером примерно с ручной чемодан представляет собой лабиринт проводов и металла. «Это действительно рабочая лошадка», - говорит Бринкерхофф, пока его коллега, ученый-планетолог Сян Ли, регулирует винты на прототипе перед демонстрацией карусели для хранения образцов.
Этот рабочий прототип используется для анализа органических молекул в почвах, схожих с Марсом, на Земле. Когда настоящий MOMA доберется до Марса, примерно в 2030 году, Бринкерхофф и его коллеги будут использовать прототип - а также его нетронутую копию, хранящуюся в марсоподобной среде в НАСА - для проверки изменений в экспериментальных протоколах, устранения проблем, возникающих во время полета, и облегчения интерпретации данных с Марса.
Этот новейший масс-спектрометр берет свое начало почти 50 лет назад, с первой миссии, изучавшей марсианский грунт. Для сдвоенного посадочного аппарата «Viking» 1976 года инженеры миниатюризировали масс-спектрометры комнатного размера до размеров, примерно равных площади современных настольных принтеров. Эти приборы также были на борту посадочного аппарата «Phoenix» 2008 года, марсохода «Curiosity» 2012 года и последующих марсианских орбитальных аппаратов Китая, Индии и США.
Каждый, кто посещает прототип Бринкерхоффа, должен сначала пройти мимо витрины с разобранной копией «Viking», одолженной Смитсоновским институтом. «Это как национальное сокровище», - говорит Бринкерхофф, с энтузиазмом указывая на компоненты.
Масс-спектрометры — это незаменимые инструменты, которые используются для аналитической химии в лабораториях и других учреждениях по всему миру. Сотрудники Управления транспортной безопасности используют их для проверки багажа на наличие взрывчатых веществ в аэропорту. Ученые Агентства по охране окружающей среды используют их для проверки питьевой воды на наличие загрязняющих веществ. А производители лекарств используют их для определения химической структуры потенциальных новых лекарств.
Существует множество видов масс-спектрометров, но каждый из них «состоит из трех частей», - объясняет Девин Суинер, химик-аналитик фармацевтической компании Merck. Сначала прибор переводит молекулы в газовую фазу, а также придает им электрический заряд. Затем этими заряженными, или ионизированными, молекулами газа можно манипулировать с помощью электрических или магнитных полей, чтобы они двигались через прибор.
Во-вторых, прибор сортирует ионы по измерению, которое ученые могут соотнести с молекулярной массой, чтобы они могли определить количество и тип атомов, содержащихся в молекуле. В-третьих, прибор записывает все «веса» в образце вместе с их относительным содержанием.
С MOMA на борту марсоход «Rosalind Franklin» совершит посадку на марсианском участке, где примерно 4 миллиарда лет назад, вероятно, была вода - важнейший ингредиент для древней жизни. Камеры и другие инструменты марсохода помогут отобрать образцы и получить информацию об окружающей среде. Бур будет извлекать древние образцы с глубины до двух метров. Ученые предполагают, что это достаточно далеко, говорит Ваго, чтобы быть защищенным от космической радиации на Марсе, которая разрушает молекулы «как миллион маленьких ножей».
Космические масс-спектрометры должны быть прочными и легкими. Масс-спектрометр с возможностями MOMA обычно занимал бы несколько рабочих столов, но его размеры значительно уменьшились. «Возможность довести что-то, что может быть размером с комнату, до размеров тостера или небольшого чемодана и отправить это в космос — это очень большая удача», - говорит Суинер.
Взгляд на жизнь
MOMA поможет ученым искать признаки жизни на Марсе, просеивая молекулы в поисках закономерностей, которые вряд ли могут быть сформированы каким-либо другим способом. Например, липиды - соединения, которые являются строительными блоками клеточных мембран - почти у всех живых существ имеют преобладание четного числа атомов углерода, в то время как в неживой химии наблюдается более равномерное сочетание четного и нечетного числа атомов углерода. Обнаружение набора липидов с атомами углерода, которые являются кратными числами, а не случайным набором, является потенциальным признаком жизни.
Аналогичным образом, аминокислоты - строительные блоки белков - могут быть созданы либо жизнью, либо небиологической химией. Они существуют в двух формах, которые являются зеркальным отражением друг друга, но в остальном идентичны, как левая и правая руки. На Земле жизнь в подавляющем большинстве случаев содержит только левосторонние аминокислоты. Неживая химия производит как левосторонние, так и правосторонние разновидности. Другими словами, большой избыток либо левосторонних, либо правосторонних аминокислот более похож на жизнь, чем более равномерная смесь.
В целом, ученые считают, что химические распределения, подобные этим, будут свидетельствовать о наличии жизни, даже если молекулы, демонстрирующие эти закономерности, не существуют в земной биохимии.
Предыдущие миссии на Марсе, включавшие масс-спектрометры, столкнулись с проблемами, которые мешали им выявить признаки жизни. Ученые воспользовались полученными уроками и разработали MOMA для преодоления этих препятствий, включая одно из самых проблемных: печально известный разрушитель молекул - перхлорат. Перхлорат, который также обнаруживается в экстремальных земных условиях, таких как южноамериканская пустыня Атакама, может разрушать органические молекулы при высоких температурах, скрывая потенциальные признаки жизни.
В 2008 году марсоход «Phoenix» обнаружил перхлорат-ионы в почве Марса. Две другие миссии, «Viking» и «Curiosity», обнаружили хлорированные углеводороды - возможные побочные продукты реакции перхлората с марсианскими молекулами в высокотемпературных печах своих масс-спектрометров. Это означает, что перхлорат мог затушевать любые свидетельства наличия органических молекул, которые могли бы указывать на жизнь.
MOMA ловко обходит проблему перхлората с помощью ультрафиолетового лазера. Лазер испаряет и ионизирует образцы за один раз, причем импульсы света длятся менее двух наносекунд - слишком быстро, чтобы произошла реакция перхлората.
У лазера есть еще одно преимущество: он оставляет молекулы практически неповрежденными, когда дает им заряд для создания ионов. Viking и Curiosity создавали ионы, заряжая их электронами. Эти столкновения не сохраняли слабые химические связи, которые могут быть важны для определения структуры молекул в образце, в то время как лазер сводит фрагментацию молекул к минимуму. Затем MOMA может сортировать эти относительно неповрежденные ионы и целенаправленно фрагментировать один ион, представляющий интерес, что не смогли сделать ни «Викинг», ни Curiosity. Анализируя полученные в результате фрагменты головоломки этого иона, можно определить химическую структуру исходной молекулы из марсианского образца и таким образом идентифицировать, что это такое.
Эта лазерная техника впервые отправится на Марс, но испытания на Земле показывают, что она будет работать. Прототип обнаружил следы органических молекул даже в присутствии большего количества перхлората, чем Phoenix обнаружил в марсианской почве, говорит Бринкерхофф. А в похожих на марсианские образцах, собранных в Йеллоустонском национальном парке, он обнаружил липиды и другие молекулы, более сложные, чем те, которые были обнаружены предыдущими марсианскими миссиями.
MOMA, как и его предшественники, также имеет высокотемпературные печи, и ученые могут использовать их вместо лазера для испарения образцов. Если, например, лазер обнаружит намеки на аминокислоты, печь может дать информацию, которую не может дать лазер. В режиме печи MOMA использует три химических реагента, которые стабилизируют молекулы для облегчения масс-спектрометрии. Один из них, который никогда ранее не использовался на Марсе, позволяет различать левосторонние и правосторонние аминокислоты, что дает возможность обосновать происхождение живых или неживых организмов так, как это не удавалось предыдущим миссиям.
MOMA не станет последним словом в вопросе о том, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе. По словам Ваго, даже самые заманчивые результаты должны быть подтверждены повторными экспериментами и другими приборами марсохода. Некоторые подтверждения также могут быть получены в ходе других миссий или даже когда-нибудь в результате анализа образцов с Марса, доставленных на Землю. «Нам нужно будет создать доказательную базу, потому что иначе нам никто не поверит», - говорит Ваго.
Международная команда ученых, работающая над миссией, знает, что нужно для создания доказательной базы, но пока марсоход «Rosalind Franklin» не приземлится на поверхность Красной планеты, они не могут приступить к работе. В марте 2022 года все эти ученые разделили разочарование от того, что давно отложенная миссия снова откладывается.
Но для Бринкерхоффа это разочарование сменилось волнением: в конце концов, миссия все еще жива. «Эта штука - лучшее, что есть в каждом из нас, - говорит он, - и просто увидеть, как она работает на Марсе, будет катарсисом для карьеры».
Автор - Кармен Дрэл, журналист-фрилансер и редактор, живущая в Вашингтоне, округ Колумбия.
Эта статья первоначально появилась в 2023 году в журнале Knowable Magazine, независимом журналистском начинании от Annual Reviews. DOI: 10.1146/knowable-050323-1 (About DOIs).
Источник: The long-awaited mission that could transform our understanding of Mars | Ars Technica
Перевод Дианы Канбаковой
Фото из открытых источников
